快速原型制造

快速原型制造
快速原型制造（ RPM ： Rapid Prototyping Manufacturing ）技术，又叫快速成形技术，简称 RP 技术，是 90 年代初发展起来的新兴技术， RPM 是 CAD 技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，被认为是近年来制造技术领域的一次重大突破，融合了机械工程、 CAD 技术、激光技术、数控技术和材料技术等，可以直接、自动、快速地将设计师的设计思想物化为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评价、修改及功能验证，有效地缩短了产品的研发周期，为企业的新产品开发和创新提供了技术支持。

1．RPM技术产生背景
随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈，产品的开发速度日益成为市场竞争的主要矛盾。

在这种情况下，自主快速产品开发的能力（周期和成本）成为制造业全球竞争的实力与基础。

同时，制造业为满足日益变化的用户需求，又要求制造技术有较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产而不大幅度增加产品的成本。

因此，产品开发的速度和制造技术的柔性就变的十分关键了。

RPM 技术就是在这种社会背景下，于 80 年代后期产生于美国，并很快扩展到日本及欧洲，是近 20 年来制造技术领域的一项重大突破。

RPM 技术问世不到十年，已实现了相当大的市场，发展非常迅速，在短短不到十年的时间里已实现了近五亿美元的市场。

人们对材料逐层添加法这种新的制造方法已逐步适应。

制造行业的工作人员都想方设法利用这种现代化手段，与传统制造技术的接轨工作也进展顺利。

人们用其长避其短，效益非凡。

与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段一起，快速成型已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了广泛应用。

2．RPM技术的原理及主要方法
RPM技术，是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体和技术总称。

RPM技术采用离散/堆积成型原理，其过程是：先由三维CAD软件设计出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型；然后根据工艺要求，将其按一定厚度进行分层，使原来的三维电子模型变成二维平面信息（截面信息），加入加工参数，产生数控代码；微机控制下，数控系统以平面加工方式，有序地连续加工出每个薄层，并使它们自动粘接而成形，这就是材料堆积的过程。

不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。

但是，其基本原理都是一样的，那就是"分层制造，逐层叠加"，类似于数学上的积分过程。

形象地讲，快速成形系统就像是一台"立体打印机"，如下图所示。

RPM技术的工艺不下30余种，最成熟的主要有以下四种：
1）立体印刷（SLA：Stereolithgraphy Apparatus）
将激光聚焦到液态固化液态材料（如光固化树脂）表面，令其有规律地固化，由点到线、到面、完成一个层面的建造；而后升降平台，移动一个层片厚度的距离，重新覆盖一层液态材料，再建造一个层，由此层层迭加，成为一个三维实件。

成形材料：液态光敏树脂；
制件性能：相当于工程塑料或蜡模；
主要用途：高精度塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。

2）分层实体制造（LOM：Laminated Odject Manufacturing）
它采用激光或刀具对箔材进行切割而获得一个层面。

具体的说，首先切割出工艺边框和原型的边缘轮廓线，而后将不属于原型的材料切割成网格状。

通过升降平台的移动和箔材的送给，可以切割出新的层片，并将其与筠有的层片粘接在一起，这样层层迭加后得到一个块状物；最后将不属于原型的材料小块剥除，就获得所需的三维实体。

这里所说的箔材可以是涂覆纸（涂有粘接剂覆层的纸），涂覆陶瓷箔、金属箔或其他材质基的箔材。

成形材料：涂敷有热敏胶的纤维纸；
制件性能：相当于高级木材；
主要用途：快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。

3）选择性激光烧结（SLS：Selective Laser Sintering）
对于由粉末铺成的很好密密实度和平整度的层面，有选择地直或间接粉末熔化或粘接，形成一个层面，铺粉压实，再熔结或接成另一个层面，并与原层面熔结或粘接，哪此层层迭加为一个三维实体。

成形材料：工程塑料、尼龙、石蜡等粉末；
制件性能：相当于工程塑料、蜡模、砂型；
主要用途：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。

4）熔融沉积成形（FDM：Fused Deposition Modeling）
将热熔性材料（ ABS、尼龙或蜡）通过国热器熔化，挤压喷出并堆积一个层面，然后将第二个层面用同样的方法建造出，并与前一个层面熔结在一起，如此层层堆积面获得一个三维实体。

成形材料：固体丝状工程塑料；
制件性能：相当于工程塑料或蜡模；
主要用途：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。

这几种方法各有优势，比如粉末激光烧结法（ SLS）利于复杂薄壁件设计，分层实体制造（LOM）利于厚壁件设计。

它们的共同点是：基本过程都是通过CAD建立实体模型，在文件以STL的格式输出后，经过切片软件的处理，得到片层文件并传递至快速成型系统，由系统自动生成整个零件。

快速成型技术是添加法的代表，它为机械制造工业开辟了一条全新的制造途径，而且不用任何刀具。

3．RPM技术发展
国外 RPM技术的研究和应用主要集中在美国、欧洲和日本。

从技术、材料、应用和基本设施等方面比较来看，总的情况是美国先于欧洲的日本，欧洲和日本平分秋色。

目前世界上已有 200多家机构开展了RPM的研究，据统计到1998年底全世界已销售4259余台RPM成型设备。

1）国外 RPM 工艺装备的发展目前 RPM的工艺装力发展速度很快，前述四种RPM 技术都已由许多公司开发了自己的装备。

美国主要的 RPM生产商有7家：3Dsystmes、Helisys、DTM、Stratasys、Sanders、Prototype、Soligen。

日本有6家：CMET、D－MEC、Teijin Selki、Kira Corp、Mitsui Zosen和Denken Enginerring、欧洲有3家：德国的EOS、以色列的Cubital、F&S。

2）国外 RPM 成型材料的发展成形材料是 RPM技术发展的关键环节。

国外现在所应用的成型材料已经较为丰富，见表1所示。

软件是
之一。

在 RPM发展的初期，人们的注意力主要集中在工艺本身，而随着应用的不断深入，软件处理的精度和速度，软件对复杂模型的处理能力就成为应用中的一个主要瓶颈。

国外的RPM公司和研究机构对此都非常重视并投入大量人力和资金进行软件的研究
和开发。

国外的各大RPM系统生产商一般都开发自己的数据变换接口软件，如3D SYSTEM 公司的 ACES、QuickCast, Helisys公司的LOMSIice,DTM 的Rapid
Tool,Stratasys的Quicklice、Supprtwoks、AutoGen,Cubital的SoliderDFE,Sander Prototype 的ProtBuild和ProtoSupporl等。

由于CAD与RPM的数据变换接口软件开发的困难性和相对独立性。

国外涌现了很多作为CAD与RPM系统之间的桥染的第三方软件。

这些软件一般都以常用的数据文件格式作为输入输出接口。

输入的数据文件格式有STL、IGES、DXF、HPGL、CT层文件等而输出的数据文件一般为CLI。

以下是国外比较著名的一些第三方接口软件：美国Solid Concept公司的Bridge Works、Solid View，比利时Materialise公司的Magics，美国POGO公司的STL Manager，美国人Igore Tebelev 的Still View,美国Imageware公司的Surface-RPM等。

其他第三方数据接口软件还有克莱梅森大学的 CIDES、Anthony D.Martin开发的ADMesh，XOX公司的SHAPES，Brock Rooney的Brockware，I-DEAS的RPM模块，CADDS的RPM模块等。

由于数据接口软件的开发往往需要很高的专业水平，要耗费大量的财力和时间，现在国外出现了RPM生产商购买第三方数据接口软件的趋势。

如1996年3D SYSTEM公司与Imageware公司达成协议，采用Imageware的RP一系列模块作为“3D Systems SL Toolkit”。

而Sanders Prototype公司也采用了STL-Manager作为自己的数据接口软件。

另外，德国的F＆S公司也购买了MAGICS软件的部分模块。

从技术角度说，数据转换和处理软件的难度集中在 STL自动纠错、支撑的自动添加、快速模具制造时的实体空腔化或网格（lattice）化处理、扫描矢量的生成等环节。

目前国外软件综合起来在这些方面都处理的比较好。

国外现在软件有人工智能化的趋势。

4．我国RPM发展现状
我国主要从事 SLA、LOM、FDM、SLS四种RPM工艺与装备，其中西安交通大学、清华大学进行SLA工艺研究，清华大学、华中科技大学进行LOM工艺研究，清华大学华中科技大学、进行FDM工艺研究，北京隆源公司、华中科技大学、南京航空航天大学等进行SLS工艺研究。

国内在材料方面进行的研究较少，现在研究的材料主要是 SL用料――光固化树腊（西安交大、清华大学、浙江大学），FDM用料――腊、ABS及尼龙（清化大学），LOM 用料――涂敷纸（华中科技大学、清华大学），SLS用料――树脂蜡、工程塑料（北京隆源公司）等。

国内各单位都在研究并自行开发了从 CAK数据文件到RPM的转换和处理和程序。

5．RPM技术的独有特性
RPM最主要特征就是由CAD模型直接驱动快速制造任意复杂形状三维实体，具有以下独有特性：
（ 1）运用RPM技术能自动、快速、精确地将设计思想转变成一定功能的产品原型或直接制造零件，对缩短产品开发周期、减少开发费用、提高企业的市场竞争能力具有重要意义；（ 2）RPM集成了机械工程、计算机控制、CAD、数控技术、检测技术、激光材料和各种学科的前沿技术，是一种造型的高新技术；
（ 3）RPM改变了传统制造加工采用的“去除”原理，而是采用了离散一－堆积原理；
（ 5）由CAD模型直接驱动；
（ 6）成型设备无需专用工具；
（ 7）成型过程中无人干预或者较少干预。

6．RPM技术的应用
图 1 RPM在RPD方面的应用总图
RPM技术应用发展很快。

一个显著的指标是RPM服务机构的数量和收入。

国外RPM服务的数量以每年59%的速度递增，从1992年的42个发展到1996年284个，1997年的331个。

服务机构购习的设备占设备拥有量的29%，1995年服务机构的总睡入达到1.92亿美元。

可以说，国外已经从对RPM工艺的熟悉、观望、尝试性应用阶段时入了将RPM真正作为产品开发的重要环节，提高产品开发质量、加快产品开发速度的阶段。

RPM具有以下特点：
（ 1）可以制成几何形状任意复杂的零件，而不受传统机械加工方法中刀具无法达到某些型面的限制，可实现自由制造。

（ 2）由于采用非接触加工的方式，没有工具更换和磨损之类的问题，可做到无人值守，无需机加工方面的专门知识就可操作。

（ 3）曲面制造过程中， CAD数据的转化(分层)可百分之百地全自动完成，而不靠数控切削加工中需要高级工程人员数天复杂的人工辅助劳动才能转化为完全的工艺数控代码。

（ 4）不需要传统的刀具或工装等生产准备。

任意复杂零件的加工只需在一台设备上完成，因而大大缩短了新产品的开发成本和周期，其加工效率远胜于数控加工。

（ 5）设备购置投资低于数控机床。

（ 6）产品的单价几乎与批量无关，特别适合于新产品的开发和单件小批量零件的生产。

（ 7）无切割、噪音和振动等，有利于环保。

（ 8）整个生产过程数字化，与CAD模型具有直接的关联，零件可大可小，所见即所得，可随时修改，随时制造。

（ 9）与传统方法结合，可实现快速铸造，快速模具制造、小批量零件生产等功能，为传统制造方法注入新的活力。

RPM 的应用主要在以下几方面：
（ 1 ） RPM 的应用领域 RPM 在国民经极为广阔的领域得到了应用，目前已应用于制造业、与美学有关的工程、医学、康复、考古等，并且还在向新的领域发展。

（ 2 ）产品设计中的应用―― 快速产品开发 RPD ，即产品设计评估与校审。

RPM 在 RPD 方面应用如图 1 所示。

RPM 在产品开发中的关键作用和重要意义是很明显和，它不受复杂形状的任何限制，可迅速地将示于计算机屏幕上的设计变为可进一步评估的实物。

根据原形，可对设计的正确性、造型合理性、可装配和干涉，进行具体的检验。

对形状较复杂而贵重的零件（如模具），如直依据 CAD 模型不经原型阶段就进行加工制造，这种简化的做法风险极大，往往需要多次反复才能成功，不仅延误开发的进度，而且往往需花费更多的资金。

通过原型的检验可将此种风险减到最低的限度。

一般来说采用 QRPM 快速产品开发技术，可减少产品开发成本 30-70% ，减少开发时间 50% 。

如开发光学照相机体采用 RPM 技术仅需 3 ～ 5 天（从 CAD 建模到原型制作），花费 5000 马克，而传统的方法则至少需一个月，需 3 万马克。

（ 3 ） Rapid Tooling( 快速工具 ) 模具是快速工具制造技术应和的重要方面，原型的快速设计和自动制造也保证了工具的快速制造。

无需数控铣削，无需电火花加工，无需任何专用工装和工具，直接根据原型将复杂的工具和型腔制造出来，是当今 RapidTooling 的最大优势。

一般来说，采用 RPM 技术，模具制造时间和成本均为传统传技术的 1/3 。

7、应用RP技术的重要意义
大大缩短新产品研制周期，确保新产品上市时间―――使模型或模具的制造时间缩短数倍甚
至数十倍；
提高了制造复杂零件的能力―――使复杂模型的直接制造成为可能；
显著提高新产品投产的一次成功率―――可以及时发现产品设计的错误，做到早找错、早更
改，避免更改后续工序所造成的大量损失；
支持同步（并行）工程的实施―――使设计、交流和评估更加形象化，使新产品设计、样品
制造、市场定货、生产准备、等工作能并行进行；
支持技术创新、改进产品外观设计―――有利于优化产品设计，这对工业外观设计尤为重要。

成倍降低新产品研发成本―――节省了大量的开模费用。

快速模具制造可迅速实现单件及小批量生产，使新产品上市时间大大提前，迅速占领市场。

总而言之， RP 技术是九十年代世界先进制造技术和新产品研发手段。

在工业发达国家，企业在新产品研发过程中采用 RP 技术确保研发周期、提高设计质量已成为一项重要的策略。

当前，市场竞争愈演愈烈，产品更新换代加速。

要保持我市产品在国内外市场的竞争力，迫切需要在加大新产品开发投入力度、增强创新意识的同时，积极采用先进的创新手段。

用 RP 技术快速制造出的模型或样件可直接用于新产品设计验证、功能验证、外观验证、工程分析、市场订货等，非常有利于优化产品设计，从而大大提高新产品开发的一次成功率，提高产品的市场竞争力，缩短研发周期，降低研发成本。