快速成型综述

快速成型综述

快速成型(Rapid Prototyping简称RP)技术，被认为是近年来制造技术领域的一次重大突破，其对制造业的影响可与数控技术的出现相媲美。快速成型系统综合了机械工程、CAD、数控技术，激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将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、修改及功能试验，有效地缩短了产品的研发周期。而以RP系统为基础发展起来并已成熟的快速模具工装制造(Quick Tooling)技术，快速精铸技术(Quick Casting)，快速金属粉末烧结技术(Quick Powder Sintering)，则可实现零件的快速成品。

快速成型技术，迴异于传统的去除成型(如车、削、刨、磨)，拼合成型(如焊接)，或受迫成型(如铸、锻，粉末冶金)等加工方法，而是采用材料累加法制造零件原型，其原理是先将CAD 生成的三维实体模型通过分层软件分成许多细小薄层，每个薄层断面的二维数据用于驱动控制激光光束，扫射液态光敏树脂，使其固化，以逐层固化的薄层累积成所设计的实体原型，激光快速成型技术较之传统的诸多加工方法展示了以下的优越性:

产品设计评估与校审

快速成型技术将CAD的设计构想快速、精确、而又经济地生成可触摸的物理实体。显然比将三维的几何造型展示于二维的屏幕或图纸上具有更高的直观性和启示性。正可谓“一图值千言，一物值千图”。因此，设计人员可以更快，更易地发现设计中的错误。更重要的是，对成品而言，设计人员可及时体验其新设计产品的使用舒适性和美学品质。RP生成的模型亦是设计部门与非技术部门交流的更好中介物。有鉴于此，国外常把快速成型系统作为CAD系统的外围设备，并称桌上型的快速成型机为“三维实体印刷机(3D Solid Printer)”。

产品工程功能试验

在RP系统中使用新型光敏树脂材料制成的产品零件原型具有足够的强度，可用于传热、流体力学试验，用某些特殊光敏固化材料制成的模型还具有光弹特性。可用于产品受载应力应变的实验分析。例如，美国GM在为其97年将推出的某车型开发中，直接使用RP生成的模型进行其车内空调系统、冷却循环系统及冬用加热取暖系统的传热学试验，较之以往的同类试验节省费用40%以上。Chrysler则直接利用RP制造的车体原型进行高速风洞流体动力学试验，节省成本达70%。

厂家与客户或订购商的交流手段

在国外，RP原型成为某些制造厂家争夺订单的手段。例如位于Detroit的一家仅组建两年的制造商，由于装备了2台不同型号的快速成型机及以此为基础的快速精铸技术，仅在接到Ford 公司标书后的4个工作日内便生产出了第一个功能样件，从而在众多的竞争者中夺到了为Ford公司生产年总产值达300万美元发动机缸盖精铸件的合同；零一方面，客户总是更乐意对着实物原型“指手划脚”，提出其对产品的修改意见。因此，RP模型是设计制造商就其产品与客户交流沟通的最佳手段。

快速模具制造

以RP生成的实体模型作模心或模套，结合精铸、粉末烧结或电极研磨等技术可以快速制造出企业生产所需要的功能模具或工装设备，其制造周期较之传统的数控切削方法可缩短30%～40%以上，而成本却下降35%～70%。模具的几何复杂程度愈高，这种效益愈显著。据一家位于美国Chicago的模具供应商(仅有20名员工)声称，其车间在接到客户CAD设计文件后1周内可提供任意复杂的注塑模具，而实际上80%模具则可在24～48小时内完工。

快速直接制造

快速成型技术利用材料累加法亦可用来制造塑料、陶瓷、金属及各种复合材料零件。由于RP技术给工业界带来巨大的效益。因而，它被誉为近十年来工业界的一项重大(革命性与突破性)的科技发展，1992年以前全世界总共装机为300台，而到1995年世界装机为1000台，分布于六大洲的40多个国家，这期间几乎以每年50%的速度增长而从1995年到1996年4月，具美国Dayton国际RP技术研讨会上一份报告统计台数增长为40%以上，而在设计开发，制造中使用过RP技术的厂商数目增长率为52%。鉴于这种形势，我国政府在“九·五”的第一年就将该技术列入“九·五”攻关项目，同时，“九·五”国家科技攻关中，把先进制造技术列为重点资助的领域之一，而先进制造技术中的几项重要内容，如:精密成型、CAD推广应用、并行设计和并行工程、敏捷制造、虚拟制造等技术方面都与RP有关，甚至主要以RP作技术支撑。

快速成形技术优越性和特点：

产品制造过程几乎与零件的复杂性无关。

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。

采用非接触加工，没有工具更换和磨损之类的问题，可以做到无人值守。

无切割、噪音和振动等，有利于环保。

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。

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。

快速成型的作业流程

无论是新的概念设计还是产品仿制，快速成型的过程是生成三维CAD 模型或曲面模型文件，将CAD 数据转换成STL 文件格式，并利用软件从STL 文件“ 切”(Slice) 出一定厚度的一系列的片层，或者直接从CAD 文件切出一系列的片层，得到这一系列片层的过程称为数据转换。

将每一片层的资料传到快速成型设备中去，依次将每一层扫描出来，直到完成整个零件。

判断得到的零件实物是否满足要求，如果满足要求，就可以对其进行进一步测试和研究，也可以进行小批量的生产，模具开发过程结束。

如果不满足要求，则需要修改CAD 数据甚至重新设计得到CAD 数据，重复上述步骤，直到合乎要求为止。

快速成型技术工艺方法

熔融堆积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）FDM成型工艺原理：FDM(Fused Depostion Modeling) 工艺由美国学者Dr. Scott Crump于1988年研制成功，并由美国Stratasys 公司推出商品化的3D Modeler 1000、1100和FDM1600、1650等规格的系列产品，最新产品是制造大型ABS原型的FDM8000、Quantum等型号的产品。清华大学开发了与其工艺原理相近的MEM(Melted Extrusion Manufacturing)工艺及系列产品。

FDM工艺一般使用热塑性材料，如蜡、ABS、尼龙等。材料在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料以丝状挤出；材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。如果热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而成型的部分温度稍低于固化温度，就能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一个层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体造型。

FDM工艺不用激光器件，因此使用、维护简单，成本较低。用蜡成形的零件原型，可以直接用于失蜡铸造。用ABS制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。由于以FDM工艺为代表的熔融材料堆积成形工艺具有一些显著优点，该类工艺发展极为迅速。其缺点是表面粗糙度较高，需后处理；成形时间较长；材料昂贵。

叠层实体制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）

LOM成型工艺原理

LOM (Laminated Object Manufacturing)工艺最早是由美国Helisys公司开发的。该项技术将特殊的薄片材料一层一层地堆叠起来，激光束只须扫描和切割每一层的边沿，而不必象SL那样，要对整个表面层进行扫描。它是将单面涂有热溶胶的箔材（涂覆纸－涂有粘接剂覆层的纸、涂覆陶瓷箔、金属箔等）通过热辊加热粘接在一起，使激光束在片材平面内沿确定轨迹扫描而形成平面模型。平面模型逐层堆叠在并在滚压辊的滚压下粘接逐步形成整体物理模型，去除废料后即成型。废料部分切成网络是为了便于消除。

目前最常用的材料是一种在一个面上涂布了热熔树脂胶的纸。在LOM成型机器里，材料由一个供料卷筒被拉出，胶面朝下平整地经过造型平台，由位于另一方的收料卷筒收卷起来。每