快速成型技术的现状和发展趋势

快速成型技术的现状和发展趋势

1 快速成型技术的基本成型原理

近十几年来，随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈。尤其是计算机技术的迅速普遍和CAD/CAM技术的广泛应用，使得快速成型技术 (Rapid Prototyping简称RP)得到了异乎寻常的高速发展，表现出很强的生命力和广阔的应用前景。

传统的加工技术是采用去材料的加工方式，在毛坯上把多余的材料去除，得到我们想要的产品。而快速成型技术基本原理是:借助计算机或三维扫描系统构建目标零件的三维数字化模型,之后将该信息传输到计算机控制的机电控制系统,计算机将模型按一定厚度进行“切片”处理,即将零件的3D数据信息离散成一系列2D轮廓信息,通过逐点逐面的增材制造方法将材料逐层堆积,获得实体零件,最后进行必要的少量加工和热处理,使零件性能、尺寸等满足设计要求。。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。

目前，快速成形的工艺方法已有几十种之多，大致可分为7大类，包括立体印刷、叠层实体制造、选择性激光烧结、熔融沉积成型、三维焊接、三维打印、数码累积成型等。其基本的原理如下图所示。

图1 快速成型原理示意图

2 快速成型技术在产品开发中的应用

不断提高RP技术的应用水平是推动RP技术发展的重要方面。目前，交通大学机械学院，快速成型国家工程研究中心，教育部快速成型工程研究中心快速成型技术已在工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到了广泛应用。并且随着这一技术本身的发展，其应用领域将不断拓展。RP技术的实际应用主要集中在以下几个方面：

2.1 用于新产品的设计与试制。

（1）CAID应用: 工业设计师在短时间得到精确的原型与业者作造形研讨。

（2）机构设计应用: 进行干涉验证，及提早发现设计错误以减少后面模具修改工作。

（3）CAE功效:快速模具技术以功能性材料制作功能性模具，以进行产品功能性测试与研讨。

（4）视觉效果：设计人員能在短时间之便能看到设计的雛型，可作为进一步研发的基石。

（5）设计确认:可在短时间即可完成原型的制作，使设计人员有充分的时间对于设计的产品做详细的检证。

（6）复制于最佳化设计：可一次制作多个元件，可使每个元件针对不同的设计要求同时进行测试的工作，以在最短时间完成设计的最佳化。

（7）直接生产: 直接生产小型工具，或作为翻模工具

2.2 快速制模及快速铸造

快速模具制造传统的模具生产时间长，成本高。将快速成型技术与传统的模具制造技术相结合，可以大大缩短模具制造的开发周期，提高生产率，是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径。快速成形技术在模具制造方面的应用可分为直接制模和间接制模两种，直接制模是指采用RP技术直接堆积制造出模具，间接制模是先制出快速成型零件，再由零件复制得到所需要的模具

2.3 机械制造

由于RP技术自身的特点，使得其在机械制造领域，获得广泛的应用，多用于制造单件、小批量金属零件的制造。有些特殊复杂制件，由于只需单件生产，或少于50件的小批量，一般均可用RP技术直接进行成型，成本低，周期短。2.4 医疗中的快速成形技术

在医学领域的应用近几年来，人们对RP技术在医学领域的应用研究较多。以医学影像数据为基础，利用RP技术制作人体器官模型，对外科手术有极大的应用价值。

2.5 三维复制

快速成形制造技术多用于艺术创作、文物复制、数字雕塑等。

2.6 航空航天技术领域

航空航天产品具有形状复杂、批量小、零件规格差异大、可靠性要求高等特点，产品的定型是一个复杂而精密的过程，往往需要多次的设计、测试和改进，耗资大、耗时长，而快速成型技术以其灵活多样的工艺方法和技术优势而在现代航空航天产品的研制与开发中具有独特的应用前景。

2.7 家电行业

快速成形系统在国的家电行业上得到了很大程度的普及与应用，使许多家电企业走在了国前列。如：的美的、华宝、科龙；的春兰、小天鹅；的海尔等，都先后采用快速成形系统来开发新产品，收到了很好的效果。快速成形技术的应用很广泛，可以相信，随着快速成形制造技术的不断成熟和完善，它将会在越来越多的领域得到推广和应用。

3 举例说明快速成型技术在航空制造领域的发展探究

快速成型技术中的3D打印技术是一种新型的增材制造，是全球制造领域兴起的一种制造技术，集合了光控、数控和新材料的应用。在航空制造领域，3D 打印技术能够在复杂部件生产制造上发挥重要的作用，能够创新材料类型，将新技术与新方法有机融合，形成适合航空产业发展的技术创新和产品创新。

3.1 3D打印技术的发展

在全球围，美国是推动3D打印技术快速发展的先锋，勇于尝试3D打印技术在新领域的发展，例如在电子产品、军事、汽车工业上开始使用3D打印技术。随着优势不断体现，3D打印技术逐渐开始应用在地理信息、艺术设计、航空航天、医疗等各领域。在一些欧美国家，3D打印技术已经形成了初步的商业运行模式，美国将3D打印技术应用在军事领域和航空航天制造领域取得了良好效果，日本佳能是全球第一家将3D打印技术应用在民用领域的企业，它将3D打印技术

应用在单反相机的壳体制造上，将美铝合金制造成曲线面，形成相机的顶盖。我国的航空工业经历了漫长的发展时期，在航空技术出现后，我国并没有占据更多优势，特别在航空制造方面，我国一直落后于西方国家，但近年来，随着我国科学技术的突飞猛进，航空制造技术领域得到了全新的升级，3D打印技术应用在航空制造上取得了一定成效，目前我国的3D打印技术应用水平领先世界前沿，例如3D打印技术的净成型加工技术，能够在航空制造过程中发挥优势作用。3.2 3D打印技术的优势

（1）3D打印技术通过金属熔融叠加塑形。从金属制造和加工的技术考虑，3D打印技术的主要原理就是通过数字化处理系统，利用数字化模型进行空间网格化设计，通过各个空间点阵，利用金属微量熔融和烧结技术，将零件一层层堆积成型。在航空制造业中，3D打印技术能够增加零件的韧度，高分子的操作使金属成型更快速，更符合航空材料的需求。

（2）3D打印技术可以使用钛合金等高强度材料。3D打印技术使用的材料主要集中在钛合金、铝锂合金等高强度材料上，生产过程中运用光学原理，打破材料本质的特性，使熔融金属丝沉淀，能满足航空部件化学性质稳定的要求。

（3）3D打印技术结合了电子光学效应。该技术特别是对复杂腔体、扭转体或者薄壁腔体，成型效果优势明显。另外，大功率激光器是3D打印技术中使用的主要设备，激光数字成型技术与电子束相似，但是，比电子束更具实际操作力，在扫描点阵精度上更高，并且能够减少材料的损耗。

3.3 在航空领域的应用发展

（1）对产品外形进行验证