快速成型技术

现代设计与加工方法——快速成型技术

快速成型技术(Rapid Prototyping & Manufacturing, 缩写为RP)是二十世纪八十年代末九十年代初兴起并迅速发展起来的新的先进制造技术. 其特点是可以不需机加工设备或者

模具即可快速制造形状极为复杂的工件，从而在小批量产品生产或新产品试制时节省时间和初始投资.

快速成型技术(RP)的成型原理是基于离散-叠加原理而实现快速加工原型或零件。这里所说的快速加工原型是指能代表一切性质和功能的实验件,一般数量较少,常用来在新产品

试制时作评价之用. 而这里所说的快速成型零件是指最终产品,已经具有最佳的特性,功能和经济性.

快速成型技术(RP)的成型过程: 首先建立目标件的三维计算机辅助设计(CAD 3D)模型, 然后对该实体模型在计算机内进行模拟切片分层,沿同一方向(比如Z轴)将CAD实体模型离散为一片片很薄的平行平面; 把这些薄平面的数据信息传输给快速成型系统中的工作执行

部件,将控制成型系统所用的成型原材料有规律地一层层复现原来的薄平面, 并层层堆积形成实际的三维实体,最后经过处理成为实际零件。

经过20多年的发展, 快速成型技术(RP)有较大发展, 应用非常广泛,尤其在汽车制造,航天航空,建筑,家电,卫生医疗及娱乐等领域有强大的应用.

快速成型技术优点

快速成型技术优点：不同于传统成型加工方法，利用RP技术加工零件，不需要刀具和模具，而是利用光、热、电等手段，通过固化、烧结、聚合等作用，实现材料的堆积，并从液态、粉末态过渡到实体状态从而完成造型过程。技术集成程度高，从CAD数据到物理实体转换过程快，周期短，成本低。快速制模是寻求更快更好地开发新产品的一种强有力手段。现在和将来，使用快速制模，采用客户所希望的材料来制造零件，都可以大幅度减少零件的交货时间。目前，扩大快速制模的应用范围可能还存在一些问题，但是快速制模进一步更大范围的应用，必将成为一种强大的。有益的新产品开发工具。传统产品开发过程中，用户一般要等待5—6个月才能看到新产品的试件原型。利用RP技术，可以在很短的时间(几小时或几天)内精确地生成产品的原型[3]。基于厂家和商家对RP原型的一致认同，很多制造厂家利用RP原型争夺产品订单。例如美国底特律的1家制造商，采用RP技术和快速精铸技术，在接到福特公司标书后的4个工作日内便生产出了第1个功能样件，从而在众多的竞争者中夺得了为福特公司生产年总产值达300万美元发动机缸盖精铸件的合同。

快速成型技术的缺点

快速原型技术的缺点是： 1、精度较低，难以构建结构复杂的零件。 2、垂直方向强度小。 3、速度较慢，不适合构建大型零件。3、成型精度相对国外先进的SLA工艺较低，最高精度0.127mm 4、成型表面光洁度不如国外先进的SLA工艺； 5、成型速度相对较慢

快速成型技术的内涵及技术特点

与传统的去除成形不同，快速成型技术是一种离散一堆积的成形过程。这种加工过程可分为前期数据处理(离散)和物理实现(堆积)。在离散过程中，将三维形体的CAD模型沿一定方向分解，得到一系列截面数据，再根据各自具体的工艺要求，获得控制成形头运动的轨迹；在堆积过程中，成形头在运动轨迹的控制下，加工出层片，并将层片与层片堆积、连接，重复上述2个过程，加工出零件。目前快速成型技术的成型工艺方法有十几种，各种方法有自

身的特点和实用范围。比较成熟并已商品化的成型方法有立体光固化成型法(SM)、选择性激光烧结法(SIS)、叠层制造法(UM)、熔融沉积造型法(FDM)等。

(1)快速性通过STL格式文件，RPM系统几乎可以与所有的CAD造型系统无缝连接，从CAD模型到完成原型制作通常只需几小时到几十小时，可实现产品开发的快速闭环反馈。(2)高度柔性快速成型系统是真正的数字化制造系统，它取消了工装夹具，系统不作任何改变和调整即可完成不同类型的零件的加工制作，特别适合新品开发或单件小批量生产。(3)与复杂程度无关性零件制造周期和制造成本与零件的形状和复杂度无关，而只与其净体积有关。

(4)高度集成化用重复的三维扫描成型复杂的三维零件，避免了数控加工的复杂编程步骤。从根本上克服了CAD／CAM集成时，CAPP这一瓶颈问题，从而实现高度自动化和程序化。

随着计算机技术的飞速发展，RP软件的功能也越来越强大，它的应用领域也随之扩大，特别是从制造业向非制造业发展。RP技术与新材料的结合越来越紧密，由于RP技术对材料的特殊要求，RP复合材料的研究与开发以及采用复合材料的不同种类的RP设备与工艺很重要。RP+RT的发展是近年来最重要的热点，也是最具巨大经济效益前景的一个领域。RP的原理，如能量场理论、生长成形、快速成形的边界模型等；RP技术在治疗学、康复工程、生长远程诊断、假肢制造等的应用研究与开发；用于RP的金属与陶瓷的激光结合；RP技术的集成化等。

快速成型技术的应用

快速成型技术的应用：技术的应用范围将不断扩大和深入，由于快速成型技术的巨大吸引力，不仅工业界对其十分重视，许多其他的行业也都纷纷致力于它的应用和推广，因此，其应用范围在不断扩大和深入。其中最突出的是在医疗领域的应用和在快速模具制造行业中的应用。专家预测，如果快速成型件能达到如下指标：强度大于500 MPa，精度高于0．01 mm，表面粗糙度小于1μm，那么，这项技术将迅速渗透到更多的领域，获得更令人鼓舞的应用成果。快速成型的应用主要体现在以下几个方面：

汽车、摩托车：外型及内饰件的设计、改型、装配试验、发动机、汽缸头试制。

家电：各种家电产品的外型与结构设计，装配试验与功能验证，市场宣传、模具制造。

通讯产品：产品外型与结构设计，装配试验、功能验证、模具制造。

航空、航天：特殊零件的直接制造，叶轮、涡轮、叶片的试制、发动机的试制、装配试验。轻工业：各种产品的设计、验证、装配、市场宣传、玩具、鞋类模具的快速制造。

医疗：医疗器械的设计、试产、试用，CT扫描信息的实物化、手术模拟、人体骨关节的配制。

国防：各种武器零件的设计、装配、试制，特殊零件的直接制作、遥感信息的模拟。

快速成型作为一种高新制造技术，其诞生至今获得了飞速发展，但任何新产品都有一个逐渐完善与发展的过程，因此，RP技术必将在现在的基础上，不断开发出新的工艺、材料及智能化相关技术，朝着精密化、低成本、标准化方向发展，并应以能直接生产半功能性、功能性零件为目标。我国如果能够在这些技术上取得突破，就在RP技术的研发与应用上占得先机，我国的制造业就能利用这一优势赶上发达国家。

1 周惦武等．快速成型技术的研究进展与发展趋势．铸造设备研究，2003(2)

2 匡和碧等．激光快速成型技术用于摩托车零部件的开发．机电产品开发创新，2003(1)

3 于杰等．快速成型技术(RP技术)引发制造业的变革．江苏机械制造与自动化，2001(4)