快速成型技术的现状与发展趋势

题目名称快速成型技术的现状与发展趋势

1、快速成型技术简介

快速成形技术又称快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。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。即，快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。

2、快速成型技术原理

快速成型技术采用离散/堆积成型原理，对三维CAD 模型进行分层，使其转换成厚度很薄的二维平面模型。通过平面模型的数控代码指导加工，再将加工出每个薄层粘结而成形。主要包括如下几个主要步骤：

（1）产品CAD实体模型构建：构建方法有两种，一是可通过概念设计，设计出所需零件的计算机三维模型（数字模型、CAD模型）；二是可通过逆向工程，通过三维数字扫描仪对产品原型进行扫描，而后结合逆向工程对扫描数据进行处理。

（2）三维模型的分层处理：即按照一定的规律将该模型离散为一系列有序的单元，通常在Z向将其按一定厚度进行离散（习惯称为分层），把原来的三维CAD模型变成一系列的层片。

（3）层层制造堆积成型：根据每个层片的轮廓信息，输入加工参数，自动生成数控代码。

（4）后处理：由成形系统成形一系列层片并自动将它们联接起来，得到一个三维物理实体。

3、快速成型技术的特点

（1）产品灵活性。RP技术采用离散/堆积成型的原理，将十分复杂的三维制造过程简化为二维制造过程的叠加，使复杂模型直接制造成为可能，越是复杂的零件越能体现RP技术的优越性；

（2）快速性。从CAD 设计到完成原型制作通常只需几个小时到几十个小时，加工周期短，可节约70%时间以上，能够适应现代竞争激烈的产品市场；

（3）低成本。与产品的复杂程度无关，节省了大量的开模时间，一般制作费用降低50%，特别适合新产品的开发和单件小批量零件的生产；

（4）成型过程中信息过程和材料过程一体化，制作原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用，尤其适合成型材料为非均质并具有功能剃度或有孔隙要求的原形；

（5）适应于加工各种形状的零件，制造工艺与零件的复杂程度无关，不受工具的限制，可实现自由制造（Free Form Fabrication），原型的复制性、互换性高；

（6）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，支持同步（并行）工程的实施；

（7）具有高柔性，采用非接触加工的方式，无需任何工夹具，即可快速成型出具有一

定精度和强度并满足一定功能的原型和零件。

（8）高集成化，RP 技术是集计算机、CAD/CAM、数控、激光、材料和机械等一体化的先进制造技术，整个生产过程实现自动化、数字化、与CAD模型具有直接的关联，所见即所得，零件可随时制造与修改，实现设计制造一体化。

（9）加工过程中无振动、噪声和废料，可实现无人值守长时间自动运行。

4、快速成型技术的应用

快速成型技术的应用是不断提高RP技术发展的重要因素，目前RP 技术已在工业造型、文化艺术、机械制造（汽车、摩托车）、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的应用。并且随着这一技术本身的发展，其应用将不断拓展。

（1）新产品开发过程中的设计验证与功能验证。在新产品造型设计过程中应用RP 技术可以为设计开发人员建立一种崭新的产品开发模式，运用该技术能够快速、直接、精确地将设计思想模型转化为具有一定功能的实体模型（样件），可以方便验证设计人员的设计思想和产品结构的合理性、可装配性、美观性，及时发现设计中的问题并修改完善产品设计。这样不仅大大缩短了开发周期，降低了开发成本，使企业在激烈的市场竞争中占有了先机。

（2）单件、小批量和特殊复杂零件的直接生产。在机械制造领域里有些特殊复杂制件只需单件或少于50 件的小批量生产，这样的产品通过制模再生产，成本高，周期长。RP 技术以自身独有的特点可以直接成型生产，成本低，周期短。

（3）产品展示。RP 原型是产品从设计到商品化各个环节中进行交流的有效手段。在全球经济经济化的今天，许多外向型企业都经常面临外商要求看样订货。如何在不可能开模试生产的情况下最快提供样品，抢占市场先机。在这种环境下，RP 技术又体现了明显的优势。

（4）快速模具制造。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，提高生产效

5 、快速成型技术的现状

目前RP技术还是面临着很多问题，问题大多来自技术本身的发展水平，其中最突出的表现在如下几个方面。

工艺问题

快速成型的基础是分层叠加原理，然而，用什么材料进行分层叠加，以及如何进行分层叠加却大有研究价值。因此，除了上述常见的分层叠加成形法之外，正在研究、开发一些新的分层叠加成形法，以便进一步改善制件的性能，提高成形精度和成形效率。

材料问题

成型材料研究一直都是一个热点问题，快速成型材料性能要满足：①有利于快速精确的加工出成型；②用于快速成型系统直接制造功能件的材料要接近零件最终用途对强度、刚度、耐潮、热稳定性等要求；③有利于快速制模的后续处理。发展全新的RP材料，特别是复合材料，例如纳米材料、非均质材料、其他方法难以制作的材料等仍是努力的方向。

精度问题

目前，快速成形件的精度一般处于±0.1 mm的水平，高度（Z）方向的精度更是如此。快速成型技术的基本原理决定了该工艺难于达到与传统机械加工所具有的表面质量和精度指标，把快速成型的基本成形思想与传统机械加工方法集成，优势互补，是改善快速成型精度的重要方法之一。

软件问题