速成型技術(shù)(Rapid Prototyping簡(jiǎn)稱RP)，是近幾年快速發(fā)展起來(lái)的應(yīng)用于制造業(yè)的高新技術(shù)，它成功地解決了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)中三維模型“看得見(jiàn)，摸不著”的問(wèn)題，能將三維的幾何圖形快速自動(dòng)實(shí)體化，使設(shè)計(jì)的理想——將設(shè)計(jì)迅速變成實(shí)物成為現(xiàn)實(shí)。

到目前為止，已有十幾種不同的RP系統(tǒng)問(wèn)世，其中比較典型的商品化RP系統(tǒng)有：熔積成型(Fused Deposition Modeling簡(jiǎn)稱FDM)立體光刻設(shè)備(Stereolithgraphy Apparatus簡(jiǎn)稱SLA)、選擇性激光燒結(jié)(Selected Laser Sintering簡(jiǎn)稱SLS)、分層物體制造(Laminated Object Manufacturing簡(jiǎn)稱LOM)等，目前，生產(chǎn)FDM系統(tǒng)的主要制造商有美國(guó)的Stratasys公司及國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)等單位；生產(chǎn)SLA系統(tǒng)的主要制造商有美國(guó)的3Dsystems公司、德國(guó)的EOS公司以及國(guó)內(nèi)的西安交通大學(xué)等；生產(chǎn)SLS系統(tǒng)的主要制造商有美國(guó)的DTM公司、德國(guó)的EOS公司以及國(guó)內(nèi)的北京隆源快速成型有限公司、華中科技大學(xué)、華北工學(xué)院等；生產(chǎn)LOM系統(tǒng)的主要制造商有美國(guó)的Helisys公司、新加坡的kinergy公司、日本的kira公司以及國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)華中科技大學(xué)等。

1，快速成型系統(tǒng)及其原理　　

快速成型技術(shù)是利用材料堆積法快速制造產(chǎn)品的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)。它的本質(zhì)是利用積分制造三維實(shí)體。在成形過(guò)程中將計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存的任意三維形體信息傳給成型機(jī)，通過(guò)材料疊加法直接制造出來(lái)，而不需要特殊的模具、工具或人工干涉?！　?/p>

FDM不是采用激光作能源，而是將電能傳遞給塑料絲，在擠出噴頭前達(dá)到熔融狀態(tài)，噴頭在計(jì)算機(jī)控制下作X-Y聯(lián)動(dòng)掃描，在掃描運(yùn)動(dòng)中噴出熔融的材料，形成一個(gè)加工層并與上一層牢牢地連接在一起，這樣層層掃描疊加便形成一個(gè)空間實(shí)體。這種方法的能量傳輸和材料傳輸均不同于其他三種方法，系統(tǒng)成本較低，但由于噴頭的運(yùn)動(dòng)方式屬于機(jī)械運(yùn)動(dòng)，對(duì)速度有一定限制，所以加工效率較低，且其材料適用范圍有限。

SLA使用的是可光固化的光敏樹(shù)脂，當(dāng)掃描器在計(jì)算機(jī)的控制下，將激光器的能量按分層信息傳遞給成型液面后，光敏樹(shù)脂就發(fā)生聚合反應(yīng)而固化，完成一層的加工，所用激光器的激光波長(zhǎng)有限制，一般采用的激光器波長(zhǎng)為(325-364)nm，采用這種方法成型的零件有較高的精度且表面光潔，但可用材料范圍較窄。　　

SLS使用固體粉末材料，先在工作臺(tái)上鋪一層粉，采用激光束在計(jì)算機(jī)控制下有選擇地進(jìn)行燒結(jié)，該材料能吸收激光能量，使之熔化并在隨后的冷卻過(guò)程中固化，從而完成層的成型，一層完成后再進(jìn)行下一層。這樣層層疊加形成一個(gè)空間實(shí)體。燒結(jié)完成后去除多余粉末便為所需樣件，其材料適應(yīng)范圍很廣，特別是在金屬和陶瓷材料的成型方面有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但是所成型的零件精度和表面粗糙度較差，有待于進(jìn)一步提高?！?/p>

LOM的層面信息通過(guò)每一層的輪廓來(lái)表示，激光掃描器動(dòng)作由這些輪廓信息控制，它采用的材料是具有一定厚度的片材，這種加工方法只需加工輪廓，所以可達(dá)到很高的加工速度，但材料范圍很窄，每層范圍不可調(diào)整是其最大缺點(diǎn)。RP系統(tǒng)的主要成型設(shè)備如表1所示。

表1 RP系統(tǒng)主要成型設(shè)備

RP系統(tǒng)主要成型設(shè)備

2，快速成型技術(shù)的應(yīng)用及優(yōu)點(diǎn)　　

RP技術(shù)已得到了工業(yè)界的普遍關(guān)注，尤其在家用電器、汽車玩具輕工業(yè)產(chǎn)品、建筑模型、醫(yī)療器械及人造器官模型、航天器軍事裝備、考古、工業(yè)制造、雕刻、電影制作以及從事CAD的部門都得到了良好的應(yīng)用。其用途主要體現(xiàn)在以下5個(gè)方面。

2.1 新產(chǎn)品研制開(kāi)發(fā)階段的試驗(yàn)驗(yàn)證　　

在新產(chǎn)品的研制階段，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)雖然使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加快捷方便，但設(shè)計(jì)人員只能借助設(shè)計(jì)圖紙和計(jì)算機(jī)模擬對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)判，不能直觀評(píng)判所設(shè)計(jì)的效果和結(jié)構(gòu)的合理性以及生產(chǎn)工藝的可行性，對(duì)形狀復(fù)雜的產(chǎn)品尤其如此。快速成型技術(shù)可以快速制造出生產(chǎn)樣品的實(shí)物模型，供設(shè)計(jì)者和用戶直接進(jìn)行測(cè)量裝配功能實(shí)驗(yàn)和性能測(cè)試，從而快速經(jīng)濟(jì)地驗(yàn)證設(shè)計(jì)人員的思想和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性，可制造性、可裝配性及美觀性，找出設(shè)計(jì)缺陷，并進(jìn)行反復(fù)修改、制造，完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)，這樣就可以大大縮短新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，使設(shè)計(jì)符合預(yù)期的形狀、尺寸和工藝要求，這一驗(yàn)證過(guò)程使設(shè)計(jì)更趨完善，避免了盲目投產(chǎn)造成的浪費(fèi)。

2.2 新產(chǎn)品投放市場(chǎng)前的調(diào)研和宣傳　　

在新產(chǎn)品投放市場(chǎng)前，先用快速成型技術(shù)制造出產(chǎn)品的替代品，在潛在的用戶中進(jìn)行調(diào)研和宣傳，了解用戶的意見(jiàn)和需求量，以此來(lái)決定是否向市場(chǎng)投放此新產(chǎn)品、其價(jià)格如何，從而確定其生產(chǎn)規(guī)模，為企業(yè)進(jìn)行決策提供依據(jù)。

2.3 快速制?！?/strong>　

快速制模(RT)技術(shù)是快速成型技術(shù)的重要應(yīng)用方向之一，目前的RT技術(shù)主要集中在兩個(gè)大的研究方向：一是直接快速制摸(DRT)；另一個(gè)是間接快速制摸(IRT)。

2.3.1 直接快速制模技術(shù)(DRT)及其方法　　

DRT有3種方法：①軟模技術(shù)，通過(guò)RP技術(shù)生產(chǎn)具有一定機(jī)械性能的軟模(如硅橡膠模)，用LOM型RP系統(tǒng)通過(guò)直接或間接法，比較容易制做這種可用于小批量塑料制品生產(chǎn)的模具。②準(zhǔn)直接快速制模技術(shù)，在這里，準(zhǔn)直接主要是指通過(guò)RP技術(shù)生產(chǎn)的模具還需要較多的后續(xù)工作才能用于工件的生產(chǎn)，其主要方法是通過(guò)RP方法將包覆有粘結(jié)劑的金屬粉(SLS)、金屬懸浮液(SLA)、帶有金屬粒子的塑料絲(FDM)成型為半成品，再經(jīng)過(guò)粘結(jié)劑的去除和浸滲金屬液，從而產(chǎn)生密實(shí)的模具。③真DRT技術(shù)，這主要是指直接利用RP系統(tǒng)產(chǎn)生高密度的模具部件，金屬粉末不需要塑料粘結(jié)劑，通常是利用低熔點(diǎn)金屬作粘結(jié)劑，常用的RP技術(shù)是SLS。

2.3.2 間接快速制模技術(shù)(IRT)及其方法　　

間接快速制模技術(shù)所涉及的RP方法包括了LOM，SLS，SLA，F(xiàn)DM等，該技術(shù)有兩種制模方法：①第一種是通過(guò)RP方法成型模型(塑料、蠟等)，再通過(guò)模型用鑄造、電極成型、金屬噴涂等方法生產(chǎn)成型模具；②第二種是通過(guò)RP技術(shù)生產(chǎn)鑄型(砂型或殼型)，再通過(guò)鑄造方法用這些砂型或殼型生產(chǎn)模具?！　?/p>

快速成型技術(shù)應(yīng)用的最大領(lǐng)域是鑄造業(yè)。RP技術(shù)與精密鑄造工藝的結(jié)合產(chǎn)生了快速鑄造技木。它兼?zhèn)淞司荑T造與CNC機(jī)加工的優(yōu)點(diǎn)，可以大大降低產(chǎn)品生產(chǎn)的時(shí)間與費(fèi)用。美國(guó)修斯飛機(jī)公司在軍用直升機(jī)液視系統(tǒng)中成功地應(yīng)用了RP技術(shù)，整個(gè)過(guò)程僅用了8個(gè)月就提供了實(shí)驗(yàn)件，大大縮短了項(xiàng)目完成時(shí)間，節(jié)省了大量費(fèi)用?！　?/p>

生物醫(yī)學(xué)工程對(duì)RP技術(shù)來(lái)講也是一個(gè)全新的應(yīng)用領(lǐng)域，目前，RP技術(shù)己廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，其典型應(yīng)用介紹如下：

2.3.2.1 用LOM工藝制作骨盆　　

患者骨盆重構(gòu)CAD模型的制作，這一模型經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，采用LOM工藝，即以涂敷紙為原料的分層實(shí)體制造工藝逐層制作。這種紙質(zhì)骨盆模型可以用來(lái)翻制金屬骨盆，以修復(fù)骨病患者或外傷損毀的骨盆。

2.3.2.2 顱骨修復(fù)　　

顱骨損傷通常出現(xiàn)在外像顱腦疾病或開(kāi)顱手術(shù)后，目前流行的修復(fù)方法是采用鈦網(wǎng)板，通常是采用病人的CT照片，用手工制成，這種方法不僅精度低，而且修補(bǔ)件經(jīng)過(guò)剪與縫，需更多的螺釘固定，難以成型為復(fù)雜形狀，且手術(shù)時(shí)間長(zhǎng)，病人恢復(fù)慢，費(fèi)用昂貴，采用RP技術(shù)能迅速準(zhǔn)確地將病人顱骨的CT數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維實(shí)體模型，由于采用RP技術(shù)制作的修復(fù)件成型精度高，能吻合病人顱骨的幾何形狀，減少固定螺釘約1/2，縮短手術(shù)時(shí)間，有利于病人恢復(fù)，且若材料國(guó)產(chǎn)化，可大大減輕病人負(fù)擔(dān)。

2.3.2.3組織工程大段骨成型　　

組織工程材料是與生命體相容的能參與生命體代謝在一定時(shí)間內(nèi)逐漸降解的特種材料。采用降解材料用RP技術(shù)成型方法制作的大段骨基底框是全新的構(gòu)想和研究，這一成果己在清華大學(xué)生物系材料快速成型組誕生。

2.3.2.4 牙科應(yīng)用　　

RP技術(shù)可以為牙科技術(shù)提供任意復(fù)雜的原形制作。

2.4 新材料的研究　　

21世紀(jì)，隨著各行各業(yè)高技術(shù)的迅猛發(fā)展。對(duì)各種新材料性能的要求更加苛刻，塑料、金屬、陶瓷等單一材料一般滿足不了其特殊的性能要求。由此誕生了復(fù)合材料、功能梯度材料、智能材料等新型材料。這些新型材料一般由兩種或兩種以上材料組成，其性能優(yōu)于單一材料的特性，人們?nèi)绾文軌蚩焖俳?jīng)濟(jì)地研究這些新型材料所表現(xiàn)的特性，從而找出最優(yōu)的配方，已成為新材料開(kāi)發(fā)中的研究熱點(diǎn)。由于SLS技術(shù)可以分層制造出具有任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高分子、陶瓷金屬及其復(fù)合件，可以用它來(lái)研究新材料及其制件的各種特性，因此SLS技術(shù)也是研究新型材料的非常有潛力的手段，材料范圍寬是SLS技術(shù)的一大特點(diǎn)?！　?/p>

理論上講，任何在熱作用下可產(chǎn)生燒結(jié)粘結(jié)或固化反應(yīng)的粉體都可作為成型材料，如高分子材料、陶瓷金屬極其復(fù)合物等，高分子材料有PS，PC，pA，PE，ABS，石蠟等粉末物質(zhì)，成型用金屬粉末按其組成情況可分為3種：①單一的金屬粉末；②兩種金屬粉末的混合體，其中的一種熔點(diǎn)較低，起粘結(jié)劑作用；③金屬粉末和有機(jī)粘結(jié)劑的混合體，用于燒結(jié)的陶瓷粉末一般由陶瓷和有機(jī)粘結(jié)劑混合而成，如：PMMA包覆的SiC粉末，國(guó)外已研制成功并投入應(yīng)用領(lǐng)域的成型材料主要是塑料粉(ABS，PS，PC等）及覆膜砂，用于塑料模精鑄模等的制造，目前正在大力開(kāi)發(fā)金屬與陶瓷粉末材料的燒結(jié)成型技術(shù)，利用該項(xiàng)技術(shù)可以自動(dòng)而迅速地從三維CAD模型制得形狀復(fù)雜的金屬（陶瓷）零件或模具，美國(guó)DTM公司利用該項(xiàng)技術(shù)制造的金屬模具已成功用于注塑生產(chǎn)，制作的銅鋼注塑模具可以代替加工的鋁模，模具壽命在千件以上?，F(xiàn)在，國(guó)內(nèi)很多高校和研究單位計(jì)劃購(gòu)買快速成型設(shè)備，以用作教學(xué)、對(duì)外技術(shù)服務(wù)和新材料的研究。

2.5 小批量和特殊復(fù)雜零件的直接生產(chǎn)　　

對(duì)于復(fù)雜的或小批量生產(chǎn)的塑料、陶瓷金屬及其復(fù)合材料的零部件，SLS方法可以直接快速成型，目前，人們正在研究梯度材料的SLS快速成型，零件的直接快速成型對(duì)航空、航天及國(guó)防工業(yè)有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。RP技術(shù)采用材料添加法的方式自動(dòng)完成CAD模型到物理模型的轉(zhuǎn)換，無(wú)需任何專業(yè)工具即可完成成型過(guò)程，快速制造出產(chǎn)品零件或原形，快速成型技術(shù)具有任何傳統(tǒng)制造技術(shù)所不具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，它具有高速度、高柔性，制造具有自由性。而且具有技術(shù)高度集成和設(shè)計(jì)制造一體化的優(yōu)勢(shì)。

3，快速成型技術(shù)發(fā)展中存在的問(wèn)題　　

由快速成型技術(shù)的原理可知其是將復(fù)雜的三維加工變成較簡(jiǎn)單的二維加工。從而大大簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理的難度，一般來(lái)說(shuō)，速度與精度問(wèn)題是困惑快速成型學(xué)術(shù)界的重要問(wèn)題，要想提高模型制造速度，必然會(huì)損失一定的精度。無(wú)論是任何方法制造出的模具或模型直接快速成型，尺寸精度和表面光潔度都是個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。RP制造模型的過(guò)程為：實(shí)體CAD造型→計(jì)算機(jī)對(duì)CAD模型做分層處理→最后由成型機(jī)制造出實(shí)體，期間所有過(guò)程都將影響模型精度。其主要影響因素有：　　

(1)用直線代替曲線或用平面代替曲面的誤差，誤差越小，所需的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)就越大，數(shù)據(jù)越大，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換誤差就越多。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程：CAD實(shí)數(shù)→STL文件輸出→分層處理→傳輸?shù)娇焖俪尚蜋C(jī)，每一步都會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換誤差?！?/p>

(2)每層厚度取決于鋪粉和刮平裝置，鋪粉與刮平裝置的配合良好與否也易造成誤差?！　?/p>

(3)數(shù)控系統(tǒng)掃描機(jī)構(gòu)的慣性結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力的動(dòng)態(tài)特性對(duì)其運(yùn)動(dòng)速度、加速度、減速度有一定的限制，在滿足這些限制的前提下，提高加工效率及加工質(zhì)量成為急待解決的問(wèn)題，且掃描系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)重復(fù)性對(duì)光束位置的重復(fù)精度影響很大?！　?/p>

(4)在掃描加工過(guò)程中掃描速度的變化，為保證能量供給，激光功率必須做相應(yīng)的變化，尋求一種激光功率與掃描速度的適時(shí)匹配也是一個(gè)有待進(jìn)一步解決的問(wèn)題?！　?/p>

(5)掃描線長(zhǎng)、寬的變化造成的誤差，激光器的質(zhì)量和激光光源強(qiáng)度的穩(wěn)定是影響該項(xiàng)誤差的主要因素?！　?/p>

(6)粉料的物理特性和鋪平裝置將影響粉料的表面位置精度，X-Y雙軸運(yùn)動(dòng)的有效控制將提高激光光束的位置精度?！　?/p>

(7)成型部件的卷曲、翹曲和膨脹等問(wèn)題，材料的特征和成型件的幾何形狀及燒結(jié)成型工藝對(duì)比影響很大。材料的局部融化需較大的能量密度，大的能量密度會(huì)造成較大的內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變。燒結(jié)可以用較小的能量密度。但由于是無(wú)壓燒結(jié)，勢(shì)必會(huì)造成內(nèi)部空洞。　　

(8)化學(xué)反應(yīng)粘結(jié)法僅限于某些有機(jī)物質(zhì)，易熔金屬粉末材料的開(kāi)發(fā)國(guó)內(nèi)尚不成熟，純粹用輔助膠粘結(jié)的辦法給成型件多加了一些與最終性能無(wú)關(guān)的物質(zhì)，多少會(huì)有負(fù)面影響。　　

(9)由于多方面的因素，現(xiàn)在制造出的成型機(jī)所能造的零部件尺寸極其有限。

4，結(jié)束語(yǔ)　　

綜上所述，快速成型技術(shù)是一種正在進(jìn)一步發(fā)展和完善且已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用的技術(shù)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著CAD技術(shù)的廣泛應(yīng)用，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)將日趨激烈，快速成型技術(shù)RP和快速模具制造RT成套技術(shù)將日趨完善?？焖俪尚图夹g(shù)將發(fā)展為一種能被企業(yè)普遍采用的技術(shù)手段，并將給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，這應(yīng)引起各方面的高度重視，國(guó)家有關(guān)部門和企業(yè)應(yīng)充分重視RP技術(shù)，加快開(kāi)發(fā)我國(guó)商品化RP系統(tǒng)并大力推廣應(yīng)用。注重RP信息的收集，傳播與交流，拓寬RP研究的深度和廣度。該項(xiàng)技術(shù)完全可以立足于國(guó)內(nèi)，國(guó)產(chǎn)RP系統(tǒng)有望占有國(guó)內(nèi)市場(chǎng)并進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)，這將使我國(guó)企業(yè)更有信心面臨激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，使中國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速向前發(fā)展。

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