快速成形技術

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快速成形技術(Rapid Prototyping；RP)

　　快速成形技術(Rapid Prototyping；RP)又稱快速原型製造(Rapid Prototyping Manufacturing，簡稱RPM)技術，誕生於20世紀80年代後期，是基於材料堆積法的一種高新製造技術，被認為是近20年來製造領域的一個重大成果。它集機械工程、CAD、逆向工程技術、分層製造技術、數控技術、材料科學、激光技術於一身，可以自動、直接、快速、精確地將設計思想轉變為具有一定功能的原型或直接製造零件，從而為零件原型製作、新設計思想的校驗等方面提供了一種高效低成本的實現手段。即，快速成形技術就是利用三維CAD的數據，通過快速成型機，將一層層的材料堆積成實體原型。

　　(1) 製造原型所用的材料不限，各種金屬和非金屬材料均可使用；

　　(2) 原型的複製性、互換性高；

　　(3) 製造工藝與製造原型的幾何形狀無關，在加工複雜曲面時更顯優越；

　　(4) 加工周期短，成本低，成本與產品複雜程度無關，一般製造費用降低50%，加工周期節約70%以上；

　　(5) 高度技術集成，可實現了設計製造一體化；

　　(1)隨著全球市場一體化的形成，製造業的競爭十分激烈，產品的開發速度日益成為主要矛盾。在這種情況下，自主快速產品開發(快速設計和快速工模具)的能力(周期和成本)成為製造業全球競爭的實力基礎。

　　(2)製造業為滿足日益變化的用戶需求，要求製造技術有較強的靈活性，能夠以小批量甚至單件生產而不增加產品的成本。因此，產品的開發速度和製造技術的柔性就十分關鍵。

　　(3)從技術發展角度看，電腦科學、CAD技術、材料科學、激光技術的發展和普及為新的製造技術的產生奠定了技術物質基礎。

　　快速成形技術是在電腦控制下，基於離散、堆積的原理採用不同方法堆積材料，最終完成零件的成形與製造的技術。從成形角度看，零件可視為“點”或“面”的疊加。從CAD電子模型中離散得到“點”或“面”的幾何信息，再與成形工藝參數信息結合，控制材料有規律、精確地由點到面，由面到體地堆積零件。從製造角度看，它根據CAD造型生成零件三維幾何信息，控制多維繫統，通過激光束或其他方法將材料逐層堆積而形成原型或零件。

　　近十幾年來，隨著全球市場一體化的形成，製造業的競爭十分激烈。尤其是電腦技術的迅速普遍和CAD/CAM技術的廣泛應用，使得RP技術得到了異乎尋常的高速發展，表現出很強的生命力和廣闊的應用前景。快速成形技術發展至今，以其技術的高集成性、高柔性、高速性而得到了迅速發展。目前，快速成形的工藝方法已有幾十種之多，其中主要工藝有四種基本類型：光固化成型法、分層實體製造法、選擇性激光燒結法和熔融沉積製造法。

　　1.光固化成形

　　SLA(Stereo lithography Apparatus)工藝也稱光造型、立體光刻及立體印刷，其工藝過程是以液態光敏樹脂為材料充滿液槽，由電腦控制激光束跟蹤層狀截面軌跡，並照射到液槽中的液體樹脂，而使這一層樹脂固化，之後升降臺下降一層高度，已成型的層面上又佈滿一層樹脂，然後再進行新一層的掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重覆直到整個零件製造完畢，得到1個三維實體模型。該工藝的特點是：原型件精度高，零件強度和硬度好，可制出形狀特別複雜的空心零件，生產的模型柔性化好，可隨意拆裝，是間接制模的理想方法。缺點是需要支撐，樹脂收縮會導致精度下降，另外光固化樹脂有一定的毒性而不符合綠色製造發展趨勢等。

　　2.分層實體製造

　　LOM(Laminated Object Manufacturing)工藝或稱為疊層實體製造，其工藝原理是根據零件分層幾何信息切割箔材和紙等，將所獲得的層片粘接成三維實體。其工藝過程是：首先鋪上一層箔材，然後用CO，激光在電腦控制下切出本層輪廓，非零件部分全部切碎以便於去除。當本層完成後，再鋪上一層箔材，用滾子碾壓並加熱，以固化黏結劑，使新鋪上的一層牢固地粘接在已成形體上，再切割該層的輪廓，如此反覆直到加工完畢，最後去除切碎部分以得到完整的零件。該工藝的特點是工作可靠，模型支撐性好，成本低，效率高。缺點是前、後處理費時費力，且不能製造中空結構件。

　　3.選擇性激光燒結

　　SLS(Selective Laser Sintering)工藝，常採用的材料有金屬、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作為成形材料。其工藝過程是：先在工作臺上鋪上一層粉末，在電腦控制下用激光束有選擇地進行燒結(零件的空心部分不燒結，仍為粉末材料)，被燒結部分便固化在一起構成零件的實心部分。一層完成後再進行下一層，新一層與其上一層被牢牢地燒結在一起。全部燒結完成後，去除多餘的粉末，便得到燒結成的零件。該工藝的特點是材料適應面廣，不僅能製造塑料零件，還能製造陶瓷、金屬、蠟等材料的零件。造型精度高，原型強度高，所以可用樣件進行功能試驗或裝配模擬。

　　4.熔融沉積成形

　　FDM(Fused Deposition Manufacturing)工藝又稱為熔絲沉積製造，其工藝過程是以熱塑性成形材料絲為材料，材料絲通過加熱器的擠壓頭熔化成液體，由電腦控制擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓準確運動，使熔化的熱塑材料絲通過噴嘴擠出，覆蓋於已建造的零件之上，併在極短的時間內迅速凝固，形成一層材料。之後，擠壓頭沿軸向向上運動一微小距離進行下一層材料的建造。這樣逐層由底到頂地堆積成一個實體模型或零件。該工藝的特點是使用、維護簡單，成本較低，速度快，一般複雜程度原型僅需要幾個小時即可成型，且無污染。

　　除了上述4種最為熟悉的技術外，還有許多技術也已經實用化，如三維列印技術、光屏蔽工藝、直接殼法、直接燒結技術、全息干涉製造等。

　　不斷提高RP技術的應用水平是推動RP技術發展的重要方面。目前，快速成型技術已在工業造型、機械製造、航空航天、軍事、建築、影視、家電、輕工、醫學、考古、文化藝術、雕刻、首飾等領域都得到了廣泛應用。並且隨著這一技術本身的發展，其應用領域將不斷拓展。RP技術的實際應用主要集中在以下幾個方面：

　　(1)在新產品造型設計過程中的應用快速成形技術為工業產品的設計開發人員建立了一種嶄新的產品開發模式。運用RP技術能夠快速、直接、精確地將設計思想轉化為具有一定功能的實物模型(樣件)，這不僅縮短了開發周期，而且降低了開發費用，也使企業在激烈的市場競爭中占有先機。

　　(2)在機械製造領域的應用由於RP技術自身的特點，使得其在機械製造領域內，獲得廣泛的應用，多用於製造單件、小批量金屬零件的製造。有些特殊複雜製件，由於只需單件生產，或少於50件的小批量，一般均可用RP技術直接進行成型，成本低，周期短。

　　(3)快速模具製造傳統的模具生產時間長，成本高。將快速成型技術與傳統的模具製造技術相結合，可以大大縮短模具製造的開發周期，提高生產率，是解決模具設計與製造薄弱環節的有效途徑。快速成形技術在模具製造方面的應用可分為直接制模和間接制模兩種，直接制模是指採用RP技術直接堆積製造出模具，間接制模是先制出快速成型零件，再由零件複製得到所需要的模具。

　　(4)在醫學領域的應用近幾年來，人們對RP技術在醫學領域的應用研究較多。以醫學影像數據為基礎，利用RP技術製作人體器官模型，對外科手術有極大的應用價值。

　　(5)在文化藝術領域的應用在文化藝術領域，快速成形製造技術多用於藝術創作、文物複製、數字雕塑等。

　　(6)在航空航天技術領域的應用在航空航天領域中，空氣動力學地面模擬實驗(即風洞實驗)是設計性能先進的天地往返系統(即太空梭)所必不可少的重要環節。該實驗中所用的模型形狀複雜、精度要求高、又具有流線型特性，採用RP技術，根據CAD模型，由RP設備自動完成實體模型，能夠很好的保證模型質量。

　　(7)在家電行業的應用目前，快速成形系統在國內的家電行業上得到了很大程度的普及與應用，使許多家電企業走在了國內前列。如：廣東的美的、華寶、科龍；江蘇的春蘭、小天鵝；青島的海爾等，都先後採用快速成形系統來開發新產品，收到了很好的效果。快速成形技術的應用很廣泛，可以相信，隨著快速成形製造技術的不斷成熟和完善，它將會在越來越多的領域得到推廣和應用。

　　從目前RP技術的研究和應用現狀來看，快速成型技術的進一步研究和開發工作主要有以下幾個方面：

　　(1)開發性能好的快速成型材料，如成本低、易成形、變形小、強度高、耐久及無污染的成形材料。

　　(2)提高RP系統的加工速度和開拓並行製造的工藝方法。

　　(3)改善快速成形系統的可靠性，提高其生產率和製作大件能力，優化設備結構，尤其是提高成形件的精度、錶面質量、力學和物理性能，為進一步進行模具加工和功能實驗提供基礎。

　　(4)開發快速成形的高性能RPM軟體。提高數據處理速度和精度，研究開發利用CAD原始數據直接切片的方法，減少由STL格式轉換和切片處理過程所產生精度損失。

　　(5)開發新的成形能源。

　　(6)快速成形方法和工藝的改進和創新。直接金屬成形技術將會成為今後研究與應用的又—個熱點。

　　(7)進行快速成形技術與CAD、CAE、RT、CAPP、CAM以及高精度自動測量、逆向工程的集成研究。

　　(8)提高網路化服務的研究力度，實現遠程式控制制。