陳嬋娟

（郴州職業(yè)技術學院，湖南 郴州 423000）

快速成型技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

陳嬋娟

（郴州職業(yè)技術學院，湖南 郴州 423000）

快速成型（RP）技術是一種結合計算機、數(shù)控、激光和材料技術于一體的先進制造技術。本文介紹快速成型系統(tǒng)的原理、特點、典型成型技術和應用范圍，并提出快速成型技術未來的發(fā)展方向。

快速成型；先進制造技術；設計應用

前 言

當今時代，制造業(yè)市場需求不斷向多樣化、高質量、高性能、低成本、高科技的方向發(fā)展，一方面表現(xiàn)為消費者興趣的短時效和消費者需求日益主體化、個性化和多元化；另一方面則是區(qū)域性、國際市場壁壘的淡化或打破，要求制造業(yè)的廠商必須著眼于全球市場的激烈競爭。因此快速地將多樣化、性能好的產(chǎn)品推向市場成為了制造業(yè)廠商把握市場先機的關鍵，由此導致了制造價值觀從面向產(chǎn)品到面向顧客的重定位，制造戰(zhàn)略重點從成本與質量到時間與響應的轉移，也就是各國致力于CIMS（Computer IntegratedManufacture System）、并行工程、敏捷制造等現(xiàn)代制造模式的研究與實踐的原因?？焖俪尚停≧apid Prototyping）技術正是在這種時代的需求下應運而生的。

快速成型技術RP 是從零件的CAD 幾何模型出發(fā), 通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng), 用激光束或其他方法將材料堆積而形成實體零件。由于它把復雜的三維制造轉化為一系列二維制造的疊加, 因而可以在不用模具和工具的條件下生成幾乎任意復雜的零部件, 極大地提高了生產(chǎn)效率和制造柔性。由于RP 技術在制造產(chǎn)品過程中不會產(chǎn)生廢棄物造成環(huán)境污染, 所以也是一種綠色制造技術。

1. 快速成型的原理及特點

快速成型技術采用離散/堆積成型原理，對三維CAD 模型進行分層，使其轉換成厚度很薄的二維平面模型。通過平面模型的數(shù)控代碼指導加工，再將加工出每個薄層粘結而成形。主要包括如下幾個主要步驟：

（1） 產(chǎn)品CAD實體模型構建：構建方法有兩種，一是可通過概念設計，設計出所需零件的計算機三維模型（數(shù)字模型、CAD模型）；二是可通過逆向工程，通過三維數(shù)字掃描儀對產(chǎn)品原型進行掃描，而后結合逆向工程對掃描數(shù)據(jù)進行處理。

（2） 三維模型的分層處理：即按照一定的規(guī)律將該模型離散為一系列有序的單元， 通常在Z向將其按一定厚度進行離散（習慣稱為分層），把原來的三維CAD模型變成一系列的層片。

（3） 層層制造堆積成型：根據(jù)每個層片的輪廓信息，輸入加工參數(shù)，自動生成數(shù)控代碼。

（4） 后處理：由成形系統(tǒng)成形一系列層片并自動將它們聯(lián)接起來，得到一個三維物理實體。具體成型過程可見圖1。

圖 1 快速成型過程示意圖

由圖1可見快速成型技術實際上就是基于“生長”或“添加”材料原理一層一層地離散疊加，從底到頂完成零件的制作過程。它是計算機輔助設計與制造技術、逆向工程技術、分層制造技術、材料去除成形、材料增加成形技術以及它們的集成的總稱。正是由于它自身的成型原理決定該成型技術具有如下的一些特點：

（1） 產(chǎn)品靈活性。RP技術采用離散/堆積成型的原理，將十分復雜的三維制造過程簡化為二維制造過程的疊加，使復雜模型直接制造成為可能，越是復雜的零件越能體現(xiàn)RP技術的優(yōu)越性；

（2） 快速性。從CAD 設計到完成原型制作通常只需幾個小時到幾十個小時，加工周期短，可節(jié)約70%時間以上，能夠適應現(xiàn)代競爭激烈的產(chǎn)品市場；

（3） 低成本。與產(chǎn)品的復雜程度無關，節(jié)省了大量的開模時間，一般制作費用降低50%，特別適合新產(chǎn)品的開發(fā)和單件小批量零件的生產(chǎn)；

（4） 成型過程中信息過程和材料過程一體化，制作原型所用的材料不限，各種金屬和非金屬材料均可使用，尤其適合成型材料為非均質并具有功能剃度或有孔隙要求的原形；

（5） 適應于加工各種形狀的零件，制造工藝與零件的復雜程度無關，不受工具的限制，可實現(xiàn)自由制造（Free Form Fabrication），原型的復制性、互換性高；

（6） 使設計、交流和評估更加形象化，使新產(chǎn)品設計、樣品制造、市場定貨、生產(chǎn)準備、等工作能并行進行，支持同步（并行）工程的實施；

（7） 具有高柔性，采用非接觸加工的方式，無需任何工夾具，即可快速成型出具有一定精度和強度并滿足一定功能的原型和零件。

（8） 高集成化，RP 技術是集計算機、CAD/CAM、數(shù)控、激光、材料和機械等一體化的先進制造技術，整個生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化、數(shù)字化、與CAD模型具有直接的關聯(lián)，所見即所得，零件可隨時制造與修改，實現(xiàn)設計制造一體化。

（9） 加工過程中無振動、噪聲和廢料，可實現(xiàn)無人值守長時間自動運行。

2. 典型RP工藝及比較

隨著CAD 建模和光機電一體化技術的發(fā)展，RP 技術的工藝方法發(fā)展很快，按照所用材料的形態(tài)與種類不同，目前投入應用的已有十余種工藝方法，其中發(fā)展較為成熟的主要有以下四種類型: 液態(tài)光敏聚合物選擇性固化( SLA) 、薄型材料選擇性切割( LOM) 、粉末材料選擇性激光燒結( SLS) 、絲狀材料選擇性熔融沉積( FDM) 。

(1) 光固化立體造型(SLA)： 以光敏樹脂為原料，采用計算機控制下的紫外激光束以原型各分層截面輪廓為軌跡進行逐點掃描，使被掃描區(qū)內(nèi)的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應后固化，從而形成制件的一個薄層截面。一層固化完畢后，向下移動工作臺，在剛剛固化的工作表面布放一層新的光敏樹脂以便進行循環(huán)掃描、固化。新固化的一層牢固地粘結在前一層上，如此重復堆積成整個原型，圖2為該成型工藝原理圖。采用這種方法成型的零件有較高的精度且表面光潔, 但可用材料的范圍較窄。

圖2 SLA的工藝原理

圖3 LOM的工藝原理圖

(2) 分層物件制造(LOM)： LOM 的層面信息通過每一層的輪廓來表示, 激光掃描器的動作由這些輪廓信息控制, 它采用的材料是具有厚度信息的片材，圖3為該工藝的原理圖。這種加工方法只需加工輪廓信息, 所以可以達到很高的加工速度,但材料的范圍很窄, 每層厚度不可調(diào)整是最大缺點。

(3) 選擇性激光燒結(SLS)：SLS 使用固體粉末材料, 該材料在激光的照射下, 能吸收能量, 發(fā)生熔融固化, 從而完成層信息的成型。這種方法適用的材料范圍廣(適用于聚合物、鑄造用蠟、金屬或陶瓷粉末), 特別是在金屬和陶瓷材料的成型方面具有獨特的優(yōu)點。SLS 無材料浪費現(xiàn)象, 未燒結的粉末可重復使用。目前成熟的工藝材料為蠟粉及塑料粉, 用金屬粉或陶瓷粉進行粘結或燒結的工藝還正在實驗階段。

(4) 熔融沉積造型(FDM) ：采用熱熔噴頭，使半流動狀態(tài)的材料流體按模型分層數(shù)據(jù)控制的路徑擠壓出來，并在指定的位置沉積、凝固成型，這樣逐層沉積、凝固后形成整個原型，具體工藝原理如圖5所示。這種方法的能量傳輸和材料傳輸均不同于前面三種方法, 系統(tǒng)成本較低; 但由于噴頭的運動是機械運動, 速度有一定限制，所以加工時間較長, 且其材料使用范圍不廣。

圖4 FDM的工藝原理圖

(5)三維打?。?DP）：先鋪粉，利用噴嘴按指定路徑將液態(tài)粘結劑噴在粉層上的特定區(qū)域，粘結后去除多余的材料便得到所需的原形或零件。這種方法適合成型結構復雜的零件。

下表1是如上幾種典型RP工藝的比較：

表1 幾種典型成型方法的比較

3. 快速成型技術的應用

快速成型技術的應用是不斷提高RP技術發(fā)展的重要因素，目前RP 技術已在工業(yè)造型、文化藝術、機械制造（汽車、摩托車）、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫(yī)學、考古、文化藝術、雕刻、首飾等領域都得到了廣泛的應用。并且隨著這一技術本身的發(fā)展，其應用將不斷拓展。

智能路燈不涉及PSM和eDRX，對尋呼要求較高，建議開啟精準尋呼方式。另外，由于智能路燈存在大規(guī)模并發(fā)業(yè)務，會對NB-IoT網(wǎng)絡側產(chǎn)生信令和數(shù)傳沖擊，故需根據(jù)客戶方案具體采用不同的接入和傳輸控制。具體說明如下：

（1）新產(chǎn)品開發(fā)過程中的設計驗證與功能驗證。在新產(chǎn)品造型設計過程中應用RP 技術可以為設計開發(fā)人員建立一種嶄新的產(chǎn)品開發(fā)模式，運用該技術能夠快速、直接、精確地將設計思想模型轉化為具有一定功能的實體模型（樣件），可以方便驗證設計人員的設計思想和產(chǎn)品結構的合理性、可裝配性、美觀性，及時發(fā)現(xiàn)設計中的問題并修改完善產(chǎn)品設計。這樣不僅大大縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本，使企業(yè)在激烈的市場競爭中占有了先機。

（2）單件、小批量和特殊復雜零件的直接生產(chǎn)。在機械制造領域里有些特殊復雜制件只需單件或少于50 件的小批量生產(chǎn)，這樣的產(chǎn)品通過制模再生產(chǎn)，成本高，周期長。RP 技術以自身獨有的特點可以直接成型生產(chǎn)，成本低，周期短。

（3）產(chǎn)品展示。RP 原型是產(chǎn)品從設計到商品化各個環(huán)節(jié)中進行交流的有效手段。在全球經(jīng)濟經(jīng)濟化的今天，許多外向型企業(yè)都經(jīng)常面臨外商要求看樣訂貨。如何在不可能開模試生產(chǎn)的情況下最快提供樣品，搶占市場先機。在這種環(huán)境下，RP 技術又體現(xiàn)了明顯的優(yōu)勢。

（4）快速模具制造。將快速成型技術與傳統(tǒng)的模具制造技術相結合，可以大大縮短模具制造的開發(fā)周期，提高生產(chǎn)效率，是解決模具設計與制造薄弱環(huán)節(jié)的有效途徑。

4. 快速成型技術的發(fā)展方向

RP 技術雖然有其巨大的優(yōu)越性，但是也有它的局限性，由于可成型材料有限，零件精度低，表面粗糙度高，原型零件的物理性能較差，成型機的價格較高，運行制作的成本高等，所以在一定程度上成為該技術的推廣普及的瓶頸。從目前國內(nèi)外RP 技術的研究和應用狀況來看，快速成型技術的進一步研究和開發(fā)的方向主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）大力改善現(xiàn)行快速成型制作機的制作精度、可靠性和制作能力，提高生產(chǎn)效率，縮短制作周期。尤其是提高成型件的表面質量、力學和物理性能，為進一步進行模具加工和功能試驗提供平臺。

（2）隨著成型工藝的進步和應用的擴展，其概念逐漸從快速成型向快速制造轉變，從概念模型向批量定制轉變，成型設備也向概念型、生產(chǎn)型和專用型三個方向分化。

（3）開發(fā)性能更好的快速成型材料。材料的性能既要利于原型加工，又要具有較好的后續(xù)加工性能，還要滿足對強度和剛度等不同的要求。

（5）開發(fā)直寫技術。直寫技術對于材料單元有著精確的控制能力，開發(fā)直寫技術，是快速RP技術的材料范圍擴大到細胞等活性材料領域，

（6）開發(fā)用于快速成型的RPM 軟件。這些軟件有快速高精度直接切片軟件，快速造型制造和后續(xù)應用過程中的精度補償軟件，考慮快速成型原型制造和后續(xù)應用的CAD 等。

（7）開發(fā)新的成型能源。目前大多數(shù)成型機都是以激光作為能源，而激光系統(tǒng)的價格和維修費用昂貴，并且傳輸效率較低。這方面也需要得到改善和發(fā)展。

（8）RPM 與CAD、CAM、CAPP、CAE 以及高精度自動測量、逆向工程的集成一體化。該項技術可以大大提高新產(chǎn)品的第一次投入市場就十分成功的可能性，也可以快速實現(xiàn)反求工程。

（9）研制新的快速成型方法和工藝。除了目前SLA、LOM、SLS、FDM 外，直接金屬成型工藝將是以后的發(fā)展焦點。

（10）提高網(wǎng)絡化服務，進行遠程控制，實現(xiàn)全球化異地協(xié)同合作。

結 論

快速成型技術是一種正在不斷完善的先進制造技術，它是伴隨激光技術、計算機技術、新材料技術及其它先進技術的發(fā)展而發(fā)展和進步的，正在不斷的完善，具有廣泛的應用前景。目前RP 技術在歐美、日本等發(fā)達國家應用較為廣泛，我國僅僅一些高等院校及有關廠家在吸收消化國外技術的基礎上開發(fā)出了快速成型機，但是在質量和數(shù)量以及應用領域方面，都比不上國外。21世紀將是以知識經(jīng)濟和信息社會為特征的時代, 制造業(yè)面臨信息社會中瞬息萬變的市場對小批量多品種產(chǎn)品要求的嚴峻挑戰(zhàn)。作為當今制造行業(yè)中急劇潛力的工藝技術,快速成型技術（RP）是當今制造業(yè)贏得市場的法寶，在未來的幾年內(nèi)將會有更大的發(fā)展, 尤其是在RP 系統(tǒng)的制作精度、可靠性以及RP 材料、RP 軟件等方面的改進和創(chuàng)新將會更快?？焖俪尚图夹g以其獨特的優(yōu)勢和魅力，在制造業(yè)領域起到越來越重要的作用，并將給制造業(yè)帶來深遠的影響。

[1]劉偉軍.快速成型技術與應用[M].北京:北京機械工業(yè)出版社,2005.

[2]王光春,趙國群.快速成型與快速模具制造技術及其應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.

[3][美]Paul Kenneth Wright .馮常學,鐘駿杰,范世東,等譯. 21世紀制造[M].北京:清華大學出版社,2004.

[4]潘東杰.快速成形先進的現(xiàn)代制造技術[J].鑄造技術,1999,(4): 37-39.

[5]劉偉軍.快速成型技術及應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[6]鄭啟光.激光先進制造技術[M].武漢:華中科技大學出版社,2002.

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1673-2219（2011）08-0068-04

2011－03－25

陳嬋娟（1981－），女，湖南郴州人，講師，研究方向為模具設計與制造。

（責任編校:何俊華）