速成型技術(shù)(Rapid Prototyping簡稱RP)，是近幾年快速發(fā)展起來的應(yīng)用于制造業(yè)的高新技術(shù)，它成功地解決了計算機輔助設(shè)計(CAD)中三維模型“看得見，摸不著”的問題，能將三維的幾何圖形快速自動實體化，使設(shè)計的理想——將設(shè)計迅速變成實物成為現(xiàn)實。

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

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)品的一項先進制造技術(shù)。它的本質(zhì)是利用積分制造三維實體。在成形過程中將計算機儲存的任意三維形體信息傳給成型機，通過材料疊加法直接制造出來，而不需要特殊的模具、工具或人工干涉。　　

FDM不是采用激光作能源，而是將電能傳遞給塑料絲，在擠出噴頭前達到熔融狀態(tài)，噴頭在計算機控制下作X-Y聯(lián)動掃描，在掃描運動中噴出熔融的材料，形成一個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空間實體。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，但由于噴頭的運動方式屬于機械運動，對速度有一定限制，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脂，當掃描器在計算機的控制下，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有限制，一般采用的激光器波長為(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?！　?/p>

SLS使用固體粉末材料，先在工作臺上鋪一層粉，采用激光束在計算機控制下有選擇地進行燒結(jié)，該材料能吸收激光能量，使之熔化并在隨后的冷卻過程中固化，從而完成層的成型，一層完成后再進行下一層。這樣層層疊加形成一個空間實體。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特的優(yōu)點，但是所成型的零件精度和表面粗糙度較差，有待于進一步提高?！?/p>

LOM的層面信息通過每一層的輪廓來表示，激光掃描器動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。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　　

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個方面。

2.1 新產(chǎn)品研制開發(fā)階段的試驗驗證　　

在新產(chǎn)品的研制階段，計算機輔助設(shè)計雖然使產(chǎn)品設(shè)計更加快捷方便，但設(shè)計人員只能借助設(shè)計圖紙和計算機模擬對產(chǎn)品進行評判，不能直觀評判所設(shè)計的效果和結(jié)構(gòu)的合理性以及生產(chǎn)工藝的可行性，對形狀復雜的產(chǎn)品尤其如此。快速成型技術(shù)可以快速制造出生產(chǎn)樣品的實物模型，供設(shè)計者和用戶直接進行測量裝配功能實驗和性能測試，從而快速經(jīng)濟地驗證設(shè)計人員的思想和產(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)計缺陷，并進行反復修改、制造，完善產(chǎn)品設(shè)計，這樣就可以大大縮短新產(chǎn)品的設(shè)計周期，使設(shè)計符合預期的形狀、尺寸和工藝要求，這一驗證過程使設(shè)計更趨完善，避免了盲目投產(chǎn)造成的浪費。

2.2 新產(chǎn)品投放市場前的調(diào)研和宣傳　　

在新產(chǎn)品投放市場前，先用快速成型技術(shù)制造出產(chǎn)品的替代品，在潛在的用戶中進行調(diào)研和宣傳，了解用戶的意見和需求量，以此來決定是否向市場投放此新產(chǎn)品、其價格如何，從而確定其生產(chǎn)規(guī)模，為企業(yè)進行決策提供依據(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)主要集中在兩個大的研究方向：一是直接快速制摸(DRT)；另一個是間接快速制摸(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RP技術(shù)生產(chǎn)具有一定機械性能的軟模(如硅橡膠模)，用LOM型RP系統(tǒng)通過直接或間接法，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準直接快速制模技術(shù)，在這里，準直接主要是指通過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)過粘結(jié)劑的去除和浸滲金屬液，從而產(chǎn)生密實的模具。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RP方法成型模型(塑料、蠟等)，再通過模型用鑄造、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RP技術(shù)生產(chǎn)鑄型(砂型或殼型)，再通過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機加工的優(yōu)點，可以大大降低產(chǎn)品生產(chǎn)的時間與費用。美國修斯飛機公司在軍用直升機液視系統(tǒng)中成功地應(yīng)用了RP技術(shù)，整個過程僅用了8個月就提供了實驗件，大大縮短了項目完成時間，節(jié)省了大量費用?！　?/p>

生物醫(yī)學工程對RP技術(shù)來講也是一個全新的應(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)過數(shù)據(jù)處理，采用LOM工藝，即以涂敷紙為原料的分層實體制造工藝逐層制作。這種紙質(zhì)骨盆模型可以用來翻制金屬骨盆，以修復骨病患者或外傷損毀的骨盆。

2.3.2.2 顱骨修復　　

顱骨損傷通常出現(xiàn)在外像顱腦疾病或開顱手術(shù)后，目前流行的修復方法是采用鈦網(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，而且修補件經(jīng)過剪與縫，需更多的螺釘固定，難以成型為復雜形狀，且手術(shù)時間長，病人恢復慢，費用昂貴，采用RP技術(shù)能迅速準確地將病人顱骨的CT數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維實體模型，由于采用RP技術(shù)制作的修復件成型精度高，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)時間，有利于病人恢復，且若材料國產(chǎn)化，可大大減輕病人負擔。

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)提供任意復雜的原形制作。

2.4 新材料的研究　　

21世紀，隨著各行各業(yè)高技術(shù)的迅猛發(fā)展。對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，已成為新材料開發(fā)中的研究熱點。由于SLS技術(shù)可以分層制造出具有任意復雜結(jié)構(gòu)的高分子、陶瓷金屬及其復合件，可以用它來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?！　?/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，其中的一種熔點較低，起粘結(jié)劑作用；③金屬粉末和有機粘結(jié)劑的混合體，用于燒結(jié)的陶瓷粉末一般由陶瓷和有機粘結(jié)劑混合而成，如：PMMA包覆的SiC粉末，國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，目前正在大力開發(fā)金屬與陶瓷粉末材料的燒結(jié)成型技術(shù)，利用該項技術(shù)可以自動而迅速地從三維CAD模型制得形狀復雜的金屬（陶瓷）零件或模具，美國DTM公司利用該項技術(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。現(xiàn)在，國內(nèi)很多高校和研究單位計劃購買快速成型設(shè)備，以用作教學、對外技術(shù)服務(wù)和新材料的研究。

2.5 小批量和特殊復雜零件的直接生產(chǎn)　　

對于復雜的或小批量生產(chǎn)的塑料、陶瓷金屬及其復合材料的零部件，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航空、航天及國防工業(yè)有非常重要的應(yīng)用價值。RP技術(shù)采用材料添加法的方式自動完成CAD模型到物理模型的轉(zhuǎn)換，無需任何專業(yè)工具即可完成成型過程，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)所不具有的獨特優(yōu)勢，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)計制造一體化的優(yōu)勢。

3，快速成型技術(shù)發(fā)展中存在的問題　　

由快速成型技術(shù)的原理可知其是將復雜的三維加工變成較簡單的二維加工。從而大大簡化了數(shù)據(jù)處理的難度，一般來說，速度與精度問題是困惑快速成型學術(shù)界的重要問題，要想提高模型制造速度，必然會損失一定的精度。無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關(guān)鍵參數(shù)。RP制造模型的過程為：實體CAD造型→計算機對CAD模型做分層處理→最后由成型機制造出實體，期間所有過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)換過程：CAD實數(shù)→STL文件輸出→分層處理→傳輸?shù)娇焖俪尚蜋C，每一步都會產(chǎn)生轉(zhuǎn)換誤差。　

(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)掃描機構(gòu)的慣性結(jié)構(gòu)、驅(qū)動電機驅(qū)動能力的動態(tài)特性對其運動速度、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題，且掃描系統(tǒng)的運動重復性對光束位置的重復精度影響很大。　　

(4)在掃描加工過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匹配也是一個有待進一步解決的問題?！　?/p>

(5)掃描線長、寬的變化造成的誤差，激光器的質(zhì)量和激光光源強度的穩(wěn)定是影響該項誤差的主要因素?！　?/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雙軸運動的有效控制將提高激光光束的位置精度。　　

(7)成型部件的卷曲、翹曲和膨脹等問題，材料的特征和成型件的幾何形狀及燒結(jié)成型工藝對比影響很大。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。但由于是無壓燒結(jié)，勢必會造成內(nèi)部空洞?！　?/p>

(8)化學反應(yīng)粘結(jié)法僅限于某些有機物質(zhì)，易熔金屬粉末材料的開發(fā)國內(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關(guān)的物質(zhì)，多少會有負面影響?！　?/p>

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

4，結(jié)束語　　

綜上所述，快速成型技術(shù)是一種正在進一步發(fā)展和完善且已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用的技術(shù)?？梢灶A見，隨著CAD技術(shù)的廣泛應(yīng)用，市場競爭將日趨激烈，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)帶來巨大的經(jīng)濟效益，這應(yīng)引起各方面的高度重視，國家有關(guān)部門和企業(yè)應(yīng)充分重視RP技術(shù)，加快開發(fā)我國商品化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。該項技術(shù)完全可以立足于國內(nèi)，國產(chǎn)RP系統(tǒng)有望占有國內(nèi)市場并進入國際市場，這將使我國企業(yè)更有信心面臨激烈的國際競爭，使中國經(jīng)濟飛速向前發(fā)展。

來源：e-works