快速成型技术在机械产品中的应用与探讨.doc

目 录摘要1Abstract10 文献综述20.1 快速成型起源20.2快速成型技术应用及其市场20.3快速成型技术在向产品生产化发展中所存在的主要问题20.3.1快速成型技术研究中存在的问题30.3.2快速成型技术软件系统存在的问题31绪论41.1 快速成型技术的国外发展现状41.1.1 立体光造型41.1.2 叠层实体制造41.1.3 选择性激光烧结41.1.4 熔融沉积制造51.1.5 三维打印51.1.6 其它快速成型技术51.1.7 快速成型软件61.2 国内快速成型技术的发展现状61.3 快速成型术的发展趋势71.3.1 开发概念模型机或台式机71.3.2 开发新的成形能源71.3.3 开发性能优越的成型材料71.3.4 研究新的成型方法与工艺81.3.5 集成化81.4 快速成型技术的展望82快速成型原理及应用92.1 快速成型技术的原理及其特点92.1.1快速成型技术的原理92.1.2 快速成型技术的特点102.2快速成型技术在多领域的应用112.2.1快速成型技术在机械领域的应用112.2.2快速成型在新产品开发领域的应用122.2.3快速成型技术在更多领域的应用142.3 几种常见的快速成型制造工艺152.3.1光固化成型（SLA）工艺162.3.2叠层实体制造（LOM）工艺162.3.3选择性激光烧结（SLS）工艺162.3.4 和熔融沉积制造（FDM）工艺173快速成型技术的应用发展中的问题173.1 应用中存在的问题173.2 快速成型技术与环境保护183.2.1 快速成型技术中资源、能源消耗183.2.2 快速成型技术发展对环境的影响193.2.3 快速成型技术与劳动保护194 快速成型技术工艺方法194.1 熔融堆积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）204.2立体光固化成型 (Stereolithography )214.3激光选区烧结（Selective Laser Sintering，SLS）234.4叠层制造(Lamited Object Manufacturing)254.5 立体喷墨印刷（Ink-Jet Printing）275.结论27参考文献28致谢词30快速成型技术在机械产品中的应用与探讨摘要:快速成形技术是集机械、电子、光学、材料等学科为一体的先进制造技术之一。本文论述了快速成形技术的起源，介绍了快速成型技术在机械、医学、航天航空、家电以及在文化艺术等领域的应用及其市场分布情况。在阐述了各成形工艺在国内外新进展的基础上，讨论了该技术的在应用发展中的问题以机械产品中的应用以及几种比较常见的快速成型技术。关键词:快速成型技术；快速制模；应用。Rapid prototyping technology applied to the application of mechanical productsZhouTianLinCollege of Engineering and Technology, Southwest University, Chongqing 400716, ChinaAbstract：Rapid prototyping technology is set machinery and electron, optics, materials for discipline of advanced manufacturing technology. This paper discusses the origin of rapid forming technique, introduces the rapid prototyping technology in machinery, medical, aerospace, aviation, electrical appliances, and in culture and art fields of application and market distribution. In this paper the new progress in forming process at home and abroad, discussed on the basis of the development of this technology in the application of the problems in the application of mechanical products, as well as several common rapid prototyping technology.Key Words：Rapid prototyping technology；Rapidtooling；application. 0 文献综述0.1 快速成型起源1979年，东京大学的中川威雄教授利用分层技术制造了成形模和注塑模。20世纪70年代末到80年代初，美国3M公司的AlanJ. Hebert（1978年）、日本的小玉秀男（1980年）、美国UVP公司的Charles W. Hull（1982年）和日本的丸谷洋二（1983年），各自独立地首次提出了快速成型的概念，即利用连续层的选区固化制作三维实体的新思想。 Charles W. Hull在UVP的资助下，完成了第1个快速成型系统立体光造型（Stereo lithography Apparatus），并于1986年获得专利，这是快速成型发展的一个里程碑。随后许多快速成型概念、技术及相应的成型机也相继出现。0.2快速成型技术应用及其市场快速成型（Rapid Prototyping）技术（简称RP技术）已经广泛应用于家电、汽车、航空航天、船舶、工业设计、医疗等领域。艺术、建筑等领域的工作者也已开始使用快速成型设备。根据14个快速成型设备供应商和43个快速成型服务商的统计数据，所有快速成型模型近41%用于装配型和功能型零件；约27%用于工程、工具制造、报价和投标；约23%用于原型模具、金属铸造及模芯制造。随着快速成型技术本身的发展和完善，其应用领域在不断拓展。截至2001年7月，全球共有355家快速成型服务机构，30家设备制造商，12家材料供应商，35家咨询机构，14家专门的软件供应商，67个教育及研究机构。分布于全球58个国家的快速成型系统有6755台套。根据其中6521个系统的分布情况统计出：北美（主要是美国）占45.3%，亚洲/环太平洋地区占28.6%，欧洲占24.6%，其它地区只占1.5%。近年来，采用快速成型设备最积极的地区是东亚（尤其是韩国、香港、新加坡）。快速成型市场2008年增速较慢，但在2010年有较大幅度的恢复性增长。0.3快速成型技术在向产品生产化发展中所存在的主要问题在制造业日趋国际化的状况下，缩短产品开发周期和减少开发新产品投资风险，成为企业赖以生存的关键。因此，快速成型、快速制模、快速制造技术将会得到进一步发展。0.3.1快速成型技术研究中存在的问题（1）材料问题；目前快速成型技术中成型材料的成型性能大多不太理想，成型件的物理性能不能满足功能性、半功能性零件的要求，必须借助于后处理或二次开发才能生产出令人满意的产品。由于材料技术开发的专业性，一般快速成型材料的价格都比较贵，造成生产成本提高。（2）高昂的设备价格；快速成型技术是综合计算机、激光、新材料、CAD/CAM集成等技术而形成的一种全新的制造技术，是高科技的产物，技术含量较高，所以，目前快速成型设备的价格较贵，限制了快速成型技术的推广应用。 （3）功能单一；现有快速成型机的成型系统都只能进行一种工艺成型，而且大多数只能用一种或少数几种材料成型。这主要是因为快速成型技术的专利保护问题，各厂家只能生产自己开发的快速成型工艺成型设备，随着技术的进步，这种保护体制已成为快速成型技术集成的障碍。 （4）成型精度和质量问题；由于快速成型的成型工艺发展还不完善，特别是对快速成型软件技术的研究还不成熟，目前快速成型零件的精度及表面质量大多不能满足工程直接使用的需要，不能作为功能性零件，只能作原型使用。为提高成型件的精度和表面质量，必须改进成型工艺和快速成型软件。 （5）应用问题；虽然快速成型技术在航空航天、汽车、机械、电子、电器、医学、玩具、建筑、艺术品等许多领域都已获得了广泛应用，但大多仅作为原型件进行新产品开发及功能测试等，如何生产出能直接使用的零件是快速成型技术面临的一个重要问题。随着快速成型技的进一步推广应用，直接零件制造是快速成型技术发展的必然趋势。 （6）软件问题；随着快速成型技术的不断发展，快速成型技术的软件问题越来越突出，快速成型软件系统不但是实现离散/堆积成型的重要环节，对成型速度、成型精度、零件表面质量等方面都有很大影响，软件问题已成为快速成型技术发展的关键问题。 0.3.2快速成型技术软件系统存在的问题 （1）快速成型软件大多是随机安装，无法进行二次开发； （2）各公司的软件都是自行开发，没有统一的数据接口； （3）随机携带的快速成型软件都只能完成一种工艺的数据处理和控制成型； （4）已商品化的通用性软件价格较贵，功能单一，只能进行模型显示、加支撑、错误检验与修正等中的一种或几种功能，而且也存在数据接口问题，不易集成；（5）商品化的软件还不完善，不能满足当前快速成型技术对成型速度、成型精度和质量的要求；（6）当前的数据转换模型缺陷较多，对CAD模型的描述不够精确，从而影响了快速成型的成型精度和质里。 1绪论美国是世界上最重要的快速成型设备生产国，1999年美国生产的快速成型设备占全世界的8l.5%，美国的快速成型发展水平及其趋势基本代表了世界的快速成型发展水平及趋势。 1.1 快速成型技术的国外发展现状1.1.1 立体光造型1999年3DSystems公司推出SLA27000机型，扫描速度可达9.52m/s，层厚最小可达0.025mm。AUTOSTRADE公司（日本）开发了以680nm左右波长半导体激光器为光源的快速成型系统，及针对该波长的可见光树脂。提供光固化树脂的有瑞士Ciba公司、日本旭电化公司、美国Dupont公司等。1.1.2 叠层实体制造Helisys公司研制出多种叠层实体制造（Laminated Object Manufacturing）工艺用的成型材料，可制造用金属薄板制作的成型件。该公司还与Dayton大学合作开发基于陶瓷复合材料的叠层实体制造工艺。苏格兰的Dundee大学使用CO2激光器切割薄钢板，使用焊料或粘接剂制作成型。日本Kira公司PLT2A4成型机采用超硬质刀具切割和选择性粘接的方法制作成型件。澳大利亚的Swinburn工业大学开发了用于叠层实体制造工艺的金属塑料复合材料。1.1.3 选择性激光烧结DTM公司推出了系列Sinterstation成型及多种成型材料，其中Somos材料具有橡胶特性，耐热、抗化学腐蚀，用该材料制造出了汽车上的蛇形管、密封垫等柔性零件。EOS公司研制了PA3200GF尼龙粉末材料，用其制作的零件具有较高的精度和表面光洁度。1.1.4 熔融沉积制造Stratasys公司推出熔融沉积制造系列成型机，可使用两个喷头同时造形，制作速度快。1999年推出使用热塑性塑料的Genisys成型，并开发出水溶性支撑材料，解决了复杂及小型孔洞中的支撑材料难以去除的问题。1.1.5 三维打印美国的Z Corp与日本的Riken Institute于2000年研制出基于喷墨打印技术的、能制作出彩色原型件的快速成型设备。该系统采用4种不同的颜色能产生8种不同的色调，原型件可表现出三维空间内的热应力分布情况。荷兰的TNO和德国的BMT也在研究快速成型彩色制造技术。美国Sanders Prototype Inc的基于热熔金属喷射技术的Pattern Master是制作速度最快的快速成型设备之一。制作范围为300mm150mm220mm，用户可实时制作原型、验证设计，随后即可得到成形件。成形件的表面精度为0.08mm0.16mm。德国的Generis Generative Systeme于2001年推出基于喷墨打印的设备，先在每层沙（或蜡）上喷射粘接剂（平铺），再选择性喷射反应物，该设备的制作速度比其它选择性激光烧结设备快10倍以上。设备制作零件的范围为1.5m0.75m0.75m，制作速度为0.008m3/h。以色列的Object Geometries 公司2000年底推出3维打印机系列的快速成型设备2Quadra建造零件尺寸为270mm320mm200mm。Quadra用了1536个喷头选择性沉积树脂，安装在喷头前后的紫外灯固化喷射出的液态树脂。1.1.6 其它快速成型技术美国Michigan 的Precision Optical Manufacturing（POM）公司正在研制直接金属成型（Direct Metal Deposition：DMD）技术，用激光融化金属粉末，能一次制作出质地均匀、强度高的金属零件。由美国国家航空航天局（NASA）资助而开发的精密快速成型设备可用来加工航空、医疗等领域用的精密零件，制造尺寸范围为450mm300mm300mm，零件的微细特征可小于12m，表面精度小于1m，售价为150000美元左右。德国的研究机构则利用立体光造型与真空注塑相结合制造微陶瓷零件，精度为0.1mm。Oxford大学和Ford Motor公司正研制通过在低成本的陶瓷模具上喷射熔融的合金钢而制作大型零件的快速成型设备，Ford公司宣称该新型喷射成形工艺将缩短产品研发的工序（从12个工序到5个工序）和时间（从1525周到35周）。1.1.7 快速成型软件快速成型软件主要具备CAD模型数据处理及成型机控制功能，它对成型零件的精度、系统的性能等方面都有很大影响。几乎每一套商用快速成型系统都有自己的快速成型软件。因此，市场上的快速成型软件多种多样。但目前快速成型软件系统还存在以下问题：（1）快速成型软件无标准化；绝大多数的快速成型系统开发商都开发与自己的快速成型系统相匹配的软件系统，市场上快速成型软件互不兼容，不同快速成型系统间相互交换数据非常困难。（2）快速成型软件二次开发难。目前的快速成型软件都随机安装，用户无法按照自己的具体要求进行二次开发。（3）价格昂贵，功能单一。快速成型软件的专业开发商提供的快速成型软件价格都十分昂贵，多在1万美元左右，而且仅限于数据处理模块，大多只具备模型显示、加支撑、切片、纠错等基本功能，后续的成型机控制模块则需用户自行解决。1 1.2 国内快速成型技术的发展现状国内有多所高校自20世纪90年代初开始进行快速成型技术的研究开发。清华大学主要研究快速成型方面的现代成型学理论、SSM（Slicing Solid Manufacturing）、熔融沉积制造工艺，并开展了基于立体光造型工艺的金属模具的研究；华中科技大学研究叠层实体制造工艺，推出了快速成型系列即成型机和成型材料；西安交通大学开发出LPS和CPS系列的光固化成型系统及相应树脂，CPS系统采用紫外灯为光源，成型精度0.1mm。但快速成型技术在国内的应用还不十分广泛，目前仅限于大型企业和少部分科研院所。国内已成立多家快速成型服务中心，开始应用快速成型技术开发新产品。香港较内地快速成型技术起步较早，香港生产力促进局和香港科技大学、香港理工大学、香港城市大学等都拥有快速成型设备，但其重点是快速成型技术应用与推广而不是研制快速成型设备。台湾大学拥有叠层实体制造设备，台湾各单位及军方安装多台进口立体光造型系列设备，目前国内在快速成型技术的研究应用上存在着研究队伍比较薄弱，资金投入有限，应用普及范围不够，没有统一协调的管理机制等缺陷。1.3 快速成型术的发展趋势长期以来，不断有一些学者和专家对快速成型的发展持观望和怀疑态度，尤其是在1998年受全球经济的不景气所影响，快速成型工业出现缓慢增长甚至某些方面为负增长。对此，Terry Wohlers在其著述的2000年度全球快速成形及快速模具制造工业进展报告中指出，快速成型工业将会在未来几年发生巨大的变化，主要体现在新技术、新工艺及信息网络化等方面。1.3.1 开发概念模型机或台式机目前，快速成型技术向两个方向发展：工业化大型系统，用于制造高精度、高性能零件；自动化的桌面小型系统，此类系统称为概念模型机或台式机，主要用于制造概念原型。发达国家许多科研机构（如IBM公司）及教育单位（中等职业学校甚至中小学）已经开始购买此种小型快速成型设备，并极有可能进入家庭。美国通用汽车公司也计划为其每位工程师配备一台此类设备。采用桌面快速成型系统制造的概念原型，可用于展示产品设计的整体概念、立体形态布局安排，进行产品造型设计的宣传，作为产品的展示模型、投标模型等使用。1.3.2 开发新的成形能源立体光造型、叠层实体制造、选择性激光烧结、熔融沉积制造等快速成型技术大多以激光作为能源，而激光系统（包括激光器、冷却器、电源和外光路）的价格及维护费用昂贵，致使成型件的成本较高，于是许多快速成型研究集中于新成形能源的开发。目前已有采用半导体激光器、紫外灯等低廉能源代替昂贵激光器的快速成型系统，也有相当多的系统不采用激光器而是通过加热成型材料堆积出成型件。1.3.3 开发性能优越的成型材料快速成型技术的进步依赖于新型快速成型材料的开发和新设备的研制。发展全新的快速成型材料，特别是复合材料，如纳米材料、非均质材料、其它传统方法难以制作的复合材料已是当前快速成型材料研究的热点。目前国外快速成型技术的研究重点是快速成型材料的研究开发及其应用，美国许多大学里进行快速成型技术研究的科技人员多数来自材料和化工专业。1.3.4 研究新的成型方法与工艺在现有的基础上，拓宽快速成型技术的应用，开展新的成型技术探索。新的成型方法层出不穷，如三维微结构制造、生物活性组织的工程化制造、激光三维内割技术、层片曝光方式等。对于快速成型微型制造的研究主要集中于：快速成型微成型机理与方法、快速成型系统的精度控制、激光光斑尺寸的控制以及材料的成型特性等方面。目前制作的微零件仅是概念模型，并不能称之为功能零件，更谈不上微机电系统（MEMS）。要达到MEMS还需克服很多的问题，如：随着尺寸的减小，表面积与体积之比相对增大，表面力学、表面物理效应将起主导作用；微摩擦学、微热力学、微系统的设计、制造、测试等。1.3.5 集成化生物科学、信息科学、纳米科学、制造科学和管理科学是21世纪的5个主流科学，与其相关的五大技术及其产业将改变世界，制造科学与其它科学交叉是其发展趋势。快速成型与生物科学交叉的生物制造、与信息科学交叉的远程制造；与纳米科学交叉的微机电系统等都为快速成型技术提供了发展空间。并行工程（CE）、虚拟技术（VT）、快速模具（RT）、反求工程（VR）、快速成型（RP）、网络（Internet）相结合而组成的快速反应集成制造系统，将为快速成型的发展提供用力的技术支持。231.4 快速成型技术的展望纵观快速成型技术十几年来的发展，在成型设备、工艺及材料等方取得不少成就。但由于该技术的制作精度、强度和耐久性还不能满足工程实际的需要，加之设备的运行及制作成本高，一定程度上制约着快速成型技术的普遍推广。从快速成型技术的现状与最新发展动态来看，我认为，未来几年的快速成型技术应着重研究以下儿方而的问题：(1)提高快速成型系统的精度，增加设备的利用率；样件制作的精度在很大程度上取决于系统本来的精度，所以应优化设备结构，选用性能价格比高且稳定可靠的元器件，按模块化的设计思想开发具有高精度且满足不同用户需求的设备。同时实现设备资源共享，提升购置设备的回报利润和利用率，开发网上加工技术，完善服务体系 (2)研究开发新的成型方法和组合工艺过去的成型方法基本上均基于立体平丽化离散堆积的思路，本身存在着很多不足。如何将这种新的思想与传统的切削加工相结合，融入快速成型与CNC机床等加工方法为一体开发出新的快速成型设备，以提高制作的性能和精度，降低生产成本，满足用户的需要。目前，已有人开始研究如何将快速成型技术与特种加工技术相结合以形成组合加工工艺。(3)进一步拓宽应用范围应加快快速成型技术的实际应用与研究开发工作，着重探索如何利用快速成型技术直接制作金属零件、模具、人工器官及纳米块体材料等方面的研究工作，拓宽该技术的应用范围，增强该技术的生命力。22快速成型原理及应用2.1 快速成型技术的原理及其特点2.1.1快速成型技术的原理快速成型技术是一种用材料逐层或逐点堆积出制件的制造方法，分层制造三维物体的思想雏形。它是由三维CAD模型直接驱动，快速地制造出相应的三维实体模型。基本上，怏速成型技术是基于离散-堆积成型原理的成型方法。它跟传统的加工成型方法有着很大的分别，传统的成型方法包括：(1)去除成型；故明思义为将一部份材料从本体上去除之成型方法，常用的加工方法如车、铣、刨、磨均属于去除成型，而较先进的火花电蚀加工(EDM)、激光切割、打孔、化学腐蚀加工和掩膜加也视为去除成型。(2)受迫成型；受迫成型是利用材料的可成型性在型腔约束下成型的方法。于金属材料而言，传统的锻造、铸造和粉末治金等均属受迫成型。而塑料方面，注塑及压缩成型也属于受迫成型。传统的成型方法仍然是现今的产品制造的主流技术。通过受迫成型的方法造出初型，然后使用去除成型加工出最终零件为最常用的产品制造方法。但从制造零件的形状来看，传统的加工方法由于受刀具或模具等的形状限制，无法制造出复杂的曲面和倒扣等形状，产品的形状设计因此非常受着限制。快速成型技术利用的离散-堆积成型方法。离散通常在Z方向进行，将CAD三维模型按一定的厚度进行离散，(亦称为分层或切片)，使三维模型转化成二维层片，再根据各层截面的轮廓进行堆积加工。其工作过程如图2.1所示。 图2.1 快速成型技术的工作过程现时绝大多数的快速成型系统都是将三维实体离散成二维层片然后将其层叠成型。事实上，从离散-堆积原理本身出发，三维模型在离散过程中可以沿一至三个方向进行分解；一维离散使其转变成截面，二维离散转化为截线，而三维离散则转化为截点，然后将这些截点、截线及截面相应进行一维、二维和三维的累积，即将它们依照原先的次序从新还原，转换成需要的三维实体。2.1.2 快速成型技术的特点快速成型技术自问世以来，在短短的十几年时间里发展迅猛，表现出极强的生命力，与传统加工方法相比具有诸多的优势，其特点主要表现为：（1）快速性 从CAD设计到完成原型制作通常只需数小时至几十个小时，与传统加工方法相比，加工周期节约70%以上，对复杂零件尤其如此。（2）低成本 成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低50%，特别适合于新产品的开发和单件小批量零件的生产。（3）材料的广泛性 快速成型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用，可以用树脂类、塑料类、纸类、石蜡类、复合材料以及金属材料和陶瓷材料制作原型。（4）适应性强 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，原型的复制性、互换性高；尤其在加工复杂曲面时，更能体现出它的优越性，这是传统法无法比拟的。（5）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、满足一定功能的原型和零件。若要修改零件，只需修改CAD模型即可，特别适合于单件小批量生产。（6）高集成化 快速成型技术是集计算机、CAD/CAM、数控、激光、材料和机械等于一体的先进制造技术，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，零件可随时修改，随时制造，实现设计制造一体化。52.2快速成型技术在多领域的应用不断提高快速成型技术的应用水平是推动快速成型技术发展的重要方面。目前，快速成型技术已在工业造型、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应用。并且随着这一技术本身的发展,其应用将不断拓展2.2.1快速成型技术在机械领域的应用快速成型技术，被认为是近年来制造技术领域的一次重大突破，其对制造业的影响可与数控技术的出现相媲美。快速成型系统综合了机械工程、CAD、数控技术，激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评价、修改及功能试验，有效地缩短了产品的研发周期。而以快速成型系统为基础发展起来并已成熟的快速模具工装制造技术、快速精铸技术、快速金属粉末烧结技术，则可实现零件的快速成品。快速成型技术，不同于传统的去除成型(如车、削、刨、磨)，拼合成型(如焊接)，或受迫成型(如铸、锻，粉末冶金)等加工方法，而是采用材料累加法制造零件原型，其原理是先将CAD生成的三维实体模型通过分层软件分成许多细小薄层，每个薄层断面的二维数据用于驱动控制激光光束，扫射液态光敏树脂，使其固化，以逐层固化的薄层累积成所设计的实体原型，快速成形技术与传统制造技术相比，具有下列独特的优越性：1）产品的单价几乎与产品结构的复杂性及批量无关，特别适用于新产品的创新和开发。2）产品整个开发过程的费用低、周期短，无须模型、模具即可获得零件。3）快速成型技术与传统制造方法结合(如铸造、粉末冶金、冲压、模压成形、喷射成形等)，为需要各种工模具的传统制造方法注入新的活力。6 72.2.2快速成型在新产品开发领域的应用快速成型技术开发新产品的流程图，如图2.1所示 图2.1新产品开发管理流程图1） 产品设计评估与校审快速成型技术将CAD的设计构想快速、精确、而又经济地生成可触摸的物理实体。显然比将三维的几何造型展示在二维的屏幕或图纸上具有更高的直观性。正可谓“一图值千言，一物值千图”。因此，设计人员可以更快，更易地发现设计中的错误。更重要的是，对成品而言，设计人员可及时体验其新设计产品的使用舒适性和美学品质。 快速成型生成的模型亦是设计部门与非技术部门交流的更好中介物。有鉴于此，国外常把快速成型系统作为CAD系统的外围设备，并称桌上型的快速成型机为“三维实体印刷机(3D Solid Printer)”。2） 产品工程功能试验在快速成型系统中使用新型光敏树脂材料制成的产品零件原型具有足够的强度，可用于传热、流体力学试验，用某些特殊光敏固化材料制成的模型还具有光弹特性。可用于产品受载应力应变的实验分析。例如，美国GM在为其97年将推出的某车型开发中，直接使用快速成型生成的模型进行其车内空调系统、冷却循环系统及冬用加热取暖系统的传热学试验，较之以往的同类试验节省费用40%以上。直接利用快速成型制造的车体原型进行高速风洞流体动力学试验，节省成本达70%。3） 厂家与客户或订购商的交流手段在国外，快速成型原型成为某些制造厂家争夺订单的手段。例如位于Detroit的一家仅组建两年的制造商，由于装备了2台不同型号的快速成型机及以此为基础的快速精铸技术，仅在接到Ford公司标书后的4个工作日内便生产出了第一个功能样件，从而在众多的竞争者中夺到了为Ford公司生产年总产值达300万美元发动机缸盖精铸件的合同；零一方面，客户总是更乐意对着实物原型“指手划脚”，提出其对产品的修改意见。因此，快速成型模型是设计制造商就其产品与客户交流沟通的最佳手段。4）快速成型的作业流程无论是新的概念设计还是产品仿制，快速成型的过程是生成三维CAD 模型或曲面模型文件，将CAD 数据转换成STL 文件格式，并利用软件从STL 文件“ 切”出一定厚度的一系列的片层，或者直接从CAD 文件切出一系列的片层，得到这一系列片层的过程称为数据转换。将每一片层的资料传到快速成型设备中去，依次将每一层扫描出来，直到完成整个零件。判断得到的零件实物是否满足要求，如果满足要求，就可以对其进行进一步测试和研究，也可以进行小批量的生产，模具开发过程结束。如果不满足要求，则需要修改CAD 数据甚至重新设计得到CAD 数据，重复上述步骤，直到合乎要求为止。快速成型技术是20世纪80年代末开始发展起来的一种基于逐层累加成型的新兴制作工艺,它是集多种先进科技于一体的能够迅速将设计思想转化为产品的现代先进制造技术。它为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效能低成本的实现手段。快速成型工艺是一个涉及CAD/CAM、逆向工程技术、分层制造技术、数据编程、材料编制、材料制备、工艺参数设置及后处理等环节的集成制造过程。通俗地说，快速成型技术就是利用三维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。近十几年来，随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈。尤其是计算机技术的迅速普遍和CAD/CAM技术的广泛应用，使得快速成型技术得到了异乎寻常的高速发展，表现出很强的生命力和广阔的应用前景。82.2.3快速成型技术在更多领域的应用1）在新产品造型设计领域的应用快速成型技术为工业产品的设计开发人员建立了一种崭新的产品开发模式。运用快速成型技术能够快速、直接、精确地将设计思想模型转化为具有一定功能的实物模型（样件），这不仅缩短了开发周期，而且降低了开发费用，也使企业在激烈的市场竞争中占有先机。在新产品设计制造过程中，可用快速成型技术快速制出产品样品的实物模型，供设计者进行性能测试、直观评估和验证分析。在进行新产品市场调研时，用快速成型技术制造出样品的替代品，在潜在的用户中进行调研和宣传，了解用户的意见和需求量，从而快速经济地验证设计人员的设计思想、产品结构的合理性、可制造性，找出设计缺陷，并进行反复修改、制造，完善产品设计。以依托于西安交通大学的西北快速成型应用服务中心为例，他们运用快速成型技术为TCL公司设计了多款新型手机样品。从工业造型设计到样品全过程仅用了七天的时间，如用传统设计制造技术是无法实现的。9102）在医学领域的应用近几年来，人们对快速成型技术在医学领域的应用研究较多。人是自然界最高级的动物，人体的骨骼和内部器官具有极其复杂的内部组织结构。要真实地复制人体内部的器官构造，反映病变特征，快速成型几乎是唯一的方法。以医学影像数据为基础，利用快速成型技术制作人体器官模型有极大的应用价值，医疗专家组利用可视模型，进行模拟手术，对特殊病变部分进行修补(颅骨损伤、耳损伤等)。外科医生已利用CT与MRI所得数据，用快速成型技术制造模型，以便策划头颅和面部手术。他们还用快速成型技术制成模型进行复杂手术练习，为牙齿、骨移植等手术设计样板。还有利用快速成型技术帮助发展新的医疗装置。 目前，国内外有许多单位在研究基于快速成型技术的人工骨成型。如：西安交通大学研制了气压式熔融沉积造型系统可溶解的骨微管结构，并浇注到骨水泥中，融化后形成具有一定孔隙率的人工骨。以美国Dayton大学为首的研究小组采用具有生物相容性的羟基磷灰石/玻璃薄膜材料，使用叠层实体制造快速成型工艺制造人工骨。美国Michigan大学采用光固化(SLA)技术将羟基磷灰石与紫外光固化的丙烯酸树脂混合制造人工骨。大连理工大学的姜开宇副教授将快速成型技术与化学气相渗透技术相结合，提出了快速成型CTI复合成型技术，并制定出碳/碳复合材料人工骨快速成型CTI复合成型工艺。快速成型技术在医学领域的应用很有前景，发达国家已把它作为快速原型应用方面的主要研究之一 。113）在文化艺术领域的应用在文化艺术领域，快速成型制造技术多用于艺术创作、文物复制、数字雕塑等。快速成型技术可使艺术创作、制造一体化，可将设计者的思想迅速表达成三维实体，便于设计修改和再创作，为艺术家提供了最佳的设计环境和成型条件；且使艺术创作过程简化，成本降低，多快好省地推出新作品。如首饰的设计和制造，采用快速成型制造技术可极大地简化这一艺术创造过程，降低成本，更快地推出新产品。文物复制可使失传文物得以再现，并使文物的保护工作进入一个新境界。4）在航空航天技术领域的应用在航空航天领域中，空气动力学地面模拟实验（即风洞实验）是设计性能先进的天地往返系统（即航天飞机）所必不可少的重要环节。该实验中所用的比较模型由国家统一制定，模型形状复杂、精度要求高、又具有流线型特性，采用快速成型技术，根据严格的CAD模型，由快速成型设备自动完成模型，能够很好的保证模型质量的。此外，宇航员的太空服要能防止极端温度和辐射，还要求有足够的柔软性，因此每套太空服的制作费用达3万美元。美国一公司尝试综合反求工程、CAD、快速成型技术制造了太空服，既省时又省钱，质量又高，该太空服已用于宇航飞行。5）在家电领域的应用目前，快速成型系统在国内的家电行业上得到了很大程度的普及与应用,使许多家电企业走在了国内前列。如:广东的美的、华宝、科龙，江苏的春兰、小天鹅，青岛的海尔等，都先后采用快速成型系统来开发新产品，收到了很好的效果。快速成型技术的应用很广泛，可以相信，随着快速成型制造技术的不断成熟和完善，它将会在越来越多的领域得到推广和应用。2.3 几种常见的快速成型制造工艺快速成型技术是将传统的“去除”加工方法(由毛坯切去多余材料形成产品)改变为“增加”加工方法(将材料逐层累积形成产品)，采用离散分层/堆积的原理，由CAD模型直接驱动，快速制作原型或三维实体零件的一种全新的制造技术。快速成型技术发展至今，以其技术的高集成性、高柔性、高速性而得到了迅速发展，目前，快速成型的工艺方法已有几十种之多，其中主要工艺有四种基本类型:1）光固化成型法(Stereo lithography Apparatus, SLA)；2）叠层实体制造法(Laminated Object Manufacturing, LOM)；3）选择性激光烧结法(Selective Laser Sintering, SLS)；4）和熔融沉积制造法(Fused Deposition Manufacturing, FDM)。2.3.1光固化成型（SLA）工艺SLA工艺也称光造型或立体光刻，其工艺过程是以液态光敏树脂或丙稀酸树脂为材料充满液槽，由计算机控制激光束跟踪层状截面轨迹并照射到液槽中的液体树脂上而固化一层树脂，之后升降台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮平器将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行新一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。该工艺的特点是精度高，生产零件强度和硬度好，可制出形状特别复杂的空心零件，生产的模型柔性化好，可随意拆装，是间接制模的理想方法，缺点是清洗和养护等后处理工序较费时。2.3.2叠层实体制造（LOM）工艺LOM工艺称叠层实体制造或分层实体制造，其工艺过程是由加热辊筒将薄形材料(如纸片，塑料薄膜，复合材料或金属等)加热联结，待加热辊筒自动离开后，再由激光将薄形材料截切成层面要求形状(二维切片)，如此重复一层层叠加生成任意复杂形状的实体。该工艺的特点是工作可靠，模型支撑性好，有类似木质外观，可制作一些SLA法难以制作的大型零件及厚壁零件，且成本低，效率高。缺点是前后处理费时费力且不能制造中空结构件。2.3.3选择性激光烧结（SLS）工艺SLS工艺称为选择性激光烧结，其工艺过程是以金属、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作为成型材料，利用滚筒层层铺粉，激光器发出的光束在计算机控制下，对每层材料粉末进行扫描，使之熔化烧结成型，当一层粉末烧结完成后，滚筒上升一层，在烧结层上洒上新的一层粉末，供下一次烧结，直至完成零件的成型。该工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、金属、蜡等材料的零件。造型精度高，原型强度高，所以可用样件进行功能试验或装配模拟。2.3.4 和熔融沉积制造（FDM）工艺FDM工艺称为熔融沉积制造，其工艺过程是以热塑性成型材料丝为材料，材料丝通过加热器的挤压头熔化成液体，由计算机控制挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，使熔化的热塑材料丝通过喷嘴挤出，覆盖于已建造的零件之上， 并在1/10s内迅速凝固，形成一层材料。之后，挤压头沿轴向向上运动一微小距离进行下一层材料的建造。这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。该工艺的特点是使用、维护简单，成本较低，速度快，一般复杂程度原型仅需几个小时即可成型，且无污染。除了上述四种最为成熟的技术外，还有许多技术已经实用化，如三维喷涂粘结(Three Dimensional Printing and Gluing, 3DPG)、焊接成型(Welding Forming, WF)、直接壳法(Direct Shell Production Casting, DSPC)、直接烧结技术、数码累积成型、热致聚合、全息干涉制造、模型熔、弹道微粒制造光束干涉固化等。3快速成型技术的应用发展中的问题快速成型技术起于80年代，它基于一种全新的制造思想，在成型概念上以平面离散、累积为指导，在控制上以计算机和数控为基础，以最柔性为总体目标，它摒弃了传统的机械加工方法，开辟了不用刀具加工材料的新途径，被誉为是制造领域的一次重大突破。它是综合应用CAD、数控技术、激光技术、材料科学以及机械电了工程为一体新型技术，可直接、快速、准确地将产品设计者的思想转变为具有一定功能的原型或零件，从而可以对产品设计进行快速评估、修改以及功能测试，大大缩短产品研制周期，它还可直接用于模具设计和制造领域，此外，这一技术在汽车、家电、医疗、航空航天、工艺品制作及玩具等行业有着广泛的应用。123.1 应用中存在的问题1）精度不高大部分快速成型技术精度只能达到0.1mm，影响精度的因素主要来自三个方面：设备误差设备本身的精度、控制系统的性能，如工作台在各运行方面的定位、运行误差、传感器的测量误差、成型头的扫描误差，都将影响各切片薄层的形状和尺寸精度；对于采用激光扫描的制造系统，快门的定时决定了扫描轨迹线的精度，在扫描过程中，光点的尺寸是变化的，激光功率的单位供给量随之发生变化，这直接影响薄层的固化。总之，这些误关差取决于设备本身的精度和操作者的经验。材料引起的误差在零件固化过程中，材料收缩不可避免，由于收缩产生的残余内应力会导致零件的蠕变和变形。有几种方法可减少收缩产生的影响，如调整控制系统，对光学参数进行补偿；研制低收缩率的材料；在获得制品后，立即在制品表层喷上保护膜，减少继续吸湿；采用消除应力的方法；对于用激光扫描制造的系统，重复扫描技术可以减少收缩达72。软件控制误差，目前快速成型采用由一系列小三角构成的STI文件不表达CAD模型，简化了切片算法，导致制成品尺寸和形状误差。沿垂直方向的分层数有限，最小切片厚度也有限，因而外表会产生阶梯效果，并影响垂直方向精度。切片分层数越多，精度越高，但加工时间增加，成本提高。在LOM技术中，激光束切割宽度(0.10.2mm)和过切割也会引起误差。激光束深入到前一层截面轮廓线相对理论轨迹偏移半个切割度，可减小切片轮廓线误差。激光束深入到前一层截面轮廓线内，且能量过大，就有可能损伤前一层的表面，影响尺寸精度。通过数据处理，调节激光能量可消除过切割。13 142）材料问题目前快速成型系统使用的材料非常有限，制造出的零件强度低，离直接制造功能件还有较大的差距有些RPM系统使用的材料昂贵或有毒，研制低脆性，低收缩率、低粘度树脂，使用纤维一树脂复合物；或用连续沉积熔融金属材料(如镍、铜、钢)直接制造出金属零件是两条有效途径。3）价格问题快速成型系统设备、制作及维护费用高昂，所用材料也比较贵，严重影响该项技术的推广和应用。3.2 快速成型技术与环境保护3.2.1 快速成型技术中资源、能源消耗快速成型制造中，采用材料增生原理，材料利用率高，接近100；在加工过程中，不涉及传统的刀具、机床、切割过程，故不存在刀具、设备、工装夹具、冷却液和液压油的消耗。在快速成型制造中，主要能源消耗是激光器，但因其功率小，所以，消耗也就少，快速成型设备移动极慢，基所需的能量也很少。所以，该技术是一种节省资源、能源的新技术。153.2.2 快速成型技术发展对环境的影响在快速成型制造中，对环境的污染主要有废气，产生的原因是：当激光照射或烧结材料时，如果时间稍长，材料温度过高是会汽化，对树塑料等材料来说，有时会产生有毒有味的气体，对金属陶瓷粉末材料来讲，会产生粉尘，造成环境的污染；当一层加工完毕重新铺设粉末材料时，也会产生微量粉尘，对环境有一定污染。但大部分快速成型设备是密封的，所以污染极少，此外在加工过程中几乎无废水、废渣产生，这对环境保护非常有益。所以，快速成型是一种环保型技术，今后在研究中，要注意从环保性、经济性和功能性三者并重的角度去开发选择使用材料。把其对环境的影响降至最低值。163.2.3 快速成型技术与劳动保护在快速成型技术中，不会有噪声和机械工业生产中的安全事故对操作者产生危害，只是激光辐射可能对眼眼和皮肤有伤害，可通过穿防护衣或不接触来减少、消除这种危害。总之，RPM技术劳动保护性较好。4 快速成型技术工艺方法目前快速成型主要工艺方法及其分类见图4.1所示。本章仅介绍目前工业领域常用的工艺方法。图4.1目前快速成型主要工艺方法及其分类4.1 熔融堆积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）FDM(Fused Depostion Modeling) 工艺由美国学者Dr. Scott Crump于1988年研制成功，并由美国Stratasys公司推出商品化的3D Modeler 1000、1100和FDM1600、1650等规格的系列产品，最新产品是制造大型ABS原型的FDM8000、Quantum等型号的产品。清华大学开发了与其工艺原理相MEM(MeltedExtrusionManufacturing)工艺及系列产品。如图4.2所示。图4.2熔积成型法原理图熔融堆积成型法( FDM)的过程中，龙门架式的机械控制喷头可以在工作台的两个主要方向移动，工作台可以根据需要向上或向下移动。热塑性塑料或蜡制的熔丝从加热小口处挤出。最初的一层是按照预定的轨迹以固定的速率将熔丝挤出在泡沫塑料基体上形成的。当第一层完成后，工作台下降一个层厚并开始迭加制造一层。FDM工艺的关键是保持半流动成型材料刚好在熔点之上，通常控制在比熔点高1左右。FDM制作复杂的零件时，必须添加工艺支撑。如图4.3(a)所示。