（机械制造及其自动化专业论文）熔融沉积制造精度及快速模具制造技术的研究.pdf

摘要 摘要 现代社会市场竞争日趋激烈，新产品的“上市时间”已成为取胜的关键，因此，要 求设计者及制造者尽量缩短产品的开发、制造周期，以适应批量小、品种多、改型快的 现代制造模式。快速成型技术( r p m ) 与快速模具制造技术( r t ) 能分别用来快速制造 具有复杂形状的原型及具有高尺寸精度和低表面粗糙度的各类工模具，因而利用这两种 技术能实现快速产品开发的目的。 熔融沉积制造技术( f d m ) 在零件原型快速制造上已获得成功的应用。基于f d m 快速制造模具生成注塑模或e d m 电极时，原型的尺寸、几何精度和表面粗糙度对 于最终产品的质量起着决定性的作用，因而必须研究f d m 工艺的精度。 本论文首先从粘性和弹性两个方面阐述和研究了熔融态a b s 熔体从喷头挤出过程 中的流变性能，流变性能的分析和研究不仅有助于更好地理解f d m 工艺的挤出丝过程， 而且为建立理想轮廓线的补偿模型提供了理论依据。 在对f d m 工艺精度进行系统分析的基础上，提出了精度研究的具体内容，即成型 过程中的材料收缩及其补偿、由喷头导致的理想轮廓线的补偿和f d m 工艺参数的优化。 首先通过理论和实验研究了成型过程中a b s 树脂材料收缩对零件尺寸精度的影响， 以及收缩的控制与补偿方法。 根据a b s 丝从喷头挤出过程中的流变性能，在研究f d m 工艺喷头挤出丝截面形状 的基础上，建立了理想轮廓线的补偿模型，并提出了根据挤出丝实际宽度( 而非喷嘴孔 直径) 和零件尺寸实际收缩量补偿零件内、外轮廓的新方法，验证试验结果表明该补偿 模型和补偿方法正确可行。 针对f d m 快速成型工艺，确定出影响原型件质量的主要工艺参数，通过正交试验， 对加工出的2 7 个标准测试件的各种特征进行测量与数据处理，研究了f d m 工艺参数对 原型件质量的影响规律，进而优化f d m 工艺参数，并形成了一套完整的基于参数优化 设置的f d m 成型工艺规程。 继f d m 工艺精度研究后，开展了快速模具制造技术的研究，建立了基于f d m 原型 快速制造电加工电极的工艺。该工艺将脉冲电铸和电弧喷涂紫铜背村相结合，获得了结 晶致密的电极工作层和结合强度高、导电与导热性良好的电极背衬层，得到的电极达到 了常规机加工紫铜电极的电加工性能。同时，该工艺有效地缩短和降低了模具制造周期 和成本。 最后，针对目前国内市场应用较普遍的分层实体制造( l o m ) 快速成型设备，提出 了基于特殊涂料喷涂法的l o m 纸质原型封闭处理新技术，通过快速化学镀铜解决了 l o m 纸质原型导电化的难题，建立了基于l o m 纸质原型快速制造电加工电极的工艺。 该工艺不仅减少了工序，还避免了因翻制过渡模型带来的转换误差，将脉冲电铸和电弧 摘要 喷涂紫铜背衬相结合制造电极，能保证电极的电j m - t - 性能，可以实现高效率、高精度和 低成本的快速模具制造。 关键词：快速成型技术；快速模具制造；熔融沉积制造；分层实体制造；电铸；电弧喷 涂；电加工电极 i i 一一 些! 堡! ! ! a b s t r a c t i n i n c r e a s i n g l ys t i n g i n g m a r k e tc o m p e t i t i o n 。t h ei e a d - t i m et om a r k e to fn e w p r o d u c th a sb e c o m ec r u c i a l t h e r e f o r e ，d e v e l o p m e n ta n df a b r i c a t i o np e d o do fn e w p r o d u c tm u s tb es h o r t e n e d a sp o s s i b l e i no r d e rt o a d a p tm o d e r nm a n u f a c t u r i n g m o d ec h a r a c t e r i z e db yl o wv o l u m e ，m a n yt y p e sa n ds w i f tc h a n g er a p i dp r o t o t y p i n g m a n u f a c t u r i n g ( r p m ) a n dr a p i dt o o l i n g ( r t ) c a nr a p i d l yf a b r i c a t ec o m p l i c a t e d p r o t o t y p e sa n dv a r i o u sm o u l d & d i e so fh i g h e rd i m e n s i o n a ip r e c i s i o na n db e t 【e r s u r f a c e r o u g h n e s sr e s p e c t i v e l y w i t h t h o s e t e c h n o l o g i e s ，t h eo b j e c t i v e o f r a p i d p r o d u c td e v e l o p m e n t ( r p d ) c a nb ea c h i e v e dc o n s e q u e n t l y f u s e d d e p o s i t i o nm o d e l i n g ( f d m ) h a ss u c c e s s f u l l y b e e n a p p l l e d i n r a p i d f a b r i c a t i o no f p r o t o t y p e c o m b i n e dw i t ht r a d i t i o n a im o u l d d i em a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g i e s w h e nf d m i su s e dt or a p i d l yf a b d c a t ep l a s t i ci n j e c t i o nm o u l da n de d m e l e c t r o d e ，t h ed i m e n s i o n a l ，g e o m e t r i c a lp r e c i s i o na n ds u r f a c er o u g h n e s s e so ff d m p r o t o t y p eh a v ed e c i s i v ee f f e c t s o nq u a l i t yo ff i n a ip r o d u c t i ti s n e c e s s a r yt h a tt h e p r e c i s i o no ff d mp r o c e s sb es t u d i e d f i r s t l y , t h es t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so fa b sr e s i n ak i n do fm a t e r i a if o rf d m p r o c e s s ，a r ei n t r o d u c e d ，a n dr h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so fm e i t e da b s 啊l a m e n td u r i n g e x t r u s i o nf r o mf d m sn o z z l ea r es t u d i e di n v i s c o s i t y a n de l a s t i c i t y t h er e s e a r c h r e s u l t sc a np r o v i d et h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o re s t a b l i s h i n gt h ec o m p e n s a t i o nm o d e lo f i d e a ic o n t o u rl i n e a f t e rs y s t e m i c a l l ya n a l y z i n gt h ep r e c i s i o no ff d m p r o c e s s t h er e s e a r c hc o n t e n t s o ff d m p r e c i s i o na r eg i v e n w h i c hi n c l u d em a t e r i a ls h n n k a g ed u r i n gp r o t o t y p i n ga n d i t sc o m p e n s a t i o n ，t h ec o m p e n s a t i o no fi d e a lc o n t o u rl i n ei n d u c e db yn o z z i e ，a n df d m p r o c e s sp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ， t h ee f f e c t so f a b sr e s i ns h d n k a g ed u r i n gp r o t o t y p i n go nd i m e n s i o n a lp r e c i s i o no f w o r k p i e o ea n dt h em e t h o do fc o n t r o la n dc o m p e n s a t i o no v e rs h r i n k a g eh a v eb e e n s t u d i e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y a c c o r d i n gt ot h er h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so fm e l t e da b s f i l a m e n td u n n ge x t r u s i o n f r o mf d m sn o z z l e o nt h eb a s i so fr e s e a r c ho ne x t r u d e df i l a m e n ts e c t i o ns h a p e t h e c o m p e n s a t i o nm o d e lo fi d e a ic o n t o u ri i n e i se s t a b l i s h e d a n dan e wt e c h n i q u ef o r c o m p e n s a t i n gi n n e ro ro u t e rc o n t o u rl i n eo fw o r k p i e c ei sp u tf 0 1 3 n a r d ，w h i c hs h o u l d d e p e n do nt h er e a lw i d t ho fe x t r u d e df i l a m e n t ( i n s t e a do fn o z z l er a d i u s ) a n dt h er e a i d i m e n s i o n a ls h r i n k a g eo fw o r k p i e c e t h ee x p e r i m e n t a l l yv a l i d a t e dr e s u l t sp r o v et h a t t h ec o m p e n s a t i o nm o d e lo fi d e a lc o n t o u rl i n ea n dt h ec o m p e n s a t i o nt e c h n i q u ef o r i i i a b s t r a c t c o n t o u ri i n eo fw o r k p i e c ea r ec o r r e c ta n df e a s i b l e t h em a i np r o c e s sp a r a m e t e r si n f l u e n c i n gf d m p r o t o t y p eq u a l i t ya r ed e t e r m i n e d b yt a g u c h ie x p e r i m e n t v a r i o u sf e a t u r e sd a t ao ft h e2 7p r o t o t y p e ds t a n d a r dt e s tp a r t a r em e a s u r e da n dt r e a t e d t h ee f f e c t so ff d mp r o c e s sp a r a m e t e r so nt h eq u a l i t yo f p r o t o t y p ea r ei n v e s t i g a t e d a n df d mp r o c e s sp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e d t h u s ，as e to f f d m p r o t o t y p i n gp r o c e s sr u l e sb a s e d o np a r a m e t e r o p t i m i z a t i o ni sp r e s e n t e d a f t e rs t u d y i n gt h ep r e c i s i o no ff d mp r o c e s s ，ar a p i de d me l e c t r o d ef a b r i c a t i o n t e c h n o l o g y b a s e do nf d mi s d e v e l o p e d t h et e c h n o l o g y , w h i c h c o m b i n e d p u l s e r e v e r s ee l e c t r o f o m l i n g w i t h s t r e n g t h e n i n g o f c o p p e rw i r e a r cs p r a y i n g ，o a n o b t a i n e dc o m p a c tc r y s t a le l e c t r o d e sw o r k i n gp a r t ，a n ds t r e n g t h e n e df i l l i n gp a r tw h i c h h a s b i g a d h e s i o n s t r e n g t h ，b e t t e re l e c t r i c i t y a n dh e a t c o n d u c t i v i t y 。t h e e d m p e r f o r m a n c eo ft h eo b t a i n e de l e c t r o d er e a c h e st h a to fe l e c t r o l y s i sc o p p e r e l e c t r o d e a tt h es a m et i m et h et e c h n o l o g ye f f e c t i v e l ys h o r t e n st h em a n u f a c t u r i n gp e n o da n d r e d u c e st h ec o s t f i n a l l y ，a i m e da tl a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ( l o m ) m a c h i n e w h i c hi sw i d e l y a p p l i e di nd o m e s t i cm a r k e t ，an e wt e c h n i q u e f o rc o v e r i n gl o m p r o t o 婶p ew i t hs p e c i a i c o a t i n gs p r a y i n g i s p u tf o r w a r d ，t h ep r o b l e mo nm e t a l l i z a t i o n o fl o mp r o t o t y p ei s r e s o l v e d b y m e a n so f r a p i d e l e c t r o l e s s p l a t i n gc o p p e r , ar a p i d e d me l e c t r o d e f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nl o mi se s t a b l i s h e d t h et e c h n o l o g yn o to n l yr e d u c e s w o r k i n gp r o c e d u r eb u ta v o i d sc o n v e r s i o ne r r o r sc a u s e db ym a k i n gt r a n s i t i o nm o d e l ， a n dc a ne n s u r ee d m p e r f o r m a n c eo f t h eo b t a i n e de l e c t r o d eu s i n gt h ec o m b i n a t i o no f p u l s e r e v e r s ee l e c t r o f o r m i n g w i t hs t r e n g t h e n i n go fc o p p e rw i r e - a r cs p r a y i n g t h u s t h et e c h n o l o g yc a nb ea p p l i e dt or e a l i z e r a p i d m o u l d d i ef a b d c a t i o nw i t hh i g h e f f i c i e n c y , h i g hp r e c i s i o na n d l o wc o s t k e yw o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n g m a n u f a c t u r i n g ( r p m ) ；r a p i dt o o l i n g ( r t ) ；f u s e d d e p o s i t i o nm o d e l i n g ( f d m ) ；l a m i n a t e do b j e c t m a n u f a c t u r i n g ( l o m ) ； e l e c t r o f o r m i n g ；w i r e - a r cs p r a y i n g ；e d me l e c t r o d e 第一章绪论 1 绪论 1 1 选题的科学依据 1 1 1 课题的提出 从2 0 世纪8 0 年代末以来，由于消费者的价值观向多样性和个性化转变，导致市场 的快速多变。以往衡量制造技术的三大要素：质量、成本、生产率，已被新的衡量标准 t i m e ( 节省时间) ，q u a l i t y ( 提高质量) ，c o s t ( 降低成本) 和s e r v i c e ( 优质服务) 所取 代，“速度”已成为制造的第一要素。 而传统的产品开发周期及流程为： 概念设计 交货销售 详细设计 质量控制 功能设计 _ _ - - _ 成批生产 原型制造 试产运行 图1 - 1 传统的产品开发周期和流程 f i g 1 - 1c y c l ea n df l o w o f t r a d i t i o n a lp r o d u c td e v e l o p m e n t 功能试验 - - - i - 设计改进 在这一循序渐进的过程中，完成上一步并认为满意后才能开始下一步的工作，否则 上一步的工程信息资料不可能提供给下一步。这样，设计上的任何修正及根据用户反馈 意见对产品的改进都会增加产品开发的时间和成本。 现代社会市场竞争日趋激烈，产品更新换代加快，各种产品向多品种、小批量的方 向发展，产品的“上市时间”已成为市场竞争的焦点，把产品及时投放市场的能力已成 为在市场竞争中取胜的一个首要因素。制造业为了保持产品的市场竞争力，要求设计者 及制造者尽量缩短产品的开发、制造周期，从而实现对市场变化、新技术开发以及竞争 对手阶跃变化的快速反应能力，达到快速产品开发( r p d ，r a p i d p r o d u c td e v e l o p m e n t ) 的目的。因此，压缩产品开发周期的技术与策略，如快速成型技术、快速模具制造技术、 并行工程、快速反求及c a d c a m 等已成为现代企业在市场竞争中出奇制胜的重要手段 i - 4 。 原型制造是产品开发制造中最重要的一个因素，它有利于尽快对产品进行验证和投 产制造。传统制造零件原型花时费钱，远远不能满足市场竞争日趋激烈的要求。为了解 决这一问题，上世纪8 0 年代末期在美国首次出现了一种全新的制造技术快速成型技 术( r p m ，r a p i dp r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r i n g ) p ”。这是一种集c a d 、c n c 、激光及材 料科学于一体的新型技术，它采用基于离散，堆积【8 】的快速分层制造工艺，把c a d 和原 型制造集成起来，能直接从三维c a d 模型生成产品原型，创造出大大缩短新产品设计 和开发周期的并行工程环境。 大连理工大学博士学位论文 而模具制造是产品开发制造中的另一个重要因素。模具是现代工业生产的重要工具 和手段之。用传统的机械加工方法制造的模具具有高投入、长工期、长寿命的特点， 对于大、中批量生产，模具的这种高投入可由其长寿命加以补偿 9 1 。但随着市场竞争的 日趋加剧，新产品的“上市时间”成了影响竞争力的关键因素，产品的生产模式正在自 传统的大、中批量向具有灵活易变性和快速反应能力的中、小批量转变。近年来，随着 模具形状越来越复杂和精度要求越来越高，也就迫切需要以更低的成本和更短的时间来 制造模具【l0 1 。在这种情况下，传统的模具制造方法由于其自身固有的特点，在一定程度 上成为企业在市场竞争中发挥活力的制约因素。 在大多数情况下，开发部门一般需要对所开发的新产品进行有关测试，如风洞试验、 各种破坏性试验等：或者销售部门将得到的原型( 样品) 发放给客户以求得对产品评价 的反馈信息。这样，一个原型往往是不够的，而应用r p m 技术在一次加工过程中能得 到的原型数量毕究是很有限的，对于需要几十乃至上百个原型时，还利用快速成型设备 把它们全部加工出来，就显得不经济也不切实际，因而就需要有快速制模工艺和零件复 制方法。 基于r p m 的快速模具制造技术( r t ，r a p i dt o o l i n g ) 以更快的速度和更低的模具 制造成本而迎合了这种需求，然而目前的基于r p m 的快速模具制造从技术的角度看还 并没有达到能直接制造有高尺寸精度和表面质量要求的金属模具的应用水平i l ，通过 r p m 来制造模具还必须与传统的模具制造方法结合起来才行，即利用r p 原型通过中间 转换技术间接制造模具，将快速原型与传统的诸如铣削、铸造、电铸、电弧喷涂、电火 花成型加工等模具制造方法结合在一起来快速制造具有较高尺寸精度及表面光洁度的各 类金属模具。 本课题“熔融沉积制造精度及快速模具制造技术的研究”正是在这种背景下提出的。 1 1 2 课题的来源 本课题“熔融沉积制造精度及快速模具制造技术的研究”来源于国家自然科学基金 重点资助项目“面向快速制造的特种加工理论与技术基础”( 项目批准号：5 9 9 3 5 1 1 0 ) ( 2 0 0 0 1 2 0 0 2 1 2 ) ，是其五大研究内容之一的“基于r p 技术的特种加工方法与技术及 面向r p 技术的特种加工工艺组合技术研究”的重要组成部分。 1 2 快速成型技术概述 1 2 1 快速成型技术的原理 快速成型也称离散堆积制造( d i s p e r s e d a c c u m u l a t e df o r m i n g ) 、材料累积制造 ( m i m ，m a t e r i a li n c r e a s i n gm a n u f a c t u r i n g ) 、分层制造( l m ，l a y e r e dm a n u f a c t u r i n g ) 、 实体自由成形制造( s f f ，s o l i df r e e f o r mf a b r i c a t i o n ) 、即时制造( i n s t a n tm a n u f a c t u r i n g ) 等，它是一项集多门现代科学技术于一体的高新技术，是一种全新的制造技术，以极高 的柔性获得制造业和学术界的极大关注p j 。 2 第一荤绪论 r p m 技术将计算机辅助设计与制造( c a d & c a m ) 、精密伺服驱动、计算机数控 ( c n c ) 、激光技术及材料科学等先进技术集于一体，应用全新的生长制造原理，依据 计算机上构造的产品三维设计模型，在其高度方向对其进行分层切片，得到各层截面的 轮廓线，然后在快速成型设备上按照这些轮廓线，或者用激光束选择性地切割一层层的 纸，或固化一层层的液态光敏树脂，或熔化塑料粉、金属基陶瓷基粉来烧结一层层的粉 末材料；或者用喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂、热塑性材料等，从而形成各截面 轮廓，并逐步叠加成三维产品1 1 1 。 r p m 技术的成型原理突破了传统加工中的成形法( 如锻压、冲压、拉伸、铸造、注 塑加工) 和切削加工的工艺方法，其本质是用积分法制造三维实体。尽管它可以用多种 工艺方法来实现，但各种方法的基本原理都是一样的，都是基于离散堆积的成型思想。 快速成型的一般过程是l 】l j ： ( 1 ) 用三维造型软件在计算机中生成一个产品的三维c a d 实体模型或曲面模型； ( 2 ) 将其转换为s t l 文件格式，然后运用分层切片软件从s t l 文件“切”出设定厚 度的一系列的片层；或者直接从c a d 文件切出一系列的片层； ( 3 ) 将上述每一片层的资料传到快速成型机，类似于计算机向打印机传递打印信息； ( 4 ) 通过材料逐层添加法依次将每一层做出来并同时粘结各层，直到完成整个零件： ( 5 ) 去除废料、固化、烧结、渗透、打磨和抛光等后处理。 1 2 2 快速成型技术的特点i l i 】 快速成型技术的特点如下： ( i ) 成功地解决了c a d 中三维造型“看得见，摸不着”的问题，其最大的特点是能 以最快的速度将设计思想转变为具有一定结构功能的产品原型或直接制造零件，使设计 模型从“看得见”( 显示器) 到“摸得着”( 实物) ，从而可以对产品设计进行快速评估、 测试及功能试验，以缩短产品开发的研制周期，减少开发费用，提高企业参与市场竞争 的能力。 ( 2 ) 将复杂的三维加工分解成简单二维加工的组合，无需传统的加工机床和工模具， 只需传统加工方法3 0 5 0 的工时和2 0 3 5 的成本，就能直接制造出形状复杂的产品样 品或模具，因而在汽车、摩托车、飞机、家电、玩具和模具等行业中获得了广泛的应用。 ( 3 ) 同传统的生产工艺如铸造工艺和特种加工技术相结合，可以大大缩短产品研制 周期，降低生产成本，特别适合于批量小、品种多、改型快的现代制造模式。 似) 产品的造价几乎与产品批量、产品的复杂性无关。 1 2 3 快速成型技术的主要用途【l ”训 自1 9 8 7 年美国3 ds y s t e m s 公司推出第一套r p m 系统s l a i 以来，随着各种快速成 型方法的出现和相关应用技术的开发，其应用范围己拓展到家电、汽车、玩具、轻工、 造船、建筑、航空航天、兵器、艺术、考古和影视等行业，并取得了显著的效果。而医 学领域和微机电系统将是r p m 技术另一个重要而有前途的应用方向。r p m 技术的主耍 大连理工大学博士学位论文 用途如下： ( i ) 产品开发中的设计评价和功能测试。r p m 技术可在数天或数小时内将设计图纸 或c a d 模型制成三维实体原型，设计人员可以根据r p 原型进行设计方案评定、模拟试 验分析和生产可行性评估，并能迅速取得用户对设计方案的反馈信息，然后通过c a d 模型对设计方案做修改和再验证。另外，用r p m 制作的零件原型可直接用于装配试验， 进行干涉检查或做某些特殊的功能试验。如美国c h r y s l e r 公司用s l a 工艺制成了汽车车 体模型，将其放在高速风洞中进行空气动力学试验，取得令人满意的效果。 ( 2 ) 用r p m 方法实现快速模具制造及快速制造复杂金属零件。 ( 3 ) 医学上的辅助手术确诊和仿生。将r p m 技术和医学c t ( c o m p u t e r e d t o p o g r a p h y ) 、m r i ( m a g n e t i c r e s o n a n c e k n a g i n g ) 技术结合，s 辅助外科医生迅速准确 地实施复杂的外科手术以及进行假肢设计和制造。 ( 4 ) r p m 技术用于微型制造的研究开发。将r p m 技术应用于微型制造，需解决诸 如微成型机理与方法、r p m 系统的控制精度、激光光斑尺寸的控制及材料的成型等问 题，因此目前还处于探究开发阶段。日本学者k y u s h u 研制了一种基于s l a 工艺的桌面 微型制造系统( d e s k t o pm i c r of a b r i c a t i o n ) 和特殊的光固化树脂材料，用光斑直径仅为 5 9 r n 的紫外光取代激光光源，制成多种微型零件的原型。 ( 5 ) 集成的快速制造技术与反求工程。在反求工程中引入r p m 技术，能使反求检测 结果以最快的速度仿制出优化设计的产品原型。r p m 技术与三坐标测量仪、三维激光扫 描仪、工业c t 和m 刚、自动断层扫描仪等反求测量手段以及传统的数控加工相结合， 组成了集成的快速制造系统，可实施快速反求工程。 i 2 4 国外r p m 技术的研究与应用现状 快速成型技术是一种基于材料堆积的制造方法。这种用分层方式制造零件的思想并 非最近才提出的。早在1 8 9 2 年，美国的b l a n t h e rj f 申请了用蜡片制作立体地图的专利。 1 9 7 4 年东京大学的中川威雄教授将金属片用铣床切割，并用粘接剂、螺钉连接，制造了 螺旋浆、三维凸轮和冲压模具。 但早期的这种分层制造方式还很原始，加工出的零件精度也不高。真正使这门技术 发展成熟起来得益于相关技术的发展和成熟，如计算机技术、数控技术和激光技术等。 只有当相关的技术都发展到一定程度时，它们的结合才可能实现，才会诞生出这种以众 多高新技术为基础的快速成型技术。 r p m 技术是2 0 世纪8 0 年代后期兴起并迅速发展起来的一项高新制造技术，源于美 国，很快发展到日本、欧洲及其他工业化国家。它被认为是近2 0 年来制造技术领域的一 次重大突破，是继第一次制造革命寺种加工之后的第二次制造革命，其对制造业的 影响可与5 0 年代的数控技术相媲美p j 。 世界上首次报道快速成型技术的论文是由日本名古屋理工学院的克达马博士在 1 9 8 1 年发表的。2 0 世纪7 0 年代末到8 0 年代初，美国3 m 公司的a l a nj h e r b e r t ( 1 9 7 8 年) 、日本名古屋市工业研究所的小玉秀男( 1 9 8 0 年) 、美国u v p 公司的c h a r l e s w h u l l 第一章绪论 ( 1 9 8 2 年) 和日本大阪府立产业综合研究所的丸谷洋二氏( 1 9 8 3 年) ，都各自独立地提 出了基于有选择地逐层固化光敏聚合物( p h o t o p o t y r n e r ) 表面的原理来制造三维物体的 快速成型技术的概念 2 1 1 。 c h a r l e sw h u l l 在u v p 公司的继续支持下开发了立体光造型系统( s l a ， s t e r o l i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ) ，并于1 9 8 6 年申请了专利，这是r im 发展史上的一个里程 碑。同年组建了3 ds y s t e m s 公司，而后在1 9 8 8 年6 月首次推出世界上第一台商业化的 快速成型设备s l a i 。1 9 8 9 年美国人c h r y s t e r 第一个应用这种技术来制造原型 3 , 9 , 2 1 】。 与此同时，其它的成形原理及相应的成型机也相继开发成功。1 9 8 4 年m i c h a e l f e y g m 提出分层实体制造( l o m ，l a m i n a t e do b j e e lm a n u f a c t u r i n g ) 的方法，并于1 9 8 5 年组建h e l i s y s 公司，1 9 9 1 年开发出第一台商业机型l o m 1 0 1 5 。1 9 8 6 年美国t e x a s 大学a u s t i n 分校的研究生c r d e e k a r d 提出激光选择性烧结( s l s ，s e l e c t i v el a s e r s i n t e r i n g ) 的思想，稍后组建了d t m 公司，于1 9 9 9 年开发出基于s l s 的商业成型机 ( s i n t e r s t a t o n ) 。美国学者d r s e o t tc r u m p 在1 9 8 8 年提出熔融沉积制造( f d m ，f u s e d d e p o s i t i o nm o d e l i n g ) 的思想，随后组建了s t r a t a s y s 公司，并于1 9 9 2 年开发出第一台商 业机型3 d - m o d e l e r t 2 t l 。 自1 9 8 8 年s l a 快速成型设备问世以来，其年销量已是节节攀升【2 2 刀】。许多美国大 公司如g e n e r a lm o t o r s 、c h r y s l e r 、m m 、b o e i n g 等都购置了s l a - i 系统，在生产使用中 积累了丰富的经验，因而大大推动了r p m 技术的发展。此外，美国还相继成立了一些 快速成型系统的制造公司，推出了一些其它类型的已商品化的快速成型设备，见表1 1 。 表1 1美国快速成型系统制造公司及其产品简表口4 】 t a b l e1 - 1r ps y s t e mw n d o r sa n di t sp r o d u e l si na m e r i c a + 该公司已于11 1 1 2 0 0 0 倒闭，其创始人重新组建了c u b i ct e c h n o l o g i e s 公司： 十 即为原来的s a n d e r sp r o t o t y p e s 公司；”+ 该公司已倒闭。 另外，美国许多著名大学均在快速成型技术领域投入了大量的经费和人力，比较主 要的有：m i t ：它是3 d p 技术的发源地。以e m a n u e ls u c k s 为首开发3 d p ，包括金属 型和陶瓷型，后者已被美国的s o l i g e n 公司以d s p c ( d i r e c t s h e l lp m d u c t i o nc a s t i n g ) 名 5 大连理工大学博士学位论文 义商品化，用以制造铸造用的陶瓷壳体和芯子；1 1 1 e u n i v e r s i t yo f d a y t o n ：以a l l a nj l i g h t m a n 为首从事多种r p m 工艺的研究，从1 9 9 1 年开始每年6 月举办国际性的r p m 学术会议；t h eu n i v e r s i t yo f t e x a sa ta u s t i n ：以j o s e p hj b e a m a n 为首，主要研究s l s 工艺，每年8 月举办国际性的s f f ( s o l i df r e e f o r mf a b r i c a t i o n ) 学术会议；c a r n e g i e m e l l o nu n i v e r s 畸：以l e ee w e i s s 为首，主要从事基于r p m 的微型机械研究与开发。 另外，美国还有多所大学和研究机构从事r p 新工艺、r p 技术的应用以及直接制造陶瓷 或金属原型等多方面的研究，如s t a n d f o r du n i v e r s i t y 、u n i v e r s i t yo fu t a h 、u n i v e r s i t yo f c a l i f o r n i a 、t u f t su n i v e r s i t y 、c l e m s o nu n i v e r s i t y 、u n i v e r s i t yo fm i c h i g a n 、u n i v e r s i t yo f m i s s o u r i 、m a r s h a l ls p a c e f l i g h tc e n t e r 等【3 1 。 同时，r p m 技术很快在日本和欧洲兴起，并影响世界范围的工业界。日本仅次于美 国，1 9 8 8 年m i t i s u b i s h 肥m e t 公司推出s o u p 设备，率先在日本市场出售，并已占据相 当市场。同年，美国3 ds y s t e m s 公司在日本建立子公司。随后，s o n y ，d - m e c 公司的 s c s ( s o l i dc r e a t i o n s y s t e m s ) 系统、m i t s u i z o s e u 公司的c o l a m m 系统、d u p o n t r r e i j i n - s e i k i 公司的s o m o s 系统等相继出现，目前日本至少有十家公司从事r p m 技术的研究和开发。在大学方面，东京大学以中川威雄为首，主要从事s l a 和l o m 技 术的研究【3 j ，另外还有其它的大学也在进行这方面的研究。 欧洲国家也意识到r p m 技术的重要性，许多研究机构和厂商也将目光瞄准这一领 域。在1 9 9 0 年由德国、瑞典、丹麦、挪威等国家联合共同成立了欧洲快速成型行动组织 e a r p ( e u r o p e a n a c t i o n o n r a p i d p r o t o t y p i n g ) ，并分别于1 9 9 0 年6 月和4 月开始发起了 两个大的国际合作工程矾s t a n t c a m ( r e d u c t i o no fd e s i g nt o p r o d u c tl e a dt i m e t h r o u g hi n s t a n tm a n u f a c t u r i n go f m o d e l s ，p r o t o t y p ea n dt o o l s ) ”和n o r s l a ( m a c h i n i n g d a t af o rp r o d u c t i o n o f s t e r e o l i t h o g r a p h ym o d e l s ) 。这两个工程的目的是改进现有的快速成 型工艺，使之成为工业实用的生产方法，它们的研究重点为s l a 工艺但同时也兼顾其它 的快速成型工艺。 这两个工程涉及欧洲主要工业国家的研究所、大学和公司，如德国的b r e m e n i n s t i t u t e o f i n d u s t r i a l t e c h n o l o g y a n d a p p l i e d w o r k s c i e n c e ( b i b a ) 、瑞典的k o i n o r a b 、丹麦的 d a n s kt e k n o l o g i s ki n s t i t u t ( d t i ) 、挪威的n t h - s i n t e f 、芬兰的h e l s i n k iu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y 和d e s t e mo y 、波兰的i n s t i m t os u p e r i o rt e c n i c o 等“。 亚洲地区的中国香港和台湾及新加坡在r p m 方面也有相当的应用与研究。香港起 步较早，从1 9 9 1 年8 月开始，香港生产力促进局、亚洲殷发有限公司以及几所有影响的 大学如香港科技大学、香港理工大学、香港城市大学和香港大学都陆续购买了各种类型 的快速成型设备。在r p m 软件、r p m 系统的集成和开发以及反求建模等方面开展了较 多的研究。到1 9 9 4 年香