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快速成型技术综述机械工程及自动化专业（2010级）机械1012班 李春林（2010118501229）【摘 要】 本文主要介绍了快速成型技术的起源及特点，技术原理，类型、特点及适用范围，阐述了快速成型技术在各领域的应用，探讨了快速成型技术在今后的发展方向。【关键词】 快速成型技术；特点；原理；分类；特点；应用；意义；发展方向 【引 言】 (1)随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈，产品的开发速度日益成为主要矛盾。在这种情况下，自主快速产品开发的能力成为制造业全球竞争的实力基础。(2)制造业为满足日益变化的用户需求，要求制造技术有较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产而不增加产品的成本。因此，产品的开发速度和制造技术的柔性就十分关键。 (3)从技术发展角度看，计算机科学、CAD技术、材料科学、激光技术的发展和普及为新的制造技术的产生奠定了技术物质基础。所以我们要掌握该技术，才能在未来的商业或国际竞争中立于不败之地。一：RP的起源快速成形技术又称快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing，简称RP)技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果【1】。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身【2】，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。即，快速成形技术就是利用三维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。快速成型技术发展至今，是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。以其技术的高集成性、高柔性、高速性而得到了迅速发展，快速成形技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法部分去除大于工件的毛坯上的材料来得到工件。而采用全新的“增长”加工法用一层层的小毛坯逐步叠加成大工件,将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合,因此,它不必采用传统的加工机床和模具,只需传统加工方法的10%30%的工时和20%35%的成本,就能直接制造出产品样品或模具。不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。但是，其基本原理都是一样的，那就是分层制造，逐层叠加， 类似于数学上的积分过程。形象地讲，快速成形系统就像是一台立体打印机。通俗一点说, 快速成形就是利用在三维造型软件中已经设计的数字三维模型, 通过快速成型设备(快速成形机), 制造实体的三维模型的技术【3】。自美国3D公司1988年推出第一台商品SLA快速成形机以来，已经有十几种不同的成形系统，其中比较成熟的有UV、SLA、SLS、LOM和FDM等方法。二：RP的特点及优越性1：快速性，从CAD 设计到完成原型制作通常只需几个小时到几十个小时，加工周期短，节约70%时间以上。2：低成本，与产品的复杂程度无关，一般制作费用降低50%，特别适合新产品的开发和单件小批量零件的生产。3：制作原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用，可以制造树脂类、塑料类、纸类、石蜡类、复合材料以及金属材料和陶瓷材料的原型。4：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（Free Form Fabrication），原型的复制性、互换性高。5：具有高柔性，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并满足一定功能的原型和零件。6：高集成化，RP 技术是集计算机、CAD/CAM、数控、激光、材料和机械等一体化的先进制造技术，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，零件可随时制造与修改，实现设计制造一体化。7：加工过程中无振动、噪声和废料，可实现无人值守长时间自动运行。三：RP的基本原理快速成型技术采用离散/堆积成型原理，根据三维CAD模型，对于不同的工艺要求，按一定厚度进行分层，将三维数字模型变成厚度很薄的二维平面模型。再将数据进行一定的处理，加入加工参数，产生数控代码，在数控系统控制下以平面加工方式连续加工出每个薄层，并使之粘结而成形。实际上就是基于“生长”或“添加”材料原理一层一层地离散叠加，从底至顶完成零件的制作过程。快速成型有很多种工艺方法，但所有的快速成型工艺方法都是一层一层地制造零件，所不同的是每种方法所用的材料不同，制造每一层添加材料的方法不同。快速成型的工艺过程原理如下：1：三维模型的构造:在三维CAD设计软件中获得描述该零件的CAD文件。一般快速成型支持的文件输出格式为STL模型，即对实体曲面做近似的所谓面型化(Tessellation)处理，是用平面三角形面片近似模型表面。以简化CAD模型的数据格式。便于后续的分层处理。由于它在数据处理上较简单，而且与CAD系统无关，所以很快发展为快速成型制造领域中CAD系统与快速成型机之间数据交换的标准，每个三角面片用四个数据项表示。即三个顶点坐标和一个法向矢量，整个CAD模型就是这样一个矢量的集合。在一般的软件系统中可以通过调整输出精度控制参数，减小曲面近似处理误差。如Pre/1E软件是通过选定弦高值(ch-chord height)作为逼近的精度参数。2：三维模型的离散处理:在选定了制作(堆积)方向后，通过专用的分层程序将三维实体模型(一般为STL模型)进行一维离散，即沿制作方向分层切片处理，获取每一薄层片截面轮廓及实体信息。分层的厚度就是成型时堆积的单层厚度。由于分层破坏了切片方向CAD模型表面的连续性，不可避免地丢失了模型的一些信息，导致零件尺寸及形状误差的产生。切片层的厚度直接影响零件的表面粗糙度和整个零件的型面精度，每一层面的轮廓信息都是由一系列交点顺序连成的折线段构成。所以，分层后所得到的模型轮廓已经是近似的，层与层之间的轮廓信息已经丢失，层厚越大丢失的信息越多，导致在成型过程中产生了型面误差。 综上所述，为提高零件制造精度，在模型面型化处理时，应该选取较小的精度参数;在模型离散化处理时，应该选取较小的切片层厚度【4】。四：RPM的类型、特点及适用范围近十几年来，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RP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。快速成形技术发展至今，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，快速成形的工艺方法已有几十种之多，其中主要工艺有五种基本类型：光固化成型法、分层实体制造法、选择性激光烧结法、熔融沉积制造法和三维印刷法等【5】。 1. 光固化成型SLA(Stereo lithography Apparatus)工艺也称光造型、立体光刻及立体印刷，是集控制技术、激光技术、物理化学等高新技术于一体的综合性技术【6】。其工艺过程是以液态光敏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，而使这一层树脂固化，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，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1个三维实体模型。该工艺的特点是：原型件精度高，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。缺点是需要支撑，树脂收缩会导致精度下降，另外光固化树脂有一定的毒性而不符合绿色制造发展趋势等。该工艺适合比较复杂的中小型零件的制作。 2. 分层实体制造LOM(Laminated Object Manufacturing)工艺或称为叠层实体制造，其工艺原理是根据零件分层几何信息切割箔材和纸等，将所获得的层片粘接成三维实体。其工艺过程是：首先铺上一层箔材，然后用CO，激光在计算机控制下切出本层轮廓，非零件部分全部切碎以便于去除。当本层完成后，再铺上一层箔材，用滚子碾压并加热，以固化黏结剂，使新铺上的一层牢固地粘接在已成形体上，再切割该层的轮廓，如此反复直到加工完毕，最后去除切碎部分以得到完整的零件。该工艺的特点是工作可靠，模型支撑性好，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。该工艺适合于制作大中型、形状简单的实体类原型件，特别适用于直接制作砂型铸造模。 3. 选择性激光烧结SLS(Selective Laser Sintering)工艺，常采用的材料有金属、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作为成形材料。其工艺过程是：先在工作台上铺上一层粉末，在计算机控制下用激光束有选择地进行烧结(零件的空心部分不烧结，仍为粉末材料)，被烧结部分便固化在一起构成零件的实心部分。一层完成后再进行下一层，新一层与其上一层被牢牢地烧结在一起。全部烧结完成后，去除多余的粉末，便得到烧结成的零件。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。采用各种不同成分的金属粉末进行烧结，经渗铜等后处理特别适合制作功能测试零件;也可直接制造金属型腔的模具。采用蜡粉直接烧结适合于小批量比较复杂的中小型零件的熔模铸造生产。4. FDMFDM (fused deposition modeling) is a method of rapidly producing plastic parts directly from CAD models. This is an additive process in which molten plastic is put down a layer at a time building the part from the bottom up.Fused Deposition Modeling (FDM) was a plastic or wax material is extruded through a nozzle that traces the parts cross sectional geometry layer by layer. The build material is usually supplied in filament form, but some setups utilize plastic pellets fed from a hopper instead. The nozzle contains resistive heaters that keep the plastic at a temperature just above its melting point so that it flows easily through the nozzle and forms the layer. The plastic hardens immediately after flowing from the nozzle and bonds to the layer below. Once a layer is built, the platform lowers, and the extrusion nozzle deposits another layer. The layer thickness and vertical dimensional accuracy is determined by the extruder die diameter, which ranges from 0.013 to 0.005 inches. In the X-Y plane, 0.001 inch resolution is achievable. A range of materials are available including ABS, polyamide, polycarbonate, polyethylene, polypropylene, and investment casting wax【7】.FDM(Fused Deposition Manufacturing)工艺又称为熔丝堆积制造，其工艺过程是以热塑性成形材料丝为材料，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，并在极短的时间内迅速凝固，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要几个小时即可成型，且无污染。该工艺适合于产品的概念建模及形状和功能测试，中等复杂程度的中小原型，不适合制造大型零件。5. 三维打印成型 3DP（Three Dimensional Printing)三维打印成型是利用喷墨打印头逐点喷射粘合剂来粘结粉末材料的方法制造原型。在三维打印的过程中，材料由打印喷头喷出，并一层层叠加，直至样件打印完成为止。相比传统的开模、激光烧结等原型件制作方式，三维打印的优势在于其高精度和快速便捷【8】。3DP的成型过程与SLS相似，只是将SLS中的激光变成喷墨打印机喷射结合剂。该技术制造致密的陶瓷部件具有较大的难度，但在制造多孔的陶瓷部件（如金属陶瓷复合材多孔坯体或陶瓷模具等）方面具有较大的优越性。 除了上述5种比较熟悉的技术外，还有许多技术也已经实用化，如光屏蔽工艺、直接壳法、直接烧结技术、全息干涉制造等。 五：RP在各领域的应用 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。在新产品造型设计过程中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RP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RP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。 在机械制造领域的应用由于RP技术自身的特点，使得其在机械制造领域内，多用于制造单件、小批量金属零件。有些特殊复杂制件只需单件或少于50件的小批量，这样的产品通过制模再生产，成本高，周期长。一般可用RP技术直接进行成型，成本低，周期短。快速模具制造传统的模具生产时间长，成本高。将快速成型技术与传统的模具制造技术相结合，可以大大缩短模具制造的开发周期，提高生产率，是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径。快速模具制造是RP技术最具潜力的应用领域，其产业化规模和经济效益是不可估量的。 依据材质不同，间接制模法生产出来的模具一般分为软质模具(Soft Tooling)和硬质模具(Hard Tooling)两大类。软质模具是用硅橡胶、环氧树脂、低熔点合金、锌合金、铝等软质材料制作的模具。软质模具生产制品的数量一般为505000件，对于上万件乃至几十万件的产品，仍然需要传统的钢质模具,硬质模具指的就是钢质模具，利用RP原型制作钢质模具的主要方法有熔模铸造法、电火花加工法、陶瓷型精密铸造法等。在医学领域的应用近几年来，人们对RP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RP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)。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。快速成型技术的发展方向虽然快速成型技术在很多领域得到了广泛应用，显示出极大的优越性，但它仍有一定的局限性，其可成型材料有限，加工精度低、成本高、强度和耐久性能还不能满足用户的要求，在一定程度上阻碍了该技术的推广普及。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。快速成型技术的发展方向虽然快速成型技术在很多领域得到了广泛应用，显示出极大的优越性，但它仍有一定的局限性，其可成型材料有限，加工精度低、成本高、强度和耐久性能还不能满足用户的要求，在一定程度上阻碍了该技术的推广普及。六：RP的技术特点1：制造快速 RP技术是并行工程中进行复杂原型或者零件制造的有效手段，能使产品设计和模具生产同步进行，从而提高企业研发效率，缩短产品设计周期，极大的降低了新品开发的成本及风险，对于外形尺寸较小，异形的产品尤其适用。 2：CAD/CAM技术的集成 设计制造一体化一直来说是现在的一个难点，计算机辅助工艺（CAPP）在现阶段由于还无法与CAD、CAM完全的无缝对接，这也是制约制造业信息化一直以来的难点之一，而快速成型技术集成CAD、CAM、激光技术、数控技术、化工、材料工程等多项技术，使得设计制造一体化的概念完美实现。 3：完全再现三维数据 经过快速成型制造完成的零部件，完全真实的再现三维造型，无论外表面的异形曲面还是内腔的异形孔，都可以真实准确的完成造型，基本上不再需要再借助外部设备进行修复。 4：成型材料种类繁多 到目前为止，各类RP设备上所使用的材料种类有很多，树脂、尼龙、塑料、石蜡、纸以及金属或陶瓷的粉末，基本上满足了绝大多数产品对材料的机械性能需求。 5：创造显著的经济效益 与传统机械加工方式比较，开发成本上节约10倍以上，同样，快速成型技术缩短了企业的产品开发周期，使的在新品开发过程中出现反复修改设计方案的问题大大减少，也基本上消除了修改模具的问题，创造的经济效益是显而易见的。 6：应用行业领域广 RP技术经过这些年的发展，技术上已基本上形成了一套体系，同样，可应用的行业也逐渐扩大，从产品设计到模具设计与制造，材料工程、医学研究、文化艺术、建筑工程等等都逐渐的使用RP技术，使得RP技术有着广阔的前景。七：RP的发展方向RP技术已经在许多领域里得到了应用，其应用范围主要在设计检验、市场预测、工程测试(应力分析、风道等)、装配测试、模具制造、医学、美学等方面。RP技术在制造工业中应用最多（达到67%），说明RP技术对改善产品的设计和制造水平具有巨大的作用。 目前快速成形技术还存在许多不足，下一步研究开发工作主要在以下几方面： 1：改善快速成形系统的可靠性、生产率和制作大件能力，尤其是提高快速成形系统的制作精度； 2：开发经济型的快速成形系统； 3：快速成形方法和工艺的改进和创新； 4：快速模具制造的应用； 5：开发性能良好的快速成形材； 6：开发快速成形的高性