快速成型技术的原理方法及应用发展

1、快速成型技术的原理方法及应用发展李健（湖北理工学院 机电工程学院，湖北 黄石 435000）摘 要：阐述了快速成型技术的起源、发展历程,介绍了快速成型的原理和目前常用的快速成型的方法,并分析了快速成型原理的特点,详细的介绍了各种方法的优缺点，在此基础上, 根据快速成型技术的发展成果、研究现状与市场需求, 介绍了目前快速成型技术的实际应用,展望了快速成型技术的未来发展趋势。关键词：快速成型技术；堆积成型原理；立体光固化法中图分类号：TH166 文章编号：1872-4901（2012）01-12-03 The Principle Method of Rapid Prototyping and Ap

2、plication Development Li Jian (College of mechanical and electrical engineering, Hubei Institute of Technology,Huangshi,435000,China)Abstract: Explained the origin and the development process of rapid prototyping technology, Introduced the principle of rapid prototyping and the most commonly used wa

3、ys, then detailed the characteristics of the principle and the advantages and disadvantages of each ways, on this basis, according to the results of rapid prototyping technology, research and market demand, described the current practical application and look forward to the future of rapid prototypi

4、ng technology trends.Key words: rapid prototyping technology; accumulation forming principle; three-dimensional light-curing method0 引言 快速成型(Rapid Prototyping，简称RP)是80年代末期开始商品化的一种高新制造技术，它是集CADCAM技术、激光加工技术、数控技术和新材料等技术领域的最新成果于一体的零件原型制造技术。快速成型不同于传统的用材料去除方式制造零件的方法，而是用材料一层一层积累的方式构造零件模型。它利用所要制造零件的三维CAD模型数

5、据直接生成产品原型，并且可以方便地修改CAD模型后重新制造产品原型1。由于该技术不像传统的零件制造方法需要制作木模、塑料模和陶瓷模等，可以把零件原型的制造时间减少为几天、几小时，大大缩短了产品开发周期，减少了开发成本。随着计算机技术的快速发展和三维CAD软件应用的不断推广，越来越多的产品基于三维CAD设计开发，使得快速成型技术的广泛应用成为可能。快速成形技术已广泛应用于宇航、航空、汽车、通讯、医疗、电子、家电、玩具、军事装备、工业造型(雕刻)、建筑模型、机械行业等领域2。1 快速成型的原理及特点 快速成型技术采用离散/堆积成型原理3，根据三维CAD 模型，对于不同的工艺要求，按照一定厚度进行分

6、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，从底到顶完成零件的制作过程。它是计算机辅助设计与制造技术、逆向工程技术、分层制造技术、材料去除成形、材料增加成形技术以及它们的集成的总称4。快速成型技术系统的工作流程如图1-1 所示：图 1-1 快速成型技术系统的工作流程RP 技术有以下特点及优越性： （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，可节约70%时间以上5。 （2）低成

7、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6。 （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7。 （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8。 （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9。 （6）高集成化，RP 技术是集计算机、CAD/CAM、数控、激光、材料和机

8、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10。 （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11。2 快速成型的典型工艺及特点 迄今为止，国外、国内已经开发成功了十多种成熟的快速成型工艺，其中商品化比较好的主要有SLA、LOM、SLS、FDM、TDP 等原理的快速成型系统。2.1 立体光固化成型法 立体光固化成型法12（SLA，Steer-lithography Apparatus）以液态光敏树脂为原材料，在计算机控制下的紫外激光束按预定零件各分层截面的轮廓轨迹对液态树脂逐点扫

9、描，使被扫描区的树脂层产生聚合（固化）反应，从而形成零件的一个薄层截面，最后将形成好的所有薄层截面进行固化以形成整体零件。SLA 工艺的优点是精度高， 可以控制在0.01mm，表面质量好；原材料利用率接近100%，能够制造形状特别复杂、精细的零件；缺点是需要设计支撑，原材料价格昂贵，可以选择的材料种类有限，加工成本高；制件容易发生翘曲变形。2.2 分层实体制造法分层实体制造法13（LOM，Laminated Object Manufacture）是将单层涂有热熔胶的纸片通过加辊加热粘结在一起，利用上方的激光切割器按照CAD 分层模型所获数据，用激光束切割形成零件。该法无需设计支撑，只需切割轮廓

10、，无需填充扫描，制件的翘曲变形小，制造加工成本低。但是表面质量差，废料分离麻烦，材料利用率低，种类有限，后处理难度大。2.3 选择性激光烧结法 选择性激光烧结法14（SLS，Selective Laser Sintering）是利用激光器对热塑粉末进行分层烧结固化堆积成形零件。其优点是原型件机械性能好，强度高；无需设计和构建支撑；成型材料选择性广泛，并且利用率高（100%）；缺点是制件精度低，表面粗糙，需要后处理。2.4 熔融沉积成型法 熔融沉积成型法15（FDM，Fused Deposition Modeling）是将丝状材料在喷头中加热至略高于熔点（比熔点高1左右），呈半流动状态，从喷头中

11、挤压出来，很快凝固，形成精确的层，层层相叠，最后形成整体。其优点是材料利用率高，材料成本低，可选材料种类多，速度快。缺点是精度低，悬臂件需要支撑，且成型加工中易堵丝。2.5 三维印刷系统法三维印刷系统16（TDP ， Three Dimensional Printing）是使用专用粉末材料和粘结剂，用类似打印喷头在一层铺好的粉末材料上有选择地喷射粘结剂，在有粘结剂的地方粉末被粘结在一起，其他地方仍为粉末，这样层层粘结形成空间实体。TDP 法的优点是成本低，速度块。主要问题是表面粗糙。3 快速成型技术的应用快速成型技术的应用是不断提高RP技术发展的重要因素，目前RP 技术已在工业造型、文化艺术、

12、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的应用。并且随着这一技术本身的发展，其应用将不断拓展17。RP 技术的实际应用主要集中在以下几个方面： （1）新产品开发过程中的设计验证与功能验证。在新产品造型设计过程中应用RP 技术可以为设计开发人员建立一种崭新的产品开发模式，运用该技术能够快速、直接、精确地将设计思想模型转化为具有一定功能的实体模型（样件），可以方便验证设计人员的设计思想和产品结构的合理性、可装配性、美观性，及时发现设计中的问题并修改完善产品设计。这样不仅大大缩短了开发周期，降低了开发成本，使企业在激烈的市场

13、竞争中占有了先机。就西安交通大学的西北RPM 应用服务中心为例，他们运用RPM 技术为TCL 公司设计了多种新款手机样品，从工业造型设计到样品全过程仅用了7 天时间，这用传统设计制造技术是无法实现的18。 （2）单件、小批量和特殊复杂零件的直接生产。在机械制造领域里有些特殊复杂制件只需单件或少于50 件的小批量生产，这样的产品通过制模再生产，成本高，周期长。RP 技术以自身独有的特点可以直接成型生产，成本低，周期短。以北京隆源自动成型系统有限公司试制发动机涡轮2 件为例，采用快速成型技术制造仅仅用了两天的时间就完成了用于生产的蜡型，传统工艺需要4个月19。 （3）产品展示。RP 原型是产品从设

14、计到商品化各个环节中进行交流的有效手段。在经济全球化的今天，许多外向型企业都经常面临外商要求看样订货。如何在不可能开模试生产的情况下最快提供样品，抢占市场先机。在这种环境下,RP技术又体现了明显的优势20。 （4） 快速模具制造。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，提高生产效率，是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径。快速成型技术在模具制造方面的应用可分为直接制模和间接制模两种21。目前实现金属零件快速成型的工艺方法有两大类: 间接法和直接法。间接法成型精度较高, 但是成型工艺复杂, 而直接法成型工艺简单, 成型精度稍差。间接法比较成熟, 主要有硅橡胶法,

15、 选区激光烧结+ 精密铸造法, 选区激光烧结+ 铜反渗法和选区激光烧结+ HIP法。直接法目前只有德国EOS公司刚开发成功的DMLS (Direct Metal Laser Sintering) 法, 利用200W 的2CO 激光直接烧结金属粉末成型, 成型精度可达±0.2mm , 制作的注塑件金属模具寿命可达数十万件, 但成型尺寸较小, 否则变形较大。从长远来看, 直接法将是金属零件快速成型技术的发展方向22。4 快速成型技术的发展趋势 4.1 金属零件、功能梯度零件的直接快速成型制造技术 目前的快速成型技术主要用于制作非金属样件, 由于其强度等机械性能较差, 远远不能满足工程实际

16、需求, 所以其工程化实际应用受到较大限制。从90 年代初开始, 探索实现金属零件直接快速制造的方法已成为RP 技术的研究热点, 国外著名的RP技术公司均在进行金属零件快速成型技术研究。可见, 探索直接制造满足工程使用条件的金属零件的快速成型技术, 将有助于快速成型技术向快速制造技术的转变, 能极大地拓展其应用领域。此外, 利用逐层制造的优点, 探索制造具有功能梯度、综合性能优良、特殊复杂结构的零件, 也是一个新的方向发展23。4.2 概念创新与工艺改进 目前, 快速成型技术的成型精度为0. 01mm 数量级, 表面质量还较差, 有待进一步提高。最主要的是成型零件的强度和韧性还不能完全满足工程实

17、际需要, 因此如何完善现有快速成型工艺与设备, 提高零件的成型精度、强度和韧性, 降低设备运行成本是十分迫切的。此外, 快速成型技术与传统制造技术相结合, 形成产品快速开发制造系统也是一个重要趋势, 如快速成型技术结合精密铸造, 可快速制造高质量的金属零件。另一方面, 许多新的快速原型制造工艺正处于开发研究之中24。4.3 优化数据处理技术 快速成型数据处理技术主要包括将三维CAD模型转存为STL 格式文件和利用专用RP 软件进行平面切片分层。由于STL 格式文件的固有缺陷,会造成零件精度降低; 此外, 由于平面分层所造成的台阶效应, 也降低了零件表面质量和成型精度。优化数据处理技术可提高快速

18、成型精度和表面质量。目前, 正在开发新的模型切片方法, 如基于特征的模型直接切片法、曲面分层法25。4.4 开发专用快速成型设备 不同行业、不同应用场合对快速成型设备有一定的共性要求, 也有较大的个性要求。如医院受环境和工作条件的限制, 外科大夫希望设备体积小、噪音小, 因此开发专门针对医院使用的便携式快速成型设备将很有市场潜力。另一方面, 汽车行业的大型覆盖件尺寸多在1m 左右, 因此研制大型的快速成型设备也是很有必要的26。4.5 成型材料系列化、标准化 目前快速成型材料大部分是由各设备制造商单独提供, 不同厂家的材料通用性很差, 而且材料成型性能还不十分理想, 阻碍了快速成型技术的发展。

19、因此, 开发性能优良的专用快速成型材料, 并使其系列化、标准化, 将极大地促进快速成型技术的发展27。4.6 拓展新的应用领域 快速成型技术的应用范围正在逐渐扩大, 这也促进了快速成型技术的发展。目前快速成型技术在医学、医疗领域的应用, 正在引起人们的极大关注,许多科研人员也正在进行相关的技术研究。此外, 快速成型技术结合逆向(反求) 工程, 实现古陶瓷、古文物的复制, 也是一个新的应用领域28。5 结 语快速成型技术是一种正在不断完善的先进制造技术，具有广泛的应用前景。目前RP 技术在欧美、日本等发达国家应用较为广泛，我国仅仅一些高等院校及有关厂家在吸收消化国外技术的基础上开发出了快速成型机

20、，但是在质量和数量以及应用领域方面，都比不上国外。总之快速成型技术（RP）是当今制造业赢得市场的法宝，快速成型技术以其独特的优势和魅力，在制造业领域起到越来越重要的作用，并将给制造业带来深远的影响。参考文献： 1 颜永年，张人佶，卢清萍，潘妙良快速成型制造系统的集成及其工程化中国机械工程，2000，增刊，Vol.11,3-7.2 王秀峰，罗宏杰快速原型制造技术北京：中国轻工业出版社，2001. 3 孙维峰快速成型（RP）的原理方法及应用机电技术，2008.1 : 9-11. 4 王广春, 赵国群. 快速成型与快速模具制造技术及其应用M. 北京: 机械工业出版社, 20045 金杰, 张安阳.快

21、速成型技术及其应用J.浙江工业大学学报,2005(5)6 刘伟军. 快速成型技术及应用M. 北京: 机械工业出版社, 2005.7 树槐，张祥林，马黎，等快速原型制造技术的进展J中国机械工程，1997。8(5)：8-128 安德烈亚斯,格布哈特.快速原型技术M. 北京: 化学工业出版社,2005.9 盛晓敏，邓朝晖先进制造技术M北京：机械工业出版社，200010 王葵，谭威快速成型技术及发展J 科技创新导报，2008(9)：3911周振堂，马廉洁零件制造的快速成型技术及其应用J.铸造工艺，2008(5)：12-1412 李彦生，李涤尘，卢秉恒光固化快速成型技术及其应用机电一体化，1999,3: 10-11. 13 张国平快速成形技术原理及应用实例湖南工业职业技术学院学报，2009,9(3):1-3. 14 许勤，张坚激光快速成型技术研究现状与发展九江学院学报，2005,1:8-10. 15 王笠，张人佶，颜永年快速成形工艺过程的描述与分析 J 清华大学学报，2002, 42 (4) : 505 508. 16 朱林泉, 白培