快速成型技术的应用和发展

1、快速成型技术的应用和发展张鹏飞天津大学机械学院机械工程专业2011级硕士生摘要：概括地介绍了快速成型技术的起源，简要介绍快速成型技术（Rapid Photograph ManufacturingRPM的工作原理，描述了快速成型技术的发展现状；根据快速成型技术的特点，提岀了快速成型技术在现阶段存在的问题及 其以后在其它行业领域的发展前景。、八、刖言关键词：快速成型、应用、特点、发展其应用现状快速成型技术又称快速原型制造（简称RPM） 技术，诞生于20世纪80年代末期 堆积法的一种高新制造工艺，被认为是近20年 来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、 CAD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 成原形或零件，从而为新设计思想的校验提供了 一种高效低成本的实现手段。快速成型技术是在 计算机的控制下，基于离散、堆积的原理，采用 不同方法堆积材料，最终完成零件的成型与制 造。现以广泛运用于家电、汽车、航空航天、船 舶、工业设计、医疗、艺术、建筑等领，为这些 领域的发展提供了强大的推动作用。域但快速成型毕竟是属于新兴的先进制造技术，其在拥有诸 多优点的同时也不可避免的存在缺点。11快速成型技术的起源1979年，东京大学的中川威雄教授利用分层 技术制造了金属冲裁模、成型模和注塑模。20世纪70年代末到80年代初，美国3M公司的 AIa nJ.Hebe

3、rt（1978 年）、日本的小玉秀男（1980 年）、美国 UVF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 RP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UV啲资助 下，完成了第 1 个 RP系统 Stereo lithography Apparatus （SLA），并于1986年获得专利，这是 RP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。22快速成型技术的工作原理特点及2.1.1快速成型技术的工作原理3快速成型技术不是采用一般意义上的模具 或刀具加

4、工零件，而是采用了一种新型工具能源 加工原理，即利用光、热、电等手段，通过固化、 烧结、粘结、熔结、聚合作用或化学作用等方式， 有选择地固化（或粘结）液体（或固体）材料,从 而实现材料的转移与堆积，形成需要的原型零 件。快速成型制造思想的初始思路来源于将三维 实体截成一系列连续薄切片的逆过程，即首先对零件的三维CAD实体模型进行分层处理，获得零 件的二维截面数据信息，然后根据每一层的截面 数据，采用上述方法生成与该层截面形状一致的 薄片，反复进行这一过程 ，薄片逐层累加，直至 “生长”出所需实体零件。产品 CA或体模型构 建方法有两种，一是可通过概念设计， 设计出所 需零件的计算机三维模型（数

5、字模型、CAD模型）； 二是可通过逆向工程，通过三维数字扫描仪对产 品原型进行扫描，而后结合逆向工程对扫描数据 进行处理。然后按照一定的规律将该模型离散为 一系列有序的单元， 通常在Z向将其按一定厚度 进行离散（习惯称为分层），把原来的三维CAD模型变成一系列的层片。根据每个层片的轮廓信 息，输入加工参数，自动生成数控代码。 由成形 系统成形一系列层片并自动将它们联接起来，得到一个三维物理实体。常用的快速成型的方法有：（1）光固化立体造型（SLA）:以光敏树脂为 原料，采用计算机控制下的紫外激光束以原型各 分层截面轮廓为轨迹进行逐点扫描，使被扫描区内的树脂薄层产生光聚合反应后固化，从而形成制件

6、的一个薄层截面。一层固化完毕后，向下移 动工作台，在刚刚固化的工作表面布放一层新的 光敏树脂以便进行循环扫描、固化。新固化的一层牢固地粘结在前一层上， 如此重复堆积成整个 原型。采用这种方法成型的零件有较高的精度且 表面光洁，但可用材料的范围较窄。(2) 分层物件制造(LOM): LOM的层面信息 通过每一层的轮廓来表示，激光扫描器的动作 由这些轮廓信息控制，它采用的材料是具有厚 度信息的片材。这种加工方法只需加工轮廓信息 所以可以达到很高的加工速度，但材料的范围很 窄，每层厚度不可调整是最大缺点。(3) 选择性激光烧结(SLS) : SLS使用固体 粉末材料，该材料在激光的照射下，能吸收能

7、量，发生熔融固化，从而完成层信息的成型。 这 种方法适用的材料范围广 (适用于聚合物、铸造 用蜡、金属或陶瓷粉末)，特别是在金属和陶瓷 材料的成型方面具有独特的优点。SLS无材料浪 费现象，未烧结的粉末可重复使用。目前成熟的 工艺材料为蜡粉及塑料粉，用金属粉或陶瓷粉 进行粘结或烧结的工艺还正在实验阶段。(4) 熔融沉积造型(FDM):采用热熔喷头， 使半流动状态的材料流体按模型分层数据控制的路径挤压出来，并在指定的位置沉积、 凝固成 型，这样逐层沉积、 凝固后形成整个原型。 这种 方法的能量传输和材料传输均不同于前面三种 方法，系统成本较低；但由于喷头的运动是机 械运动，速度有一定限制，所以加

8、工时间较长 ， 且其材料使用范围不广。(5) 三维打印(3DP :先铺粉，利用喷嘴按 指定路径将液态粘结剂喷在粉层上的特定区域， 粘结后去除多余的材料便得到所需的原形或零件。这种方法适合成型结构复杂的零件。各种方法间的比较如表1所示：表1各种成型方法的比较表面精度表面质量复杂程度零件大小材料价格材料利用率常用材料制造成本生产率市场占有率设备费用SLA较高优中等中小较贵接近100%热固性光敏树脂等较高高70%较贵LOM较高较差中等中大较便宜较低纸、金属带、塑料带等低高75%便宜SLS较低中复杂中小较贵接近100%塑料、金属、陶瓷粉末等较低中64%便宜FDM较低较差中等中小较贵接近100%石蜡、塑

9、料、低熔点金属较低低61%较贵3DP较低中复杂中小较贵接近100%金属、塑料、陶瓷粉末低中10%较贵2.1.2快速成型技术的特点(1) 产品灵活性。RF技术采用离散/堆积 成型的原理，将十分复杂的三维制造过程简化为二维制造过程的叠加，使复杂模型直接制造成为 可能，越是复杂的零件越能体现RF技术的优越性；(2) 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%寸间以上，能够适应现代竞争激烈的(5) 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

10、、互换性高；(6) 使设计、交流和评估更加形象化，使新 产品设计、样品制造、市场定货、生产准备、等 工作能并行进行，支持同步(并行)工程的实施；产品市场；(3) 低成本。与产品的复杂程度无关，节省了大量的开模时间，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；(4) 成型过程中信息过程和材料过程一体化，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，尤其适合成型材料为非均质并 具有功能剃度或有孔隙要求的原形；(7) 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。(8) 高集成化，RP技术是集计算机、

11、CAD/CA M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CA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。(9) 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。2.1.3快速成型技术的应用现状从整个世界范围内而言， 快速成型术已经广 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RPM设备。根据14个RPM设备供应商和 43个RPM服务商的统计数据，所有RP莫型的近41% 用于装配和功能型零件：约27%用于工程、工具制 造、报价和投标：约23%!于原型

12、模具、金属铸造 及模芯制造。随着RPM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RPM艮务机构，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RP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RP设各最积极的地区 是东亚(尤其是韩国、香港、新加坡)凹。在具体 的应用上它可以用于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

13、应用 RPM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竞争中占有了先机。可以实现单件、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 RPM技术虽然有其巨大的优越性，但是 也有它的局限性，由于可成型材料有限， 同时成 型材料价格一般都比较昂贵。由于是逐层

14、堆积， 层与层之间总有一定厚度从而造成零件精度低， 表面粗糙度高。成型的原料一般式塑料、树脂、 尼龙，当然还有个别的金属，如铜、铝等但总之达不到正常铸件或者加工件的硬度或者强度要 求，即原型零件的物理性能较差。机器的成本比较高，特别对于国内而言，从机器设备到加工原 材料都要大量的依靠进口， 所以运行制作的成本再生产，成本高，周期长。RPM技术以自身独有 的特点可以直接成型生产，成本低，周期短。同 时由于其快速性它可以用于产品展示。RPM原型是产品从设计到商品化各个环节中进行交流的 有效手段。在全球经济经济化的今天，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

15、样品，抢占市场先机。在这种环境下，RPM技术又体现了明显 的优势。同时它还广泛应用于快速模具制造。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。最近，快速成型技术也在医学领域崭露头角， 快速成型技术与医学 CT技术的结合给医学界带 来了巨大的影响，通过对医学CT图像的三维处 理，可将患者的病患组织进行三维重建，从而利用快速成型技术加工制造出病患组织模型，以满足医学上不同的需要5。在我国，为了加快快速成型技术 (RPM)在我 国的发展，国家已组织实施了快速成型技术应用 研究和推广服务工作。经过国内多所大学及公司

16、 几年的努力，已经研制开发出与国外SLA, LOM、SLS, FDML艺相类似的一批设备。这些设备都是 多种技木的集成主要是为了提高RPM制作精度 和可靠性，涉及工艺原理、工艺方法、温度控制、 激光及冷却系统、精密机械传动等硬软件方面。 但RPM技术在国内的应用还不十分广泛，设备安 装台数不多，目前仅限于大型企业。与国外相比， 我们的RPM技术没有得到充分的发展与应用。63快速成型技术所存在的不足以及其在未来的发展很高，只有一些大公司才有这样的资金进行这方 面的投入，而小型的公司只能望尘莫及。所以在 一定程度上成为该技术的推广普及的瓶颈。也正是由于这些缺点致使快速成型技术还主要用于 模型的加工

17、，而一般不能用于加工用于生产的工 件，特别是金属件。针对上述缺点我们提出如下 的发展方向7:(1) 大力改善现行快速成型制作机的制作 精度、可靠性和制作能力，提高生产效率，缩短 制作周期。尤其是提高成型件的表面质量、力学 和物理性能，为进一步进行模具加工和功能试验 提供平台。（2）随着成型工艺的进步和应用的扩展，其概念逐渐从快速成型向快速制造转变，从概念模型向批量定制转变，成型设备也向概念型、生 产型和专用型三个方向分化。（3）开发性能更好的快速成型材料。材料 的性能既要利于原型加工，又要具有较好的后续 加工性能，还要满足对强度和刚度等不同的要求。（4）提高RPM系统的加工速度和开拓并行 制造

18、的工艺方法。目前即使是最快的快速成型机 也难以完成象注塑和压铸成型的快速大批量生产。将来的快速成型机需要向快速和多材料的制 造系统发展，以便可以直接面向产品制造。（5）开发直写技术。直写技术对于材料单 元有着精确的控制能力，开发直写技术，是快速 RPM技术的材料范围扩大到细胞等活性材料领域，加深学科间的交叉，扩大 RPM勺适用范围。（6）RPM 与 CAD CAM CAPP CAE 以及高 精度自动测量、逆向工程的集成一体化。 该项技 术可以大大提高新产品的第一次投入市场就十 分成功的可能性，也可以快速实现反求工程。（7）研制新的快速成型方法和工艺。除了 目前SLA LOM SLS FDM外，直接金属成型工 艺将是以后的发展焦点。（8）提高网络化服务，进行远程控制，实 现全球化异地协同合作。 同时这也是所有机械化 生产必然的趋势。4结论快速成型技术是一种正在不断完善的先进 制造技术，它是伴随激光技术、计算机技术、新前RPM技术在欧美、日本等发达国家应用