快速成型(Rapid Prototyping 简称RP) 技术是20 世纪80 年代中期发展起来的一种全新先进制造技术。快速成型技术是集CAD/CAM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二维CAD/CAM模型数据直接生成产品原型, 并且可以方便地修改CAD/CAM模型后重新制造产品原型。因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件, 极大地提高了生产效率和制造柔性。随着新技术、新材料, 新工艺的不断发展, 快速成型技术逐渐发展成熟，计算机技术的快速发展和三维CAD/CAM软件应用的不断推广, 越来越多的产品基于三维CAD/CAM设计开发, 使得快速成型技术的广泛应用成为可能。快速成形技术已经广泛应用于航空、汽车、通讯、医疗、电子、家电、玩具、军事装备、工业造型、建筑模型、机械行业等领域。
1 RP 技术的发展现状
快速成型技术是当今世界上发展最快的制造技术,其主流工艺有: 立体光固化成型（Stereo Lithography Apparatus SLA）, 叠材选择性切割（Laminated Object Manufacturing LOM）, 粉末选择性烧结（Selected Laser Sintering
SLS ）, 熔融堆积成形（Fused Deposition Manufacturing FDM）, 三维打印成型（Three Dimensions Printing 3DP）等。
快速成型制造技术产生20 多年来，基于“离散- 堆积”原理和增材制造
的方法，具有高度柔性的制造思想已经被企业界广泛接受，其应用已从最初的设计原型和测试原型制造向最终产品制造的方向发展。这项技术已经扩展为快速制造（Rapid Manufacturing，RM）。全球范围的厂商纷纷采用R P和RM 技术来简化产品的开发过程，提高生产效率，增强产品竞争力，RP和RM 技术呈现波浪式前进的势头。从国际市场来看，R P 市场正逐渐向R M 市场发展，R P 市场本身已进入成熟的商业化阶段。
中国的R P市场已经度过了启蒙期，正处于快速发展的阶段。 部分国产RP设备已接近或达到美国公司同类产品的水平, 价格却便宜得多, 材料的价格更加便宜。我国已初步形成了RP 设备和材料的制造体系。近年来, 我国已经建立一批向企业提供RP 技术的服务机构, 并开始起到了积极的作用, 推动了该技术在我国的广泛应用。
2 RP 技术的原理
RP 技术是采用离散∕堆积成型的原理, 由CAD 模型直接驱动的通过叠加成型方出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型, 根据工艺要求将其按一定厚度进行分层, 把三维电子模型变成二维平面信息(截面信息), 在微机控制下, 数控系统以平面加工的方式有序地连续加工出每个薄层并使它们自动粘接成型, 图1 为RP 技术的基本原理。
图1 RP 技术的基本原理。
RP 技术体系可分解为几个彼此联系的基本环节: 三维CAD 造型、反求工程、数据转换、原型制造、后处理等。
2.1立体光固化成型(SLA)
该方法是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成型方法。SLA 技术原理是计算机控制激光束对光敏树脂为原料的表面进行逐点扫描, 被扫描区域的树脂薄层( 约十分之几毫米) 产生光聚合反应而固化, 形成零件的一个薄层。工作台下移一个层厚的距离, 以便固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂, 进行下一层的扫描加工, 如此反复, 直到整个原型制造完毕。由于光聚合反应是基于光的作用而不是基于热的作用, 故在工作时只需功率较低的激光源。此外,因为没有热扩散, 加上链式反应能够很好地控制, 能保证聚合反应不发生在激光点之外, 因而加工精度高, 表面质量好, 原材料的利用率接近100%, 能制造形状复杂、精细的零件, 效率高。对于尺寸较大的零件, 则可采用先分块成形然后粘接的方法进行制作, 如图2 所示。
图2 立体光固化( SLA) 成型工艺原理图
2.2叠材选择性切割( LOM)
LOM工艺将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起, 位于上方的激光器按照CAD 分层模型所获数据, 用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓, 然后新的一层纸再叠加在上面, 通过热压装置和下面已切割层粘合在一起, 激光束再次切割,这样反复逐层切割- 粘合- 切割, 直至整个零件模型制作完成。LOM技术制作冲模, 其成本约比传统方法节约1 /2, 生产周期大大缩短。用来制作复合模、薄料模、级进模等, 经济效益也甚为显著, 原理如图3 所示。该技术在国外已经得到了广泛的使用。
图3 LOM系统装置原理图
2.3粉末选择性烧结( SLS )
该法采用CO2 激光器作能源, 目前使用的造型材料多为各种粉末材料。在工作台上均匀铺上一层很薄的粉末, 激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结, 一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结完后去掉多余的粉末, 再进行打磨、烘干等处理便获得零件。目前, 成熟的工艺材烧结的工艺还正在实验研究阶段。该技术具有原材料选择广泛、多余材料易于清理、应用范围广等优点, 适用于原型及功能零件的制造。在成形过程中,激光工作参数以及粉末的特性和烧结气氛是影响结成形质量的重要参数, 原理如图4 所示。
图4 选择性激光烧结原理图
2.4熔融堆积成形( FDM)
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°C 左右) 。FDM喷头受CAD 分层数据控制使半流动状态的熔丝材料( 材料直径一般在1.5mm 以上) 从喷头中挤压出来,凝固形成轮廓形状的薄层。每层厚度范围在0.025～0.762mm, 一层叠一层最后形成整个零件模型, FDM工艺原理如图5所示。
图5熔融堆积成形原理图
2.5三维打印成型(3DP)
三维打印式快速成型机是将粉末由储存桶送出一定分量，再以滾筒将送出之粉末在加工平台上铺上一层很薄的原料，喷嘴依照3D电脑模型切片后获得的二维层片信息喷出黏著剂，黏著粉末．做完一层，加工平台自动下降一点，储存桶上升一点，刮刀由升高了的储存桶把粉末推至工作平台並把粉末推平．再喷黏著剂，如此循环便可得到所要的形状。常用的ZCorp立体打印材料是石膏粉及淀粉，但亦有其他材料可供选用，如弹性塑料等.更有多种颜色的墨水可供选择，甚至可更换彩色墨头，即時打印出彩色快速成型工件。
3 RP 技术的特点
3.1 快速性
通过STL 格式文件, RPM系统几乎可以与所有的CAD 造型系统无缝连接, 从CAD 模型到完成原型制作通常只需几小时到几十小时, 可实现产品开发的快速闭环反馈。
3.2 高度柔性
快速成型系统是真正的数字化制造系统, 它取消了工装夹具, 系统不作任何改变和调整即可完成不同类型的零件的加工制作, 特别适合新品开发或
单件小批量生产。
3.3 与复杂程度无关性
零件制造周期和制造成本与零件的形状和复杂度无关, 而只与其净体积有关。
3.4 高度集成化
快速成型应用重复的三维扫描成型复杂的三维零件, 避免了数控加工的复杂编程步骤, 并从根本上克服了CAD/CAM 集成时, CAPP 这一瓶颈问题, 从而实现高度自动化和程序化。
3.5 材料的广泛性
快速成形技术可以制造树脂类、塑料类原型, 还可以制造出纸类、石蜡类、复合材料以及金属材料和陶瓷材料的原型。
3.6 加工特点
快速成型技术突破了“毛坯/切削加工/成品”的传统的零件加工模式, 开创了不用刀具制作零件的先河, 是一种前所未有的薄层迭加的加工方法。与传统的切削加工方法相比, 快速原型加工具有以下优点: ( 1) 可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件, 如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等, 零件的复杂程度和生产批量与制造成本基本无关, 大大降低了新产品的开发成本和开发周期; ( 2) 属于非接触加工, 不需要机床切削加工所必需的刀具和夹具, 无刀具磨损和切削力的影响; ( 3) 无振动, 噪声和切削废料; ( 4) 可实现完全自动化生产; ( 5) 加工效率高,能快速制作出产品实体模型及模具。
几种典型RP工艺的比较见表1
表1 几种典型RP 工艺的比较
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原型精度
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表面
质量
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复杂
程度
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零件大小
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材料价格
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材料利用率
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常用
材料
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制造成本
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生产效率
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设备费用
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市场占有率
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SLS
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较高
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优
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中等
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中小件
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较贵
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接近100%
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热固性
光敏
树脂等
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较高
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高
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较贵
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78%
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LOM
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较高
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较差
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简单或中等
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中大件
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较便宜
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较差
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纸、金属箔、塑料、薄膜等
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低
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高
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较便宜
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7.3%
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SLS
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较低
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中等
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复杂
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中小件
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较贵
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接近100%
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塑料、金属、陶瓷
粉末等
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较低
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中等
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较贵
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6.0%
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FDM
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较差
|
较差
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中等
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中小件
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较贵
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接近100%
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石蜡、塑料、低熔点金属等
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较低
|
较低
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较便宜
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6.1%
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3.7 几种常见快速成型工艺优缺点比较
几种常见快速成型工艺优缺点比较见表2
表2 常见快速成型工艺优缺点比较
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优点
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缺点
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SLA
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1、系统工作稳定。系统一旦开始工作，构建零件的全过程完全自动运行。
2、尺寸精度较高，可确保工件的尺寸精度在0.1mm以内。
3、表面质量较好，工件的最上层表面很光滑，侧面可能有台阶不平及不同层面间的曲面不平。
4、系统分辨率较高，因此能构建复杂结构的工件。
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1、需要专门实验室环境，维护费用高昂。
2、成型件需要后处理，二次固化，防潮处理等工序。
2、光敏树脂固化后较脆，易断裂，可加工性不好；工作温度不能超过100℃，成形件易吸湿膨胀，抗腐蚀能力不强。
3、氦-镉激光管的寿命仅3000小时，价格较昂贵。同时需对整个截面进行扫描固化，成型时间较长，因此制作成本相对较高。
4、且光敏树脂对环境有污染，使皮肤过敏。
5、 需要设计工件的支撑结构，以便确保在成型过程中制作的每一个结构部委都能可靠定位，支撑结构需在未完全固化时手工去除，容易破坏成型件。
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LOM
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1、 由于只需要使激光束沿着物体的轮廓进行切割，无需扫描整个断面，所以这是一个高速的快速原型工艺。常用于加工内部结构简单的大型零件及实体件。
2、无需设计和构建支撑结构。
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1、需要专门实验室环境，维护费用高昂。
2、可实际应用的原材料种类较少，尽管可选用若干原材料，例如纸、塑料、陶土以及合成材料，但目前常用的只是纸，其他箔材商在研制开发中。
3、表面比较粗糙，工件表面有明显的台阶纹，成型后要进行打磨；且纸制零件很容易吸潮，必须立即进行后处理、上漆。
4、难以构建精细形状的零件，即仅限于结构简单的零件。
5、由于难以（虽然并非不可能）去除里面的废料，该工艺不宜构建内部结构复杂的零件。
6、当加工室的温度过高时常有火灾发生。因此，工作过程中需要专职人员职守
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SLS
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1、与其他工艺相比，能生产最硬的模具。
2、可以采用多种原料，例如绝大多数工程用塑料、蜡、金属、陶瓷等。
3、 零件的构建时间短，可达到1in/h高度。
4、无需对零件进行后矫正。
5、无需设计和构造支撑。
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1、在加工前，要花近2小时的时间将粉末加热到熔点以下，当零件构建之后，还要花5-10小时冷却， 然后才能将零件从粉末缸中取出。
2、表面的粗糙度收粉末颗粒大小及激光点的限制。
3、零件的表面一般是多孔性的，为了使表面光滑必须进行后处理。
4、需要对加工室不断充氮气以确保烧结过程的安全性，加工的成本高。
5、该工艺产生有毒气体，污染环境。
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FDM
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1、制造系统可用于办公环境，没有毒气或化学物质的危险。
2、工艺干净、简单、易于材作且不产生垃圾。
3、可快速构建瓶状或中空零件。
4、原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。
5、原材料费用低，一般零件均低于20美元。
6、可选用多种材料，如可染色的ABS和医用ABS、浇铸用蜡和人造橡胶。
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1、精度较低，难以构建结构复杂的零件。
2、垂直方向强度小。
3、速度较慢，不适合构建大型零件。
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4 RP 技术应用的局限性以及进一步开发重点
RP 技术朝着工业化、产业化方向迈进。但是目前RP 技术还是面临着许多困难, 比如, 材料的残余应力、RP 技术能够处理的材料种类问题等方面的限制;RP 所专用的成型材料和设备价格较高及RP 本身是小批量生产使得成本方面偏高; 成型精度与速度方面的不足等方面。
现代RP 技术发展的一个重要特点就是快速自的发展而发展和进步的, 正在不断的完善, 具有广泛的应用前景。在未来的几年内将会有更大的发展, 尤其是在RP 系统的制作精度、可靠性以及RP 材料、RP 软件等方面的改进和创新将会更快。所以快速成型技术的进一步研究和开发工作应主要在以下几方面:
(1) 改善快速成型系统的可靠性、生产率和制作大件能力, 尤其是提高快速成型系统的制作精度;
(2) 开发经济型的快速成型系统;
(3) 快速成型方法和工艺的改进和创新;
(4) 快速模具制造的应用;
(5) 开发性能好的快速成型材料;
(6) 开发快速成型的高性能软件;
(7) 快速成型技术与CAD、CAE、CAPP、CAM以及高精度自动测量、逆向工程的一体化集成。
5 结束语
快速成型技术是一种处在发展完善过程的高新技术, 其技术本身和应用领域尚需进行大量的开发研究。目前我国有多家大专院校和科研机构从事RP技术及相关技术的研究, 但是其普及程度和应用开发研究远远不能满足国民经济发展和科学技术进步的要求, 但可以预见, 经过科技人员的不懈努力, 我国在RP及相关技术研究方面必将取得长足进步, 使这项新技术及其成果在我国得到更广泛地应用。21世纪将是以知识经济和信息社会为特征的时代，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、制模、制造技术将会得到进一步发展。
参考文献
[1] 曹炜, 曾忠, 李合生. 快速成形技术及其发展趋势[ J] . 机械设计
与制造, 2006( 5) .
[2] 颜永年，张人佶，林峰. 快速制造技术及其应用发展之路[ J] . 航空制造技术, 2008 年第11期 |
