快速成型技術(shù)的原理方法及應(yīng)用發(fā)展

1、快速成型技術(shù)的原理方法及應(yīng)用發(fā)展李?。ê崩砉W(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 黃石 435000）摘 要：闡述了快速成型技術(shù)的起源、發(fā)展歷程,介紹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點(diǎn),詳細(xì)的介紹了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上, 根據(jù)快速成型技術(shù)的發(fā)展成果、研究現(xiàn)狀與市場需求, 介紹了目前快速成型技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用,展望了快速成型技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：快速成型技術(shù)；堆積成型原理；立體光固化法中圖分類號(hào)：TH166 文章編號(hào)：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，簡稱RP)是80年代末期開始商品化的一種高新制造技術(shù)，它是集CADCAM技術(shù)、激光加工技術(shù)、數(shù)控技術(shù)和新材料等技術(shù)領(lǐng)域的最新成果于一體的零件原型制造技術(shù)?？焖俪尚筒煌趥鹘y(tǒng)的用材料去除方式制造零件的方法，而是用材料一層一層積累的方式構(gòu)造零件模型。它利用所要制造零件的三維CAD模型數(shù)

5、據(jù)直接生成產(chǎn)品原型，并且可以方便地修改CAD模型后重新制造產(chǎn)品原型1。由于該技術(shù)不像傳統(tǒng)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時(shí)間減少為幾天、幾小時(shí)，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，減少了開發(fā)成本。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和三維CAD軟件應(yīng)用的不斷推廣，越來越多的產(chǎn)品基于三維CAD設(shè)計(jì)開發(fā)，使得快速成型技術(shù)的廣泛應(yīng)用成為可能?？焖俪尚渭夹g(shù)已廣泛應(yīng)用于宇航、航空、汽車、通訊、醫(yī)療、電子、家電、玩具、軍事裝備、工業(yè)造型(雕刻)、建筑模型、機(jī)械行業(yè)等領(lǐng)域2。1 快速成型的原理及特點(diǎn) 快速成型技術(shù)采用離散/堆積成型原理3，根據(jù)三維CAD 模型，對于不同的工藝要求，按照一定厚度進(jìn)行分

6、層，將三維數(shù)字模型變成厚度很薄的二維平面模型。再將數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，加入加工參數(shù)，產(chǎn)生數(shù)控代碼，在數(shù)控系統(tǒng)控制下以平面加工方式連續(xù)加工出每個(gè)薄層，并使之粘結(jié)而成形。實(shí)際上就是基于“生長”或“添加”材料原理一層一層地離散疊加，從底到頂完成零件的制作過程。它是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)、材料去除成形、材料增加成形技術(shù)以及它們的集成的總稱4。快速成型技術(shù)系統(tǒng)的工作流程如圖1-1 所示：圖 1-1 快速成型技術(shù)系統(tǒng)的工作流程RP 技術(shù)有以下特點(diǎn)及優(yōu)越性： （1）快速性，從CAD 設(shè)計(jì)到完成原型制作通常只需幾個(gè)小時(shí)到幾十個(gè)小時(shí)，加工周期短，可節(jié)約70%時(shí)間以上5。 （2）低成

7、本，與產(chǎn)品的復(fù)雜程度無關(guān)，一般制作費(fèi)用降低50%，特別適合新產(chǎn)品的開發(fā)和單件小批量零件的生產(chǎn)6。 （3）制作原型所用的材料不限，各種金屬和非金屬材料均可使用，可以制造樹脂類、塑料類、紙類、石蠟類、復(fù)合材料以及金屬材料和陶瓷材料的原型7。 （4）適應(yīng)于加工各種形狀的零件，制造工藝與零件的復(fù)雜程度無關(guān)，不受工具的限制，可實(shí)現(xiàn)自由制造（Free Form Fabrication），原型的復(fù)制性、互換性高8。 （5）具有高柔性，采用非接觸加工的方式，無需任何工夾具，即可快速成型出具有一定精度和強(qiáng)度并滿足一定功能的原型和零件9。 （6）高集成化，RP 技術(shù)是集計(jì)算機(jī)、CAD/CAM、數(shù)控、激光、材料和機(jī)

8、械等一體化的先進(jìn)制造技術(shù)，整個(gè)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、數(shù)字化、與CAD模型具有直接的關(guān)聯(lián)，所見即所得，零件可隨時(shí)制造與修改，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化10。 （7）加工過程中無振動(dòng)、噪聲和廢料，可實(shí)現(xiàn)無人值守長時(shí)間自動(dòng)運(yùn)行11。2 快速成型的典型工藝及特點(diǎn) 迄今為止，國外、國內(nèi)已經(jīng)開發(fā)成功了十多種成熟的快速成型工藝，其中商品化比較好的主要有SLA、LOM、SLS、FDM、TDP 等原理的快速成型系統(tǒng)。2.1 立體光固化成型法 立體光固化成型法12（SLA，Steer-lithography Apparatus）以液態(tài)光敏樹脂為原材料，在計(jì)算機(jī)控制下的紫外激光束按預(yù)定零件各分層截面的輪廓軌跡對液態(tài)樹脂逐點(diǎn)掃

9、描，使被掃描區(qū)的樹脂層產(chǎn)生聚合（固化）反應(yīng)，從而形成零件的一個(gè)薄層截面，最后將形成好的所有薄層截面進(jìn)行固化以形成整體零件。SLA 工藝的優(yōu)點(diǎn)是精度高， 可以控制在0.01mm，表面質(zhì)量好；原材料利用率接近100%，能夠制造形狀特別復(fù)雜、精細(xì)的零件；缺點(diǎn)是需要設(shè)計(jì)支撐，原材料價(jià)格昂貴，可以選擇的材料種類有限，加工成本高；制件容易發(fā)生翹曲變形。2.2 分層實(shí)體制造法分層實(shí)體制造法13（LOM，Laminated Object Manufacture）是將單層涂有熱熔膠的紙片通過加輥加熱粘結(jié)在一起，利用上方的激光切割器按照CAD 分層模型所獲數(shù)據(jù)，用激光束切割形成零件。該法無需設(shè)計(jì)支撐，只需切割輪廓

10、，無需填充掃描，制件的翹曲變形小，制造加工成本低。但是表面質(zhì)量差，廢料分離麻煩，材料利用率低，種類有限，后處理難度大。2.3 選擇性激光燒結(jié)法 選擇性激光燒結(jié)法14（SLS，Selective Laser Sintering）是利用激光器對熱塑粉末進(jìn)行分層燒結(jié)固化堆積成形零件。其優(yōu)點(diǎn)是原型件機(jī)械性能好，強(qiáng)度高；無需設(shè)計(jì)和構(gòu)建支撐；成型材料選擇性廣泛，并且利用率高（100%）；缺點(diǎn)是制件精度低，表面粗糙，需要后處理。2.4 熔融沉積成型法 熔融沉積成型法15（FDM，F(xiàn)used Deposition Modeling）是將絲狀材料在噴頭中加熱至略高于熔點(diǎn)（比熔點(diǎn)高1左右），呈半流動(dòng)狀態(tài)，從噴頭中

11、擠壓出來，很快凝固，形成精確的層，層層相疊，最后形成整體。其優(yōu)點(diǎn)是材料利用率高，材料成本低，可選材料種類多，速度快。缺點(diǎn)是精度低，懸臂件需要支撐，且成型加工中易堵絲。2.5 三維印刷系統(tǒng)法三維印刷系統(tǒng)16（TDP ， Three Dimensional Printing）是使用專用粉末材料和粘結(jié)劑，用類似打印噴頭在一層鋪好的粉末材料上有選擇地噴射粘結(jié)劑，在有粘結(jié)劑的地方粉末被粘結(jié)在一起，其他地方仍為粉末，這樣層層粘結(jié)形成空間實(shí)體。TDP 法的優(yōu)點(diǎn)是成本低，速度塊。主要問題是表面粗糙。3 快速成型技術(shù)的應(yīng)用快速成型技術(shù)的應(yīng)用是不斷提高RP技術(shù)發(fā)展的重要因素，目前RP 技術(shù)已在工業(yè)造型、文化藝術(shù)、

12、機(jī)械制造（汽車、摩托車）、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫(yī)學(xué)、考古、文化藝術(shù)、雕刻、首飾等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。并且隨著這一技術(shù)本身的發(fā)展，其應(yīng)用將不斷拓展17。RP 技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面： （1）新產(chǎn)品開發(fā)過程中的設(shè)計(jì)驗(yàn)證與功能驗(yàn)證。在新產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用RP 技術(shù)可以為設(shè)計(jì)開發(fā)人員建立一種嶄新的產(chǎn)品開發(fā)模式，運(yùn)用該技術(shù)能夠快速、直接、精確地將設(shè)計(jì)思想模型轉(zhuǎn)化為具有一定功能的實(shí)體模型（樣件），可以方便驗(yàn)證設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)思想和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性、可裝配性、美觀性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問題并修改完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)。這樣不僅大大縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本，使企業(yè)在激烈的市場

13、競爭中占有了先機(jī)。就西安交通大學(xué)的西北RPM 應(yīng)用服務(wù)中心為例，他們運(yùn)用RPM 技術(shù)為TCL 公司設(shè)計(jì)了多種新款手機(jī)樣品，從工業(yè)造型設(shè)計(jì)到樣品全過程僅用了7 天時(shí)間，這用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)制造技術(shù)是無法實(shí)現(xiàn)的18。 （2）單件、小批量和特殊復(fù)雜零件的直接生產(chǎn)。在機(jī)械制造領(lǐng)域里有些特殊復(fù)雜制件只需單件或少于50 件的小批量生產(chǎn)，這樣的產(chǎn)品通過制模再生產(chǎn)，成本高，周期長。RP 技術(shù)以自身獨(dú)有的特點(diǎn)可以直接成型生產(chǎn)，成本低，周期短。以北京隆源自動(dòng)成型系統(tǒng)有限公司試制發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪2 件為例，采用快速成型技術(shù)制造僅僅用了兩天的時(shí)間就完成了用于生產(chǎn)的蠟型，傳統(tǒng)工藝需要4個(gè)月19。 （3）產(chǎn)品展示。RP 原型是產(chǎn)品從設(shè)

14、計(jì)到商品化各個(gè)環(huán)節(jié)中進(jìn)行交流的有效手段。在經(jīng)濟(jì)全球化的今天，許多外向型企業(yè)都經(jīng)常面臨外商要求看樣訂貨。如何在不可能開模試生產(chǎn)的情況下最快提供樣品，搶占市場先機(jī)。在這種環(huán)境下,RP技術(shù)又體現(xiàn)了明顯的優(yōu)勢20。 （4） 快速模具制造。將快速成型技術(shù)與傳統(tǒng)的模具制造技術(shù)相結(jié)合，可以大大縮短模具制造的開發(fā)周期，提高生產(chǎn)效率，是解決模具設(shè)計(jì)與制造薄弱環(huán)節(jié)的有效途徑?？焖俪尚图夹g(shù)在模具制造方面的應(yīng)用可分為直接制模和間接制模兩種21。目前實(shí)現(xiàn)金屬零件快速成型的工藝方法有兩大類: 間接法和直接法。間接法成型精度較高, 但是成型工藝復(fù)雜, 而直接法成型工藝簡單, 成型精度稍差。間接法比較成熟, 主要有硅橡膠法,

15、 選區(qū)激光燒結(jié)+ 精密鑄造法, 選區(qū)激光燒結(jié)+ 銅反滲法和選區(qū)激光燒結(jié)+ HIP法。直接法目前只有德國EOS公司剛開發(fā)成功的DMLS (Direct Metal Laser Sintering) 法, 利用200W 的2CO 激光直接燒結(jié)金屬粉末成型, 成型精度可達(dá)±0.2mm , 制作的注塑件金屬模具壽命可達(dá)數(shù)十萬件, 但成型尺寸較小, 否則變形較大。從長遠(yuǎn)來看, 直接法將是金屬零件快速成型技術(shù)的發(fā)展方向22。4 快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢 4.1 金屬零件、功能梯度零件的直接快速成型制造技術(shù) 目前的快速成型技術(shù)主要用于制作非金屬樣件, 由于其強(qiáng)度等機(jī)械性能較差, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工程實(shí)際

16、需求, 所以其工程化實(shí)際應(yīng)用受到較大限制。從90 年代初開始, 探索實(shí)現(xiàn)金屬零件直接快速制造的方法已成為RP 技術(shù)的研究熱點(diǎn), 國外著名的RP技術(shù)公司均在進(jìn)行金屬零件快速成型技術(shù)研究。可見, 探索直接制造滿足工程使用條件的金屬零件的快速成型技術(shù), 將有助于快速成型技術(shù)向快速制造技術(shù)的轉(zhuǎn)變, 能極大地拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。此外, 利用逐層制造的優(yōu)點(diǎn), 探索制造具有功能梯度、綜合性能優(yōu)良、特殊復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件, 也是一個(gè)新的方向發(fā)展23。4.2 概念創(chuàng)新與工藝改進(jìn) 目前, 快速成型技術(shù)的成型精度為0. 01mm 數(shù)量級(jí), 表面質(zhì)量還較差, 有待進(jìn)一步提高。最主要的是成型零件的強(qiáng)度和韌性還不能完全滿足工程實(shí)

17、際需要, 因此如何完善現(xiàn)有快速成型工藝與設(shè)備, 提高零件的成型精度、強(qiáng)度和韌性, 降低設(shè)備運(yùn)行成本是十分迫切的。此外, 快速成型技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)相結(jié)合, 形成產(chǎn)品快速開發(fā)制造系統(tǒng)也是一個(gè)重要趨勢, 如快速成型技術(shù)結(jié)合精密鑄造, 可快速制造高質(zhì)量的金屬零件。另一方面, 許多新的快速原型制造工藝正處于開發(fā)研究之中24。4.3 優(yōu)化數(shù)據(jù)處理技術(shù) 快速成型數(shù)據(jù)處理技術(shù)主要包括將三維CAD模型轉(zhuǎn)存為STL 格式文件和利用專用RP 軟件進(jìn)行平面切片分層。由于STL 格式文件的固有缺陷,會(huì)造成零件精度降低; 此外, 由于平面分層所造成的臺(tái)階效應(yīng), 也降低了零件表面質(zhì)量和成型精度。優(yōu)化數(shù)據(jù)處理技術(shù)可提高快速

18、成型精度和表面質(zhì)量。目前, 正在開發(fā)新的模型切片方法, 如基于特征的模型直接切片法、曲面分層法25。4.4 開發(fā)專用快速成型設(shè)備 不同行業(yè)、不同應(yīng)用場合對快速成型設(shè)備有一定的共性要求, 也有較大的個(gè)性要求。如醫(yī)院受環(huán)境和工作條件的限制, 外科大夫希望設(shè)備體積小、噪音小, 因此開發(fā)專門針對醫(yī)院使用的便攜式快速成型設(shè)備將很有市場潛力。另一方面, 汽車行業(yè)的大型覆蓋件尺寸多在1m 左右, 因此研制大型的快速成型設(shè)備也是很有必要的26。4.5 成型材料系列化、標(biāo)準(zhǔn)化 目前快速成型材料大部分是由各設(shè)備制造商單獨(dú)提供, 不同廠家的材料通用性很差, 而且材料成型性能還不十分理想, 阻礙了快速成型技術(shù)的發(fā)展。

19、因此, 開發(fā)性能優(yōu)良的專用快速成型材料, 并使其系列化、標(biāo)準(zhǔn)化, 將極大地促進(jìn)快速成型技術(shù)的發(fā)展27。4.6 拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域 快速成型技術(shù)的應(yīng)用范圍正在逐漸擴(kuò)大, 這也促進(jìn)了快速成型技術(shù)的發(fā)展。目前快速成型技術(shù)在醫(yī)學(xué)、醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用, 正在引起人們的極大關(guān)注,許多科研人員也正在進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)研究。此外, 快速成型技術(shù)結(jié)合逆向(反求) 工程, 實(shí)現(xiàn)古陶瓷、古文物的復(fù)制, 也是一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域28。5 結(jié) 語快速成型技術(shù)是一種正在不斷完善的先進(jìn)制造技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。目前RP 技術(shù)在歐美、日本等發(fā)達(dá)國家應(yīng)用較為廣泛，我國僅僅一些高等院校及有關(guān)廠家在吸收消化國外技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出了快速成型機(jī)

20、，但是在質(zhì)量和數(shù)量以及應(yīng)用領(lǐng)域方面，都比不上國外?？傊焖俪尚图夹g(shù)（RP）是當(dāng)今制造業(yè)贏得市場的法寶，快速成型技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢和魅力，在制造業(yè)領(lǐng)域起到越來越重要的作用，并將給制造業(yè)帶來深遠(yuǎn)的影響。參考文獻(xiàn)： 1 顏永年，張人佶，盧清萍，潘妙良快速成型制造系統(tǒng)的集成及其工程化中國機(jī)械工程，2000，增刊，Vol.11,3-7.2 王秀峰，羅宏杰快速原型制造技術(shù)北京：中國輕工業(yè)出版社，2001. 3 孫維峰快速成型（RP）的原理方法及應(yīng)用機(jī)電技術(shù)，2008.1 : 9-11. 4 王廣春, 趙國群. 快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用M. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 20045 金杰, 張安陽.快

21、速成型技術(shù)及其應(yīng)用J.浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005(5)6 劉偉軍. 快速成型技術(shù)及應(yīng)用M. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005.7 樹槐，張祥林，馬黎，等快速原型制造技術(shù)的進(jìn)展J中國機(jī)械工程，1997。8(5)：8-128 安德烈亞斯,格布哈特.快速原型技術(shù)M. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2005.9 盛曉敏，鄧朝暉先進(jìn)制造技術(shù)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，200010 王葵，譚威快速成型技術(shù)及發(fā)展J 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008(9)：3911周振堂，馬廉潔零件制造的快速成型技術(shù)及其應(yīng)用J.鑄造工藝，2008(5)：12-1412 李彥生，李滌塵，盧秉恒光固化快速成型技術(shù)及其應(yīng)用機(jī)電一體化，1999,3: 10-11. 13 張國平快速成形技術(shù)原理及應(yīng)用實(shí)例湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009,9(3):1-3. 14 許勤，張堅(jiān)激光快速成型技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展九江學(xué)院學(xué)報(bào)，2005,1:8-10. 15 王笠，張人佶，顏永年快速成形工藝過程的描述與分析 J 清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2002, 42 (4) : 505 508. 16 朱林泉, 白培