0 引言
快速成型技术(Rapid Prototyping简称RP)，是近几年快速发展起来的应用于制造业的高新技术，它成功地解决了计算机辅助设计(CAD)中三维模型“看得见，摸不着”的问题，能将三维的几何图形快速自动实体化，使设计的理想——将设计迅速变成实物成为现实。
到目前为止，已有十几种不同的RP系统问世，其中比较典型的商品化RP系统有：熔积成型(Fused Deposition Modeling简称FDM)立体光刻设备(Stereolithgraphy Apparatus简称SLA)、选择性激光烧结(Selected Laser Sintering简称SLS)、分层物体制造(Laminated Object Manufacturing简称LOM)等，目前，生产FDM系统的主要制造商有美国的Stratasys公司及国内的清华大学等单位；生产SLA系统的主要制造商有美国的3Dsystems公司、德国的EOS公司以及国内的西安交通大学等；生产SLS系统的主要制造商有美国的DTM公司、德国的EOS公司以及国内的北京隆源快速成型有限公司、华中科技大学、华北工学院等；生产LOM系统的主要制造商有美国的Helisys公司、新加坡的kinergy公司、日本的kira公司以及国内的清华大学华中科技大学等。
1 快速成型系统及其原理
快速成型技术是利用材料堆积法快速制造产品的一项先进制造技术。它的本质是利用积分制造三维实体。在成形过程中将计算机储存的任意三维形体信息传给成型机，通过材料叠加法直接制造出来，而不需要特殊的模具、工具或人工干涉。
FDM不是采用激光作能源，而是将电能传递给塑料丝，在挤出喷头前达到熔融状态，喷头在计算机控制下作X-Y联动扫描，在扫描运动中喷出熔融的材料，形成一个加工层并与上一层牢牢地连接在一起，这样层层扫描叠加便形成一个空间实体。这种方法的能量传输和材料传输均不同于其他三种方法，系统成本较低，但由于喷头的运动方式属于机械运动，对速度有一定限制，所以加工效率较低，且其材料适用范围有限。
SLA使用的是可光固化的光敏树脂，当扫描器在计算机的控制下，将激光器的能量按分层信息传递给成型液面后，光敏树脂就发生聚合反应而固化，完成一层的加工，所用激光器的激光波长有限制，一般采用的激光器波长为(325-364)nm，采用这种方法成型的零件有较高的精度且表面光洁，但可用材料范围较窄。
SLS使用固体粉末材料，先在工作台上铺一层粉，采用激光束在计算机控制下有选择地进行烧结，该材料能吸收激光能量，使之熔化并在随后的冷却过程中固化，从而完成层的成型，一层完成后再进行下一层。这样层层叠加形成一个空间实体。烧结完成后去除多余粉末便为所需样件，其材料适应范围很广，特别是在金属和陶瓷材料的成型方面有独特的优点，但是所成型的零件精度和表面粗糙度较差，有待于进一步提高。
LOM的层面信息通过每一层的轮廓来表示，激光扫描器动作由这些轮廓信息控制，它采用的材料是具有一定厚度的片材，这种加工方法只需加工轮廓，所以可达到很高的加工速度，但材料范围很窄，每层范围不可调整是其最大缺点。RP系统的主要成型设备如表1所示。
表1 RP系统主要成型设备
2 快速成型技术的应用及优点
RP技术已得到了工业界的普遍关注，尤其在家用电器、汽车玩具轻工业产品、建筑模型、医疗器械及人造器官模型、航天器军事装备、考古、工业制造、雕刻、电影制作以及从事CAD的部门都得到了良好的应用。其用途主要体现在以下5个方面。
2.1 新产品研制开发阶段的试验验证
在新产品的研制阶段，计算机辅助设计虽然使产品设计更加快捷方便，但设计人员只能借助设计图纸和计算机模拟对产品进行评判，不能直观评判所设计的效果和结构的合理性以及生产工艺的可行性，对形状复杂的产品尤其如此。快速成型技术可以快速制造出生产样品的实物模型，供设计者和用户直接进行测量装配功能实验和性能测试，从而快速经济地验证设计人员的思想和产品结构的合理性，可制造性、可装配性及美观性，找出设计缺陷，并进行反复修改、制造，完善产品设计，这样就可以大大缩短新产品的设计周期，使设计符合预期的形状、尺寸和工艺要求，这一验证过程使设计更趋完善，避免了盲目投产造成的浪费。
2.2 新产品投放市场前的调研和宣传
在新产品投放市场前，先用快速成型技术制造出产品的替代品，在潜在的用户中进行调研和宣传，了解用户的意见和需求量，以此来决定是否向市场投放此新产品、其价格如何，从而确定其生产规模，为企业进行决策提供依据。
2.3 快速制模
快速制模(RT)技术是快速成型技术的重要应用方向之一，目前的RT技术主要集中在两个大的研究方向：一是直接快速制摸(DRT)；另一个是间接快速制摸(IRT)。
2.3.1 直接快速制模技术(DRT)及其方法
DRT有3种方法：①软模技术，通过RP技术生产具有一定机械性能的软模(如硅橡胶模)，用LOM型RP系统通过直接或间接法，比较容易制做这种可用于小批量塑料制品生产的模具。②准直接快速制模技术，在这里，准直接主要是指通过RP技术生产的模具还需要较多的后续工作才能用于工件的生产，其主要方法是通过RP方法将包覆有粘结剂的金属粉(SLS)、金属悬浮液(SLA)、带有金属粒子的塑料丝(FDM)成型为半成品，再经过粘结剂的去除和浸渗金属液，从而产生密实的模具。③真DRT技术，这主要是指直接利用RP系统产生高密度的模具部件，金属粉末不需要塑料粘结剂，通常是利用低熔点金属作粘结剂，常用的RP技术是SLS。
2.3.2 间接快速制模技术(IRT)及其方法
间接快速制模技术所涉及的RP方法包括了LOM，SLS，SLA，FDM等，该技术有两种制模方法：①第一种是通过RP方法成型模型(塑料、蜡等)，再通过模型用铸造、电极成型、金属喷涂等方法生产成型模具；②第二种是通过RP技术生产铸型(砂型或壳型)，再通过铸造方法用这些砂型或壳型生产模具。
快速成型技术应用的最大领域是铸造业。RP技术与精密铸造工艺的结合产生了快速铸造技木。它兼备了精密铸造与CNC机加工的优点，可以大大降低产品生产的时间与费用。美国修斯飞机公司在军用直升机液视系统中成功地应用了RP技术，整个过程仅用了8个月就提供了实验件，大大缩短了项目完成时间，节省了大量费用。
生物医学工程对RP技术来讲也是一个全新的应用领域，目前，RP技术己广泛应用于生物医学工程领域，其典型应用介绍如下：
2.3.2.1 用LOM工艺制作骨盆
患者骨盆重构CAD模型的制作，这一模型经过数据处理，采用LOM工艺，即以涂敷纸为原料的分层实体制造工艺逐层制作。这种纸质骨盆模型可以用来翻制金属骨盆，以修复骨病患者或外伤损毁的骨盆。
2.3.2.2 颅骨修复
颅骨损伤通常出现在外像颅脑疾病或开颅手术后，目前流行的修复方法是采用钛网板，通常是采用病人的CT照片，用手工制成，这种方法不仅精度低，而且修补件经过剪与缝，需更多的螺钉固定，难以成型为复杂形状，且手术时间长，病人恢复慢，费用昂贵，采用RP技术能迅速准确地将病人颅骨的CT数据转换为三维实体模型，由于采用RP技术制作的修复件成型精度高，能吻合病人颅骨的几何形状，减少固定螺钉约1/2，缩短手术时间，有利于病人恢复，且若材料国产化，可大大减轻病人负担。
2.3.2.3组织工程大段骨成型
组织工程材料是与生命体相容的能参与生命体代谢在一定时间内逐渐降解的特种材料。采用降解材料用RP技术成型方法制作的大段骨基底框是全新的构想和研究，这一成果己在清华大学生物系材料快速成型组诞生。
2.3.2.4 牙科应用
RP技术可以为牙科技术提供任意复杂的原形制作。
2.4 新材料的研究
21世纪，随着各行各业高技术的迅猛发展。对各种新材料性能的要求更加苛刻，塑料、金属、陶瓷等单一材料一般满足不了其特殊的性能要求。由此诞生了复合材料、功能梯度材料、智能材料等新型材料。这些新型材料一般由两种或两种以上材料组成，其性能优于单一材料的特性，人们如何能够快速经济地研究这些新型材料所表现的特性，从而找出最优的配方，已成为新材料开发中的研究热点。由于SLS技术可以分层制造出具有任意复杂结构的高分子、陶瓷金属及其复合件，可以用它来研究新材料及其制件的各种特性，因此SLS技术也是研究新型材料的非常有潜力的手段，材料范围宽是SLS技术的一大特点。理论上讲，任何在热作用下可产生烧结粘结或固化反应的粉体都可作为成型材料，如高分子材料、陶瓷金属极其复合物等，高分子材料有PS，PC，pA，PE，ABS，石蜡等粉末物质，成型用金属粉末按其组成情况可分为3种：①单一的金属粉末；②两种金属粉末的混合体，其中的一种熔点较低，起粘结剂作用；③金属粉末和有机粘结剂的混合体，用于烧结的陶瓷粉末一般由陶瓷和有机粘结剂混合而成，如：PMMA包覆的SiC粉末，国外已研制成功并投入应用领域的成型材料主要是塑料粉(ABS，PS，PC等）及覆膜砂，用于塑料模精铸模等的制造，目前正在大力开发金属与陶瓷粉末材料的烧结成型技术，利用该项技术可以自动而迅速地从三维CAD模型制得形状复杂的金属（陶瓷）零件或模具，美国DTM公司利用该项技术制造的金属模具已成功用于注塑生产，制作的铜钢注塑模具可以代替加工的铝模，模具寿命在千件以上。现在，国内很多高校和研究单位计划购买快速成型设备，以用作教学、对外技术服务和新材料的研究。
2.5 小批量和特殊复杂零件的直接生产
对于复杂的或小批量生产的塑料、陶瓷金属及其复合材料的零部件，SLS方法可以直接快速成型，目前，人们正在研究梯度材料的SLS快速成型，零件的直接快速成型对航空、航天及国防工业有非常重要的应用价值。RP技术采用材料添加法的方式自动完成CAD模型到物理模型的转换，无需任何专业工具即可完成成型过程，快速制造出产品零件或原形，快速成型技术具有任何传统制造技术所不具有的独特优势，它具有高速度、高柔性，制造具有自由性。而且具有技术高度集成和设计制造一体化的优势。
3 快速成型技术发展中存在的问题
由快速成型技术的原理可知其是将复杂的三维加工变成较简单的二维加工。从而大大简化了数据处理的难度，一般来说，速度与精度问题是困惑快速成型学术界的重要问题，要想提高模型制造速度，必然会损失一定的精度。无论是任何方法制造出的模具或模型直接快速成型，尺寸精度和表面光洁度都是个关键参数。RP制造模型的过程为：实体CAD造型→计算机对CAD模型做分层处理→最后由成型机制造出实体，期间所有过程都将影响模型精度。其主要影响因素有：
(1)用直线代替曲线或用平面代替曲面的误差，误差越小，所需的存储数据就越大，数据越大，数据转换误差就越多。数据转换过程：CAD实数→STL文件输出→分层处理→传输到快速成型机，每一步都会产生转换误差。
(2)每层厚度取决于铺粉和刮平装置，铺粉与刮平装置的配合良好与否也易造成误差。
(3)数控系统扫描机构的惯性结构、驱动电机驱动能力的动态特性对其运动速度、加速度、减速度有一定的限制，在满足这些限制的前提下，提高加工效率及加工质量成为急待解决的问题，且扫描系统的运动重复性对光束位置的重复精度影响很大。
(4)在扫描加工过程中扫描速度的变化，为保证能量供给，激光功率必须做相应的变化，寻求一种激光功率与扫描速度的适时匹配也是一个有待进一步解决的问题。
(5)扫描线长、宽的变化造成的误差，激光器的质量和激光光源强度的稳定是影响该项误差的主要因素。
(6)粉料的物理特性和铺平装置将影响粉料的表面位置精度，X-Y双轴运动的有效控制将提高激光光束的位置精度。
(7)成型部件的卷曲、翘曲和膨胀等问题，材料的特征和成型件的几何形状及烧结成型工艺对比影响很大。材料的局部融化需较大的能量密度，大的能量密度会造成较大的内应力和应变。烧结可以用较小的能量密度。但由于是无压烧结，势必会造成内部空洞。
(8)化学反应粘结法仅限于某些有机物质，易熔金属粉末材料的开发国内尚不成熟，纯粹用辅助胶粘结的办法给成型件多加了一些与最终性能无关的物质，多少会有负面影响。
(9)由于多方面的因素，现在制造出的成型机所能造的零部件尺寸极其有限。
4 结束语
综上所述，快速成型技术是一种正在进一步发展和完善且已经获得了广泛应用的技术。可以预见，随着CAD技术的广泛应用，市场竞争将日趋激烈，快速成型技术RP和快速模具制造RT成套技术将日趋完善。快速成型技术将发展为一种能被企业普遍采用的技术手段，并将给企业带来巨大的经济效益，这应引起各方面的高度重视，国家有关部门和企业应充分重视RP技术，加快开发我国商品化RP系统并大力推广应用。注重RP信息的收集，传播与交流，拓宽RP研究的深度和广度。该项技术完全可以立足于国内，国产RP系统有望占有国内市场并进入国际市场，这将使我国企业更有信心面临激烈的国际竞争，使中国经济飞速向前发展。
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本文标题：快速成型技术的应用及其发展方向
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