浅谈快速成型技术

浅谈快速成型技术

【摘 要】快速成型技术是一种集合计算机、数控、材料、激光等多学科技术于一体的全新制造技术。文章简单介绍了快速成型技术的发展状况、分类、特点及应用，并对几种典型的快速成型工艺进行了比较。

【关键词】快速成型；发展状况；应用领域

快速成型技术（Rapid Prototyping，简称RP）是二十世纪八十年代末九十年代初兴起并迅速发展起来的新的先进制造技术，是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称。

1. 快速成型机技术的发展状况

快速成型技术从产生到现在虽然只有十几年的时间，但发展十分迅速。目前的快速成型技术与以前相比，在目标、用途、设备和工艺等方面都有了很大的变化和提高，主要体现在：以制作概念原型、制作功能测试的原型为主，制作小批量生产的模具或制造大批量生产模具的母模，向不同用途相对独立地发展[1]；向大型或微型制造发展；结合各种应用要求，依赖新的成型材料特点，不断开发新的成型工艺；通过改进快速成型机的结构和控制系统，提高成型的速度、控制精度和可靠性；优化数据处理技术，开发新的模型切片方法，提高快速成型件的尺寸精度和表面质量；开发专用快速成型设备，降低设备运行成本。

2. 快速成型技术的分类

快速成型技术根据成型方法可分为两类：基于激光及其他光源的成型技术和基于喷射的成型技术，下面对其中几种比较成熟的快速成型工艺作简单介绍：

（1）光固化成型

光固化成型技术的工作原理是以光敏树脂为原料，计算机控制扫描的轨迹及光线，光点打到的地方，成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度.聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化[2]。当一层扫描完成后.升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新周化的一层牢周地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。

（2）选择性激光粉末烧结

选择性激光粉末烧结的工作原理是将材料粉末铺洒在已成型零件的上表面，并刮平，用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面，材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成型的部分连接[3]。当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，有选择地烧结下层截面。

烧结完成后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理得到零件。

（3）熔融沉积成型

熔融沉积成型的工作原理是以热塑性成形材料丝为材料，材料丝通过加热器的挤压头熔化成液体，由计算机控制挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，使熔化的热塑材料丝通过喷嘴挤出，覆盖于已建造的零件之上，并在极短的时间内迅速凝固，形成一层材料[4]。之后，挤压头沿轴向向上运动一微小距离进行下一层材料的建造，这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。

（4）分层实体制造

分层实体制造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[5]。

3. 快速成型技术的特点

（1）可以根据零件的形状，无需专用工具的限制而自由地成型，制造工艺与制造原型的几何形状无关，不受零件形状复杂程度限制。由于快速成型是分层制造，因此可撇开零件的复杂程度，将复杂的三维制造简化为二维制造。

（2）制造成形所用的材料具有广泛性，各种金属和非金属材料均可使用，可以制造出各种原型[6]。

（3）成形的复制性、互换性高。

（4）快速成型技术是计算机、数据、激光、材料和机械的高度技术集成，实现了设计制造一体化。

（5）加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关。

4. 快速成型技术的应用

不断提高快速成型技术的应用水平是推动RP技术发展的重要方面。其应用范围主要在设计检验、市场预测、工程测试、装配测试、航空航天、军事、建筑、影视、家电、模具制造、医学、美学等方面[7]。快速成型的应用主要体现在以下几个方面：

（1）单件、小批量和特殊复杂零件的直接生产。对于高分子材料的零部件，可用高强度的工程塑料直接快速成型，满足使用要求；对于复杂金属零件，可通过快速铸造或直接金属件成型获得[8]。

（2）在生物学和医学上对各种医疗器械的设计、试产、试用，CT扫描信息的实物化，手术模拟，人体骨关节的配制等。

（3）在新产品造型设计过程中的应用快速成型技术为工业产品的设计开发人员建立了一种崭新的产品开发模式[9]。运用RP技术能够快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的实物模型，这不仅缩短了开发周期，而且降低了开发费用，也使企业在激烈的市场竞争中占有先机。

（4）在机械制造领域的应用由于快速成型技术自身的特点，使得其在机械制造领域内，获得广泛的应用，多用于制造单件、小批量金属零件的制造。有些特殊复杂制件，由于只需单件生产，或少于一定量的小批量，一般均可用快速成型技术直接进行成型，成本低，周期短。

5. 结束语

快速成型技术是当今世界上发展迅速的先进制造技术之一，它与其他科学交叉是其发展趋势。随着快速成型技术在其技术本身和应用领域方面开发研究的逐渐深入，能够缩短开发周期，降低开发成本，提高制造精度，这不仅给企业和人类生活带来更大的收益，而且会促使其它相关产业和技术的发展。

参考文献：

[1] 牛永红，罗海玉.快速成型技术及研究动向[J].天水师范学院学报，2004，24（2）：23-25.

[2] 杨家林，王洋，陈杨.快速成型技术研究现状与发展趋势[J].机械工艺师，2003，24（1）：28-31.

[3] 黄树枕.快速成型技术的展望[J].中国机械工程，2000，11（2）：195-200.

[4] 陈建环，马波.快速成形/零件制造技术（RP&M）[J]. CAD/CAM与制造信化，2004，（1）：26-30.

[5] 徐人平，杨维平.快速原型技术带来产品创新设计开发的革命[J].昆明理工大学学报，2001，（8）：1-8.

[6] 李莉，冯和平.快速成型技术及其在模具制造中的应用[J].邢台职业技术学院学报， 2004，（1）： 35-37.

[7] 王秀峰，罗宏杰.快速原型制造技术[M].北京：中国轻工业出版社，2001，8：36-40.

[8] 徐健，颜永年，卢伟，等.快速成型技术的发展方向[J].航空制造技术，

2002，（11）：5-27.

[9] 张人佶，林峰，王小红，等.快速制造技术的发展现状及其展望[J].航空制造技术，2010，（7）：13-15.