浅谈快速成型制造技术的现状及在工业领域中的应用

　0 引言

    　快速成型制造技术（RPT），它是20世纪80年代末出现的成型方式，是先进制造技术的重要组成部分。目前，产业策略是以市场响应速度为首的状况，RPT可以缩短产品开发周期，降低开发成本，提高企业的竞争力，带来巨大的经济效益，因而越来越引起人们的重视，成为机械制造领域中的一重要研究课题。

　1 快速成型技术的基本原理

  　  快速成型制造技术（RPT）是一种先进的制造技术，它是由计算机辅助设计（CAD）、反求工程（RE）、快速成型（RP）和快速制模（RT）技术在信息互联网支持下，形成一套快速制造系统的技术。

　    RPT采用（软件）离散/（材料）堆积的原理，制造零件通过离散获得堆积的顺序、路径、限制和方式，通过堆积材料叠加起来形成三维实体。RPT从成型思想上突破了传统的去除成型（车、铣、刨、磨、钳等）方法和受迫成型（锻压、铸造粉末冶金等）方法，它采用逐点或逐层堆积材料的方法制造物理模型，属于离散/堆积成型方法，即分层实体制造。

　    RPT技术通过对零件的三维设计模型进行分层解剖，再按照轮廓曲线，使用成型设备对材料进行逐层叠加制作而成。基本过程为：选择合理的坐标系，对模型投影进行微分，以尽量小的单位长度作为单元结构，扫描出这一高度上的平面轮廓。通过CAD图形与控制系统成型喷嘴动作的联系，根据不同的成型系统，选取适当的材料，一层层地做出无限多个片状结构，最后以积分形式叠加，得到与模型所对应的实体。简单来说，就是将微积分理论作用到成型技术当中，以最接近模拟曲线的若干段直线分层组成所需形状。在具体操作中可以选用树脂、工程塑料、粉末等不同的成型材料，根据其性能选择适当的制件办法，制作出与模型相符的实际样件。

　2 快速成型制造技术的应用状况

  　  经过十几年的发展，RPT技术已经具有相当广泛和稳定的应用范围，建立起十余种成熟的成型系统，其工艺都已趋于完善。在此基础上展望该技术的应用前景，应朝着实现各类成型件制造的高效率、低成本、高精度、直接成型等方向发展。

    　2.1 RPT技术的现有应用领域

    　根据材料与注模方式的不同，常用的成型系统包括SLA、SLS、FDM、PCM和DMLS等方法。SLA、SLS分别选用液体状的光敏树脂和工程塑料粉末作为成型材料，其主要用途都是为铸造工艺提供注样的蜡膜，或制作较高精度要求的塑料制品。FDM与SLS类似，只是选用的工程塑料原料为丝状而非粉末状。PDM方式较为特殊，它不需要铸造模具，而是通过对树脂类或其它形式的粘结剂来粘结材料粉末，形成铸造模具，使用这种办法制作的铸模一般用于金属铸造工艺。最后介绍的是DMLS直接金属成型技术，它是在SLS技术的基础上，将热塑料粘结剂改为金属粘结剂，大大降低了每一层构件的厚度，因此制作精度较高，基本可以直接作为铸模，铸造金属原型和小批量金属零件。而经过抛光处理后，其表面可以达到镜面质量，作为更高精度要求的模具应用。

 　   2.2 RPT技术的应用环节

  　  首先通过CAD软件或反求技术，获取零件的轮廓造型，形成三维模型的几何信息。将模型数据代入分层模式处理，得到每层图形分别对成型设备产生的控制信号。在成型过程中严格要把握材料、成型设备、联结工艺三个方面，得到模型的实体复制品。最后，根据成型件的应用要求，对其表面或内部进行处理，达到可以接受的质量和性能。

   　 2.3 RPT的应用前景

   　 快速成型制造技术进一步的研发重点可以包括：

   　 （1）结合更先进技术。快速成型现有技术的基本流程都是基于传统的模型分析技术，为了提高其科技含量，可以考虑结合更多建模技术，如借鉴生物医学领域的扫描成像仪器，如CT、B超等手段，使物件的逐层剖析获得更加优质的效果；结合3D数字化的反求技术，提高获取轮廓线的效率等。

   　 （2）拓宽应用领域。目前快速成型现有技术的应用领域主要在于新产品开发，起到缩短开发周期，尽快取得市场反馈的效果。而在其技术向更高精度与更优的材质性能方向取得进展后，可以考虑加入生物医学、考古、文物、艺术设计、建筑成型等多个领域的应用，形成高效率、高质量、高精度的复制工艺体系。

   　 （3）开发新的成型材料。成型材料是决定RPT发展的基本要素之一。加工对象和应用方向的侧重点不同，使用的材料不同。除了现有的工程塑料、金属、树脂等，应当积极开发新型材料为快速成型技术服务。目的是降低材料成本，提高成型件质量和性能。材料的改良除了降低这一技术的实现难度，还可改善行业结构，形成更先进的成型工艺，适应更多条件下的应用需求。

  　  （4）提高成型制造采用的能源性能。当前RPT所采用的能源有光能、热能、化学能、机械能。在能源密度、能源控制的精细性、成型加工质量等方面均需进一步提高。

  　  （5）研究新的成型制造方式。当前RPT的方式基本为按照成型的三维模型构造，逐层叠加材料制作出三维产品，另外一种更理想的成型制造方式为生物生长成型制造。

   　 （6）开发经济、高效的快速成型制造系统。经济性是RPT普及的关键，高效是RPT与传统模式相竞争的基础。在确保功能的前提下，通过材料、能源、运动机构、工艺的创新， 提高RP 设备的性能、提高加工效率和质量、增强制作大件的能力、提高成型的速度，加工精度和表面质量，推出经济实用的性价比较高的系统。

  　  （7）开展远程制造。随着网络技术的发展和普及，以及集成化的研究，设计和制造人员可以通过各种桌面系统直接控制制造过程，实现设计和制造过程统一协调和无人化，实现异地操作与数据交换。用户可以通过网络将产品的CAD数据传给制造商，制造商可以根据要求快速的为用户制造各种制品，从而利用实现远程制造。

   　 （8）优化产品信息的采集与处理。以现有三维CAD模型构造技术为基础，进一步与成型材料的成分、组织、性能分析相结合，形成成型的几何造型与物理性态的构建、分析为一体的CAD综合构造模块。

　3 快速成型制造技术在工业领域中的应用

  　  在产品的概念设计、功能测试等方面与工件设计、模具设计和制造等领域，RPT都可灵活的应用其中，同时也被广泛应用于航空航天、汽车、电子、家电、医疗、工艺品制作以及玩具等行业。

  　  3.1 RPT在工业中的应用现状

    　目前，从事快速成型设备、工艺和相关应用软件的研制开发工作成为越来越多机构的首选，更多的企业利用RPT直接为生产和新产品的开发服务。

    　RPT以一种技术途径走入并行工程和敏捷制造业中。在快速成型制造不断降低的系统成本与不断提升的制造成型性能形式下，必会形成微型制造中心格局，其以快速成型制造系统为核心的制造模式将会为制造型企业的构建形式、运作方式、管理模式带去巨大的变革。RPT的发展也将在为各相关学科的发展添加新的研究内容的同时，带动相关技术产业前进发展。

   　 3.2 RPT在工业中的应用

   　 RPT的应用领域几乎覆盖了广义的工业及制造领域的各个行业。同时也被广泛的应用在美学、人体工程、文物保护建筑业等这些随着新世纪崛起的新行业中。

  　  （1）产品设计验证与功能测试。对于产品设计的CAD模型到物理实物模型的转换，应用RPT可以帮助其快速的实现，不仅设计思想可以得到方便地验证也可对产品是否合理美观及其可装配性进行验证，能及时发现设计中的问题并进行完善与修改，这样不仅降低了生产成本与风险，而且大大缩短了生产制造周期。

    　（2）检验可制造性、可装配性。用RPT对复杂系统的可制造性与可装配性进行检验和设计，将会使设计制造的难度大大降低。针对很难确定的复杂零件，为了保证最佳工艺的生产，可运用RPT进行试生产。

  　  （3）单件、小批量和复杂零件的直接生产。为了满足高分子材料的零部件的使用要求，可采用高强度的工程塑料直接快速成型；对于复杂金属零件，可通过快速铸造的方式或者直接获取金属件。

   　 （4）快速模具制造和快速铸造。为了适应市场激烈的竞争环境，利用各种转换技术可以将RPT成型转换成各种快速模具，迎合产品多品种、小批量复杂零件生产的发展趋势，缩短生产制造周期，减少生产成本，降低风险。运用精铸、粉末烧结或电极研磨等技术结合以RPT生成的实体模型作为模芯或模套，能快速制造出产品所需要的功能模具，其制造周期一般只是传统的数控切削方法的1/5～1/10。这种效益是否显著是根据模具的几何复杂程度的高低来决定的。

   　 （5）医学上的仿生制造。RPT结合医学上的CT技术，可复制人体骨骼结构或器官形状，预演整容、重大手术方案，同时为假肢的设计和制造提供了很大帮助。

   　 （6）艺术品的制造。为艺术家创造了良好的设计环境，设计者根据灵感构思设计出来的艺术品和建筑装饰品并结合RPT，现作品的创作、制造一体化。

   　 3.3 RPT在工业中应用的意义

   　 RPT使制造复杂零件的能力得到提升，使复杂模型的直接制造成为可能，使模型或模具的制造时间缩短数倍甚至数十倍，新产品研制周期得到大大缩短，新产品上市时间得以确保；新产品投产的一次成功率得到显著的提高，及时发现并修改产品设计的错误，从而避免了更改后续工序所造成的大量损失；实现新产品的设计、样品制造、市场定货、生产准备等工作的并行进行，使设计、交流和评估更加形象化，并行工程的实施得到支持；在工业外观设计和样机制作工作中，最为重要的便是技术的创新与产品外观设计的改进，RPT则有利于优化产品设计；新产品研发成本的成倍降低，大量节省了开模费用，可迅速实现快速模具制造的单件及小批量生产，大大提前了新产品的上市时间，使其迅速占领市场。

　4 贵州省制造业快速成型技术应用情况

  　  2004～2005年，通过国家科技部攻关计划课题——快速原型制造与行业数据资源建设课题的实施，贵阳生产力促进中心在快速原型制造方面,建立了具有高端CAD工作站、快速成型机、三维激光扫描测量机、真空浇注机等软硬件条件的RE/CAD/RP/RT技术集成快速制造系统，形成一个利用RE/CAD/RP/RT技术开发新产品的快速制造开发平台。针对贵州制造业发展过程中存在的工业设计投入不足、设计人才匮乏和创新能力不强等问题，以贵州省的航空、航天、汽车及零部件、电子电器等优势和特色产业领域为重点服务对象，提供基于快速成型制造技术的新产品快速开发模式。

   　 从2005年初到2009年底，共提供快速成型、逆向反求等800余项技术服务给省内外企业，开发200余项新产品来协助企业。为企业节约300万元开发成本，使企业产品综合开发达到2000万元以上经济效益。服务企业累计达到42家，其中有28家经常服务的企业。

 　   快速成型制造开发平台的建成与服务提升了省内科研院校、制造业企业对快速成型制造技术的认识、认知，为采用先进制造技术应用于产品开发过程中树立了积极的观念，快速成型制造技术需求也表现出明显上升的趋势，对促进贵州先进制造技术服务体系建设起着很大的作用。

    　贵阳生产力促进中心通过几年的实践和努力，在2009年成为工业设计联盟的秘书单位并被列入科技部首批22家生产力促进中心工业设计服务试点单位之一，这对社会资源的整合，地方工业设计的发挥及快速成型技术的区域优势有着重大的现实意义。

　5 总结

　    快速成型制造开创了一个崭新的设计、制造概念。它以相对低的成本，可修改性强的特点，独到的工艺过程，为提高产品的设计质量，降低成本，缩短设计、制造周期，为产品尽快地推向市场提供了方法，对于复杂形状的零件则更为有利。快速成型制造技术作为一种先进制造技术将在21世纪的制造业中占据重要的地位。

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