快速原型制造技术的发展与应用

快速原型制造技术的发展与应用

100211305 何洋洋

摘要：介绍了快速原型制造技术的基本原理，步骤和主要的几种方法，以及它的优势和在生活中的应用，并对快速原型制造技术的发展历程及今后的发展趋势进行了详细的阐述和设想

关键词:快速原型制造技术应用发展

引言：快速原型制造技术(Rapid Prototyping Manufacturing Technology)简称“RPM”是80年代中期发展起来的、观念全新的先进制造技术。随着商业社会经济竞争不断加剧，产品更新换代的速度也越来越快，从而导致新产品开发周期的缩短，直接限制了样件的制作时间，因此快速原型制造技术应运而生。自20世纪80年代起，成为制造业研究的重点。快速原型技术是一项集成了机械、计算机、CAD、数控、检测、激光及材料等学科的前沿技术，十几年来，在国内外得到了迅速的发展

一快速原型制造技术的基本原理

传统的制造技术是从毛坯上去掉多余的材料，留下来的即为零件，故也叫“去除”加工法。而RPM的加工思想方法则完全不同，它是用材料逐层或逐点堆积出零件的形状，所以也称作“增加”加工法。

任何一个零件可视为一个空间实体，它是由若干非几何意义的点或面迭加而成，用三维C A D 软件可设计出该零件的三维C A D 电子模型，然后根据具体工艺要求，按照一定的规则，象积分划分微元一样，将该模型离散为一系列有序的几何单元。一般是沿高度(即Z 方向) 离散为一系列的二维层面(称为分层或切片)，得到一系列的二维几何信息，将这些信息与数控(N C ) 成型技术相结合，生成CN C 代码。成型机则在C N C代码的控制下控制材料微量地、有规律地、精确地迭加起来(堆积)，从而构成一个与电子模型对应的三维实体模型。通过离散才能获得堆积的顺序、路径、限制和方式；通过堆积才能将材料构成一个三维实体圈。R PM 以全新的离散/ 堆积概念进行加工，在具体的实现上是最新的计算机科学、数控技术、精密机械、激光技术与材料科学等高科技技术的集成。下面介绍实现R PM 技术基础:

1 信息技术:计算机软、硬件完成CAD模型的三维造型、三维图形的精确离散和整体、繁杂的代码转换；

2 精确运动轨迹: 高精度的微机数控系统和精密机械系统提供了实现高速、精确的二维扫描堆积手段；

3 能源技术:先进的激光器和它的功率控制器，使采用激光这一能源来固化、烧结、切割材料成为可能；

4 新材料:光敏树脂、覆胶纸和新型的金属和非金属粉末材料等新材料决定了堆积的可实现性。

二快速原型制造技术的一般步骤

1 建立三维数据模型

将现实物体的各种信息用一定的数据方式在计算机中表示出来的过程称为建模，即进行计算机辅助设计( CAD )。三维建模过程是: 现实物体→抽象化→想象模型→格式化→描绘→信息模型→计算机内部模型。

2 寻找可加工应用的材料

不同的快速原型制造工艺通常采用不同的材料。对各种快速原型制造工艺材料性能的一般要求是: 能够快速、精确的加工成型；成型后具有一定的强度、硬度等性能；利于快速成型后续处理；对于直接制造功能零部件的材料要具有相应的使

用性能

3 使用不同物理原理的高度集成化设备

发挥快速原型制造技术潜力的一个重要方面是研制使用工作精度高、可靠性好、效率高而且价廉的制造设备。快速原型制造的集成系统一般由四个子系统组成: 三维CAD、建模系统、数据反求系统、快速成型与制造系统和数控加工系统。国外的来图加工中心一般都由这四个子系统设备组成集成快速制造系统。

4 原型或零件的堆砌制造

生成STL 文件之后，就可以将模型文件输入成型系统进行制作。成型件的制作根据成型系统控制软件的不同而不同，用户应根据自己所使用的控制系统操作规范来进行制作。在制作之前要根据工件的形状考虑如何充分利用材料。总之，成型件的制作需要用户在生产中不断地摸索经验，加以完善。

5 原型或零件的后处理

纸基件的后期处理是根据工件的大小和复杂性，决定是先取外围废料还是先取内腔废料，对于小工件一般先取内腔废料较好。在处理的过程中一般遵循打磨→涂料→再打磨→再涂料不断重复直至表面粗糙度和尺寸精度符合设计要求的原则。

三几种主要的快速原型制造技术

l 立体光造型SLA (Stereolithography Apparatus )

SLA 是各种RPM工艺出现最早、最成熟的成型方法，成型精度也最高，一般为士0.lm m ，最高可达0.08 m m 左右。世界上现有的各类RPM系统中，SLA 设备约占80 %左右。SLA 的缺点是设备和所使用的光固化树脂材料价格昂贵，并且

由于从液相中固化成型，需要专门的支撑结构。

2 选择性激光烧结SLS (Seleeted Laser Sintering)

SLS 的最大特点是可以使用粉末材料烧结成型，如蜡、尼龙、聚碳酸脂、陶瓷和各种金属粉末，目前对SLS工艺的研究主要集中在金属材料直接成型的方法上。SLS 工艺的成型精度在0.15 m m左右。当成型材料是金属(或陶瓷)时，需先制成外裹粘结剂的包衣粉末，在RPM系统上，激光将粘结剂熔化连接粉末成型，得到零件的半成品，此半成品需进行专门的后处理，以去除粘结剂并提高成型件的强度，金属件需渗入低熔点金属(如铁渗铜)。

3 盛层制造LOM (Laminated Object Manufaeturing )

LOM 技术目前使用的材料是涂覆纸，切割用激光或刀具进行，激光的切割精度为0.lmm。LOM 工艺只需切割层面的轮廓线，不作层面的填充扫描，故成型速度较快，尤其适合于大型块状体原型的制作，如汽车覆盖件模具所需的原型建造。LOM 工艺简单，材料价格便宜，不需附加支撑，成型后的原型没有变形和内应力，成型精度较高，但材料利用率低。

4 熔融沉积造型FDM (Fused Deposition Modeling )

FDM工艺将丝状热熔材料(ABS、尼龙或蜡)加热至热熔状态，由喷嘴挤出极细的熔丝堆出层面形状，并经逐层堆积建造三维实体。FDM 法不用激光系统，设备价格较低；材料适用范围广(多数热塑性材料都能使用)，利用率高，成型速度快，因而运行费用也较低。FDM 特别适合薄壁零件的制造，所制作塑料件原型的强度约为注塑件强度的80%，可直接作为新产品试制时的零件使用，节省了新品开发的时间和费用。

四快速原型制造技术的发展历程

1 国际RPM 技术的发展:

70年代末，80年代初，美国3M公司，日本的名古屋工业研究所和美国的U V P 公司分别提出了RPM 技术的概念，即有选择地逐层固化光敏聚合物来制造三维物体，UVP公司抢先开发出了立体光照印刷造型系统(SLA)，并于1986年申请了专利，随后，组建3DSystem 公司，很快就开发出了基于SIA 的商用机该机一投人市场，立即引起了世界范围的研究热潮。

美国一马当先，在欧洲，有英国、德国，在亚洲，有日本、以色列、新加坡等国的研究机构在政府的大力支持下，在企业的积极参与下，都开发出了商业化的RPM设备，并利用这些RPM设备生产出了许多各种各样的产品；各种各样的学术会议也在世界范围内频繁召开最近考察指出，香港和英国的大部分大学都有了RPM设备，都在进行相关的研究，英国大学的先进制造技术试验室中，RPM设备和研究占大部分，有些大学的RPM中心直接为企业提供产品。

第一台商品化的RPM 设备1988年6月才问世，但到1994年，全球已销售了891

台RPM设备，而1995年一年就销售了521台，比上一年上升了60 %。

2 国内RPM 技术的发展:

我国在RPM 技术的研究与应用方面起步较晚，目前与国外尚有不小的差距。1992 年，清华大学邀请美国Drexel 大学材料工程系的J.Keverian 教授到中国进行RPM 技术的学术报告，介绍了RPM 的概念、原理和主要工艺。国内正式开始了RPM 技术的研究，1993 年清华大学成立了RPM 中心，华中理工大学的黄树槐教授也成立了RPM 技术研究室，最近成立了RPM 技术生产力促进中心。西安交通大学、浙江大学和上海交通大学大学都对RPM进行了研究，北京隆源公司等数家公司开办了RPM技术服务中心和开发出了RPM设备，从1994年起，我国也陆续开发出了商业用RPM设备，目前已出售了十几台。

五快速原型制造技术的优势

1 制造迅速

传统加工方法的工艺流程是: 产品设计→开模→做零件→装配→发现问题→修模或重新设计等，这样至少需3个月的周期，且存在设计误差和滞销的风险。采用快速原型制造技术，从产品CAD 或从实体反求获得数据到原型制造，一般只需几小时到几十小时，可大大缩短开发周期。

2 技术高度集成

快速原型制造RPM 技术是计算机技术、数据采集与处理技术、材料工程和机电加工、控制技术的综合体现。为使RPM 技术得到更有效的应用，发挥传统加工技术无法比拟的长处，目前已提出一种基于快速成型技术的集成制造系统结构。

3 自由成型制造

自由成型制造FFF( Free Form Fabrication)的两个含义: 一是不受工具限制，二是不受零件复杂程度限制。大部分传统的机械零件结构工艺性问题将不复存在。同时，利用网络传输还可以实现远程异地制造。

4 制造过程高柔度性

共同的制造原理使快速原型制造系统在软件和硬件的实现上70%--80% 是相同的，也就是在一个现有的系统上仅增加20%--30% 的元器件和软件功能就可以进行另一种制造工艺。不同工艺原理的设备容易实现模块化，可相互切换。

六快速原型制造技术的应用

快速原型制造技术随着应用水平的提高而不断发展。目前，快速原型制造技术已经在许多领域里得到了应用。

1 在快速制模领域的应用

快速原型制造技术在模具制造中的应用大大促进了产品设计现代化的进程，极大地缩短了新产品投放市场的周期，基于快速原型技术的快速模具制造新技术

是快速制造的重要发展方向，具有广阔的前景，从工艺转化上可以将快速制造工艺分为直接制模和间接制模。

金属模具的直接快速制造是指快速成形系统根据零件的三维造型直接分层堆积形成所需要的金属零件或模具，不需另外的工序转换。金属模具的间接快速制造是指先用快速成形技术制造出具有模具实际形状的快速原型，然后采用其他工艺在快速原型的基础上复制出所要求的模具。与快速成形技术结合进行金属模具制造的工艺有铸造、粉末成形、电加工、粉末喷射等。

2 在产品创新领域的应用

新产品设计和开发是一个不断验证、修改、重复的过程。应用快速原型技术能在产品开发初期就得到产品原型，因此能对产品进行装配性验证，在加工之前将一切可能出现的错误排除掉，这不仅降低了制造成本，还可以提高产品合格率。另一方面，快速原型技术制作模型的速度较传统方法有很大提高，尤其是对形状复杂的原型缩短时间和降低成本的潜力更大。

3 在医疗卫生领域的应用

快速原型技术与C T 扫描等临床诊断技术相结合，制作人体局部或内脏器官的模型，能显示该部位病变情况的实体结构，用于辅助临床诊断如外科手术的安排等。

此外，快速原型制造技术还可用于快速反求、制作工艺品的设计原型和建筑实物模型等。

七快速原型制造技术的发展趋势

1) 提高制造速度，随着快速计算机、更先进的控制系统和高性能材料的应用，RPM技术必将大大提高制造速度

2) 提高制品精度和表面质量，由于激光光学技术的发展和控制系统的改进，目前RP 系统的制造精度在X-Y平面上已小于0.08mm。

3) 新材料的研究与应用，除了聚酯材料外，金属、陶瓷、复合材料的应用更代表了RPM技术新的研究进展，因为这些材料更适于制造各种功能零件。

4) 增加制造能力，近几年，RPM技术的制品性能不断提高，制品尺寸不断增大。

5) 发展桌面系统，实现远程制造，随着RPM技术集成化的研究，设计和制造人员可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八结束语

快速原形制造技术是一种具有广泛应用前景和不断完善的高新技术，是制造技术的一项革命，它是伴随激光技术、计算机技术、新材料技术及其它先进技术的发展而发展和进步的，十几年来得到了飞速发展。例如在美国，MIT、斯福大学、伯克利加州大学、密西根大学等众多高等学府和研究机构均从事这方面的研究和开发工作。制品的材料由塑料、聚酯材料发展到陶瓷和合金钢、不锈钢等各

种金属材料。制品的用途由原型、模型发展到直接制造模具和成品零件。在机械制造、艺术品加工、汽车、飞机制造、航空航天和军事工业中都得到了较广泛地应用

目前我国有多家大专院校和科研机构从事RPM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，经过我国科技人员的不懈努力，我国在RPM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。

参考文献

[1] 快速原型制造技术的发展历程陈森昌，陈学彬(华中理工大学材料学院)

[2] 快速原型制造技术及其应用罗新华，花国然(南通工学院机械工程系，南通26007)

[3] 快速原型制造技术研究与进展李永堂，巨丽，杜诗文( 太原重型机械学院，太原030024)

[4] 快速原型制造技术的应用及发展前景熊小青，冯晓宁，李嘉，陈晨(嘉兴学院工程训练中心，浙江嘉兴314001)

[5] 先进的快速原型制造技术缪朝东，鲁小芳(江苏电大宜兴学院，江苏214206)

[6] 快速原型制造技术及其应用陈森昌（湖北汽车工业学院）