快速成型技术的应用

快速成型技术的应用

【摘要】本文主要简述了快速成型技术的概念、工作过程以及其应用和发展趋势。快速成型技术与数控加工、铸造、金属冷喷涂、模具制造等手段相结合，已成为产品快速制造的强有力手段，在轻工产品、航空航天、汽车、摩托车、家电、生物等领域得到了广泛应用【关键词】快速成型；过程；应用

快速成型（Rapid Prototyping，简称RP）又称快速原型，原型是被仿制或研制的第一个模型或最原始的模型。要求原型尽可能与样品相像，能精确的再现样品的形状。快速成型技术就是，可以快速自动地将设计思想物化为具有结构和功能的原型或直接制造零部件，从而可以对设计的产品进行快速评价、修改，大大缩短新产品开发周期降低开发成本，避免产品研发失败的风险，提高企业竞争力。

1 快速成型过程

RP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，是计算机技术、数控技术、材料科学、激光技术、机械工程技术的集成，是先进制造技术的重要组成部分。与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD 几何模型出发，通过分层离散软件和数控成型系统，用特殊的工艺方法（熔融、烧结、粘结等）将材料堆积而形成实体零件，故也成为增材制造（MIM）或分层制造技（LMT）。由于快速成型技术把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在没有模具和工具的条件下生成任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。快速成型的过程包括：产品CAD实体模型的构建→三维模型的分层处理→层层制造、堆积成型→后处理，四个主要步骤。

2 快速成型技术的应用

RP技术完成从产品的概念设计（或改型设计）———造型设计———结构设计———基本功能评估———模拟样件试制这段开发过程。但实际上，其应用领域几乎包括了制造的所有行业，以及医疗、人体工程、文物保护等领域。

2．1 快速成型在新产品研发中的应用

在现代产品设计中，设计手段日趋先进，计算机辅助设计使得产品设计更加快捷、直观，但由于软件和硬件的局限，设计人员在新产品的研发阶段仍无法直观地评价所设计产品的效果、结构的合理性以及生产工艺的可行性。每一个设计环节都可能存在着一些人为的设计缺陷，如果不及早发现就会影响后续工作。RP 技术将CAD 数字模型实体化，可以对其进行设计评价、干涉检验，甚至进行某些功能测试，将设计缺陷消灭在初步设计阶段，减少损失。2．2 快速成型在模具制造中的应用

传统模具制造的方法很多，如数控铣削加工、成形磨削、电火花加工、线切割加工、铸造模具、电解加工、电铸加工、压力加工和照相腐蚀等。由于这些工艺复杂、加工周期长、费用高而影响了新产品对于市场的响应速度。而传统的快速模具其工艺粗糙、精度低、寿命短，很难完全满足用户的要求。

快速模具制造（RT）技术是用快速成型技术及相应的后续加工来快速制作模具的技术。应用快速模具制造技术，在最终生产模具开模之前进行新产品试制与小批量生产，可以大大提高产品开发的一次成功率，制造周期仅为原来的1/3~1/5，这些优点是RT 技术具有很好的发展条件。快速模具制造技术在快速成型技术领域中，发展最迅速，产值增长最明显。

RP+RT 技术提供了一种从模具的CAD 模型直接制造模具的新概念和新方法，他将模具的概念设计和加工工艺集成在一个CAD/CAM系统内，为并行工程的应用创造了良好的条件。RT 技术采用RP 早期、多回路、快速信息反馈的设计与制造方法，结合各种计算机模拟与分

析手段，形成了一整套全新的磨具设计与制造系统。RT 根据CAD模型无需数控切削加工直接将复杂的型腔曲面制造出来，使模具制造在提高质量、缩短研制周期、提高制造柔性等方面取得了明显的效果。

2．3 快速成型在快速铸造中的应用

铸造是制造业中常用的方法。在铸造生产中，模板、芯盒、蜡模压型等一般都是机加工和手工完成的，不仅生产周期长、生产成本高，而且制件不能重复使用，难以实现高效规模生产，造型材料消耗大、粉尘严重。因此铸造一直被认为工艺原始、生产效率低下、污染严重的行业。

RP技术为实现铸造的短周期、多品种、低费用、高精度提供了一条捷径。由于快速成型过程无需开模具，因而大大节省了制造周期和费用，可铸造出结构形状复杂、难于用其他方法加工的精度较高的铸件。RP 技术也需要与传统铸造技术相结合，才能充分发挥各自的特点，实现真正快速生产，这就是快速铸造技术。快速铸造技术的基本原理就是利用快速成型技术直接或间接制造铸造用的蜡膜、消失模、模样、模板、型心或型壳等，然后结合传统铸造工艺，快速地制造精密铸件。

2．4 快速成型在艺术领域的应用

工艺品的制造和古文物的仿制是研究、继承和发扬我国文化遗产的重要手段。快速成型制造技术为艺术家以三维形式更细腻、形象、准确、生动、迅速地表达自己的思想情感提供了一种新的手段，也为珍稀艺术品的复制、艺术品形式的多样化提供了有力的工具。

2．5 快速成型在医学领域的运用

运用CT 或MRI 数据，采用RP技术快速制作物理模型，加工出内外部三维结构完全仿真的生物模型，可为想不通过开刀就可观察病人骨结构的研究人员、种植设计师和外科医生等提供非常有益的帮助。这些技术运用于颅外科、神经科、口腔外科、整形外科、口腔外科、整形外科和头颅外科等方面，可帮助外科医生进行诊断，确定手术及治疗计划，有效提高了诊断和手术水平。

3快速成型特点

RP技术将一个实体的复杂的三维加工离散成一系列层片的加工，大大降低了加工难度，具有如下特点：

⑴成型全过程的快速性，适合现代激烈的产品市场；

⑵可以制造任意复杂形状的三维实体；

⑶用CAD模型直接驱动，实现设计与制造高度一体化，其直观性和易改性为产品的完美设计提供了优良的设计环境；

⑷成型过程无需专用夹具、模具、刀具，既节省了费用，又缩短了制作周期。

⑸技术的高度集成性，既是现代科学技术发展的必然产物，也是对它们的综合应用，带有鲜明的高新技术特征。

以上特点决定了RP技术主要适合于新产品开发，快速单件及小批量零件制造，复杂形状零件的制造，模具与模型设计与制造，也适合于难加工材料的制造，外形设计检查，装配检验和快速反求工程等。

4快速成型技术特点

4.1 制造快速

RP技术是并行工程中进行复杂原型或者零件制造的有效手段，能使产品设计和模具生产同步进行，从而提高企业研发效率，缩短产品设计周期，极大的降低了新品开发的成本及风险，对于外形尺寸较小，异形的产品尤其适用。

4.2 CAD/CAM技术的集成

设计制造一体化一直来说是一个难点，计算机辅助工艺（CAPP）在现阶段由于还无法

与CAD、CAM完全的无缝对接，这也是制约制造业信息化一直以来的难点之一，而快速成型技术集成CAD、CAM、激光技术、数控技术、化工、材料工程等多项技术，使得设计制造一体化的概念完美实现。

4.3 完全再现三维数据

经过快速成型制造完成的零部件，完全真实的再现三维造型，无论外表面的异形曲面还是内腔的异形孔，都可以真实准确的完成造型，基本上不再需要再借助外部设备进行修复。

4.4 成型材料种类繁多

各类RP设备上所使用的材料种类有很多，树脂、尼龙、塑料、石蜡、纸以及金属或陶瓷的粉末，基本上满足了绝大多数产品对材料的机械性能需求。

4.5 创造显著的经济效益

与传统机械加工方式比较，开发成本上节约10倍以上，同样，快速成型技术缩短了企业的产品开发周期，使的在新品开发过程中出现反复修改设计方案的问题大大减少，也基本上消除了修改模具的问题，创造的经济效益是显而易见的。

4.6 应用行业领域广

RP技术经过这些年的发展，技术上已基本上形成了一套体系，同样，可应用的行业也逐渐扩大，从产品设计到模具设计与制造，材料工程、医学研究、文化艺术、建筑工程等等都逐渐的使用RP技术，使得RP技术有着广阔的前景。

4.7快速成型技术的发展方向

RP技术虽然有其巨大的优越性，但是也有它的局限性，由于可成型材料有限零件精度低，表面粗糙度高，原型零件的物理性能较差，成型机的价格较高，运行制作的成本高等，所以在一定程度上成为该技术的推广普及的瓶颈。从目前国内

外RP 技术的研究和应用状况来看，快速成型技术的进一步研究和开发的方向主要表现在以下几个方面：

（1）大力改善现行快速成型制作机的制作精度、可靠性和制作能力，提高生产效率，缩短制作周期。尤其是提高成型件的表面质量、力学和物理性能，为进一步进行模具加工和功能试验提供平台。

（2）随着成型工艺的进步和应用的扩展，其概念逐渐从快速成型向快速制造转变，从概念模型向批量定制转变，成型设备也向概念型、生产型和专用型三个方向分化。

（3）开发性能更好的快速成型材料。材料的性能既要利于原型加工，又要具有较好的后续加工性能，还要满足对强度和刚度等不同的要求。

（4）提高RP 系统的加工速度和开拓并行制造的工艺方法。目前即使是最快的快速成型机也难以完成象注塑和压铸成

型的快速大批量生产。将来的快速成型机需要向快速和多材料的制造系统发展，以便可以直接面向产品制造。

（5）开发直写技术。直写技术对于材料单元有着精确的控制能力，开发直写技术，是快速RP技术的材料范围扩大到细胞等活性材料领域，

（6）开发用于快速成型的RPM 软件。这些软件有快速高精度直接切片软件，快速造型制造和后续应用过程中的精度补偿软件，考虑快速成型原型制造和后续应用的CAD等。

（7）开发新的成型能源。目前大多数成型机都是以激光作为能源，而激光系统的价格和维修费用昂贵，并且传输效率较低。这方面也需要得到改善和发展。

（8）RPM 与CAD、CAM、CAPP、CAE 以及高精度自动测量、逆向工程的集成一体化。该项技术可以大大提高新产品的第一次投入市场就十分成功的可能性，也可以快速实现反求工程。

（9）研制新的快速成型方法和工艺。除了目前SLA、LOM、SLS、FDM 外，直接金属成

型工艺将是以后的发展焦点。

（10）提高网络化服务，进行远程控制，实现全球化异地协同合作。

总结

快速成型技术是一种正在不断完善的先进制造技术，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，正在不断的完善，具有广泛的应用前景。目前RP技术在欧美、日本等发达国家应用较为广泛，我国仅仅一些高等院校及有关厂家在吸收消化国外技术的基础上开发出了快速成型机,但是在质量和数量以及应用领域方面，都比不上国外。21世纪将是以知识经济和信息社会为特征的时代,制造业面临信息社会中瞬息万变的市场对小批量多品种产品要求的严峻挑战。作为当今制造行业中急剧潜力的工艺技术,快速成型技术（RP）是当今制造业赢得市场的法宝，在未来的几年内将会有更大的发展,尤其是在RP系统的制作精度、可靠性以及RP材料、RP软件等方面的改进和创新将会更快。快速成型技术以其独特的优势和魅力，在制造业领域起到越来越重要的作用，并将给制造业带来深远的影响。

参考文献

[1]刘伟军.快速成型技术与应用[M].北京:北京机械工业出版社,2005.

[2]王光春,赵国群.快速成型与快速模具制造技术及其应用[M].北京:机械工业出版

社,2003.

[3][美]Paul Kenneth Wright .冯常学,钟骏杰,范世东,等译. 21世纪制造[M].北京:

清华大学出版社,2004.

[4]潘东杰.快速成形先进的现代制造技术[J].铸造技术,1999,(4): 37-39.

[5]刘伟军.快速成型技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2005.

[6]郑启光.激光先进制造技术[M].武汉:华中科技大学出版社,2002.

[7] 王运赣．快速成形技术[M]．武汉：华中理工大学出版社，1999．

[8] 朱磊，孙进，乔黎，等. 快速成形技术及其在产品开发中的应用［J］. 电子机械工程，20004）：53 - 55.

[8] 安德烈亚斯,格布哈特快速原型技术[M]. 北京: 化学工业出版社,2005.

[9] 盛晓敏，邓朝晖．先进制造技术[M]．北京：机械工业出版社，2000．

[10] 王葵，谭威．快速成型技术及发展[J]．科技创新导报，2008(9)：39．

[11]周振堂，马廉洁．零件制造的快速成型技术及其应用[J].铸造工艺，2008(5).12-14．

[12] 李彦生，李涤尘，卢秉恒．光固化快速成型技术及其应用．机电一体化，1999,3: 10-11.

[13] 张国平．快速成形技术原理及应用实例．湖南工业职业技术学院学报，2009,9(3):1-3.

[14] 许勤，张坚．激光快速成型技术研究现状与发展．九江学院学报，2005,1:8-10.

[15]徐江华,张敏.快速成型技术在工业设计中的应用[J].包装工程,2004.

[16] 朱林泉, 白培康, 朱江淼. 快速成型与快速制造技术[J]. 北京: 国防工业出版社, 2003.

[17] 荣烈润. 制造技术的新突破- 快速成型技术[J]. 机电一体化,2004( 3) : 6-10.

[18] 马黎，肖跃加，王从军，等. 快速成型技术在新产品开发中的应用［J］. 锻压机械，1998（5）：6 - 8.

[19]卢秉恒，唐平，李涤尘，等. 激光快速成型制造技术的发展与应用［J］. 航空制造工程，1997（7）：15 - 17.

[20] 宋天虎. 我国快速成形制造技术的发展与展望［J］. 中国机械工程，2000，11（10）1081 - 83.