快速成型技术的多领域应用与发展
摘要：简要介绍了快速成型技术的基本原理、工艺方法和技术特点。阐述了快速成型技术在工业造型、制造、模具、医学、航天等多领域的应用，探讨了快速成型技术今后的发展趋势。关键词：快速成型技术 原型 快速制模 应用 快速成型技术RP(Rapid Protot-yping RP)是20世纪80年代末开始发展起来的一种基于逐层累加成型的新兴制作工艺,它是集多种先进科技于一体的能够迅速将设计思想转化为产品的现代先进制造技术。它为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。快速成型工艺是一个涉及CAD/CAM、逆向工程技术、分层制造技术、数据编程、材料编制、材料制备、工艺参数设置及后处理等环节的集成制造过程。通俗地说，快速成型技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。近十几年来，随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈。尤其是计算机技术的迅速普遍和CAD/CAM技术的广泛应用，使得RP技术得到了异乎寻常的高速发展，表现出很强的生命力和广阔的应用前景。快速成型制造工艺 PR技术是将传统的“去除”加工方法(由毛坯切去多余材料形成产品)改变为“增加”加工方法(将材料逐层累积形成产品)，采用离散分层/堆积的原理，由CAD模型直接驱动，快速制作原型或三维实体零件的一种全新的制造技术。快速成型技术发展至今，以其技术的高集成性、高柔性、高速性而得到了迅速发展，目前，快速成型的工艺方法已有几十种之多，其中主要工艺有四种基本类型: 光固化成型法(Stereo lithography Apparatus, SLA)、叠层实体制造法(Laminated Object Manufacturing, LOM)、选择性激光烧结法(Selective Laser Sintering, SLS) 和熔融沉积制造法(Fused Deposition Manufacturing, FDM)。 1、SLA工艺 SLA工艺也称光造型或立体光刻，其工艺过程是以液态光敏树脂或丙稀酸树脂为材料充满液槽，由计算机控制激光束跟踪层状截面轨迹并照射到液槽中的液体树脂上而固化一层树脂，之后升降台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮平器将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行新一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。该工艺的特点是精度高，生产零件强度和硬度好，可制出形状特别复杂的空心零件，生产的模型柔性化好，可随意拆装，是间接制模的理想方法，缺点是清洗和养护等后处理工序较费时。 2、LOM工艺 LOM工艺称叠层实体制造或分层实体制造，其工艺过程是由加热辊筒将薄形材料(如纸片，塑料薄膜，复合材料或金属等)加热联结，待加热辊筒自动离开后，再由激光将薄形材料截切成层面要求形状(二维切片)，如此重复一层层叠加生成任意复杂形状的实体。该工艺的特点是工作可靠，模型支撑性好，有类似木质外观，可制作一些SLA法难以制作的大型零件及厚壁零件，且成本低，效率高。缺点是前后处理费时费力且不能制造中空结构件。 3、SLS工艺 SLS工艺称为选择性激光烧结，其工艺过程是以金属、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作为成型材料，利用滚筒层层铺粉，激光器发出的光束在计算机控制下，对每层材料粉末进行扫描，使之熔化烧结成型，当一层粉末烧结完成后，滚筒上升一层，在烧结层上洒上新的一层粉末，供下一次烧结，直至完成零件的成型。该工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、金属、蜡等材料的零件。造型精度高，原型强度高，所以可用样件进行功能试验或装配模拟。 4、FDM工艺 FDM工艺称为熔融沉积制造，其工艺过程是以热塑性成型材料丝为材料，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1/10s内迅速凝固，形成一层材料。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。该工艺的特点是使用、维护简单，成本较低，速度快，一般复杂程度原型仅需几个小时即可成型，且无污染。除了上述四种最为成熟的技术外，还有许多技术已经实用化，如三维喷涂粘结（Three Dimensional Printing and Gluing, 3DPG）、焊接成型（Welding Forming, WF）、光屏蔽工艺（Photo—masking, SGC）、直接壳法（Direct Shell Production Casting, DSPC）、直接烧结技术、数码累积成型、热致聚合、全息干涉制造、模型熔、弹道微粒制造光束干涉固化等。快速成型技术的特点快速成型技术自问世以来，在短短的十几年时间里发展迅猛，表现出极强的生命力，与传统加工方法相比具有诸多的优势，其特点主要表现为： 1、快速性从CAD设计到完成原型制作通常只需数小时至几十个小时，与传统加工方法相比，加工周期节约70%以上，对复杂零件尤其如此。 2、低成本成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低50%，特别适合于新产品的开发和单件小批量零件的生产。 3、材料的广泛性快速成型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用，可以制造树脂类、塑料类、纸类、石蜡类、复合材料以及金属材料和陶瓷材料的原型。 4、适应性强适应于加工各种形状的零件，制造工艺与零件的复杂程度无关，不受工具的限制，可实现自由制造（Free Form Fabrication），原型的复制性、互换性高；尤其在加工复杂曲面时，更能体现出它的优越性，这是传统法无法比拟的。 5、高柔性采用非接触加工的方式，无需任何工夹具，即可快速成型出具有一定精度和强度、满足一定功能的原型和零件。若要修改零件，只需修改CAD模型即可，特别适合于单件小批量生产。 6、高集成化 RP技术是集计算机、CAD/CAM、数控、激光、材料和机械等于一体的先进制造技术，整个生产过程实现自动化、数字化，与CAD模型具有直接的关联，所见即所得，零件可随时修改，随时制造，实现设计制造一体化。快速成型技术的应用不断提高RP技术的应用水平是推动RP技术发展的重要方面。目前，快速成型技术已在工业造型、机械制造（汽车、摩托车）、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到了广泛应用。并且随着这一技术本身的发展,其应用将不断拓展。RP技术的实际应用主要集中在以下几个方面： 1、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。运用RP技术能够快速、直接、精确地将设计思想模型转化为具有一定功能的实物模型（样件），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。在新产品设计制造过程中，可用RP技术快速制出产品样品的实物模型，供设计者进行性能测试、直观评估和验证分析。在进行新产品市场调研时，用快速成型技术制造出样品的替代品，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，从而快速经济地验证设计人员的设计思想、产品结构的合理性、可制造性，找出设计缺陷，并进行反复修改、制造，完善产品设计。以依托于西安交通大学的西北RPM应用服务中心为例，他们运用RPM技术为TCL公司设计了多款新型手机样品。从工业造型设计到样品全过程仅用了七天的时间，如用传统设计制造技术是无法实现的。 2、在机械制造领域的应用由于RP技术自身的特点，使得其在机械制造领域内，多用于制造单件、小批量金属零件。有些特殊复杂制件只需单件或少于50件的小批量，这样的产品通过制模再生产，成本高，周期长。一般可用RP技术直接进行成型，成本低，周期短。如某单位需试制发动机涡轮二个，采用传统工艺方法，制模具再生产需4个月。北京隆源自动成型系统有限公司采用快速成型、失蜡铸造方法仅用了两天时间就完成了用于失蜡铸造的蜡型。 3、快速模具制造传统的模具生产时间长，成本高。将快速成型技术与传统的模具制造技术相结合，可以大大缩短模具制造的开发周期，提高生产率，是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径。快速模具制造是RP技术最具潜力的应用领域，其产业化规模和经济效益是不可估量的。快速成型技术在模具制造方面的应用可分为直接制模和间接制模两种，直接制模是指采用RP技术直接堆积制造出模具，在RP技术诸方法中能够直接制作金属模具的是选择性激光烧结法(SLS法)，用这种方法制造的钢铜合金注射模，寿命可达5万件以上，但此法在烧结过程中材料发生较大收缩且不易控制，故难以快速得到高精度的模具。此外，用LOM法也可用于直接制造模具（如纸质成型模具、压铸模具、低熔点合金模具等）；但用此法生产的模具寿命短，只适用于单间小批生产。目前，基于RP技术快速制造模具的方法多为间接制模。间接制模是先制出快速成型零件，再由零件复制得到所需要的模具。依据材质不同，间接制模法生产出来的模具一般分为软质模具(Soft Tooling)和硬质模具(Hard Tooling)两大类。软质模具是用硅橡胶、环氧树脂、低熔点合金、锌合金、铝等软质材料制作的模具。由于其制造成本低和制作周期短,因而在新产品开发过程中作为产品功能检测和投入市场试运行以及国防、航空等领域的单件、小批量产品的生产方面受到高度重视，尤其适合于批量小、品种多、改型快的现代制造模式。软质模具生产制品的数量一般为50～5000件，对于上万件乃至几十万件的产品，仍然需要传统的钢质模具,硬质模具指的就是钢质模具，利用RP原型制作钢质模具的主要方法有熔模铸造法、电火花加工法、陶瓷型精密铸造法等。 4、在医学领域的应用近几年来，人们对RP技术在医学领域的应用研究较多。人是自然界最高级的动物，人体的骨骼和内部器官具有极其复杂的内部组织结构。要真实地复制人体内部的器官构造，反映病变特征，快速成型几乎是唯一的方法。以医学影像数据为基础，利用RP技术制作人体器官模型有极大的应用价值，医疗专家组利用可视模型，进行模拟手术，对特殊病变部分进行修补(颅骨损伤、耳损伤等)。外科医生已利用CT与MRI所得数据，用RP技术制造模型，以便策划头颅和面部手术。他们还用RP技术制成模型进行复杂手术练习，为牙齿、骨移植等手术设计样板。还有利用RP技术帮助发展新的医疗装置。目前，国内外有许多单位在研究基于快速成型技术的人工骨成型。如：西安交通大学研制了气压式熔融沉积造型系统成型可溶解的骨微管结构，并浇注到骨水泥中，融化后形成具有一定孔隙率的人工骨。以美国Dayton大学为首的研究小组采用具有生物相容性的羟基磷灰石/玻璃薄膜材料，使用LOM快速成型工艺制造人工骨。美国Michigan大学采用光固化(SLA)技术将羟基磷灰石与紫外光固化的丙烯酸树脂混合制造人工骨。大连理工大学的姜开宇副教授将快速成型技术与化学气相渗透技术相结合，提出了RPM—CTI复合成型技术，并制定出碳/碳复合材料人工骨RPM—CTI复合成型工艺。快速成型技术在医学领域的应用很有前景，发达国家已把它作为快速原型应用方面的主要研究之一。 5、在文化艺术领域的应用在文化艺术领域，快速成型制造技术多用于艺术创作、文物复制、数字雕塑等。RPM技术可使艺术创作、制造一体化，可将设计者的思想迅速表达成三维实体，便于设计修改和再创作，为艺术家提供了最佳的设计环境和成型条件；且使艺术创作过程简化，成本降低，多快好省地推出新作品。如首饰的设计和制造，采用快速成型制造技术可极大地简化这一艺术创造过程，降低成本，更快地推出新产品。文物复制可使失传文物得以再现，并使文物的保护工作进入一个新境界。 6、在航空航天技术领域的应用在航空航天领域中，空气动力学地面模拟实验（即风洞实验）是设计性能先进的天地往返系统（即航天飞机）所必不可少的重要环节。该实验中所用的比较模型由国家统一制定，模型形状复杂、精度要求高、又具有流线型特性，采用RP技术，根据严格的CAD模型，由RP设备自动完成模型，能够很好的保证模型质量的。此外，宇航员的太空服要能防止极端温度和辐射，还要求有足够的柔软性，因此每套太空服的制作费用达3万美元。美国一公司尝试综合反求工程、CAD、RP制造了太空服，既省时又省钱，质量又高，该太空服已用于宇航飞行。 7、在家电行业的应用目前，快速成型系统在国内的家电行业上得到了很大程度的普及与应用,使许多家电企业走在了国内前列。如:广东的美的、华宝、科龙，江苏的春兰、小天鹅，青岛的海尔等，都先后采用快速成型系统来开发新产品，收到了很好的效果。快速成型技术的应用很广泛，可以相信，随着快速成型制造技术的不断成熟和完善，它将会在越来越多的领域得到推广和应用。快速成型技术的发展方向虽然快速成型技术在很多领域得到了广泛应用，显示出极大的优越性，但它仍有一定的局限性，其可成型材料有限，加工精度低、成本高、强度和耐久性能还不能满足用户的要求，在一定程度上阻碍了该技术的推广普及。此外，由于高速加工中心的问世，向RP技术提出了新的挑战。从目前RP技术的研究和应用现状来看，快速成型技术的进一步研究和开发工作主要有以下几方面： 1）开发性能好的快速成型材料，如成本低、易成型、变形小、强度高、耐久及无污染的成型材料。目前，快速成型用材料在挤出、浇注、复形和成型性能方面无法与热塑性塑料和金属相比。且易受成型工艺的影响，材料在成型过程中会产生缺陷。因此，从RP技术的特点出发，结合各种应用要求，改进和发展全新的便宜RP材料，特别是一些特殊材料和复合材料，例如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料、其他方法难以制作的复合材料等。已经成为快速成型系统进步的迫切要求。 2）提高RP系统的加工速度和开拓并行制造的工艺方法。目前，即使最快的快速成型机也难以完成诸如注塑和压铸成型的快速大批量生产。在产品生产条件下，一个部件的制造周期仅需要2s～1min，但快速成型则需要数小时甚至几天。因此，未来的快速成型机需要研究快速和多材料的制造系统，以便能够直接面向产品制造。 3）改善快速成型系统的可靠性、生产率和制作大件能力，优化设备结构，尤其是提高成型件的精度、表面质量、力学和物理性能，为进一步进行模具加工和功能实验提供基础。 4）开发快速成型的高性能RPM软件。提高数据处理速度和精度，研究开发利用CAD原始数据直接切片的方法，减少由STL格式转换和切片处理过程所产生精度损失。 5）开发新的成型能源。目前，大多数快速成型机都是激光作为能源，而激光系统（包括激光器、冷却器、外光路等）的价格及维护不仅费用昂贵，而且存在传输效率较低。我国西安交通大学自主开发的以紫外光代替激光的快速成型机，不仅性能可与激光成型机相媲美，而且降低了成本。新成型能源方面的研究也是RP技术今后的一个重要发展方向。
