快速成形技术及其发展
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快速成形技术及其发展
快速成形(Rapid Prototyping，以下简称RP)技术是20世纪80年代末才发展起来的数字制造工艺技术。它把零件的3维数字模型先进行离散化，然后按照数字积分的思路进行逐层加工。与传统的切削加工不同，RP将复杂的3维模型加工分解成简单的2维平面加工的组合，即采用逐层材料累加法来加工实体模型。因此，它不必采用传统的加工机床和加工模具，只需传统加工方法的10％～30％的工时和20％～35％的成本［1］，就能直接制造出产品样品或模具。RP是计算机技术、数控技术、材料科学、激光技术、机械工程技术等多学科集成的结晶。它与传统制造技术相比，具有如下特点：
1.产品的单价几乎与产品批量无关，特别适用于新产品的创新和开发。
2.可以制造任意复杂形状的3维实体。
3.成形过程无需模型、模具、专用夹具或工具，整个开发过程费用低、周期短，设计制造高度一体化。
4.RP技术与传统制造方法（如铸造、粉末冶金等）相结合，为传统制造方法注入新的活力。
二、几种典型的RP技术
RP技术发展迅速，现已经有30余种不同的工艺方法，并且新的方法还在不断增加。按照成形的能源可以分为激光加工和非激光加工两大类；按照材料的形态可以分为液态、薄材、丝材、金属和非金属粉末等5种。目前应用比较广泛的有液态光敏树脂选择性固化(SLA)、薄型材料选择性切割(LOM)、粉末材料选择性激光烧结(SLS)、丝状材料选择性熔覆(FOM)和3维打印成形(TOP)等5种。
(一)液态光敏树脂选择性固化
SLA技术的基本原理是采用激光作为能源，将液态的树脂在紫外光束有选择性地照射下快速固化，形成构建原型所需要的一层层截面轮廓，然后依次将每一层截面轮廓叠加成三维的原型，如图1所示。其主要过程是：1.容器中装有光敏树脂，升降平台低于液面，表面铺有一层（0.1mm）树脂；2.通过透镜聚焦和扫描镜扫描后的激光束，在计算机控制系统的操纵下，按照截面的轮廓形状对液面进行扫描，从而形成一层固化的制件轮廓截面；3.升降平台下降一层（0.1mm）高度，刮平器将液面刮平，形成新的液面，激光束再固化一层轮廓；4.如此循环不已，直至原型制作完成。
(二)薄型材料选择性切割
LOM技术的基本原理是根据3维模型切片后的截面轮廓线，用激光束对薄形材料（纸质或塑料薄材）进行切割，其余部分切割成小方块，然后在上面压粘一层新的薄材，再用激光按照轮廓截面切成后，依次叠加在一起。下机后，剥离小方块，就获得所需的原型件。如图2所示，这是一种可以制作尺寸较大和强度较高的原型件的快速成形技术。
(三)粉末材料选择性激光烧结
SLS技术是以激光为能源，将粉末中的粘结剂融化，把塑料粉末、金属粉末或树脂砂凝结成原型件。激光将工作缸中表面一层粉末按轮廓截面烧结，然后下降一层，铺一层新的粉末，再进行烧结，最终就获得所需的原型件。
(四)丝状材料选择性熔覆
FDM工艺的关键是保持半流动成形材料的温度刚好在凝固点之上，通常控制在比凝固温度高1℃左右，FDM喷头受水平分层数据控制，当它沿着XY方向移动，半流动融丝材料从FDM喷头挤压出来，很快凝固，形成精确的层。每层厚度范围在0.025～0.762mm，一层叠一层，最后形成整体。
(五)三维打印成形
TDP技术是一种基于喷墨打印原理的工艺方法。按照喷出的材料不同，可以分为粘合剂打印、熔融蜡打印和熔融塑料打印等。
三、快速成形技术的应用 快速成形技术应用领域广泛，目前已在汽车、家用电器、航空航天、医学、学校、军事等多个行业得到应用。具体应用情况如图3所示。快速成形技术的应用地区如图4所示。
四、快速成形技术的发展趋势
快速成形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。目前的快速成形技术与10年前相比，在目标、用途、设备和工艺等方面都有了很大的变化和提高。
(一)向不同用途相对独立地发展
1.以制作概念原型为主。概念设计的目标主要是确定新产品外形的风格，借助概念造型机能够帮助设计者在设计阶段与客户进行沟通，以及进行产品的简单概念试验。用于概念设计的原型对精度和物理化学性能要求不高，主要是要求成形速度快、设备小巧、运行可靠等。
2.以制作功能测试的原型为主。用于概念测试的原型对强度、刚度、耐温性及精度等有一定的要求，因而要研制和开发适当的材料，使原型的物理性能尽量接近最终零件。
3.制作小批量生产的模具或制造大批量生产模具的母模。快速制模是制造各种工程用的模具，如用于真空注型、砂型铸造、消失模铸造等的模具。
(二)向大型与微型制造发展
由于大型模具的制造有难度，利用快速成形技术的优势，将来的快速成形技术将在大型模具方面占有较大的比例。另一方面，采用高精度的激光扫描系统以SLA快速成形技术为基础的微米印刷技术将成为开发微机电系统的重要手段。
(三)新的成形材料和工艺
RP技术的进步依赖于新型快速成形材料的开发，从快速成形的特点出发，结合各种应用要求，可发展全新的快速成形材料，如复合材料、纳米材料、非均质材料等。
现在的快速成形方法，都基于立体平面化—离散—堆积的思路。新的工艺方法将不断开发，如将堆积与切削融于一体，将数控机床和其他传统的加工方式相结合，形成新的叠加成形方法。
(四)提高成形速度和精度
改进快速成形机的结构和控制系统，提高快速成形的速度、控制精度和可靠性，使系统更简洁，操作更方便，速度更快。
开发新的快速成形软件，研究开发用CAD原始数据直接切片的方法，减少数据处理与转换过程中的数据缺陷和轮廓失真，提高数据处理速度和精度。
五、结语
快速成形技术是一种具有广泛应用前景的高新技术，对企业的发展发挥着越来越重要的作用，并将给企业带来巨大的经济效益。随着快速成形技术在其技术本身和应用领域方面开发研究的逐渐深入，会有更多的领域或企业采用这一技术在竞争激烈的市场中取胜。而快速成形技术的发展又将推动相关技术的进步和发展。
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