第一节 快速成型技术的发展

随着计算机技术的飞速发展，计算机与相关技术的广泛应用极大地改变了新产品设计的技术手段、程序与方法。同时，设计师的设计观念和思维方式也有了一定的转变，以计算机技术为代表的高新技术开辟了产品设计的崭新领域。实践证明，先进的制造技术必须与优秀的设计结合起来，才能使高新技术真正服务于人类，而工业产品设计对推动高新技术的飞速发展起到了不可估量的作用。

工业产品设计不同于其他设计，它是对三维的、物质实体性的设计，在展开设计的不同阶段，设计师的大胆创意只靠效果图是检验不出其实体的体量关系的，只有辅以各种立体的三维实体模型，才能针对设计方案进行较直观的检测和修改。现在，我们运用RP技术替代传统的、手工模型的制作，能够更加精确、快速、直观并且完整地传递出产品的三维信息，建立起一种并行结构的设计系统，更好地将设计、工程分析与制造等三方面集成，使不同专业的人员能及时反馈信息，从而缩短产品的开发周期，最终保证产品设计与制造的高质量。

当前，市场环境发生了巨大变化，用户可以在世界范围内选择自己所需要的产品，因而对产品的品种、价格、质量及服务提出了更高的要求。一方面，消费者的需求也在趋于主体化、个性化和多样化；另一方面，产品设计师与制造商们都着眼于全球市场的激烈竞争。面对当前市场的激烈竞争，企业不但要迅速设计出符合消费者要求的产品，而且还必须要将它们在最短的时间内设计、加工与制造出来，从而尽快抢占市场。因此，能否快速地响应及满足市场的需求，已成为当今制造业发展的必由之路。

RP技术就是在这种社会背景下逐步形成并得以迅速发展的。它能快速、自动地将设计者借助三维实体建模软件设计出的模型，物化为具有一定结构与功能的三维实体模型或直接加工制造成功能制件，从而可以对所设计的产品进行快速评价、修改与再设计，即能在较短的时间内设计与研制出符合设计者与用户需求的新产品。这将大大缩短新产品的研发周期，降低产品的研发成本，在一定程度上最大限度地避免了产品研发失败的风险，从而提高企业的竞争力。

一、快速成型技术的发展历程

从材料的加工制造史上可以看出，很早以前就有“材料叠加成型”的加工制造设想。1892年，J.E.Blanther的美国专利(＃473901)中，建议用分层制造法加工地形图。这种方法的基本原理是，将地形图的轮廓线压印在一系列的蜡片上，接着按轮廓线切割蜡片，将其粘结在一起，然后将每一层面熨平，从而得到最终的三维地形图。1902年，Carlo Baese的美国专利(＃774549)中，提出了用光固化聚合物加工制造出塑料件的原理，这是第一种现代快速成型技术——立体平板印刷术(Stereo Lithography)的初步设想。20世纪50年代后，世界上先后涌现出了几百个有关快速成型技术的专利，其中1976年Paul L Dimatteo的美国专利(＃3932923)中，明确地提出了先用轮廓跟踪器将三维实体转化成n个二维轮廓薄片，然后将这些薄片用激光切割成型，最后用螺钉、销钉等将一系列薄片连接形成三维实体，如图1-1所示。以上这些设想都与现代的RP技术原理基本相似。

虽然早期的专利提出了一些快速成型的基本原理，但还不太完善，而且也没有实现快速成型机械及其使用原材料的商品化。20世纪80年代末，RP技术有了根本性的发展，1986～1998年，仅在美国注册的专利就约有24个。首先是Charles W Hull，1986年在他的美国专利(＃4575330)中，提出了用激光束照射液态光固化树脂，进行分层制作三维实体的快速成型机的方案。1988年，美国3D System公司据此专利生产出了第一台快速成型设备SLA-250(液态光固化树脂固化成型设备)。在此后的10多年，快速成型技术开始迅速发展，涌现出了多种形式的快速成型技术与相应设备，如薄形材料选择性切割(LOM)、熔丝堆积(FDM)和粉末材料选择性烧结(SLS)等，并且在工业、医疗及其他领域得到了广泛的应用。目前，全世界已拥有快速成型设备12000多台，快速成型设备的制造公司大约有上百个，用快速成型设备进行对外服务的机构也有约上千个。

由于20世纪80年代RP技术的飞速发展，美国材料与实验协会(American So-ciety for Texting and Materials，ASTM)国际标准组织F42增材制造技术委员会定义RP技术为增材制造技术。该技术是将工程师所设计的复杂三维数据模型，通过采用切片的处理方式，将之转换成n个二维截面的组合，然后在计算机控制的增材设备制造机器，即快速成型设备上按顺序层层叠加并粘结这n个二维截面，最终堆积成所设计的三维实体模型。

图1-1 Paul的分层形成法

1—顶针 2—轮廓跟踪器 3—导轨 4、8—伺服电动机 5—激光束 6—工件 7—工作台 9—二维轮廓薄片

二、快速成型技术在国内的发展状况

近年来，国内的快速成型技术与水平有了质的飞跃，主要以西安交通大学、清华大学为代表。国内各种快速成型技术的研发、设备的生产以及RP技术与市场、应用与服务等方面都取得了很大进展。

(一)技术方面

在国际上发展起来的RP技术，如SLA、LOM、FDM、SLS等，在国内基本上都有单位进行了成功的开发，而且大多数关键部件都实现了国产化。例如，FDM设备中的喷头结构，LOM设备中的激光器等，设备的稳定性、可靠性和造型精度及质量都有了显著的提高，成型材料的开发与性能也在不断进步。此外，许多高校和研究机构还创新地开展了RP新技术、新设备的研究，其中清华大学在快速成型技术方面投入的精力最大，最近开发出的低温冰型快速制造工艺和无模砂型制造工艺大大拓宽了RP领域，其技术在世界上处于领先地位。

(二)市场方面

近年来，国内RP市场已从起步阶段逐步走向发展阶段，快速成型技术已经逐渐成为一种通用的产品快速加工与制造的方法。目前，许多企业已有应用RP技术的设想或方案，应用行业主要集中在工业产品的样件制作领域，如家电、模具、玩具、汽车等新产品，新工艺品的开发与包装，以及外观要求较高的零部件或元器件的快速加工与制作。

(三)技术服务方面

目前，国内大部分企业购买RP设备的能力有限，可是对单个小批量的RP原形件的需求量又很大。在这种需求的刺激下，RP技术服务公司通过购买国外成熟的RP设备，将其用于开展三维实体数据的反求、快速成型技术及制造等服务，扩大了RP技术的宣传面，同时在RP技术应用的深度和广度上也都起到了促进作用。

三、快速成型技术的基本流程与原理

(一)快速成型技术的基本流程

快速成型技术是近年快速发展起来的、直接利用三维实体造型软件快速生成模型或零件实体的技术的总称。用快速成型技术制作的产品样机或模型，俗称为RP手板。其主要是运用激光切割叠加或激光粉末烧结技术、分层实体造型、熔融挤压实体造型或光固化造型等方式生成产品的模型或样件。图1-2所示为快速成型技术的基本流程图。

图1-2 快速成型技术的基本流程图

(二)快速成型技术的基本原理

RP技术是集CAD技术、数控技术、材料科学、机械工程、电子技术和激光等技术于一体的综合技术，是实现零件或产品设计从二维到三维实体快速制造的一体化系统技术。RP技术有多种快速成型的工艺方法，目前较为成熟并广泛采用的有光固化成型工艺、选择性激光烧结成型工艺、熔丝堆积成型工艺、分层实体成型工艺、三维打印成型工艺等。

RP技术的基本原理是：首先设计出所需产品或零件的计算机三维数据模型；然后根据RP技术的工艺要求，按照一定的方式将该模型离散为一系列有序的二维单元，通常在Z向将其按一定厚度进行离散(也称为分层)，即将原来的三维CAD模型变成一系列的二维层片；再根据每个层片的轮廓信息，输入加工参数，自动生成数控代码；由成型系统将一系列二维层片自动成型的同时进行相互粘结，最终得到所需的三维物理实体模型或功能制件。图1-3所示为RP技术的基本原理示意图。

图1-3 RP技术的基本原理示意图

1—CAD实体模型 2—Z轴向分层 3—CAD模型分层数据文件 4—层层堆积、加工 5—后处理

目前PR系统的成型工艺原理大致相似，一般工艺过程基本都包含以下几个方面：

1.产品三维数字模型的构建 可以利用CAD软件直接进行三维数据模型的构建，也可以将已有的二维图形转换成3D模型；或利用逆向工程原理，对产品实体进行三维反求，得到三维的点云数据，然后借助相关软件对其进行修改及再设计，构造出所需的3D模型。

2.三角网格的近似处理 构成产品的表面往往有一些不规则的自由曲面，加工前要对模型进行近似处理，将3D数据转换为快速成型技术接受的数据，即三角网格面片资料。

3.三维模型的切片处理 根据需要选择合适的加工方向，在成型高度方向上用一系列一定间隔的平面切割近似处理后的三角网格模型，提取出一系列二维截面的轮廓信息。

4.RP成型件的加工与制造 根据二维切片轮廓信息，在PR系统中成型头按照各截面的轮廓信息做二维扫描运动，同时工作台做纵向移动，从而在工作台上一层层地堆积材料，然后将各层粘结，最终得到产品原型。

5.RP成型件的后处理 对成型件进行打磨、抛光、涂挂等后处理，或放在高温炉中进行后烧结，进一步提高其强度。

根据RP基本原理，产品或零件快速成型的全过程可以用图1-4表示。

图1-4 产品快速成型的全过程

1—三维CAD建模 2—三角网格化 3—分层处理 4—生成加工路径 5—RP系统 6—原型制件后处理 7—最终的原型制件

(三)RP技术与传统加工方法的比较

根据现代成型学的观点，物体的主要成型方式可分为以下两大类：

1.去除成型(Removal Forming) 运用分离的方法，把一部分材料有序地从基体上分离出去的成型方法。传统的机械加工方法，如车、铣、刨、磨、钻、电火花加工和激光线切割等都属于去除成型，去除成型是传统的产品加工方法。

2.添加成型(Adding Forming) 又称堆积成型，它是利用机械、物理、化学等方式通过按照一定轨迹有序地进行添加材料的方法，最终将所需的产品堆积成型。

快速成型技术属于添加成型，即增材制造成型，它在成型工艺上突破了传统