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1、 .快速成型技术行业现状与产业发展趋势先临三维科技股份2012.5.28目 录1.快速成型技术发展历史与现状11.1快速成型技术发轫的背景11.2快速成型技术的优点、原理和工艺21.2.1快速成型技术的优点21.2.2快速成型的基本原理21.2.3快速成型的工艺方法41.3 快速成型技术的发展101.3.1 快速成型技术的发展历史101.3.2 快速成型技术的发展方向112 快速成型技术行业与产业122.1 快速成型技术的行业应用现状122.1.1医学应用122.1.2 制造领域122.2 快速成型技术的行业市场主体分析132.3 快速成型技术的产业发展现状与趋势142.3.1 快速成型技术产
2、业发展状况142.3.2全球市场162.3.3亚太市场163 国快速成型技术产业发展的机遇与挑战193.1国快速成型技术产业发展现状193.1.1国快速成型技术的研发和推广情况203.1.2国的快速成型技术的应用情况203.1.3国快速成型技术企业的典型企业列举203.2 国快速成型技术产业的发展机遇273.2.1 国外的市场环境利于快速成型技术产业发展273.2.2 国的政策环境利于快速成型技术产业发展273.3 国快速成型技术产业面临的挑战283.3.1 快速成型技术在向产品生产化发展中所存在的主要问题283.3.2 快速成型技术产业面临的应用化挑战29 / 快速成型技术行业现状与产业发展
3、趋势 本文引用了期刊、新闻上的介绍性资料，大部分未进行标注出处，本文仅作参考资料使用，没有侵犯引文作者的知识产权的意思。黄贤清 何文浩1.快速成型技术发展历史与现状1.1快速成型技术发轫的背景在新产品的开发过程中，总是需要在投入大量资金组织加工或装配之前对所设计的零件或整个系统加工一个简单的例子或原型。这样做主要是因为生产成本昂贵，而且模具的生产需要花费大量的时间准备，因此，在准备制造和销售一个复杂的产品系统之前，工作原型可以对产品设计进行评价、修改和功能验证。 一个产品的典型开发过程是从前一代的原型中发现错误，或从进一步研究中发现更有效和更好的设计方案，而一件原型的生产极其费时，模具的准备需
4、要几个月，因此一个复杂的零件用传统方法加工非常困难。 20世纪70年代末到80年代初期，美国和日本的四位研究人员各自独立地提出了快速成型（Rapid Prototyping：RP）的技术设想，即利用连续层的选区固化生产三维实体。在图1中，快速成型技术的一般步骤得以展示：首先利用三维造型软件设计出（或者通过三维数字化反求工程获得）产品的三维实体模型，再利用RP处理软件将该三维实体模型进行离散、分层，然后将离散后的数据登录RP设备进行制造。图1 分层资料生成示意图快速成型技术是近年来发展起来的直接根据CAD模型快速生产样件或零件的成组技术总称，它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代
5、科技成果，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，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其它方法将材料堆积而形成实体零件。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任何复杂的零部件，极提高了生产效率和制造柔性。 1.2快速成型技术的优点、原理和工艺1.2.1快速成型技术的优点（1）快速成型作为一种使设计概念可视化的重要手段，计算机辅助设计零件的实物模型可以在很短时间被加工出来，从而可以很快对加工能力和设计结果进行评估。用快速成型与直接数字化制造技术，可使成本下降为数控加工的1/3-1/5,周期缩短
6、为1/5-1/10。（2）由于快速成型技术是将复杂的三维型体转化为两维截面来解决，因此，它能制造任意复杂型体的高精度零件，而无须任何工装模具。（3）快速成型作为一种重要的制造技术，采用适当的材料，这种原型可以被用在后续生产操作中以获得最终产品。 （4）快速成型操作可以应用于模具制造，可以快速、经济地获得模具。（5）产品制造过程几乎与零件的复杂性无关，可实现自由制造,这是传统制造方法无法比拟的。 1.2.2快速成型的基本原理基于材料累加原理的快速成型操作过程实际上是一层一层地离散制造零件。为了形象化这种操作，可以想象一整条面包的结构是一片面包落在另一片面包之上一层层累积而成的。快速成型有很多种工
7、艺方法，但所有的快速成型工艺方法都是一层一层地制造零件，区别是制造每一层的方法和材料不同而已。 1.2.2.1三维模型的构造 在三维CAD设计软件(如Pro/EUGSolidWorksSolidEdge等)中获得描述该零件的CAD文件，如图2(a)中所示的三维零件。目前一般快速成型支持的文件输出格式为5TL模型，即对实体曲面近似处理，即所谓面型化(Tessellation)处理，是用平面三角面片近似模型表面。这样处理的优点是大简化了GAD模型的数据格式，从而便于后续的分层处理。由于它在数据处理上较简单，而且与CAD系统无关，所以很快发展为快速成型制造领域中CAD系统与快速成型机之间数据交换的准
8、标准，每个三角面片用4个数据项表示，即3个顶点坐标和法向矢量，而整个CAD模型就是这样一组矢量的集合。 在三维CAD设计软件对C.AD模型进行面型化处理时，一般软件系统中有输出精度控制参数，通过控制该参数，可减小曲面近似处理误差。如Pro/E软件是通过选定弦高值(eh-chord height)作为逼近的精度参数，如图2为一球体，给定的两种ch值所转化的情况。对于一个模型，软件中给定一个选取围，一般情况下这个围可以满足工程要求。但是，如果该值选的太小，要牺牲处理时间与存贮空间，中等复杂的零件都要数兆甚至数十兆左右的存贮空间。并且这种数据转换过程中无法避免地产生错误，如某个三角形的顶点在另一三角
9、形边的中间、三角形不封闭等问题是实践中经常遇到的，这给后续数据处理带来麻烦，需要进一步检查修补。图2 不同ch值时的效果 (a) ch=0.05 (b) ch=0.21.2.2.2三维模型的离散处理 通过专用的分层程序将三维实体模型(一般为5TL模型)分层，分层切片是在选定了制作(堆积)方向后，需对CAD模型进行一维离散，获取每一薄层片截面轮廓与实体信息。通过一簇平行平面沿制作方向与CAD模型相截，所得到的截面交线就是薄层的轮廓信息，而实体信息是通过一些判别准则来获取的。平行平面之间的距离就是分层的厚度，也就是成型时堆积的单层厚度。在这一过程中，由于分层，破坏了切片方向CAD模型表面的连续性，
10、不可避免地丢失了模型的一些信息，导致零件尺寸与形状误差的产生。切片层的厚度直接影响零件的表面粗糙度和整个零件的型面精度，分层切片后所获得的每一层信息就是该层片上下轮廓信息与实体信息，而轮廓信息由于是用平面与CAD模型的STL文件(面型化后的CAD模型)求交获得的，所以轮廓是由求交后的一系列交点顺序连成的折线段构成，所以，分层后所得到的模型轮廓已经是近似的，而层层之间的轮廓信息已经丢失，层厚大，丢失的信息多，导致在成型过程中产生了型面误差。 1.2.3快速成型的工艺方法目前快速成型主要工艺方法与其分类见图3所示。图3 目前快速成型主要工艺方法与其分类尽管各种快速成型技术的一般步骤都相同，但不同的
11、工艺过程其生产制品的方法则有所不同，以以下出RP工艺的主要几种类型。1.2.3.1光固化法(Stereo lithography ) 光固化法是目前应用最为广泛的一种快速成型制造工艺，它实际上比熔积法发展的还早。光固化采用的是将液态光敏树脂固化(硬化)到特定形状的原理。以光敏树脂为原料，在计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面。 成型开始时工作台在它的最高位置(深度a)，此时液面高于工作台一个层厚，零件第一层的截面轮廓进行扫描，使扫描区域的液态光敏树脂固化，形成零件第一个截面的固化层。然后工作台下
12、降一个层厚，使先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂然后重复扫描固化，与此同时新固化的一层牢固地粘接在前一层上，该过程一直重复操作到达到b高度。此时已经产生了一个有固定壁厚的圆柱体环形零件。这时可以注意到工作台在垂直方向下降了距离ab。到达b高度后，光束在x-y面的移动围加大从而在前面成型的零件部分上生成凸缘形状，一般此处应添加类似于FDM的支撑。当一定厚度的液体被固化后，该过程重复进行产生出另一个从高度b到c的圆柱环形截面。但周围的液态树脂仍然是可流动的，因为它并没有在紫外线光束围。零件就这样由下与上一层层产生。而没有用到的那部分液态树脂可以在制造别的零件或成型时被再次利用。可以注意到光固
13、化成型也像FDM成型法一样需要一个微弱的支撑材料，在光固化成型法中，这种支撑采用的是网状结构。零件制造完毕后从工作台上取下，去掉支撑结构，即可获得三维零件。 光固化成型所能达到的最小公差取决于激光的聚焦程度，通常是0.0125mm(O.OOO5in)。倾斜的表面也可以有很好的表面质量。光固化法是第一个投人商业应用的RF(快速成型)技术。目前全球销售的SL(光固化成型)设备约占RP设备总数的70%左右。SL(光固化成型)工艺优点是精度较高，一般尺寸精度控制在10. 1 mm;表面质量好，原材料的利用率接近100%，能制造形状特别复杂、特别精细的零件，设备的市场占有率很高。缺点是需要设计支撑，可以
14、选择的材料种类有限，容易发生翘曲变形，材料价格较贵。该工艺适合成型制造比较复杂的中小件。 图4 SL工艺图 1.2.3.2激光选区烧结(Selective Laser Sinering)激光选区烧结(Selective Laser Sintering，简称SLS)是一种将非金属(或普通金属)粉末有选择地烧结成单独物体的工艺。该法采用CO2激光器作为能源，目前使用的在加工室的底部装备了两个圆筒： 1)一个是粉末补给筒，它部的活塞被逐渐地提升通过一个滚动机构给零件造型筒供给粉末; 2)另一个是零件造形筒，它部的活塞(工作台)被逐渐地降低到熔结部分形成的地方。首先在工作台上均匀铺上一层很薄(l002
15、00m)的粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，从而使粉末固化成截面形状，一层完成后工作台下降一个层厚，滚动铺粉机构在已烧结的表面再铺上一层粉末进行下一层烧结。未烧结的粉末仍然是松散的保留在原来的位置，支撑着被烧结的部分，它辅助限制变形，无需设计专门的支撑结构。这个过程重复进行直到制造出整个三维模型。全部烧结完后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理后便获得需要的零件。目前，成熟的工艺材料为蜡粉与塑料粉，用金属粉或瓷粉进行直接烧结的工艺正在实验研究阶段。它可以直接制造工程材料的零件，具有诱人的前景。 SLS工艺的优点是原型件的机械性能好，强度高;无须设计和构建支撑;可选用的材料种类多;原材料的利用率接近100% ,缺点是原型表面粗糙;原型件疏松多孔，需要进行后处理;能量消耗高;加工前需要对材料预热2h，成型后需要5lOh的冷却，生产效率低;成型过程需要不断充氮气，以确保烧结过程的安全性，成本较高;成型过程产生有毒气体，对环境有一定的污染。SLS工艺特别适合制作功能测试零件。由于它可以采用各种不同成分的金属粉末进行烧结，进行渗铜等后处理，因而其制造的原型件可具有与金属零件相近的机械性能，故可用于直接制造金属模具。由于，该工艺
