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1、快速成型技术论文摘要：本文主要介绍了快速成型技术的起源及特点，技术原理，类型、特点及适 用范围，阐述了快速成型技术在各领域的应用，探讨了快速成型技术在今后的发 展方向。关键词：快速成型技术应用发展随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈，产品的开发速度日益 成为主要矛盾。在这种情况下，自主快速产品开发（快速设计和快速工模具）的能 力（周期和成本）成为制造业全球竞争的实力基础。制造业为满足日益变化的用户 需求，要求制造技术有较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产而不增加产品 的成本。因此，产品的开发速度和制造技术的柔性就十分关键。从技术发展角度 看，计算机科学、CAD技术、材料科学、激光技
2、术的发展和普及为新的制造技术 的产生奠定了技术物质基础。所以我们要掌握该技术，才能在未来的商业或国际 竞争中立于不败之地。1. RP技术的发展历程1998年，由美国3D系统公司推出专为机械零件设计而制作的RP技术。该 处理工世是通过激光将液态UV感光聚脂凝固一片片薄层，全球第一个商业化 的RP系统就是如今相当普遍的SLA50机型的先驱。接下来是1991年，美国Helisys 公司的LOM技术，美国Stratasys公司的FDM技术，美国Cubital公司的SGC技 术。LOM技术通过计算机导向的激光烧结并剪切薄片材料，FDM技术将热熔塑 料材料拉成丝状，并用它来一层一层产生模型，SCG技术也使
3、用UV感光聚脂， 通过玻璃盘上的静电滤色片作蔽光片，产生紫外光流，可以立即凝固所有的薄层。1992年DTM公司的SLS技术推出。随后，1993年Soligen公司推出DSPC技 术。SLS技术通过激光产生的热量熔化粉末材料。DSPC技术通过机械喷射装置在 粉末上沉积液体粘结剂，麻省理工学院发明该技术并注册专利，然后授权给 Soligen公司。1994年Sanders公司推出MM技术。1995年，BMP技术公司推出 BPM技术，两种技术都采用喷射头来沉积石蜡材料。2. RP技术的原理RPM技术，是指在计算机控制与管理下，由零件的CAD模型直接驱动快速 制造任意复杂形状三维实体的技术总称，是现代多
4、种先进技术的集成。快速成形 技术采用离散/堆积成形原理，通过离散获得堆积的路径和方式，通过精确堆积 将材料“叠加”起来形成复杂三维实体。人们把快速成形系统比喻为“立体打印 机”（3DSolidPrinter）是非常形象的。离散/堆积的过程是由三维CAD模型开始的：先将CAD模型离散化，将某一 方向（常取Z向）切成许多层面，即分层，属信息处理过程；然后在分层信息控制 下顺序堆积各片层，并使层层结合，堆积出三维实体零件，这是CAD模型的物 理体现过程。每种RP设备及其操作原理都是基于逐层叠加的过程的。3. RP技术成型特点快速成型的过程是首先生成一个产品的三维CAD实体模型或曲面模型文件， 将其转
5、换成STL文件格式，再用一软件从STL文件“切”（Slice ）出设定厚度的一 系列的片层，或者直接从CAD文件切出一系列的片层，这些片层按次序累积起 来仍是所设计零件的形状。然后，将上述每一片层的资料传到快速自动成型机中 去，类似于计算机向打印机传递打印信息，用材料添加法依次将每一层做出来并 同时连结各层，直到完成整个零件。因此，快速自动成型可定义为一种将计算机 中储存的任意三维型体信息通过材料逐层添加法直接制造出来，而不需要特殊的 模具、工具或人工干涉的新型制造技术。快速成型技术与传统方法相比具有独特 的优越性和特点： （1）产品制造过程几乎与零件的复杂性无关，可实现自由 制造（FreeF
6、ormFabrication），这是传统方法无法比拟的。 （2）产品的单价几乎 与批量无关，特别适合于新产品的开发和单件小批量零件的生产。（3）由于采用 非接触加工的方式，没有工具更换和磨损之类的问题，可做到无人值守，无需机 加工方面的专门知识就可操作。（4）无切割、噪音和振动等，有利于环保。（5） 整个生产过程数字化，与CAD模型具有直接的关联，零件可大可小，所见即所 得，可随时修改，随时制造。 （6）与传统方法结合，可实现快速铸造，快速 模具制造，小批量零件生产等功能，为传统制造方法注入新的活力。4.RP技术举例4.1 立体印刷（SLA，StereolithgraphyApparatus）
7、成形技术基本工作原理：用紫外激光在光敏树脂表面扫描，令其有规律地固化，由点 到线，再到面，完成一个层面的建造，每次产生零件的一层。在扫描的过程中， 只有激光的曝光量超过树脂固化所需的阈值能量的地方，液态树脂才会发生聚合 反应形成固态。因此在扫描过程中，对于不同量的固化深度，要自动调整扫描速 度，以使产生的曝光量和固化某一深度所需的曝光量相适应。每一层固化完毕之 后，升降工作台移动一个层片厚度的距离，然后将树脂涂在前一层上，再建造一 个层。如此反复，每形成新的一层均粘附到前一层上，直到制作完零件的最后一 层，成为一个三维实体。这样零件就堆积完毕，再对零件进行一些必要的后处理， 整个制M故过程就完
8、成了。4.2 熔融沉积成形（FDM，FusedDepositionModeling）熔融沉积成形是指将热熔性材料（ABS、尼龙或蜡）通过加热器熔化，在移动 头的运动过程中挤压喷出细丝，按零件的截面形状沉积成一薄层，这样逐层堆积 制成一个零件。在沉积过程中，喷头受水平分层数据的控制沿XY移动，同时半 流动融丝从FDM喷头中挤压出来，必须精确控制从挤压头孔流出的材料数量和 喷头的移动速度，当它和前一层相粘结时很快就会固化，整个零件是在一个活塞 上制作的。该活塞可以上下移动，当制作完一层后活塞下降，为下一层制作留出 层厚所需的空间。FDM可以使用很多种材料，任何有热塑特性的材料均可作为 其候选材料。
9、4.3 选择性激光烧结（SLS，SelectiveLaserSintering）该工艺是利用红外激光光束所提供的热量熔化热塑性材料以形成三维零件。 在制作区域均匀铺上一薄层热塑性粉末材料，然后用激光在粉末表面扫描零件的 截面形状，激光扫描到的地方粉末烧结形成固体，激光未扫描到的地方仍是粉末， 可以作为下一层的支撑并能在成形完成后去掉，上一层制作完毕后，再铺平一层 粉末，继续扫描下一层，不断重复这个铺粉和选区烧结的过程直到最后一层，一 个三维实体就选烧出来了。SLS使用的设备是激光器，使用的原料有蜡、聚碳酸 酯、尼龙、纤细尼龙、合成尼龙和金属材料等。4.4 分层实体制造（LOM，Laminate
10、dobjectManufacturing）逐层物体制造技术是通过逐层激光剪切箔材制造零件的一种技术。用激光按 该层零件的轮廓剪切，零件轮廓以外的部分用激光剪切成网格状碎片以便零件制 作完毕之后移去。每一层箔材之间涂有热溶胶，通过加热和加压粘到前一层上， 层层的箔材逐层粘成一个固体块。当所有的层被粘结并进行剪切之后，整个零件 就埋帑在一大块支撑材料中，去掉支撑碎片，就获得所需的三维实体。这里所说 的箔材可以是涂覆纸（涂有粘接剂覆层的纸）、涂覆陶瓷箔、金属箔或其他材质的 箔材。4.5光固化成形SLA（Stereo lithography Apparatus）工艺也称光造型、立体光刻及立体印刷，其
11、工艺过程是以液态光敏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，而使这一层树脂固化，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，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1个三维实体模 型。该工艺的特点是：原型件精度高，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 是需要支撑，树脂收缩会导致精度下降，另外光固化树脂有一定的毒性而不符合 绿色制造发展趋势等。该工艺适合比较复杂的中小型零件的制作。5.RP技术的发展趋势长期以来，不断有
12、一些学者和专家对RP的发展持观望和怀疑态度，尤其是 在1998年受全球经济的不景气所影响，RP工业出现缓慢增长甚至某些方面为负 增长。对此，Terry Wohlers在其著述的2000年度全球快速成型及快速模具制 造工业进展报告中指出，RP工业将会在未来几年发生巨大的变化，主要体现 在新技术、新工艺及信息网络化等方面。RP技术已经在许多领域里得到了应用，其应用范围主要在设计检验、市场 预测、工程测试（应力分析、风道等）、装配测试、模具制造、医学、美学等方面。 RP技术在制造工业中应用最多（达到67%），说明RP技术对改善产品的设计和 制造水平具有巨大的作用。目前快速成形技术还存在许多不足，下一
13、步研究开发 工作主要在以下几方面：（1）改善快速成形系统的可靠性、生产率和制作大件能 力，尤其是提高快速成形系统的制作精度；（2）开发经济型的快速成形系统；（3） 快速成形方法和工艺的改进和创新；（4）快速模具制造的应用；（5）开发性能良 好的快速成形材；（6）开发快速成形的高性能软件等。总而言之，快速成型技术是一种新型成型方法，虽然问世不久，但已广泛应 用于国民经济的许多领域，给许多行业带来了巨大的经济效益。随着市场一体化 竞争的日趋激烈，要求新产品开发和生产周期越来越短，这为快速成型技术的生 产与发展带来了广阔的空间。RP技术将会被越来越多的企业所采用，对企业的 发展发挥起到越来越重要的作
14、用，并将给企业带来丰厚回报，其自身也将获得更 大的发展。参考文献：1 王称.快速成型技术的起源与方向J.科技与企业,2011,（13）.2 李涤尘.快速成型技术:改变世界的“利器” J.发明与创新（综合科技）, 2011,（04）.3 朱敏慧.快速成型技术助力“中国创造” J.汽车与配件,2011,（23）.余珞珈，魏著谱，见文，张永泉.快速成型技术与新产品开发J.金属加工 （冷加工）,2011,（14）.5 陈婵娟.快速成型技术的现状及发展趋势J.湖南科技学院学报,2011,（08）.6 王朝晖，张玉鲁.基于快速成型技术的服装设计用人台的研制J.纺织导报, 2011,（08）.7 刘峰，范宏训，张元好.高熔点金属电弧喷涂快速制模工艺研究J.模具工业, 2011,（04）.8 林天清.快速成型技术的应用与发展研究J.知识经济,2011,(12).9 王广春，袁圆，刘东旭.光固化快速成型技术的应用及其进展J.航空制造技 术,2011,(06).
