快速成型技术及其发展综述

计算机集成制造技术与系统——读书报告

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快速成型技术及其发展

摘要：快速成型技术兴起于20世纪80年代，是现代工业发展不可或缺的一个重要环节。本文介绍了快速成型技术的产生、技术原理、工艺特点、设备特点等方面，同时简述快速成型技术在国内的发展历程。

关键词：快速成型烧结固化叠加发展服务

1 快速成形技术的产生

快速原型（Rapid Prototyping，RP）技术，又称快速成形技术，是当今世界上飞速发展的制造技术之一。快速成形技术最早产生于二十世纪70年代末到80年代初，美国3M公司的阿伦赫伯特于1978年、日本的小玉秀男于1980年、美国UVP公司的查尔斯胡尔1982年和日本的丸谷洋二1983年，在不同的地点各自独立地提出了RP的概念，即用分层制造产生三维实体的思想。查尔斯胡尔在UVP的继续支持下，完成了一个能自动建造零件的称之为Stereolithography Apparatus (SLA)的完整系统SLA-1，1986年该系统获得专利，这是RP发展的一个里程碑。同年，查尔斯胡尔和UVP的股东们一起建立了3D System公司。与此同时，其它的成形原理及相应的成形系统也相继开发成功。1984年米歇尔法伊杰提出了薄材叠层（Laminated Object Manufacturing，以下简称LOM）的方法，并于1985年组建Helisys 公司，1992年推出第一台商业成形系统LOM-1015。1986年，美国Texas大学的研究生戴考德提出了选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，简称SLS)的思想，稍后组建了DTM 公司，于1992年开发了基于SLS的商业成形系统Sinterstation。斯科特科瑞普在1988年提出了熔融成形(Fused Deposition Modeling，简称FDM)的思想，1992年开发了第一台商业机型3D-Modeler。

自从80年代中期SLA光成形技术发展以来到90年代后期，出现了几十种不同的RP技术，但是SLA、SLS和FDM几种技术，目前仍然是RP技术的主流，最近几年LJP（立体喷墨打印）技术发展迅速，以色列、美国、日本等国的RP设备公司都力推此类技术设备。

2基本原理

快速成形技术是在计算机控制下，基于离散、堆积的原理采用不同方法堆积材料，最终完成零件的成形与制造的技术。

1、从成形角度看，零件可视为“点”或“面”的叠加。从CAD电子模型中离散得到“点”或“面”的几何信息，再与成形工艺参数信息结合，控制材料有规律、精确地由点到面，由面到体地堆积零件。

2、从制造角度看，它根据CAD造型生成零件三维几何信息，控制多维系统，通过激光束或其他方法将材料逐层堆积而形成原型或零件。

3快速成型技术特点

RP技术与传统制造方法（即机械加工）有着本质的区别，它采用逐渐增加材料的方法（如凝固、焊接、胶结、烧结、聚合等）来形成所需的部件外型，由于RP技术在制造产品的过程中不会产生废弃物造成环境的污染，（传统机械加工的冷却液等是污染环境的），因此在当代讲究生态环境的今天，这也是一项绿色制造技术。

RP技术集成了CAD、CAM、激光技术、数控技术、化工、材料工程等多项技术，解决了传统加工制造中的许多难题。

RP技术的基本工作原理是离散与堆积，在使用该技术时，首先设计者借助三维CAD或者

通过逆向工程所采集的几何数据，建立数字化模型，这是完成快速成型制造的一项基本条件，借助现有的主流三维设计软件建立三维模型，再经过三维CAD导出相应的文件格式输入快速成型机当中，通过逐点、逐面进行三维的立体堆积，部件完成后，再经过必要的后续处理，使完成的部件在性能、形状尺寸、外观上等方面达到设计要求。

RP技术的特点

从原理上说，应用RP技术来进行产品制造，可以忽略产品部件的外形复杂程度(这也是与传统机械加工方式制造产品的最大区别之一)，原材料的利用率接近100%，制造精度最高可达0.01mm。

RP技术的主要特点有：

3.1 制造快速

RP技术是并行工程中进行复杂原型或者零件制造的有效手段，能使产品设计和模具生产同步进行，从而提高企业研发效率，缩短产品设计周期，极大的降低了新品开发的成本及风险，对于外形尺寸较小，异形的产品尤其适用。

3.2 CAD/CAM技术的集成

设计制造一体化一直来说是现在的一个难点，计算机辅助工艺（CAPP）在现阶段由于还无法与CAD、CAM完全的无缝对接，这也是制约制造业信息化一直以来的难点之一，而快速成型技术集成CAD、CAM、激光技术、数控技术、化工、材料工程等多项技术，使得设计制造一体化的概念完美实现。

3.3 完全再现三维数据

经过快速成型制造完成的零部件，完全真实的再现三维造型，无论外表面的异形曲面还是内腔的异形孔，都可以真实准确的完成造型，基本上不再需要再借助外部设备进行修复。3.4 成型材料种类繁多

到目前为止，各类RP设备上所使用的材料种类有很多，树脂、尼龙、塑料、石蜡、纸以及金属或陶瓷的粉末，基本上满足了绝大多数产品对材料的机械性能需求。

3.5 创造显著的经济效益

与传统机械加工方式比较，开发成本上节约10倍以上，同样，快速成型技术缩短了企业的产品开发周期，使的在新品开发过程中出现反复修改设计方案的问题大大减少，也基本上消除了修改模具的问题，创造的经济效益是显而易见的。

3.6 应用行业领域广

RP技术经过这些年的发展，技术上已基本上形成了一套体系，同样，可应用的行业也逐渐扩大，从产品设计到模具设计与制造，材料工程、医学研究、文化艺术、建筑工程等等都逐渐的使用RP技术，使得RP技术有着广阔的前景。

4现阶段主流的RP工艺方法介绍

4.1 SLA（立体光造型技术）

立体光造型技术是典型的逐层制造法，采用光敏树脂（聚丙烯酸脂）为原料，紫外激光在工控机的控制下根据零件的分层截面信息，在光敏树脂等相应材料的液面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂经过光聚合反应而固化，形成零件的一个分层截面，一层固化好后工作平台下降一个分层厚的距离，以便在先前固化好的零件分层截面是重新涂抹一层新的液态树脂，然后工控机控制激光再扫描下一分层截面，层与层之间也因此而紧密连接在一起没有缝隙。如此反复直至整个零件成型。

国外的SLA技术以美国的3D SYSTEM公司为代表，设备技术都较为成熟，同时日本德国以色列都也有各自具有特色比较成熟的SLA快速成型技术。国内是以西安交大的设备较为成熟，现已开发出一整套SLA快速成型机，成型速度、零件精度都已接近国外先进技术。总体来说SLA技术的优势是成型零件精度高，表面质量好，原材料利用率高，而且可以制

作形状复杂的零件。但SLA技术也有一定的局限性就是不能选用多种材料，只能固定用光敏感材料。

4.2 SLS（选择激光烧结技术）

SLS与SLA有相似之处，都是在激光的选择下对材料进行烧结，区别在于SLS的材料不是液态的光聚合物，而是粉末材料，金属、尼龙、塑料、陶瓷等粉末材料均可，这样就使得SLS的适用范围更广，航空、航天、汽车、家电等行业中去，因此在这里的行业

在工艺上，SLS控制激光，选择性的烧结粉末，使粉末烧结固化形成一个层面，经过电机的驱动，使粉末固化层下降一个层厚的高度，重新涂铺一层粉末再进行激光扫描重复之前的步骤，直到完成整个三维数模的实体造型。

目前世界范围内进行SLS技术研究的主要是美国的DTM公司，德国队EOS公司以及中国北京隆源公司。其中DTM公司的SLS设备在市场使用率上占据领先地位，而EOS公司在金属粉末烧结方面有着自己的特点。

4.3 FDM(熔融沉积成型技术)

FDM与之前的SLA、SLS有一些区别，它采用热熔喷头，使熔融的材料，比如尼龙、塑料等，根据CAD数据信息的将材料挤压在制定位置凝固成型，逐层堆积，最后形成完整的零件。现在世界上FDM技术较为领先的是美国的Stratasys公司和Dimension公司，占据了市场大多数的份额。

4.4 LJP（立体喷墨打印技术）

LJP技术在早些年就已经产生，在美国麻省理工学院开发成功，但并没有完全推向市场，大多应用于内部研究，而近来立体打印技术经过技术改进，逐步在市场上占据一定的地位。从技术特点以及工艺上来看，LJP与FDM有相似之处，都采用的是将材料加热到熔融状态，再将材料喷出，堆积形成实体三维模型，但LJP的成型速度更快，表明质量更高，而且吸取了FDM可以随意更换制造原料的特性，一种材料装在一个墨盒里，每次制作前根据需要选择原料，方便快捷，同时又排除了FDM的缺点，比如成型速度慢，表面光洁度较低，模型精度不理想等，LJP制作出样品的外观质量基本上可以与SLA相媲美，因此近几年采用LJP工艺的快速成型设备逐渐占据了主流市场。

还有一种是LOM（纸张叠层造型技术）由于制作出的三维模型精度低，表明光洁度差，经常无法准确再现三维数字模型，现在已经逐渐走向没落。

5.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、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，其应用领域将不断拓展。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形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。

(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，获得广泛的应用，多用于制造单件、小批量金属零件的制造。有些特殊复杂制件，由于只需单件生产，或少于50件的小批量，一般均可用RP技术直接进行成型，成本低，周期短。

(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。快速成形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，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。

(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。以医学影像数据为基础，利用RP技术制作人体器官模型，对外科手术有极大的应用价值。

(5)在文化艺术领域的应用在文化艺术领域，快速成形制造技术多用于艺术创作、文物复制、数字雕塑等。

(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CAD模型，由RP设备自动完成实体模型，能够很好的保证模型质量。

(7)在家电行业的应用目前，快速成形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，都先后采用快速成形系统来开发新产品，收到了很好的效果。快速成形技术的应用很广泛，可以相信，随着快速成形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。

6发展方向

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个方面：

(1)开发性能好的快速成型材料，如成本低、易成形、变形小、强度高、耐久及无污染的成形材料。

(2)提高RP系统的加工速度和开拓并行制造的工艺方法。

(3)改善快速成形系统的可靠性，提高其生产率和制作大件能力，优化设备结构，尤其是提高成形件的精度、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)开发快速成形的高性能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)开发新的成形能源。

(6)快速成形方法和工艺的改进和创新。直接金属成形技术将会成为今后研究与应用的又—个热点。

(7)进行快速成形技术与CAD、CAE、RT、CAPP、CAM以及高精度自动测量、逆向工程的集成研究。

(8)提高网络化服务的研究力度，实现远程控制。

7面临问题

目前RP技术还是面临着很多问题，问题大多来自技术本身的发展水平，其中最突出的表现在如下几个方面。

工艺问题

快速成型的基础是分层叠加原理，然而，用什么材料进行分层叠加，以及如何进行分层叠加却大有研究价值。因此，除了上述常见的分层叠加成形法之外，正在研究、开发一些新的分层叠加成形法，以便进一步改善制件的性能，提高成形精度和成形效率。

材料问题

成型材料研究一直都是一个热点问题，快速成型材料性能要满足：①有利于快速精确的加工出成型；②用于快速成型系统直接制造功能件的材料要接近零件最终用途对强度、刚度、耐潮、热稳定性等要求；③有利于快速制模的后续处理。发展全新的RP材料，特别是复合材料，例如纳米材料、非均质材料、其他方法难以制作的材料等仍是努力的方向。

精度问题

目前，快速成形件的精度一般处于±0.1 mm的水平，高度（Z）方向的精度更是如此。快速成型技术的基本原理决定了该工艺难于达到与传统机械加工所具有的表面质量和精度指标，把快速成型的基本成形思想与传统机械加工方法集成，优势互补，是改善快速成型精度的重要方法之一[3]。

软件问题

目前，快速成型系统使用的分层切片算法都是基于STL文件格式进行转换的，就是用一系列三角网格来近似表示CAD模型的数据文件，而这种数据表示方法存在不少缺陷，如三角网格会出现一些空隙而造成数据丢失，还有由于平面分层所造成的台阶效应，也降低了零件表面质量和成形精度，目前，应着力开发新的模型切片方法，如基于特征的模型直接切片法、曲面分层法，即：不进行STL格式文件转换，直接对CAD模型进行切片处理，得到模型的各个截面轮廓，或利用反求工程得到的逐层切片数据直接驱动快速成型系统，从而减少三角面近似产生的误差，提高成形精度和速度。

能源问题

当前快速成型技术所采用的能源有光能、热能、化学能、机械能等。在能源密度、能源控制的精细性、成型加工质量等方面均需进一步提高。

应用领域问题

目前快速成型现有技术的应用领域主要在于新产品开发，主要作用是缩短开发周期，尽快取得市场反馈的效果。

由于快速成型技术的巨大吸引力，现在，不仅工业界对其十分重视，而且许多其他的行业都纷纷致力于它的应用和推广，在其技术向更高精度与更优的材质性能方向取得进展后.可以考虑加入生物医学、考古、文物、艺术设计、建筑成型等多个领域的应用，形成高效率、高质量、高精度的复制工艺体系。[

8 我国RP技术的发展及应用

快速原型是世界制造业的一次重大创新，是先进制造技术群中的重要组成部分。它集中了计算机辅助设计和制造技术、激光技术和材料科学技术，在没有传统模具和夹具的情况下，快速制造出任意复杂形状而又具有一定功能的三维实体模型或零件。快速原型与制造技术的推广应用将明显缩短新产品的上市时间，节约新产品开发和模具制造、修复的费用。美国、日本及欧洲发达国家已将快速成形技术应用于航空、航天、汽车、通讯、医疗、电子、家电、玩具、军事装备、工业造型（雕刻）、建筑模型、机械行业等领域。

而我国RP研究工作起步于90年代初。刚开始时技术引进较多，1994年以来，我国已有20余家企业或机构从国外引进RP机器，加快了企业的新产品开发、取得了巨大的经济效益。但由于引进价格昂贵，如美国3Dsystem公司生产的SLA250系统售价20万美元，SLA500价格高达40万美元，加之材料也依靠进口，使生产成本过高，往往是国内大多制造型企业无法承受的。

为了解决中国制造业对RP的迫切需求，1991年以来，在中国政府资助和支持下，一些高等院校和研究机构积极开展RP研究，并取得较大的进展。

我国最早在快速成型技术方面开展研究的科研机构主要有清华大学、西安交通大学、华中理工大学。这些科研机构早期在开发系统设备方面各有侧重。1992年，清华大学引进了当时先进的SLA-250光固化成形设备，成立了激光快速成形中心，开展快速成形技术的研究。研制出世界上最大的LOM双扫描成形机，已提供给国内的汽车制造企业，研制成功的多功能快速造型系统MRPMS已打入国际市场，自主开发的大型挤压喷射成形RP设备SSM1600SSM成形尺寸已达1600×800×750mm3，也居世界之首。

西安交通大学多年来一直致力于SLA的成型材料和设备的国产化，在卢秉恒院士的带领下，西交大自主研发出一套国内领先水平的快速成型系统，同时在成型材料等方面同样取得了重大突破，并已形成产业化生产，因此获1998年度国家科技进步一等奖、2000年教育部科技进步二等奖。华中理工大学从1991年开始，在政府的支持下开始进行RP技术研究，1994年开发成功LOM样机，到1997年就向市场推出商品化的LOM成型设备。目前，该单位已对LOM设备进行了系列化的开发，同时还成功地推出商品化的SLS

设备。华中理工大学还利用复膜技术快速制造铸模，翻制出了铝合金模具和铸铁模块。

此外，南京航天大学、上海交通大学、华北工学院、浙江大学等知名高校在该领域也做了许多工作。例如在基于快速成形技术的快速制造模具方面，上海交通大学开发了具有我国自主知识产权的铸造模样计算机辅助快速制造系统，为汽车行业制造了多种模具。

目前，部分国产RP设备已接近或达到美国公司同类产品的水平，价格却便宜得多，自主研发应用于快速成型的材料也逐步趋于完善，材料的价格更加便宜，等待投放市场后可以改善过于依赖进口材料的状况。我国已初步形成了RP设备和材料的制造体系。

国内的家电行业在快速成形系统的应用上，走在了国内制造型企业前列。如广东美的、科龙、江苏的春兰、小天鹅，青岛的海尔等，都先后采用快速成形系统来开发新产品，收到了很好的效果。近些年随着通讯事业在我国的高速发展，一些国内通讯巨头企业例如华为、中兴等公司也逐渐将快速成型技术引入到产品设计开发环节，使得公司对市场的响应效率、产品的竞争力提升了一个等级。

在模具制造业，快速成型技术同样起到了重要作用。利用快速成形技术制得的快速原型，结合硅胶模、金属冷喷涂、精密铸造、电铸、离心铸造等方法生产模具；快速成形件也可以直接或间接制得EDM电极，用于电火花加生产模具；快速成形技术制得的快速原型也可以直接作为模具。

近年来，在国家科学技术部的支持下，我国已经在深圳、天津、上海、西安、南京、重庆等地建立一批向企业提供快速成形技术的服务机构，并开始起到了积极的作用，推动了快速成形技术在我国的广泛应用，使我国RP技术的发展走上了专业化、市场化的轨道，为我国制造型企业的发展起到了支撑作用，提升了企业对市场的快速响应能力，提高了企业的竞争力，同时也为国民经济增长做出了重大贡献。

快速成形技术是一种具有广泛应用前景的正在不断完善的高新技术。随着市场竞争的日趋激烈，该技术将会被越来越多的企业所采用，对企业的发展，发挥越来越重要的作用，并将给企业带来直接的巨大经济效益。同时，快速成形技术作为一门多学科交叉的专业技术，其本身的发展，也将推动相关技术、产业的发展，因此大力推行发展我国快速成型技术，建立创新技术自我知识产权，对提升我国企业的民族品牌效应，矗立世界企业之林打下坚实的基础，同时对于拉动内需，降低现今全球金融风暴对我国实体经济的影响也会起到一部分积极的作用。

参考文献:

[1]荣烈润.制造技术新的突破——快速成型技术.机电一体化.2004（3）.

[2]王秀峰.快速原型技术.中国轻工业出版社.2001.

[3]孙大涌.先进制造技术.机械工业出版社.2000.