快速成型技术及在我国的发展

快速成型技术及在我国的发展发表时间：2010-02-04T09:45:51.670Z 来源：《中小企业管理与科技》2010年1月上旬供稿作者：罗庚[导读] 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罗庚（贵阳生产力促进中心快速成型服务中心）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0 引言在现代市场经济全球一体化背景下的今天，企业要在竞争日益激烈的市场经济中掌握先机，占据有利地位，需要有技术和产品上的创新，把握并引导市场的发展方向。

与此同时，对于市场的需求，企业需要做出快速的响应，切合当前需求，而现有的常规技术手段已经不能对市场的需求做出最快的反应。

与此同时快速制造技术的快速发展，体现了现代先进制造技术对全球制造业的支撑，通过应用快速成型技术企业能迅速响应市场需求，最快速度的抢占新兴市场。

企业需要通过采用快速成型技术来降低开发、生产成本、缩短研发周期、提高市场快速响应能力，保持强大的市场竞争力。

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 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：2.1 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。

2.2 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。

2.3 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。

2.4 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。

2.5 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。

2.6 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。

3 现阶段主流的RP工艺方法介绍3.1 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。

3.2 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。

3.3 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。

3.4 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。

4 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。