快速成型（RP）技术

快速成型（RP）技术简介

    RP技术是80年代后期发展起来的快速成型(Rapid Prototyping简称RP)技术，被认为是近年来制造技术领域的一次重大突破，其对制造业的影响可与数控技术的出现相媲美。RP系统综合了机械工程、CAD、数控技术，激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评价、修改及功能试验，有效地缩短了产品的研发周期。而以RP系统为基础发展起来并已成熟的快速模具工装制造( Quick Tooling)技术，快速精铸技术(Quick Casting)，快速金属粉末烧结技术(Quick Powder Sintering)，则可实现零件的快速成品。

    RP技术，迴异于传统的去除成型(如车、削、刨、磨)，拼合成型(如焊接)，或受迫成型(如铸、锻，粉末冶金)等加工方法，而是采用基于材料累积制造的思想，把三维立体看成是无数平行的、具有不同形状的层面的叠加，能快速制造出产晶原型。快速原型制造技术(RP)将计算机辅助设计(CAD)、辅助制造 (CAM)、计算机辅助控制(CHC)、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体，依据计算机上构成的产品三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓，激光选择性的切割一层层的纸(或固化一层层的液态树脂、烧结一层层的粉末材料或热喷头选择快速地熔覆一层层的塑料或选择性地向粉末材料喷射一层层粘结剂等)，形成各截面轮廓并逐步叠加成三维产品。目前，它已成为现代制造业的支柱技术，是实现并行工程、集成制造技术和技术开发的必不可少的手段之一。

与传统的切削加工方法相比，快速原型加工具有以下优点：
(1)可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件，如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，大大降低了新产品的开发成本和开发周期。
(2)属非接触加工，不需要机床切削加工所必需的刀具和夹具，无刀具磨损和切削力影响。　
(3)无振动、噪声和切削废料。
(4)可实现夜间完全自动化生产。
(5)加工效率高，能快速制作出产品实体模型及模具。

   由于RP技术给工业界带来巨大的效益。因而，它被誉为近十年来工业界的一项重大(革命性与突破性)的科技发展，1992年以前全世界总共装机为300台，而到1995年世界装机为1000台，分布于六大洲的40多个国家，这期间几乎以每年50%的速度增长。而从1995年到1996年4月，据美国 Dayton国际RP技术研讨会上一份报告统计台数增长为40%以上，而在设计开发，制造中使用过RP技术的厂商数目增长率为52%。

    用于快速原型制造的材料有：液态光敏树脂、粉末材料、热塑性材料和薄片材料等。快速原型制造按成形材料及技术的不同，发展了立体光刻造型法(SL)、粉末烧结法(SIS)、熔化凝结法(FDM)、薄层材料制造法(LOM)、三维印刷法(3DP)、逐层固化法(SGC)。

    自美国3D公司1988年推出第一台商品SLA快速成形机以来，已经有十几种不同的成形系统，其中比较成熟的有SLA、SLS、LOM和FDM等方法。其成形原理分别介绍如下：

（1）SLA快速成形系统的成形原理：
    成形材料：液态光敏树脂；
    制件性能：相当于工程塑料或蜡模；
    主要用途：高精度塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。
（2）SLS快速成形系统的成形原理：
    成形材料：工程塑料粉末；
    制件性能：相当于工程塑料、蜡模、砂型；
    主要用途：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。
（3）LOM快速成形系统的成形原理：
    成形材料：涂敷有热敏胶的纤维纸；
    制件性能：相当于高级木材；
    主要用途：快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。
（4）FDM快速成形系统的成形原理：
    成形材料：固体丝状工程塑料；
    制件性能：相当于工程塑料或蜡模；
    主要用途：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。

目前激光快速成型技术在制造业中已成熟地应用于以下领域:

产品设计评估与校审
    RP技术将CAD的设计构想快速、精确、而又经济地生成可触摸的物理实体。显然比将三维的几何造型展示于二维的屏幕或图纸上具有更高的直观性和启示性。正可谓“一图值千言，一物值千图”。因此，设计人员可以更快，更易地发现设计中的错误。更重要的是，对成品而言，设计人员可及时体验其新设计产品的使用舒适性和美学品质。RP生成的模型亦是设计部门与非技术部门交流的更好中介物。有鉴于此，国外常把快速成型系统作为CAD系统的外围设备，并称桌上型的快速成型机为“三维实体印刷机(3D Solid printer)”。

产品工程功能试验
    在RP系统中使用新型光敏树脂材料制成的产品零件原型具有足够的强度，可用于传热、流体力学试验，用某些特殊光敏固化材料制成的模型还具有光弹特性。可用于产品受载应力应变的实验分析。例如，美国GM在为其97年将推出的某车型开发中，直接使用RP生成的模型进行其车内空调系统、冷却循环系统及冬用加热取暖系统的传热学试验，较之以往的同类试验节省费用40%以上。Chrysler则直接利用RP制造的车体原型进行高速风洞流体动力学试验，节省成本达 70%。

厂家与客户或订购商的交流手段
    在国外，RP原型成为某些制造厂家争夺订单的手段。例如位于Detroit的一家仅组建两年的制造商，由于装备了2台不同型号的快速成型机及以此为基础的快速精铸技术，仅在接到Ford公司标书后的4个工作日内便生产出了第一个功能样件，从而在众多的竞争者中夺到了为Ford公司生产年总产值达300万美元发动机缸盖精铸件的合同；零一方面，客户总是更乐意对着实物原型“指手划脚”，提出其对产品的修改意见。因此，RP模型是设计制造商就其产品与客户交流沟通的最佳手段。

快速模具制造
    以RP生成的实体模型作模心或模套，结合精铸、粉末烧结或电极研磨等技术可以快速制造出企业生产所需要的功能模具或工装设备，其制造周期较之传统的数控切削方法可缩短30%～40%以上，而成本却下降35%～70%。模具的几何复杂程度愈高，这种效益愈显著。据一家位于美国Chicago的模具供应商(仅有20名员工)声称，其车间在接到客户CAD设计文件后1周内可提供任意复杂的注塑模具，而实际上80%模具则可在24～48小时内完工。

快速直接制造
    快速成型技术利用材料累加法亦可用来制造塑料、陶瓷、金属及各种复合材料零件。