快速成型(RP)的原理方法及应用
快速成型(RP)技术是一种集计算机、数控、激光和材料技术于一体的先进制造技术。本文通过介绍快速成型系统的原理方法和特点，阐述其工艺特点及开发和应用，探讨快速成型技术在现代制造业中起到的重要作用和产生的巨大效益，分析快速成型技术的优点和缺点，并提出快速成型技术未来的发展方向和深远意义。
1前言
当今时代，制造业市场需求不断向多样化、高质量、高性能、低成本、高科技的方向发展，一方面表现为消费者兴趣的短时效和消费者需求日益主体化、个性化和多元化；另一方面则是区域性、国际市场壁垒的淡化或打破，要求制造业的厂商必须着眼于全球市场的激烈竞争。因此快速地将多样化、性能好的产品推向市场成为了制造业厂商把握市场先机的关键，由此导致了制造价值观从面向产品到面向顾客的重定位，制造战略重点从成本与质量到时间与响应的转移，也就是各国致力于CIMS(ComputerIntegratedManufactureSystem)、并行工程、敏捷制造等现代制造模式的研究与实践的原因。
快速成型(RapidPrototyping)技术正是在这种时代的需求下应运而生的。它是由三维CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的总称。它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。
2快速成型的原理及特点
快速成型技术采用离散/堆积成型原理，根据三维CAD模型，对于不同的工艺要求，按照一定厚度进行分层，将三维数字模型变成厚度很薄的二维平面模型。再将数据进行一定的处理，加入加工参数，产生数控代码，在数控系统控制下以平面加工方式连续加工出每个薄层，并使之粘结而成形。实际上就是基于“生长”或“添加”材料原理一层一层地离散叠加，从底到顶完成零件的制作过程。它是计算机辅助设计与制造技术、逆向工程技术、分层制造技术、材料去除成形、材料增加成形技术以及它们的集成的总称。快速成型技术系统的工作流程如图1所示：
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图1快速成型技术系统的工作流程
RP技术有以下特点及优越性：
(1)快速性，从CAD设计到完成原型制作通常只需几个小时到几十个小时，加工周期短，可节约70%时间以上。
(2)低成本，与产品的复杂程度无关，一般制作费用降低50%，特别适合新产品的开发和单件小批量零件的生产。
(3)制作原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用，可以制造树脂类、塑料类、纸类、石蜡类、复合材料以及金属材料和陶瓷材料的原型。
(4)适应于加工各种形状的零件，制造工艺与零件的复杂程度无关，不受工具的限制，可实现自由制造(FreeFormFabrication)，原型的复制性、互换性高。
(5)具有高柔性，采用非接触加工的方式，无需任何工夹具，即可快速成型出具有一定精度和强度并满足一定功能的原型和零件。
(6)高集成化，RP技术是集计算机、CAD/CAM、数控、激光、材料和机械等一体化的先进制造技术，整个生产过程实现自动化、数字化、与CAD模型具有直接的关联，所见即所得，零件可随时制造与修改，实现设计制造一体化。
(7)加工过程中无振动、噪声和废料，可实现无人值守长时间自动运行。
3目前快速成型的典型工艺及特点
迄今为止，国外、国内已经开发成功了十多种成熟的快速成型工艺，其中商品化比较好的主要有SLA、LOM、SLS、FDM、TDP等原理的快速成型系统。
3.1立体光固化成型法
立体光固化成型法(SLA，Stere-lithographyApparatus)以液态光敏树脂为原材料，在计算机控制下的紫外激光束按预定零件各分层截面的轮廓轨迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂层产生聚合（固化）反应，从而形成零件的一个薄层截面，最后将形成好的所有薄层截面进行固化以形成整体零件。
SLA工艺的优点是精度高，可以控制在0.01mm，表面质量好；原材料利用率接近100%，能够制造形状特别复杂、精细的零件；缺点是需要设计支撑，原材料价格昂贵，可以选择的材料种类有限，加工成本高；制件容易发生翘曲变形。
3.2分层实体制造法
分层实体制造法(LOM，LaminatedObjectManufacture)是将单层涂有热熔胶的纸片通过加辊加热粘结在一起，利用上方的激光切割器按照CAD分层模型所获数据，用激光束切割形成零件。该法无需设计支撑，只需切割轮廓，无需填充扫描，制件的翘曲变形小，制造加工成本低。但是表面质量差，废料分离麻烦，材料利用率低，种类有限，后处理难度大。
3.3选择性激光烧结法
选择性激光烧结法(SLS，SelectiveLaserSintering)是利用激光器对热塑粉末进行分层烧结固化堆积成形零件。其优点是原型件机械性能好，强度高；无需设计和构建支撑；成型材料选择性广泛，并且利用率高(100%)；缺点是制件精度低，表面粗糙，需要后处理。
3.4熔融沉积成型法
熔融沉积成型法(FDM，FusedDepositionModeling)是将丝状材料在喷头中加热至略高于熔点（比熔点高1℃左右），呈半流动状态，从喷头中挤压出来，很快凝固，形成精确的层，层层相叠，最后形成整体。其优点是材料利用率高，材料成本低，可选材料种类多，速度快。缺点是精度低，悬臂件需要支撑，且成型加工中易堵丝。
3.5三维印刷系统法
三维印刷系统(TDP，ThreeDimensionalPrinting)是使用专用粉末材料和粘结剂，用类似打印喷头在一层铺好的粉末材料上有选择地喷射粘结剂，在有粘结剂的地方粉末被粘结在一起，其他地方仍为粉末，这样层层粘结形成空间实体。TDP法的优点是成本低，速度块。主要问题是表面粗糙。
4快速成型技术的应用
快速成型技术的应用是不断提高RP技术发展的重要因素，目前RP技术已在工业造型、文化艺术、机械制造（汽车、摩托车）、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的应用。并且随着这一技术本身的发展，其应用将不断拓展。
4.1RP技术的实际应用主要集中在以下几个方面
(1)新产品开发过程中的设计验证与功能验证。在新产品造型设计过程中应用RP技术可以为设计开发人员建立一种崭新的产品开发模式，运用该技术能够快速、直接、精确地将设计思想模型转化为具有一定功能的实体模型（样件），可以方便验证设计人员的设计思想和产品结构的合理性、可装配性、美观性，及时发现设计中的问题并修改完善产品设计。这样不仅大大缩短了开发周期，降低了开发成本，使企业在激烈的市场竞争中占有了先机。就西安交通大学的西北RPM应用服务中心为例，他们运用RPM技术为TCL公司设计了多种新款手机样品，从工业造型设计到样品全过程仅用了7天时间，这用传统设计制造技术是无法实现的。
(2)单件、小批量和特殊复杂零件的直接生产。在机械制造领域里有些特殊复杂制件只需单件或少于50件的小批量生产，这样的产品通过制模再生产，成本高，周期长。RP技术以自身独有的特点可以直接成型生产，成本低，周期短。以北京隆源自动成型系统有限公司试制发动机涡轮2件为例，采用快速成型技术制造仅仅用了两天的时间就完成了用于生产的蜡型，传统工艺需要4个月。
(3)产品展示。RP原型是产品从设计到商品化各个环节中进行交流的有效手段。在全球经济经济化的今天，许多外向型企业都经常面临外商要求看样订货。如何在不可能开模试生产的情况下最快提供样品，抢占市场先机。在这种环境下，RP技术又体现了明显的优势。
(4)快速模具制造。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，提高生产效率，是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径。快速成型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。
4.2快速成型在福建省内的应用
快速成型技术在福建省内现代制造业中也起到的重要作用，产生的巨大效益，并得到了各级政府的支持，例：www.huisheliren.com由福建省机械科学研究院、集美大学工程训练中心和福建省生产力促进中心三方合作的《计算机集成制造技术公共服务平台》项目里，其中重要的一项就是关于产品的开速成型(RP)。其内容是：
(1)客户主动的快速成型数据可制造性评价。
(2)RP原型制作，主要采用了立体光固化成型法和熔融沉积成型法。
(3)功能零件制作及快速零件制造。
该项目在第六届中国海峡项目成果交易会上，展示了三维数字化设计制造核心技术。政府领导及大批参观者观看了快速扫描、快速成型、异地协同设计、模具分模、高速加工、五轴加工、模流分析、机构运动分析等的应用，不少企业代表兴趣浓厚。该平台通过快速成型技术缩短企业新产品开发时间，节约了新产品开发的费用，起到了很好的示范作用。
综上所述，随着快速成型制造技术在不断完善和成熟，将会各个领域内得到更广泛的推广和应用。
5快速成型制造技术的发展方向
RP技术虽然有其巨大的优越性，但是也有它的局限性，由于可成型材料有限，零件精度低，表面粗糙度高，原型零件的物理性能较差，成型机的价格较高，运行制作的成本高等，所以在一定程度上成为该技术的推广普及的瓶颈。
从目前国内外RP技术的研究和应用状况来看，快速成型技术的进一步研究和开发的方向主要表现在以下几个方面：
(1)大力改善现行快速成型制作机的制作精度、可靠性和制作能力，提高生产效率，缩短制作周期。尤其是提高成型件的表面质量、力学和物理性能，为进一步进行模具加工和功能试验提供平台。
(2)开发性能更好的快速成型材料。材料的性能既要利于原型加工，又要具有较好的后续加工性能，还要满足对强度和刚度等不同的要求。
(3)提高RP系统的加工速度和开拓并行制造的工艺方法。目前即使是最快的快速成型机也难以完成象注塑和压铸成型的快速大批量生产。将来的快速成型机需要向快速和多材料的制造系统发展，以便可以直接面向产品制造。
(4)开发用于快速成型的RPM软件。这些软件有快速高精度直接切片软件，快速造型制造和后续应用过程中的精度补偿软件，考虑快速成型原型制造和后续应用的CAD等。
(5)开发新的成型能源。目前大多数成型机都是以激光作为能源，而激光系统的价格和维修费用昂贵，并且传输效率较低。这方面也需要得到改善和发展。
(6)RPM与CAD、CAM、CAPP，CAE以及高精度自动测量、逆向工程的集成一体化。该项技术可以大大提高新产品的第一次投入市场就十分成功的可能性，也可以快速实现反求工程。
(7)研制新的快速成型方法和工艺。除了目前SLA、LOM、SLS、FDM外，直接金属成型工艺将是以后的发展焦点。
(8)提高网络化服务，进行远程控制，实现全球化异地协同合作。
6结束语
快速成型技术是一种正在不断完善的先进制造技术，具有广泛的应用前景。目前RP技术在欧美、日本等发达国家应用较为广泛，我国仅仅一些高等院校及有关厂家在吸收消化国外技术的基础上开发出了快速成型机，但是在质量和数量以及应用领域方面，都比不上国外。总之快速成型技术(RP)是当今制造业赢得市场的法宝，快速成型技术以其独特的优势和魅力，在制造业领域起到越来越重要的作用，并将给制造业带来深远的影响。
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