快速成型技術(shù)是集機(jī)械潦寂、電子窖韧、光學(xué)掘鱼、材料等學(xué)科為一體的先進(jìn)制造技術(shù)之一翠蓄。論述了快速成型技術(shù)的起源，介紹了快速成型技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及其市場(chǎng)分布情況鸣拦。在闡述了各成型工藝在國(guó)內(nèi)外新進(jìn)展的基礎(chǔ)上抢纹，討論了該技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

　　20世紀(jì)80年代末葱妒、90年代初發(fā)展起來(lái)的快速成型（Rapid Prototyping&Manu facturing：RP）技術(shù)谚剿，突破了傳統(tǒng)的加工模式，是近20年制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破连锯。它與科學(xué)計(jì)算可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)相結(jié)合归苍，為設(shè)計(jì)者、制造者與用戶之間提供了一種可測(cè)量运怖、可觸摸的新手段拼弃。快速成型技術(shù)可以自動(dòng)摇展、快速吻氧、直接、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)化為具有一定功能的原型或直接制造零件（模具）咏连，有效地縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期盯孙，是提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮減產(chǎn)品成本的有力工具捻勉。它的核心是基于數(shù)字化的新型成型技術(shù)镀梭。快速成型技術(shù)對(duì)制造企業(yè)的模型踱启、原型及成型件制造方式正產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

　　RP系統(tǒng)可分為兩大類(lèi)：基于激光或其它光源的成型技術(shù)研底，如：立體光造型（Stereo lithography：SL）庵恨、迭層實(shí)體制造（Laminated Object Manufacturing：LOM）、選擇性激光燒結(jié)（Selected Laser Sintering：SLS）、形狀沉積制造（Shape Deposition Manufacturing：SDM）等诀烫；基于噴射的成型技術(shù)榔况，如：熔融沉積制造（Fused Deposition Modeling：FDM）、三維打印制造（Three Dimensional Printing：3DP）等勃拢。

　　1 RP起源

　　1979年钩榄，東京大學(xué)的中川威雄教授利用分層技術(shù)制造了金屬?zèng)_裁模、成型模和注塑模后涛。20世紀(jì)70年代末到80年代初武也，美國(guó)3M公司的AlanJ. Hebert（1978年）、日本的小玉秀男（1980年）口愁、美國(guó)UVP公司的Charles W. Hull（1982年）和日本的丸谷洋二（1983年）耿逐，各自獨(dú)立地首次提出了RP的概念，即利用連續(xù)層的選區(qū)固化制作三維實(shí)體的新思想鸿挠。 Charles W. Hull在UVP的資助下醇舶，完成了第1個(gè)RP系統(tǒng)Stereo lithography Apparatus（SLA），并于1986年獲得專(zhuān)利宋梧，這是RP發(fā)展的一個(gè)里程碑匣沼。隨后許多快速成型概念、技術(shù)及相應(yīng)的成型機(jī)也相繼出現(xiàn)捂龄。

　　2 RP技術(shù)應(yīng)用及其市場(chǎng)

　　快速成型術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于家電肛著、汽車(chē)、航空航天跺讯、船舶枢贿、工業(yè)設(shè)計(jì)、醫(yī)療等領(lǐng)域刀脏。藝術(shù)局荚、建筑等領(lǐng)域的工作者也已開(kāi)始使用RP設(shè)備。根據(jù)14個(gè)RP設(shè)備供應(yīng)商和43個(gè)RP服務(wù)商的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)愈污，所有RP模型的近41%用于裝配和功能型零件耀态；約27%用于工程、工具制造暂雹、報(bào)價(jià)和投標(biāo)首装；約23%用于原型模具、金屬鑄造及模芯制造衔耕。隨著RP技術(shù)本身的發(fā)展和完善赊偿，其應(yīng)用領(lǐng)域在不斷拓展。

　　截至2001年7月悬鲜，全球共有355家RP服務(wù)機(jī)構(gòu)绅鉴，30家設(shè)備制造商，12家材料供應(yīng)商，35家咨詢(xún)機(jī)構(gòu)既蛙，14家專(zhuān)門(mén)的軟件供應(yīng)商仲侈，67個(gè)教育及研究機(jī)構(gòu)。分布于全球58個(gè)國(guó)家的RP系統(tǒng)有6755臺(tái)套蓖社。根據(jù)其中6521個(gè)系統(tǒng)的分布情況統(tǒng)計(jì)出：北美（主要是美國(guó)）占45.3%秆惑，亞洲/環(huán)太平洋地區(qū)占28.6%，歐洲占24.6%衍止，其它地區(qū)只占1.5%哗蛋。近年來(lái)，采用RP設(shè)備最積極的地區(qū)是東亞（尤其是韓國(guó)能真、香港赁严、新加坡）。

　　3 快速成型技術(shù)的國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

　　美國(guó)是世界上最重要的RP設(shè)備生產(chǎn)國(guó)粉铐，1999年美國(guó)生產(chǎn)的RP設(shè)備占全世界的8l.5%疼约，美國(guó)的RP發(fā)展水平及其趨勢(shì)基本代表了世界的RP發(fā)展水平及趨勢(shì)。

　　3.1 立體光造型

　　1999年3DSystems公司推出SLA27000機(jī)型蝙泼，掃描速度可達(dá)9.52m/s程剥，層厚最小可達(dá)0.025mm。AUTOSTRADE公司（日本）開(kāi)發(fā)了以680nm左右波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器為光源的RP系統(tǒng)汤踏，及針對(duì)該波長(zhǎng)的可見(jiàn)光樹(shù)脂织鲸。提供光固化樹(shù)脂的有瑞士Ciba公司、日本旭電化公司溪胶、美國(guó)Dupont公司等搂擦。

　　3.2 迭層實(shí)體制造

　　Helisys公司研制出多種LOM工藝用的成型材料，可制造用金屬薄板制作的成型件哗脖。該公司還與Dayton大學(xué)合作開(kāi)發(fā)基于陶瓷復(fù)合材料的LOM工藝瀑踢。蘇格蘭的Dundee大學(xué)使用CO2激光器切割薄鋼板，使用焊料或粘接劑制作成型才避。日本Kira公司PLT2A4成型機(jī)采用超硬質(zhì)刀具切割和選擇性粘接的方法制作成型件咱茂。澳大利亞的Swinburn工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)了用于LOM工藝的金屬2塑料復(fù)合材料。

　　3.3 選擇性激光燒結(jié)

　　DTM公司推出了系列Sinterstation成型及多種成型材料棕优，其中Somos材料具有橡膠特性缴碉，耐熱、抗化學(xué)腐蝕佣虑，用該材料制造出了汽車(chē)上的蛇形管叁乍、密封墊等柔性零件。EOS公司研制了PA3200GF尼龍粉末材料艇线，用其制作的零件具有較高的精度和表面光潔度剧鹏。

　　3.4 熔融沉積制造

　　Stratasys公司推出FDM系列成型機(jī)热轨，可使用兩個(gè)噴頭同時(shí)造形游鹿，制作速度快盔惑。1999年推出使用熱塑性塑料的Genisys成型，并開(kāi)發(fā)出水溶性支撐材料义誓，解決了復(fù)雜及小型孔洞中的支撐材料難以去除的問(wèn)題律坎。

　　3.5 三維打印

　　美國(guó)的Z Corp與日本的Riken Institute于2000年研制出基于噴墨打印技術(shù)的、能制作出彩色原型件的RP設(shè)備蟋定。該系統(tǒng)采用4種不同的顏色能產(chǎn)生8種不同的色調(diào)粉臊，原型件可表現(xiàn)出三維空間內(nèi)的熱應(yīng)力分布情況，切割開(kāi)原型驶兜，即可發(fā)現(xiàn)原型內(nèi)的溫度和應(yīng)力變化情況扼仲，這對(duì)于原型的有限元分析尤其實(shí)用。荷蘭的TNO和德國(guó)的BMT也在研究RP彩色制造技術(shù)抄淑。

　　美國(guó)Sanders Prototype Inc的基于熱熔金屬?lài)娚浼夹g(shù)的Pattern Master是制作速度最快的RP設(shè)備之一屠凶。制作范圍為300mm×150mm×220mm，用戶可實(shí)時(shí)制作原型肆资、驗(yàn)證設(shè)計(jì)矗愧，隨后即可得到成型件。成型件的表面精度為0.08mm～0.16mm郑原。

　　德國(guó)的Generis Generative Systeme于2001年推出基于噴墨打印的設(shè)備唉韭，先在每層沙（或蠟）上噴射粘接劑（平鋪），再選擇性噴射反應(yīng)物犯犁，該設(shè)備的制作速度比其它選擇性激光燒結(jié)設(shè)備快10倍以上属愤。設(shè)備制作零件的范圍為1.5m×0.75m×0.75m，制作速度為0.008m3/h口迟。

　　以色列的Object Geometries 公司2000年底推出3維打印機(jī)系列的RP設(shè)備2Quadra建造零件尺寸為270mm×320mm×200mm岗命。Quadra用了1536個(gè)噴頭選擇性沉積樹(shù)脂，安裝在噴頭前后的紫外燈固化噴射出的液態(tài)樹(shù)脂斧与。

　　3.6 其它RP技術(shù)

　　美國(guó)Michigan 的Precision Optical Manufacturing（POM）公司正在研制直接金屬成型（Direct Metal Deposition：DMD）技術(shù)行忘，用激光融化金屬粉末，能一次制作出質(zhì)地均勻筋劣、強(qiáng)度高的金屬零件牡徘。

　　由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）資助而開(kāi)發(fā)的精密RP設(shè)備可用來(lái)加工航空、醫(yī)療等領(lǐng)域用的精密零件正脸，制造尺寸范圍為450mm×300mm×300mm式伶，零件的微細(xì)特征可小于12μm，表面精度小于1μm鄙叼，售價(jià)為150000美元左右贡金。

　　德國(guó)的研究機(jī)構(gòu)則利用SL與真空注塑相結(jié)合制造微陶瓷零件壕归，精度為0.1mm。Oxford大學(xué)和Ford Motor公司正研制通過(guò)在低成本的陶瓷模具上噴射熔融的合金鋼而制作大型零件的RP設(shè)備衅侥，F(xiàn)ord公司宣稱(chēng)該新型噴射成型工藝將縮短產(chǎn)品研發(fā)的工序（從12個(gè)工序到5個(gè)工序）和時(shí)間（從15～25周到3～5周）癞季。

　　3.7 RP軟件

　　RP軟件主要具備CAD模型數(shù)據(jù)處理及成型機(jī)控制功能，它對(duì)成型零件的精度倘潜、系統(tǒng)的性能等方面都有很大影響绷柒。幾乎每一套商用RP系統(tǒng)都有自己的RP軟件。因此涮因，市場(chǎng)上的RP軟件多種多樣废睦。表1中列出了功能較強(qiáng)、較為常用的幾種RP軟件养泡。

　　但目前RP軟件系統(tǒng)還存在以下問(wèn)題：

　∈扰取（1）RP軟件無(wú)標(biāo)準(zhǔn)化。絕大多數(shù)的RP系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商都開(kāi)發(fā)與自己的RP系統(tǒng)相匹配的軟件系統(tǒng)澜掩，市場(chǎng)上RP軟件互不兼容购披，不同RP系統(tǒng)間相互交換數(shù)據(jù)非常困難。

　∈湎酢（2）RP軟件二次開(kāi)發(fā)難今瀑。目前的RP軟件都隨機(jī)安裝，用戶無(wú)法按照自己的具體要求進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)点把。

　￠佘（3）價(jià)格昂貴，功能單一氢碰。RP軟件的專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)商提供的RP軟件價(jià)格都十分昂貴克酿，多在1萬(wàn)美元左右，而且僅限于數(shù)據(jù)處理模塊申广，大多只具備模型顯示限匕、加支撐、切片东六、糾錯(cuò)等基本功能困荤，后續(xù)的成型機(jī)控制模塊則需用戶自行解決。

　　4 國(guó)內(nèi)RP技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

　　國(guó)內(nèi)有多所高校自20世紀(jì)90年代初開(kāi)始進(jìn)行RP技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)待讲。清華大學(xué)主要研究RP方面的現(xiàn)代成型學(xué)理論捎鹤、SSM（Slicing Solid Manufacturing）、FDM工藝殃烤，并開(kāi)展了基于SL工藝的金屬模具的研究亡荞；華中科技大學(xué)研究LOM工藝，推出了HRP系列成型機(jī)和成型材料情誊；西安交通大學(xué)開(kāi)發(fā)出LPS和CPS系列的光固化成型系統(tǒng)及相應(yīng)樹(shù)脂水孩，CPS系統(tǒng)采用紫外燈為光源镰矿，成型精度0.2mm。

　　但RP技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用還不十分廣泛俘种，目前僅限于大型企業(yè)和少部分科研院所秤标。國(guó)內(nèi)已成立多家RP服務(wù)中心，開(kāi)始應(yīng)用RP技術(shù)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品安疗。

　　香港較內(nèi)地RP技術(shù)起步較早抛杨，香港生產(chǎn)力促進(jìn)局和香港科技大學(xué)够委、香港理工大學(xué)荐类、香港城市大學(xué)等都擁有RP設(shè)備，但其重點(diǎn)是RP技術(shù)應(yīng)用與推廣而不是研制RP設(shè)備茁帽。臺(tái)灣大學(xué)擁有LOM設(shè)備玉罐，臺(tái)灣各單位及軍方安裝多臺(tái)進(jìn)口SL系列設(shè)備。

　　目前國(guó)內(nèi)在RP技術(shù)的研究應(yīng)用上存在著研究隊(duì)伍比較薄弱潘拨，資金投入有限吊输，應(yīng)用普及范圍不夠，沒(méi)有統(tǒng)一協(xié)調(diào)的管理機(jī)制等缺陷铁追。

　　5 快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 

　　長(zhǎng)期以來(lái)季蚂，不斷有一些學(xué)者和專(zhuān)家對(duì)RP的發(fā)展持觀望和懷疑態(tài)度，尤其是在1998年受全球經(jīng)濟(jì)的不景氣所影響溺硼，RP工業(yè)出現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)甚至某些方面為負(fù)增長(zhǎng)肥刻。對(duì)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業(yè)進(jìn)展報(bào)告》中指出邪涕，RP工業(yè)將會(huì)在未來(lái)幾年發(fā)生巨大的變化茄溢，主要體現(xiàn)在新技術(shù)、新工藝及信息網(wǎng)絡(luò)化等方面椭集。

　　5.1 開(kāi)發(fā)概念模型機(jī)或臺(tái)式機(jī)

　　目前蝉狭，RP技術(shù)向兩個(gè)方向發(fā)展：工業(yè)化大型系統(tǒng)，用于制造高精度咳龄、高性能零件撞恰；自動(dòng)化的桌面小型系統(tǒng)，此類(lèi)系統(tǒng)稱(chēng)為概念模型機(jī)或臺(tái)式機(jī)迎反，主要用于制造概念原型审服。發(fā)達(dá)國(guó)家許多科研機(jī)構(gòu)（如IBM公司）及教育單位（中等職業(yè)學(xué)校甚至中小學(xué)）已經(jīng)開(kāi)始購(gòu)買(mǎi)此種小型RP設(shè)備，并極有可能進(jìn)入家庭舔艾。美國(guó)通用汽車(chē)公司也計(jì)劃為其每位工程師配備一臺(tái)此類(lèi)設(shè)備磺浙。

　　采用桌面RP系統(tǒng)制造的概念原型，可用于展示產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整體概念徒坡、立體型態(tài)布局安排撕氧，進(jìn)行產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的宣傳瘤缩，作為產(chǎn)品的展示模型、投標(biāo)模型等使用伦泥。

　　5.2 開(kāi)發(fā)新的成型能源

　　SL剥啤、LOM、SLS等快速成型技術(shù)大多以激光作為能源不脯，而激光系統(tǒng)（包括激光器府怯、冷卻器、電源和外光路）的價(jià)格及維護(hù)費(fèi)用昂貴防楷，致使成型件的成本較高牺丙，于是許多RP研究集中于新成型能源的開(kāi)發(fā)。目前已有采用半導(dǎo)體激光器复局、紫外燈等低廉能源代替昂貴激光器的RP系統(tǒng)冲簿，也有相當(dāng)多的系統(tǒng)不采用激光器而通過(guò)加熱成型材料堆積出成型件。

　　5.3 開(kāi)發(fā)性能優(yōu)越的成型材料

　　RP技術(shù)的進(jìn)步依賴(lài)于新型快速成型材料的開(kāi)發(fā)和新設(shè)備的研制屏糊。發(fā)展全新的RP材料吓缴，特別是復(fù)合材料，如納米材料唯诞、非均質(zhì)材料少迁、其它傳統(tǒng)方法難以制作的復(fù)合材料已是當(dāng)前RP成型材料研究的熱點(diǎn)。目前國(guó)外RP技術(shù)的研究重點(diǎn)是RP成型材料的研究開(kāi)發(fā)及其應(yīng)用植嚼，美國(guó)許多大學(xué)里進(jìn)行RP技術(shù)研究的科技人員多數(shù)來(lái)自材料和化工專(zhuān)業(yè)遏貌。

　　5.4 研究新的成型方法與工藝

　　在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，拓寬RP技術(shù)的應(yīng)用晰等，開(kāi)展新的成型技術(shù)的探索然怕。新的成型方法層出不窮，如三維微結(jié)構(gòu)制造歉莫、生物活性組織的工程化制造鱼灶、激光三維內(nèi)割技術(shù)、層片曝光方式等张绊。對(duì)于RP微型制造的研究主要集中于：RP微成型機(jī)理與方法信高、RP系統(tǒng)的精度控制、激光光斑尺寸的控制以及材料的成型特性等方面涛贯。目前制作的微零件僅是概念模型诽嘉，并不能稱(chēng)之為功能零件，更談不上微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）弟翘。要達(dá)到MEMS還需克服很多的問(wèn)題虫腋，如：隨著尺寸的減小，表面積與體積之比相對(duì)增大稀余，表面力學(xué)悦冀、表面物理效應(yīng)將起主導(dǎo)作用趋翻；微摩擦學(xué)、微熱力學(xué)盒蟆、微系統(tǒng)的設(shè)計(jì)踏烙、制造、測(cè)試等历等。

　　5.5 集成化

　　生物科學(xué)讨惩、信息科學(xué)、納米科學(xué)寒屯、制造科學(xué)和管理科學(xué)是21世紀(jì)的5個(gè)主流科學(xué)荐捻，與其相關(guān)的五大技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)將改變世界，制造科學(xué)與其它科學(xué)交叉是其發(fā)展趨勢(shì)嘱庸。RP與生物科學(xué)交叉的生物制造空崇、與信息科學(xué)交叉的遠(yuǎn)程制造、與納米科學(xué)交叉的微機(jī)電系統(tǒng)等都為RP技術(shù)提供了發(fā)展空間滥尉。并行工程（CE）、虛擬技術(shù)（VT）精克、快速模具（RT）昼反、反求工程（VR）、快速成型（RP）硅魁、網(wǎng)絡(luò)（Internet塔奋、Intranet）相結(jié)合而組成的快速反應(yīng)集成制造系統(tǒng)，將為RP的發(fā)展提供用力的技術(shù)支持枯昂。

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