快速成型，或者說快速制造紊婉，已經(jīng)成為一項能夠縮短產(chǎn)品設計和研發(fā)時間的關(guān)鍵性可行技術(shù)药版。 而在當今的市場環(huán)境中，快速的產(chǎn)品設計喻犁，新品研發(fā)及產(chǎn)品升級槽片，搶先上市往往能夠帶來巨大的競爭優(yōu)勢。 這就是為什么越來越多的公司開始采用能夠讓他們在傳統(tǒng)方法無法企及的更短的時間周期內(nèi)設計肢础、制造產(chǎn)品的快速成型技術(shù)还栓。來自新加坡的法如科技 亞太區(qū)高級應用工程師呂輝平為我們做出了詳細的講解——編者按

快速成型的發(fā)展

　 “快速成型”或“無模制造”是廣為接受的自動化制造技術(shù)術(shù)語，具體指的是以三維計算機模型的數(shù)據(jù)和幾何結(jié)構(gòu)為基礎制造尺寸正確的非生產(chǎn)目的實體零件和組件埂体。通俗地講氓暖，它是利用三維計算機輔助設計數(shù)據(jù)進行實體零件或組件的比例模型的快速制造所采用的一系列技術(shù)。這對于工程師而言是十分有益的洛续，它讓工程師可以更好地理解他們正在設計的產(chǎn)品账姜，并為他們在與其他人溝通時提供可視化輔助。利用快速成型技術(shù)可在設計過程中較早地發(fā)現(xiàn)設計難題绞宿，從而節(jié)省時間和成本插涛。

　 在上世紀 60 年代末，出現(xiàn)了可進行系統(tǒng)開發(fā)的自動化制造工藝鞋伸，促進了計算機技術(shù)的發(fā)展叉弱，避免了在真正設計出所需對象之前制造較大體積實物而造成的大量材料浪費。上世紀 90 年代艰欲，出現(xiàn)了一種不同的設計制造方法——即以熔融材料制造出三維尺寸和形狀正確的物體庐冤，即我們現(xiàn)在稱之為“快速成型”的工藝誕生了。首批快速成型技術(shù)出現(xiàn)于上世紀 80 年代末破罐，當時被用于制造模型和原型零件泡徙。如今，該技術(shù)的應用更加廣泛呐籽，甚至可用于制造數(shù)量相對較少的生產(chǎn)質(zhì)量零件
　 制造業(yè)從初期至今锋勺，傳統(tǒng)機加工/制造技術(shù)包括車削蚀瘸、鏜削狡蝶、鉆削、銑削、鋸削贪惹、刨削苏章、鉸削、攻絲甚至電火花加工等各種工藝奏瞬，在此過程中通過材料去除加工將原材料切削成所需的最終形狀枫绅、幾何結(jié)構(gòu)和尺寸。
快速成型技術(shù)及其應用
　 早期的傳統(tǒng)機加工方法可稱為“減成法”工藝硼端，大多數(shù)加工采用材料去除工藝并淋，并不涉及信息科技中的基于模型定義的方法。而在隨后的制造工藝中出現(xiàn)了在計算機輔助制造 (CAM) 中使用計算機輔助設計 (CAD) 模型以用于設置數(shù)控機床 (CNC) 的刀具運動路徑的技術(shù)珍昨，這一技術(shù)為現(xiàn)代工業(yè)奠定了基礎县耽。
　 早期的制造業(yè)中，所有產(chǎn)品設計構(gòu)思通常都要借助圖紙和實體模型進行问锋，因此要求工匠徒浸、設計師或工程師采用黏土或木頭來構(gòu)建模型，而且往往需要耗費大量時間和高昂成本才能制造出高精度產(chǎn)品或組件以用作初始原型描琉。從那以后躯琐，工業(yè)上開始出現(xiàn)了一些不同的“快速成型”技術(shù)。直至最近穴厅，零件或組件的快速成型才開始采用“加成法制造”工藝囊古，即所謂的三維打印技術(shù)。
　 這是一種利用計算機模型和加成法構(gòu)建三維實體的工藝盹火。在加工過程中嗅桑，物體通過分層制造、材料逐層疊加的方式制造嵌障，即這一技術(shù)采用順序?qū)盈B工藝構(gòu)建物體放余。以加成法制造的物體可用于產(chǎn)品生命周期的全過程——從預生產(chǎn)（即快速成型）到規(guī)模化生產(chǎn)（即快速制造）畦盏，還可用于模具應用和生產(chǎn)后定制征炼。三維打印快速成型通常由一臺采用數(shù)字技術(shù)的材料打印機執(zhí)行。
 
　 與大量依賴于切削躬贡、鉆削等材料去除工藝的傳統(tǒng)機加工技術(shù)（減成法工藝）不同谆奥，出現(xiàn)于本世紀初的三維打印技術(shù)由于其明顯優(yōu)勢已得到越來越廣泛的應用。這一技術(shù)的采用導致了投資成本的大幅下降拂玻∷嵝快速成型是“快速制造”技術(shù)之一，是最早的加成法技術(shù)之一檐蚜，目的是減少前導時間和新零件和設備的原型制造成本魄懂，而這些步驟在以前只能通過刀具室減成法實現(xiàn)（通常是緩慢而且昂貴的）沿侈。隨著加成法制造技術(shù)的發(fā)展，加成法已經(jīng)以創(chuàng)新甚至是不可思議的方式進入制造業(yè)的產(chǎn)出端市栗。以前只能以減成法制造的零件缀拭，現(xiàn)在在某些情況下可以通過加成法以更加低成本的方式制造。該技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)階段具有廣泛應用填帽，例如對根據(jù)尺寸校正原型零件制造的組件進行運行完整性測試蛛淋。
觸覺式三維模型或裝配測試原型：
　 能夠在產(chǎn)品開發(fā)過程中較早地發(fā)現(xiàn)和解決大部分問題，可進行干擾檢驗蔗须，對材料性質(zhì)與生產(chǎn)零件相近的產(chǎn)品進行強度和抗疲勞測試羊脾。
結(jié)構(gòu)張力和熱應力分析，能夠較早地進行實體模型測試程序玛耿，為有限元分析 (FEA) 提供補充數(shù)據(jù)蜈坛。模擬下游制造工藝，加速工藝規(guī)劃坞鲁、設計審批進程啦铣。

　 該技術(shù)的應用越來越廣泛，包括設計可視化萄撇，比如藝術(shù)和設計方面圈烘，藝術(shù)家能夠借助它進行復雜的藝術(shù)實驗，從而支持和提高他們的創(chuàng)造力该眨。有時筋氮，“快速成型”模型的高成本意味著模型尺寸方面存在著嚴格的限制，但是兢糯，隨著最近該技術(shù)的迅速發(fā)展心唆，它已變得越來越具成本效益，因此勘天，許多藝術(shù)應用都可以采用“快速成型”技術(shù)怔揩。其他方面的應用也在迅速發(fā)展，如國內(nèi)裝飾品和業(yè)余愛好者的使用等脯丝，有創(chuàng)意的企業(yè)家受到激勵商膊，不斷地發(fā)掘廣大消費者的需求，向他們推出 iPhone 和 iPad 外殼設計等定制服務宠进，顧客只需要簡便地通過網(wǎng)絡就能夠訂購由三維打印技術(shù)生產(chǎn)的獨一無二的產(chǎn)品晕拆。

　 這也催生了大量為消費者和工業(yè)應用提供在線三維打印服務的公司。此類服務需要客戶將三維設計上傳至在公司網(wǎng)站材蹬。隨后這些公司使用工業(yè)三維打印機對這些設計進行三維打印实幕，并將成品寄送給客戶。最近開發(fā)出的快速成型打印產(chǎn)品堤器，可使用不同類型的材料昆庇，可進行藥品甚至是巧克力加工末贾。另一種廣泛使用的應用是熔模和真空澆注的形狀構(gòu)建，快速成型模型構(gòu)建可用于鑄造工藝凰锡，生產(chǎn)出能夠承受各種類型的應力（如溫度或壓力）的組件。對于數(shù)量少且設計復雜的零件甚至是需要廢棄的 OEM 組件而言嘶款，這是具有成本效益的替代方案忿脉，
 
　 讓我們一起看個例子，了解構(gòu)建新模具的過程：
 
　 首先居删，最終產(chǎn)品是已完成設計的或是已完成激光掃描的實體模型稻悟，從而能夠使用 CAD 軟件進行設計優(yōu)化，或者利用其他辦法來構(gòu)建以作為首件物品榄兑。如果對于復雜曲面有較多要求碉榔，或者需要在數(shù)字模型中包括澆注系統(tǒng)和冒口，則對于需要作出更改的部位而言马窘，激光掃描技術(shù)是將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字模型的實用工具拄央。然后便可使用可溶解材料進行快速成型模型的三維打印。砂模鑄造開始寡专，快速成型模型將在砂模固化過程中發(fā)生熔化而在砂模內(nèi)形成真空模腔存睬，此時可往模腔內(nèi)注入熔融金屬。最后打開砂模茧伍，取出鑄件并進行裝配栽逸。

快速成型的巨大優(yōu)勢 
　 以數(shù)字格式捕獲實體設計和原型，重制遺留的零件和模具咽安，復制復雜和有機的形狀伴网，制備用于計算機輔助工程應用的已建模型，支持獨特組件的大規(guī)模定制（牙科妆棒、助聽器等應用）澡腾。與使用傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)相比：傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)通常會產(chǎn)生大量廢料或造成大量浪費，還伴有嚴重的刀具磨損糕珊，最終導致高昂的模具更換成本蛋铆；高昂的設備投入成本，如機加工中心放接、計算機輔助制造軟件等刺啦，制造小體積高混合產(chǎn)品更具成本效益，通常需要熟練技工纠脾，尤其在生產(chǎn)復雜零件時玛瘸，形狀復雜程度有限，不必使用圖紙苟蹈。

　 加成制造利用計算機輔助設計的虛擬藍圖或建模軟件的掃描儀數(shù)據(jù)糊渊，將它們“切片”為數(shù)字橫截面旋钓，從而為之后的打印過程提供路徑指示。取決于所使用的機器舆骚，材料或粘合材料在構(gòu)建基床或平臺上不斷沉積鱼谅，直至材料/粘合料層疊加工全部完成，從而最終完成三維模型打印悉歼。

快速成型技術(shù)要求
 
　 CAD 軟件和機器之間的標準數(shù)據(jù)接口為 STL 文件格式益若。通常也可接受 .vrml (wrl)、.obj洁操、.zpr打气、.ply 等格式。STL 文件使用三角形單元來逼近零件的形狀蛋揖。逼近單元越小巡住，曲面質(zhì)量就越高。PLY 是掃描儀生成的輸入文件格式溶孽，而 VRML（或 WRL）文件則通常用作三維打印技術(shù)的輸入趴贝，可打印全彩色模型。
 
　 執(zhí)行打印時沽怪，機器讀取設計數(shù)據(jù)茉唉，根據(jù)一系列的橫截面形狀使用液體、粉末或金屬片進行逐層疊加结执，從而構(gòu)建模型度陆。這些與 CAD 模型的虛擬橫截面相對應的材料層，通過粘合或自動熔合成為一體献幔，最終構(gòu)建為所需的形狀懂傀。這一技術(shù)的主要優(yōu)點是它幾乎可以制造出任何形狀或幾何結(jié)構(gòu)。

　 第二種構(gòu)建快速成型模型的技術(shù)稱為選擇性激光燒結(jié)成型 (SLS)蜡感。
 
　 它使用一種細粉末蹬蚁，在二氧化碳激光加熱下，微粒表面張力被破壞郑兴，使其熔合在一起犀斋。在粉末燒結(jié)之前，整個基床被加熱至比材料的熔點稍低的溫度情连，目的是確保最小的熱形變和利于與前一層的熔合叽粹。激光經(jīng)過調(diào)制，使得只有直接接觸到激光束的晶粒受到影響却舀。使用激光束對粉末基床上的一層材料進行燒結(jié)盼饼。之后，基床下降了灾，粉末喂料盒上升豺啦，一個反向放置的輥子將一層粉末均勻地平鋪于構(gòu)建區(qū)域冒衍。燒結(jié)材料形成零件，而未燒結(jié)材料則保留下來以為結(jié)構(gòu)提供支撐肛劈，且在構(gòu)建完成后可被清除和回收利用搭屿。
 
　 選擇性激光燒結(jié)成型工藝廣泛用于制造聚酰胺模型以進行功能性測試。聚酰胺零件 SLS 制造在需要制造少數(shù)零件時（一至五個）通常具有較好的成本效益遗时。通常也使用普通材料探龟，例如熱塑性塑料，金屬或陶瓷粉末襟笋。

　 第三種方法稱為“熔融沉積成型”嫡贷。FDM 系統(tǒng)包括兩個可移動的工作頭（一個用于構(gòu)建零件途居，一個用作支撐）抵肌，其作用是將長條狀熔融材料沉積于基板上。材料被加熱至稍高于其熔點的溫度袍镀，使得其能夠在擠出之后立刻固化默蚌，從而冷焊至前一層。

　 前面提到苇羡，三維計算機輔助設計造型是支撐這項高效率工程的另一主要使能技術(shù)绸吸。如果各項設計和制造活動同時展開，則可以壓縮整個產(chǎn)品開發(fā)時間设江。如此可提供更多時間進行設計迭代锦茁，從而有利于工程師充分發(fā)揮想象力。三維模型成為整個產(chǎn)品或項目信息基地的核心叉存，使得所有設計码俩、分析和制造活動可以利用相同的數(shù)據(jù)。因而即不會發(fā)生重復也不存在誤解歼捏。通過這種方式捕獲的產(chǎn)品信息可以進行拷貝和重復使用稿存，非常方便用于各種下游應用。
　 快速成型數(shù)據(jù)格式通常接受 .vrml (.wrl)瞳秽、.obj瓣履、.zpr、.stl练俐、.ply 等文件擴展名靡玲。從零開始創(chuàng)建數(shù)字模型的一種方式是進行激光掃描，使用三維掃描技術(shù)還可對實體對象進行復制锡锐。 尤其是珍稀脆弱的文物慢筝，直接接觸成型物質(zhì)可能會損害原物件的表面，因此采用成型技術(shù)通常比較昂貴北捣、棘手或者會對文物造成很大影響贮秤。

FARO 供應各種型號的激光掃描儀
 
　 激光掃描測頭安裝于一個鉸接測量臂的端部構(gòu)成了 ScanArm 激光掃描臂廷共。典型的激光掃描臂的工作容積為 1.8 – 3.7 m（6 – 12 ft.），質(zhì)量較輕（約 10.7 – 11.3 kg）巴俺。通常擁有 6 或 7 個旋轉(zhuǎn)軸（使其能夠在更大的方向范圍內(nèi)移動）诸鲸，Scan Arm 可進行非接觸式測量，質(zhì)量輕（僅 76 克）诈猎，規(guī)格視所使用的掃描臂而定使驰。FARO AMP 是另一款高性能非接觸式三維掃描儀/成像儀，能夠在數(shù)秒內(nèi)采集數(shù)百萬點消忘。
AMP 裝備堅固的外殼骄娶，能夠在車間地板、供應商現(xiàn)場或任何場所全方位地收集零件哩至、組件或模具的信息躏嚎。

　 FARO AMP 采用具有專利的高端技術(shù)，即云紋干涉測量法 (Accordion Fringe Interferometry, AFI)菩貌。AFI 使用激光產(chǎn)生無限聚集的干涉條紋卢佣，并投射至零件上。當 AMP 相機捕獲到干涉條紋時箭阶，便形成高精度的點云——即形成視野中零件的真正重現(xiàn)虚茶。干涉條紋的精確度使其優(yōu)于其他投射方法。AMP 的光學過濾可阻擋不需要的波長光仇参，可在寬色彩范圍嘹叫、反射和變化的光照條件下進行零件測量。FARO AMP 總重僅 17 kg诈乒。
 
　 在FARO 掃描儀中罩扇，捕獲容積排第二的是 FARO Focus 3D，這款激光掃描儀可在一秒內(nèi)記錄約一百萬個測量點抓谴。該設備完全內(nèi)置所有裝置暮蹂，因此在運行時無需額外的設備、電纜或筆記本電腦押恢。Focus3D 是目前最小的和最輕的激光掃描儀鼻发，尺寸為 24 x 20 x 10cm，重僅 5kg穿侵，它是如此的小巧和輕便辑奔，用戶可以隨身攜帶到任意工作場所。FARO ScanArm撰征、FARO Amp 三維成像儀和 FARO Focus 3D 三者的主要差異在于捕獲點云數(shù)據(jù)的能力哲琼。FARO ScanArm 以人工方式收集點云數(shù)據(jù)。它需要用戶手持激光測頭在物體上來回掃描，激光測頭可借助鉸接臂的主旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的靈活性而自由活動怖冷。FARO AMP 三維成像儀則自動采集數(shù)據(jù)闺焦。將物體定位于該機器的成像范圍內(nèi)（長：500mm x 寬：500mm x 高：220mm），它便能以每張圖像 4 百萬點的速度捕獲數(shù)據(jù)俺膊。FARO Focus 3D 同樣擁有自動捕獲點云數(shù)據(jù)的能力济七，測量范圍可從旋轉(zhuǎn)鏡片中心向外輻射 120m，只要設定了激光掃描參數(shù)便可工作月幌。

注意要點
要點1:
　 快速成型技術(shù)已發(fā)展到能夠?qū)F(xiàn)代模型的構(gòu)架時間從原本的數(shù)天縮短到數(shù)小時碍讯，具體取決于使用的方法、模型的大小和復雜性扯躺。而且捉兴，這種新的制造方法及其應用正在不斷發(fā)展并被許多專家評定為達到技術(shù)的“新水平”。

要點2:
　 關(guān)于大規(guī)模生產(chǎn)： 三維打印機當前緩慢的打印速度限制了大規(guī)模生產(chǎn)录语，為了降低費用倍啥，目前采用了多臺熔絲機來提供多個擠出機頭。如此便能夠在打印時采用多種顏色钦无、多種聚合物材料或同時打印多個模型逗栽。從而可以在多實例生產(chǎn)過程中提高整體打印速度盖袭。
要點3:
　 多種材料快速成型機可根據(jù)需要同時采用多種顏色和多種材料失暂。這種機器現(xiàn)在提供雙打印頭，用于制造多種顏色或不同屬性材料的單個（整套）零件鳄虱。如此快速成型可同時使用更多種材料弟塞，從而提高零件生產(chǎn)效率。我們希望將快速成型技術(shù)應用于大規(guī)模的房屋建造拙已，從而以比傳統(tǒng)磚混方法更快一倍的速度為國家發(fā)展出一份力决记。
要點4:
　 三維打印未來還可用于采用注射技術(shù)構(gòu)造器官和人體部位的組織工程應用中。這個研究領(lǐng)域涉及的術(shù)語包括： 器官打印枯誓、生物打印谆胰、人體部位打印和計算機輔助組織工程等。

　 用于軍事研究的實例包括在士兵身上采用使用三維激光掃描五浊，確保其所有身體特征均錄入數(shù)據(jù)文件中萄瞻，如果士兵出任務回來后受傷，就可以利用這些數(shù)據(jù)為士兵建造與原本一模一樣的假體菲缕。
要點5:
　 最終用戶會更充分地將其應用于制造趁室，而不是從距離遙遠的某公司購買產(chǎn)品用于生產(chǎn)。比如嘗試設計可以從互聯(lián)網(wǎng)上下載和打印的槍械聂幅。就近尋找零件供應商或業(yè)務合作伙伴能夠為企業(yè)節(jié)省運輸成本吓蝌。

要點6:
　 用戶也看好成型、加工、設計和裝配行業(yè)的前景授工。作為國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡基礎設施的試驗研究院赚滨，美國國家增材制造創(chuàng)新機構(gòu) (NAMII) 于 2012 年 8 月 16 日在俄亥俄州揚斯敦正式成立。在全國國防制造業(yè)和機械加工中心的推動下细层，NAMI 將作為全國公認的卓越創(chuàng)新的加成法制造中心忱叭，幫助美國制造業(yè)轉(zhuǎn)型并促進整個行業(yè)的顯著發(fā)展。

　 NAMII 唯一的目標是通過以下方式加速發(fā)展美國制造業(yè)的加成法制造技術(shù)并提高國內(nèi)制造業(yè)的競爭力：
1) 促進發(fā)展能夠公開交流加成法制造技術(shù)信息和研究的高度協(xié)作的基礎架構(gòu)今艺。
2) 促進高效靈活的加成法制造技術(shù)的開發(fā)韵丑、評估和部署。
3) 對學生和工人進行加成法制造技術(shù)方面的知識技術(shù)培訓虚缎，培養(yǎng)一支適應能力強的先進的勞動力隊伍

（根據(jù)FARO 亞太區(qū)高級應用工程師呂輝平演講內(nèi)容撵彻，國際金屬加工網(wǎng)整理）

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