1、快速原型制造技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用發(fā)展概況十幾年前興起的快速原型制造（RP，Rapid Prototyping）技術(shù)，與傳統(tǒng)的去除型加工不同，乃是一種基于離散/堆積原理的“生長(zhǎng)型”加工，也稱為分層疊加成形。所謂離散/堆積原理，是指在計(jì)算機(jī)的管理與控制下，先將CAD模型離散成一層層截面輪廓信息，然後在RP成形設(shè)備上依次制造出各個(gè)片層并逐層粘結(jié)成一體，從而堆積出三維實(shí)體制件。顯而易見，RP是在零件CAD模型的驅(qū)動(dòng)下快速制造出任意復(fù)雜形狀實(shí)體的技術(shù)。它不需要傳統(tǒng)的多坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床、刀具和夾具，一般只需傳統(tǒng)加工方法30%50%的工時(shí)和20%35%的成本，就能把體現(xiàn)設(shè)計(jì)思想的CAD模型轉(zhuǎn)化為物理實(shí)體，從而可以有

2、效地縮短開發(fā)周期，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。 不過，RP工藝極大地依賴于材料本身的特性，所處理的材料既要首先能夠滿足離散/堆積成形的特殊要求，又要能進(jìn)行後處理和成形後具有必要功能，因此RP工藝所擅長(zhǎng)處理的材料目前只限于樹脂、蠟、某些工程塑料和紙等幾類，與制造領(lǐng)域廣泛使用的金屬等高強(qiáng)度材料尚有距離，故以往多用于產(chǎn)品開發(fā)過程制造物理原型件，也就是說RP最初是作為復(fù)雜形狀構(gòu)件原型的成形方法出現(xiàn)的，故稱之為“快速原型制造”。如果進(jìn)一步細(xì)分，物理原型件（圖1）又可分為概念原型和功能原型兩類。概念原型主要是展示制品的立體形態(tài)和結(jié)構(gòu)，供人多角度觀察和用手觸摸，比計(jì)算機(jī)上的虛擬原型具有更強(qiáng)的真實(shí)感。它不僅有助于激發(fā)設(shè)

3、計(jì)者的創(chuàng)新火花，還能促進(jìn)設(shè)計(jì)部門與其它部門和客戶進(jìn)行深入交流。功能原型則不僅要給人提供視覺和觸覺反饋，而且還可以進(jìn)行裝配檢查（現(xiàn)在有的概念原型也有此要求）以及承受傳熱、流體力學(xué)等性能實(shí)驗(yàn)。 事實(shí)上，RP技術(shù)并沒有僅僅停留在制作原型上，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，國外相繼推出了一些直接成形金屬材料的RP系統(tǒng)，并開始實(shí)際用于快速制作金屬模具乃至金屬零件。與此同時(shí)，RP技術(shù)也已能快速制作在實(shí)際產(chǎn)品中使用的功能性塑料（比如聚碳酸脂）零件。由此可見，RP技術(shù)已經(jīng)具有了制造最終產(chǎn)品的功能，從而表明它的內(nèi)涵正從快速原型制造向快速制造（RM，Rapid Manufacturing）方向發(fā)展。 以母模為基礎(chǔ)來制造各種模具

4、，速度快、成本低，但母模特別是形狀復(fù)雜的母模獲取不易，而RP技術(shù)很易將體現(xiàn)設(shè)計(jì)構(gòu)思的CAD模型變?yōu)榉墙饘俨牧系哪改?，為快速制模（RT，Rapid Tooling）技術(shù)注入了新的活力，RP與RT的結(jié)合（RP+RT）是快速原型技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域最重要的擴(kuò)展。除此之外，人們也正將RP技術(shù)應(yīng)用于微納米制造領(lǐng)域。 RP技術(shù)不只在制造業(yè)的應(yīng)用方興未艾，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也充滿生機(jī)。不僅根據(jù)CT掃描或MRI磁共振數(shù)據(jù)快速制作的人體器官實(shí)體模型可以幫助醫(yī)生進(jìn)行診斷和確定治療方案，而且借助RP技術(shù)制作的人體假肢還能與結(jié)合部位實(shí)現(xiàn)最大程度的吻合。近幾年國內(nèi)外更是熱衷于研究將生物材料快速成形為人工器官的課題，其中人工骨

5、的研究已取得可喜的成果。例如中國清華大學(xué)采用噴射方法，將生物材料在低溫環(huán)境下堆積成形，制成多孔大段人工骨的細(xì)胞載體框架，經(jīng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明該框架能有效降解。有專家甚至說，雖然RP技術(shù)最初出現(xiàn)在制造行業(yè)，但它最激動(dòng)人心的應(yīng)用將是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。 最近幾年，RP設(shè)備的擁有量快速增長(zhǎng)。據(jù)Wohlers Associates, Inc發(fā)布的全球RP設(shè)備擁有量數(shù)據(jù)：1999年為5449臺(tái)、2000年為6755臺(tái)、2001年略多于8000臺(tái)（在2001年的擁有量中，美國占42.8%、日本占18.7%、德國占9.3%、中國占4.7%名列世界第四）、2002年為9000多臺(tái)，2003年的擁有量數(shù)據(jù)雖然尚未獲得，但

6、估計(jì)有可能接近或達(dá)到11,000臺(tái)，最近四年全球RP設(shè)備的擁有量增加了約一倍。另一方面，與因特網(wǎng)結(jié)合的專業(yè)化RP服務(wù)機(jī)構(gòu)正蓬勃發(fā)展，通過網(wǎng)絡(luò)為客戶進(jìn)行離線或交互式在線服務(wù)，深受中小企業(yè)的歡迎，其業(yè)務(wù)量不斷增加。所有這些，都表明RP技術(shù)正進(jìn)入加速發(fā)展階段，其應(yīng)用將越來越普及。RP的工作流程及主要工藝方法圖2RP工作流程示意如圖2所示，RP的工作流程大致分為三個(gè)階段： 前處理。這個(gè)階段除通過造型軟件或反求工程構(gòu)造三維CAD模型外，通常還需對(duì)三維模型進(jìn)行近似處理。常用的近似處理方法是用一系列的小三角形平面來逼近自由曲面，生成所謂STL格式文件。目前正研究開發(fā)與使用不經(jīng)近似處理直接對(duì)三維CAD模型切片

7、的軟件，以消除由于STL格式的轉(zhuǎn)換過程而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)缺陷和輪廓失真。 在RP設(shè)備上快速成形。首先用配置在RP設(shè)備上的切片軟件沿成形制件的高度方向每隔一定距離（多為0.1mm）從CAD模型上依次截取平面輪廓信息，隨後RP設(shè)備上的激光頭或噴射頭在數(shù)控裝置的控制下按截面輪廓信息相對(duì)于X-Y平面工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行選擇性激光掃描（實(shí)現(xiàn)固化、切割或燒結(jié)）或者進(jìn)行選擇性噴射（噴射熱熔材料或粘結(jié)劑），以物理或化學(xué)方法逐層成形并相互粘結(jié)（每成形一層工作臺(tái)便下移一個(gè)切片厚度），這樣一層層堆積便構(gòu)成三維實(shí)體制件。 後處理。為改善制件的性能，往往需要進(jìn)行後處理，比如在紙質(zhì)制件的表面涂覆一層金屬、陶瓷或高分子材料，以提高制

8、件表面的機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性和防潮性等。 RP的成形工藝方法據(jù)報(bào)道有幾十種之多，但大體可以分為如圖2所示的基于激光和基于噴射的兩大類，現(xiàn)簡(jiǎn)介其中幾種常用的工藝方法： 激光立體造型（SLA，Stereolithgraphy Apparatus）。它是用紫外激光按切片軟件截取的層面輪廓信息對(duì)液態(tài)光敏樹脂逐點(diǎn)掃描，被掃描區(qū)的液態(tài)樹脂發(fā)生聚合反應(yīng)形成一薄層的固態(tài)實(shí)體。一層固化完畢後工作臺(tái)下移一個(gè)切片厚度再固化新的一層樹脂，并層層相互粘結(jié)堆積出一個(gè)三維固體制件。SLA法成形精度較高，制件結(jié)構(gòu)清晰且表面光滑，但韌性較差，設(shè)備投資較多，更適合制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜和精細(xì)的制件。其中光固化樹脂材料是研究熱點(diǎn)之一，DMS S

9、omos能提供成形件強(qiáng)度很高的新型光固化樹脂。 分層實(shí)體制造（LOM，Laminated Object Manufacturing）。它常以單面涂有熱溶膠的紙為原料，激光按切片軟件截取的分層輪廓信息切割工作臺(tái)上的紙，成形一層平面輪廓（輪廓以外部分也用激光切成網(wǎng)格狀以便制件成形後清除）。當(dāng)一層平面輪廓成形後工作臺(tái)便下降一個(gè)紙厚，其後新送到工作臺(tái)的一層紙通過熱壓裝置與下一層已成形的紙粘合在一起，再次進(jìn)行激光切割，如此反覆便疊加出三維實(shí)體制件。這種方法成形速度較快也較經(jīng)濟(jì)，但精度特別是細(xì)微結(jié)構(gòu)精度不高，比較適合成形實(shí)體制件?，F(xiàn)正將LOM工藝擴(kuò)展用于金屬箔材和陶瓷箔材。選擇性激光燒結(jié)（SLS，Sele

10、ctive Laser Sintering）。如圖3所示，它是控制紅外激光按分層輪廓信息以一定速度和能量密度對(duì)已均勻地鋪在加工平面上的粉末（塑料、蠟、覆膜陶瓷或金屬及其復(fù)合物粉末）材料進(jìn)行掃描，激光掃描所到之處粉末被燒結(jié)成固體片層（未掃描到的地方仍是可對(duì)後一層進(jìn)行支撐的松散粉末）。其後，確定加工平面高度的成形活塞下移一個(gè)片層厚度，而供粉活塞則相應(yīng)上移，鋪粉滾筒再次將加工平面上的粉末鋪平，激光再燒結(jié)出新一層輪廓并粘結(jié)于前一層上，如此反覆便堆積出三維實(shí)體制件。 SLS是當(dāng)今RP直接成形金屬零件和模具的主要方法，其中較為成熟的工藝有美國DTM公司的Rapid Tool和德國EOS公司的Direct

11、Tool。Rapid Tool工藝是燒結(jié)包覆有粘結(jié)劑的鋼粉，粉末被激光掃描到的地方包覆的粘結(jié)劑受熱融化將鋼粉粘結(jié)在一起形成片層，隨後再形成新的固體片層并一層層疊加成形出約有45%孔隙率的制件，最後放入真空爐中使青銅滲入45%的孔隙中而制成結(jié)構(gòu)密實(shí)的金屬零件或模具。Direct Tool工藝所燒結(jié)的是內(nèi)中混入了低熔點(diǎn)金屬的基體金屬（鋼等）粉末，燒結(jié)過程中低熔點(diǎn)金屬向基體金屬粉末中滲透使其間隙增大，所產(chǎn)生的體積膨脹恰好等于基體金屬粉末燒結(jié)時(shí)的收縮，使最終收縮率幾乎為零，從而解決了金屬粉末燒結(jié)凝固收縮難題。 熔融沉積成形（FDM，F(xiàn)used Deposition Modeling）。它是將熱熔性絲材

12、（ABS絲等）由供絲機(jī)構(gòu)送至噴頭，并在噴頭中被加熱至臨界半流動(dòng)狀態(tài)，而噴頭則按截面輪廓信息移動(dòng)，噴頭在移動(dòng)過程中所噴出的半流動(dòng)材料沉積固化為一個(gè)薄層。其後工作臺(tái)下降一個(gè)切片厚度再沉積固化出另一新的薄層，如此一層層成形且相互粘結(jié)便堆積出三維實(shí)體制件。FDM設(shè)備價(jià)格較低，成形件韌性也較好，適合制作薄壁殼體原型件。如用性能更好的PC和PPSF代替ABS，可制作最終塑料產(chǎn)品。 基于噴射的RP技術(shù)，除了FDM外，常用的還有用噴頭選擇性噴射粘結(jié)劑使粉末材料粘結(jié)成形的三維打?。?DP或TDP），或者讓噴頭選擇性噴灑熱塑性材料的噴墨式等多種類型?；趪娚涞腞P工藝裝備，目前常采用多噴嘴陣列掃描手段，這樣不僅可

13、提高成形效率，而且可以用不同的噴嘴噴出不同的顏色甚至不同的材料，從而有可能制作出由多種材料構(gòu)成的復(fù)雜器件。此外，基于噴射的RP工藝裝備，價(jià)格相對(duì)便宜，噪聲低、污染小，很適合放在辦公室內(nèi)使用，甚至可以做成與微機(jī)相連的桌面系統(tǒng)，近期市場(chǎng)上也推出了以制造概念原型為目標(biāo)的、基于噴射的RP設(shè)備，比如美國Z-Corp推出的采用3DP工藝的Z400單色機(jī)和Z406彩色機(jī)。 當(dāng)今的RP設(shè)備除了按工藝方法分類外，也可按制作目標(biāo)進(jìn)行分類。除上述以制作原型特別是概念原型件為目標(biāo)的概念型RP設(shè)備外，還正在發(fā)展以生產(chǎn)最終功能零件（模具）為目標(biāo)的生產(chǎn)型RP設(shè)備。此外，尚有專門應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的專用型RP設(shè)備?；赗P的

14、快速制模技術(shù) 模具是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)最重要的工藝裝備，而且模具形狀復(fù)雜又屬單件生產(chǎn)，最好能借助RP技術(shù)由模具（零件反型）的CAD模型直接制作金屬模具，但其工藝目前尚不十分成熟。因此當(dāng)前更多的還是以RP制作的非金屬原型件為母模，結(jié)合傳統(tǒng)的制造方法來間接快速制作模具。 圖4以RP技術(shù)為基礎(chǔ)快速制作的模具（圖為高爾夫球頭模具）用RP技術(shù)直接制作金屬模具是當(dāng)前研究開發(fā)的熱點(diǎn)，現(xiàn)僅介紹其中兩類工藝： 金屬粉末燒結(jié)成形。這就是用SLS法將金屬粉末直接燒結(jié)成模具，比較成熟的工藝仍是上文所說的DTM公司的Rapid Tool和EOS公司的Direct Tool。德國EOS公司在Direct Tool工藝的基礎(chǔ)上推

15、出所謂直接金屬激光燒結(jié)（DMLS，Direct Metal Laser Sintering）系統(tǒng)，所使用的材料為新型鋼基粉末，這種粉末的顆粒很細(xì)，燒結(jié)的疊層厚度可小至20µm，因而燒結(jié)出的制件精度和表面質(zhì)量都較好，制件密度為鋼的95%99%，現(xiàn)已實(shí)際用于制造注塑模和壓鑄模等模具，經(jīng)過短時(shí)間的微粒噴丸處理便可使用。如果模具精度要求很高，可在燒結(jié)成形後再進(jìn)行高速精銑。 金屬?。ú┎寞B層成形。這是LOM法的進(jìn)一步發(fā)展，其材料不是紙而是金屬（鋼、鋁等）薄材。它是用激光切割或高速銑削的方法制造出層面輪廓，再經(jīng)由焊接或粘結(jié)疊加為三維金屬制件，比如日本先用激光將兩面涂敷低熔點(diǎn)合金之0.2mm厚度

16、的薄鋼板切割成層面輪廓，再逐層互焊成為鋼模具。金屬薄材畢竟厚度不會(huì)太小，臺(tái)階效應(yīng)明顯，如材料為薄膜便可使成形精度得到改進(jìn)。一種縮寫為CAM-LEM的RP工藝，就是用粘結(jié)劑粘結(jié)金屬或陶瓷薄膜，再用激光切割輪廓或分割塊，制出的半成品還需放在爐中燒結(jié)，使其達(dá)到理論密度的99%，同時(shí)引起18%的收縮。 基于RP技術(shù)的間接快速制模法，可以根據(jù)所要求模具壽命的不同，結(jié)合不同的傳統(tǒng)制造方法來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于壽命要求不超過500件的模具，可使用以RP原型作母模、再澆注液態(tài)環(huán)氧樹脂與其它材料（如金屬粉）的復(fù)合物而快速制成的環(huán)氧樹脂模。若是僅僅生產(chǎn)20件50件的注塑模，還可以使用由硅膠鑄模法（以RP原型件為母模）制作的

17、硅橡膠模具。 對(duì)于壽命要求在幾百件至幾千件（上限為3000件5000件）的模具，則常使用由金屬噴涂法或電鑄法制成的金屬模殼。金屬噴涂法是在RP原型上噴涂低熔點(diǎn)金屬或合金（如用電弧噴涂Zn-Al偽合金），待沉積到一定厚度形成金屬薄殼後，再背襯別的材料并去掉原型便得到所需的型腔模具。電鑄法與此類似，不過它不是用噴涂而是用電化學(xué)方法通過電解液將金屬（鎳、銅）沉積到RP原型上形成金屬殼，所制成的模具壽命比金屬噴涂法更長(zhǎng)，但其成形速度慢，且非金屬原型表面尚需經(jīng)過導(dǎo)電預(yù)處理才能電鑄。對(duì)于壽命要求為成千上萬件（3000件以上）的硬質(zhì)模具，主要是鋼模具，常用RP技術(shù)快速制作石墨電極或銅電極，再通過電火花加工法

18、制造出鋼模具。比如以RP原型件作母模，翻制由環(huán)氧樹脂與碳化硅混合物構(gòu)成整體研磨模（研磨輪），再在專用的研磨機(jī)上研磨出整體石墨電極。 實(shí)踐表明，RP技術(shù)與精密鑄造相結(jié)合，是快速生產(chǎn)單件小批金屬零件的有效方法。最常見的是RP技術(shù)與熔模精鑄相結(jié)合，即用RP制作的原型件作母模，或者由原型件翻制的軟質(zhì)模具所生產(chǎn)的蠟?zāi)Ｗ髂改＃俳柚鷤鹘y(tǒng)的熔模鑄造工藝來生產(chǎn)金屬零件。此外，以覆膜砂為原料，用SLS法按模具（零件反型）CAD模型也可直接燒結(jié)出鑄造用的砂型型殼，再通過鑄造工藝生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬零件。 結(jié)語 正如上文所說，由于RP技術(shù)獨(dú)特和高度柔性的制造原理及其在產(chǎn)品開發(fā)過程中所起的作用，已越來越受到制造廠商和科技界人士的重視。其應(yīng)用也正從原型制造向最終產(chǎn)品制造方向發(fā)展，特別是RP與RT技術(shù)的結(jié)合，已取得較明顯的成果。但是，RP技術(shù)本身目前的發(fā)展水平，也還存在一些局限性。比如： 成形精度不高。影響RP成形精度的因素很多，它既包括前處理（數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換）與後處理（含與環(huán)境和時(shí)間相關(guān)的制件尺