【正文】 供了一種可測量、可觸摸的新手段。快速成形技術(shù)可以自動(dòng)、快速、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），有效地縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，是提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮減產(chǎn)品成本的有力工具。它的核心是基于數(shù)字化的新型成形技術(shù)?？焖俪尚渭夹g(shù)對制造企業(yè)的模型、原型及成形件制造方式正產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。RP是機(jī)械工程、CAD、數(shù)控技術(shù)及材料科學(xué)等學(xué)科的集成，它能將已具電子模型的設(shè)計(jì)迅速、自動(dòng)地物化為具有一定結(jié)構(gòu)和功能的原型或零件。RP以極高的柔性給制造業(yè)予全新的概念。 對快速成型技術(shù)的全面理解RP 的總體目標(biāo)是在CAD的直接驅(qū)動(dòng)下，快速完成具有復(fù)雜形狀的零件：(1)直接CAD驅(qū)動(dòng)，無需專用的工夾具。 (2)快速完成，零件制造全過程的快速性，這是CAD直接驅(qū)動(dòng)的直接結(jié)果:(3)復(fù)雜形狀的三維實(shí)體，RP可制造任意復(fù)雜程度的零件，不受零件幾何形狀的限制。在RP的發(fā)展過程中，不少研究機(jī)構(gòu)和人員都按照自己的理解賦予其不同的稱謂，而這些不同稱謂即反映了RP不同方面的重要特征；材料添加制造 （MIM, Material Increase Manufacturing)“材 料 添 加 制 造”將材料單元采用一定方式堆積、疊加成形，有別于車削等基于材料去除原理的傳統(tǒng)加工工藝。分 層 制造 (LM, Layered Manufacturing)“分 層 制 造 ”將 復(fù)雜的三維加工分解成一系列二維層片的加工，著重強(qiáng)調(diào)層作為制造單元的特點(diǎn)，每層可采取更低維單元進(jìn)行累加或高維單元進(jìn)行加工得到。離散堆積制造“離 散 堆 積制造”是現(xiàn)代成型學(xué)理論中在對成型技術(shù)發(fā)展進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上提出的，表明了模型信息處理過程的離散性，強(qiáng)調(diào)了成型物理過程的材料堆積性，體現(xiàn)了RP技術(shù)的基本成型原理，具有較強(qiáng)的概括性和適應(yīng)性。RP由于采用了離散堆積的加工工藝，CAD和CAM能夠很順利地結(jié)合在一起，而RP的工藝規(guī)劃主要作用是對成型過程進(jìn)行優(yōu)化以提高造型精度、速度和質(zhì)量，所以RP可容易地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化。直接CAD制造 (DCM, Direct CAD Manufacturing)“直 接 CA D制造”反映了RP是CAD模型直接驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)與制造一體化，計(jì)算機(jī)中的CAD模型通過接口軟件直接驅(qū)動(dòng)RP設(shè)備，接口軟件完成CAD數(shù)據(jù)向設(shè)備數(shù)控指令的轉(zhuǎn)化和成型過程的工藝規(guī)劃，成型設(shè)備則象打印機(jī)一樣“打印”零件，完成三維輸出。實(shí)體自由成型制造(SFF, Solid Free form Fabrication)“實(shí)體自由成型制造”表明RP技術(shù)無需專用的模腔或夾具，相應(yīng)不受任何約束。RP工藝是用逐層變化的截面來制造三維形體零件的形狀和結(jié)構(gòu)也，在制造每一層片時(shí)都和前一層自動(dòng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)接，不需要專用夾具或工具，使制造成本完全與批量無關(guān)，既增加了成型工藝的柔性，又節(jié)省了制造工裝和專用工具的大量成本。即 時(shí) 制 造(IM, Instant Manufacturing)“即 時(shí) 制 造”反映了該類技術(shù)的快速響應(yīng)性。由于無需針對特定零件制定工藝操作規(guī)程，也無需準(zhǔn)備專用夾具和工具，RP技術(shù)制造一個(gè)零件的全過程遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于傳統(tǒng)工藝相應(yīng)過程，使得RP技術(shù)尤其適合于新產(chǎn)品的開發(fā)，顯示了其適合現(xiàn)代科技和社會發(fā)展的快速反應(yīng)的特征和時(shí)代要求。 當(dāng)前主要的RP技術(shù)RP是直接根據(jù)CAD模型快速生產(chǎn)樣件或零件的成組技術(shù)的總稱，是技術(shù)綜合的結(jié)果。到目前為止，RP的成型方法已逾百種，但是其中的大多數(shù)都還是處于實(shí)驗(yàn)室階段，并沒有實(shí)現(xiàn)真正的商品化。不同的RP系統(tǒng)都有其特有的優(yōu)勢，但是同時(shí)也存在自身的缺陷，所以必須根據(jù)具體的使用要求進(jìn)行RP系統(tǒng)的選擇。 主要快速成型系統(tǒng)的綜述現(xiàn)階段RP技術(shù)的基本原理在上世紀(jì)90年代初期就得到了基本的完善，這些原理的最主要成果就體現(xiàn)在目前占統(tǒng)治地位的5種快速成型系統(tǒng)上面181191:光固化立體造型(SLA, Stereolithography)，疊層制造(LOM, Laminated Object Manufacturing),激光選區(qū)燒結(jié)(SLS, Selective Laser Sintering)、熔絲沉積制造(FDM, Fused Deposition Modeling)以及三維印刷(3DP,Three Dimension Printing).多年來主要是從這些原理出發(fā)，不斷的完善系統(tǒng)性能及成型工藝，而很多其他的RP方法的發(fā)展卻嚴(yán)重滯后，有些則被淘汰。關(guān)于這五種RP系統(tǒng)的發(fā)展概況如下表： 表 1 典 型 RP 系 統(tǒng) 的 發(fā) 展 概 況 幾種主要RP技術(shù)的比較有關(guān)這5種主要的RP技術(shù)的成型原理已有很多文獻(xiàn)進(jìn)行過詳細(xì)的介紹，這里不加贅述。由于快速成型技術(shù)方法以及成型材料的迅猛發(fā)展，針對特定的零件如何選擇最適合的快速成型系統(tǒng)是近年來快速成型研究的一個(gè)重點(diǎn)方面，下面在橫向?qū)追N主要的RP技術(shù)進(jìn)行比較。 尺寸精度:在大多數(shù)情況，SLA能獲得的尺寸精度最高，以下依次是LOM, F DM和SLS。對于中等實(shí)體尺寸，SLA的精度最高，LOM次之，而FDM和SLS較差。對于較小的實(shí)體尺寸，SLA的精度同樣最高。對于中等的空心尺寸，F(xiàn)DM和SLS獲得的尺寸精度相對較高些。對于較小的空心尺寸，F(xiàn)DM和LOM,S LA能獲得的精度要優(yōu)于SLS，這主要是由于受SLS材料的粉末粒度的限制及加工過程中產(chǎn)生過燒結(jié)而造成的:對于加工微小尺寸的特征，SLA最好，F(xiàn)DM和SLS次之，并且同一水平上。而LOM由于后處理太過困難，能獲得的尺寸精度最差。對于圓柱特征的表面粗糙度，SLA和LOM的精度最高，SLS中等，F(xiàn)DM最差。對于建造大而平的水平面，SLA和SLS都易于產(chǎn)生翹曲變形，因此當(dāng)用這兩種工藝進(jìn)行加工時(shí)，必須采取措施以盡量減輕翹曲變形的產(chǎn)生。當(dāng)建造有懸臂特征的零件時(shí)，F(xiàn)DM和SLA必須要有支撐，而且由于FDM加工時(shí)，零件暴露于空氣中，所以相對而言，F(xiàn)DM對支撐的依賴性更大。但同時(shí)由于造型機(jī)理的原因，F(xiàn)DM支撐材料的選擇更廣泛一些，所以可以選擇更脆且更易移除的材料制造支撐，所以其所獲得的精度有時(shí)可能會更高些。綜上所述，不同的成型方法所能獲得的尺寸精度有所差別，而且都有較難獲得高精度的零件特征，所以對于特定的成型方法，應(yīng)盡量避免加工這些特征。RP 中 零 件表面(包括水平面和垂直側(cè)面)的完成質(zhì)量受到以下幾方面因素的影響:成型方法的選擇、成型方向、單層厚度、特征類型、激光掃描器或噴頭系統(tǒng)的精度、所使用的材料等。而臺階效應(yīng)、填充方式、層片變形是影響零件表面質(zhì)量的主要原因。用輪廓算術(shù)平均偏差(Ra)、輪廓最大高度(Rt)和微觀不平度十點(diǎn)高度(Rpm)來度量零件的表面質(zhì)量：SLA的Ra，Rt, Rpm比其他成型方法都小，其次是LOM，而FDM和SLS最差。 零件制造時(shí)間SLA較快，LOM次之，而FDM和SLS的成型速度較慢。 制件的復(fù)雜程度SL A較高，F(xiàn)DM和SLS次之，LOM較低。 制作成本制作成本應(yīng)包括設(shè)備購置成本、設(shè)備運(yùn)行成本以及人工成本，經(jīng)過綜合評價(jià)認(rèn)為SLA較高，F(xiàn)DM和SLS次之，LOM的制作成本較低。 基于SLS成型技術(shù)的材料SLS材料的來源比較廣泛，:塑料粉(如聚碳酸酷、尼龍等)、蠟粉、金屬粉、表面涂有粘結(jié)劑的陶瓷粉、覆膜砂等，它們被加熱到熔點(diǎn)后能熔合，冷卻后迅速固化. SLS材料要有良好的熱固性、一定的導(dǎo)熱性，粉末經(jīng)激光束燒結(jié)后要有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度，粉末的直徑不宜過大，否則會降低原型的精度。當(dāng)用覆膜砂或陶瓷粉末燒結(jié)型芯時(shí)還要求有較小的發(fā)氣性和與涂料良好的涂掛等，以利于澆注合格的鑄件。SLS材料還應(yīng)有較窄的“軟化一固化”溫度范圍，若該溫度范圍較大，制件的精度會受影響，此外，還應(yīng)有良好的廢料清除功能。國外的DTM公司在SLS成型材料的開發(fā)上作了大量的工作，，而且粉末細(xì)小，層厚最小可到 mm，所以可以達(dá)到很高的精度和表面光潔度，幾乎不需要后續(xù)拋光處理。該公司最新研制的材料Laser Form ST 100的粉粒直徑為2334um，這有利于成型件的表面處理，同時(shí)，也簡化了粘結(jié)劑的降解和滲金屬的工藝，制成的注塑模生產(chǎn)了衛(wèi)萬件產(chǎn)品還沒有磨損。 ROCKWELL公司研制的CopperPolymide 材料基體為銅粉，粘結(jié)劑為聚酞胺(polyamide)，其特點(diǎn)是成型后不需要入爐進(jìn)行二次燒結(jié)，制造周期短，可在1天內(nèi)完成模具的制造加工。成型件的表面粗糙度可達(dá)到25pm，進(jìn)行很好的拋光后，粗糙度最低可達(dá)12181。m。制成的模具可廣泛用于PE, PP, PS, ABS, PC/ABS、玻璃增強(qiáng)的Polypropylene和其它的常用塑料的注塑成型，但是模具的壽命只有100~400件/副，EOS公司開發(fā)的PA320OGF尼龍粉末材料可以獲得高精度和很好的表面光潔度。Texas大學(xué)奧斯汀分校進(jìn)行了沒有聚合物粘結(jié)劑的金屬粉末(CuSn, NiSn或青銅鎳粉復(fù)合粉末)的SLS成型研究，并成功制造了金屬模具。近年來，國內(nèi)的北京隆源公司、華中科技大學(xué)都開發(fā)出了低熔點(diǎn)高分子粉末材料，可用于原型件的制作和替代蠟?zāi)＿M(jìn)行熔模鑄造。南京航空航天大學(xué)在覆膜砂材料方面也作了大童的工作，選用250目在使用特性上與酚醛樹脂類似的環(huán)氧樹脂粉末作為搜膜砂粘結(jié)劑，經(jīng)過合理的配比，獲得了很好的燒結(jié)性能。同時(shí)該大學(xué)還進(jìn)行了金屬粉末直接成型的研究，取得了一定的進(jìn)展。 RP技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 金屬零件的直接制造和模具的快速制造快速成型制造最早應(yīng)用于機(jī)械零件或產(chǎn)品整體的設(shè)計(jì)效果的直觀物理效果實(shí)現(xiàn)，只是用來審查最終產(chǎn)品的造型、結(jié)構(gòu)和裝配關(guān)系等目的。RP的第二類用途是制造用于RapidSteel快速成型材料，為一種在微顆粒外表面裹覆一層很薄聚脂包衣的鋼粉。它經(jīng)SLS快速燒結(jié)成型后使之在300℃環(huán)境下燒失(Debinding)粘結(jié)劑包衣，在700℃時(shí)使鋼粉顆粒之間發(fā)生弱聯(lián)結(jié)困(Necking)。在1120℃時(shí)使熔化的銅在氫氣氣氛中滲入銅顆粒之中，以此工序來制作注塑模。這種模具鋼成分占60 ，銅占40%，其壽命高達(dá)數(shù)萬件以上1241。Dynamics Tooling公司的PolySteel(復(fù)合鋼)技術(shù)，可以生產(chǎn)出具有很高表面光潔度和尺寸精度的金屬模具。Keltool被認(rèn)為是目前最有發(fā)展前景的一種快速制造金屬模具的方法，由美國3D Systems公司開發(fā)。其模具尺寸精度可達(dá)250mm誤差為177。 RP系統(tǒng)的發(fā)展近年來RP技術(shù)的一個(gè)值得注意的方面是RP系統(tǒng)的專業(yè)化，即針對某些特殊用途開發(fā)出的RP系統(tǒng)產(chǎn)品。例如Stratasys公司開發(fā)的Med Modelers系統(tǒng)，主要用于一些醫(yī)院和醫(yī)學(xué)單位。近年來五大RP系統(tǒng)占據(jù)了絕大部分的RP設(shè)備市場份額，并且這五種成型方法以外的孫系統(tǒng)所占比例越來越小，所以大力改善這五大快速成型系統(tǒng)的制作精度、可靠性、生產(chǎn)率和制作大件的能力，并推出新一代(或改進(jìn))的機(jī)型是當(dāng)前RP設(shè)備的發(fā)展方向。例如3D Systems公司推出的SLA7000，其制作速度比SLA5000快8倍， mm，比SLA5000小一半，所以能達(dá)到更高的成型精度。De. Montfort大學(xué)發(fā)展了一種稱為“月芽型光順”技術(shù)，主要針對SLA技術(shù)，可以大大提高制件的表面光潔度。西安交通大學(xué)采用改進(jìn)的二次曝光技術(shù)進(jìn)行SLA原型件的制作，不僅可以減小原型的翹曲變形，而且還消除了傳統(tǒng)二次曝光法的層間錯(cuò)位缺陷，從而提高了原型的制作精度。Stratasys公司的FDM Quantum成型機(jī)采用的Magna Drive系統(tǒng)，利用磁浮技術(shù)原理，使XY軸移動(dòng)時(shí)速度更快，更滑順，定位更準(zhǔn)確，而且能在同一時(shí)間獨(dú)立控制兩個(gè)獨(dú)立的加熱噴頭，加快了建造速度。Clemson大學(xué)發(fā)展了一種旋轉(zhuǎn)的工件建造平臺，可以消除分層建造中的臺階問題。工業(yè)界在許多方面對原型件的制