【正文】 熔絲；2，可在xy平面移動的FDM噴頭；3，塑料模型；4，不固定基座；5，提供熔絲FDM制作復(fù)雜的零件時，必須添加工藝支撐。當(dāng)?shù)谝粚油瓿珊?，工作臺下降一個層厚并開始迭加制造一層。熱塑性塑料或蠟制的熔絲從加熱小口處擠出。　　三維噴涂粘接特點(diǎn):適合成型小件；工件的表面不夠光潔，需要對整個截面進(jìn)行掃描粘接，成型時間較長；采用多個噴頭。鋪粉輥（圖中13）鋪粉時多余的粉末被粉末收集裝置（圖中未標(biāo)出）收集。其工藝過程通常是：上一層粘結(jié)完畢后，成型缸（圖中14）下降一個距離（等于層厚），供粉缸（圖中18）上升一段高度，推出若干粉末，并被鋪粉輥推到成型缸，鋪平并被壓實(shí)。 3DP工藝與選擇性激光燒結(jié)工藝（SLS）有很多相似之處：都是將粉末材料選擇性地黏結(jié)成為一個整體。此后，這兩位研究人員又多次對該技術(shù)進(jìn)行修改和完善，形成了今天的三維印刷快速成型（3DP）工藝。由于，該工藝能夠直接燒結(jié)蠟粉，與熔模鑄造工藝相接特別適合進(jìn)行小批量比較復(fù)雜的中小零件的生產(chǎn)。SLS工藝特別適合制作功能測試零件。成型過程需要不斷充氮?dú)?，以確保燒結(jié)過程的安全性，成本較高。能量消耗高。原材料的利用率接近100% ,缺點(diǎn)是原型表面粗糙。無須設(shè)計(jì)和構(gòu)建支撐。它可以直接制造工程材料的零件，具有誘人的前景。全部燒結(jié)完后去掉多余的粉末，再進(jìn)行打磨、烘干等處理后便獲得需要的零件。未燒結(jié)的粉末仍然是松散的保留在原來的位置，支撐著被燒結(jié)的部分，它輔助限制變形，無需設(shè)計(jì)專門的支撐結(jié)構(gòu)。 2)另一個是零件造形筒，它內(nèi)部的活塞(工作臺)被逐漸地降低到熔結(jié)部分形成的地方。 圖4 SL工藝圖 (Selective Laser Sinering)激光選區(qū)燒結(jié)(Selective Laser Sintering，簡稱SLS)是一種將非金屬(或普通金屬)粉末有選擇地?zé)Y(jié)成單獨(dú)物體的工藝。缺點(diǎn)是需要設(shè)計(jì)支撐，可以選擇的材料種類有限，容易發(fā)生翹曲變形，材料價格較貴。SL(光固化成型)工藝優(yōu)點(diǎn)是精度較高，一般尺寸精度控制在10. 1 mm。光固化法是第一個投人商業(yè)應(yīng)用的RF(快速成型)技術(shù)。 光固化成型所能達(dá)到的最小公差取決于激光的聚焦程度，()。可以注意到光固化成型也像FDM成型法一樣需要一個微弱的支撐材料，在光固化成型法中，這種支撐采用的是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。零件就這樣由下及上一層層產(chǎn)生。當(dāng)一定厚度的液體被固化后，該過程重復(fù)進(jìn)行產(chǎn)生出另一個從高度b到c的圓柱環(huán)形截面。這時可以注意到工作臺在垂直方向下降了距離ab。然后工作臺下降一個層厚，使先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂然后重復(fù)掃描固化，與此同時新固化的一層牢固地粘接在前一層上，該過程一直重復(fù)操作到達(dá)到b高度。以光敏樹脂為原料，在計(jì)算機(jī)控制下的紫外激光按預(yù)定零件各分層截面的輪廓為軌跡對液態(tài)樹脂逐點(diǎn)掃描，使被掃描區(qū)的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)，從而形成零件的一個薄層截面。(Stereo lithography ) 光固化法是目前應(yīng)用最為廣泛的一種快速成型制造工藝，它實(shí)際上比熔積法發(fā)展的還早。 目前快速成型主要工藝方法及其分類見圖3所示。在這一過程中，由于分層，破壞了切片方向CAD模型表面的連續(xù)性，不可避免地丟失了模型的一些信息，導(dǎo)致零件尺寸及形狀誤差的產(chǎn)生。通過一簇平行平面沿制作方向與CAD模型相截，所得到的截面交線就是薄層的輪廓信息，而實(shí)體信息是通過一些判別準(zhǔn)則來獲取的。并且這種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中無法避免地產(chǎn)生錯誤，如某個三角形的頂點(diǎn)在另一三角形邊的中間、三角形不封閉等問題是實(shí)踐中經(jīng)常遇到的，這給后續(xù)數(shù)據(jù)處理帶來麻煩，需要進(jìn)一步檢查修補(bǔ)。對于一個模型，軟件中給定一個選取范圍，一般情況下這個范圍可以滿足工程要求。 ，一般軟件系統(tǒng)中有輸出精度控制參數(shù)，通過控制該參數(shù)，可減小曲面近似處理誤差。這樣處理的優(yōu)點(diǎn)是大大地簡化了GAD模型的數(shù)據(jù)格式，從而便于后續(xù)的分層處理。 在三維CAD設(shè)計(jì)軟件(如Pro/E\UG\SolidWorks\SolidEdge等)中獲得描述該零件的CAD文件，如圖2(a)中所示的三維零件。為了形象化這種操作，可以想象一整條面包的結(jié)構(gòu)是一片面包落在另一片面包之上一層層累積而成的。（5）產(chǎn)品制造過程幾乎與零件的復(fù)雜性無關(guān)，可實(shí)現(xiàn)自由制造,這是傳統(tǒng)制造方法無法比擬的。（3）快速成型作為一種重要的制造技術(shù)，采用適當(dāng)?shù)牟牧希@種原型可以被用在后續(xù)生產(chǎn)操作中以獲得最終產(chǎn)品。用快速成型與直接數(shù)字化制造技術(shù)，可使成本下降為數(shù)控加工的1/31/5,周期縮短為1/51/10。由于它把復(fù)雜的三維制造轉(zhuǎn)化為一系列二維制造的疊加，因而可以在不用模具和工具的條件下生成幾乎任何復(fù)雜的零部件，極大地提高了生產(chǎn)效率和制造柔性。圖1 分層資料生成示意圖快速成型技術(shù)是近年來發(fā)展起來的直接根據(jù)CAD模型快速生產(chǎn)樣件或零件的成組技術(shù)總稱，它集成了CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等現(xiàn)代科技成果，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。 20世紀(jì)70年代末到80年代初期，美國和日本的四位研究人員各自獨(dú)立地提出了快速成型（Rapid Prototyping：RP）的技術(shù)設(shè)想，即利用連續(xù)層的選區(qū)固化生產(chǎn)三維實(shí)體。這樣做主要是因?yàn)樯a(chǎn)成本昂貴，而且模具的生產(chǎn)需要花費(fèi)大量的時間準(zhǔn)備，因此，在準(zhǔn)備制造和銷售一個復(fù)雜的產(chǎn)品系統(tǒng)之前，工作原型可以對產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行評價、修改和功能驗(yàn)證?？焖俪尚图夹g(shù)行業(yè)現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢杭州先臨三維科技股份有限公司目 錄 1 原理和工藝 2 2 2 4 快速成型技術(shù)的發(fā)展 10 快速成型技術(shù)的發(fā)展歷史 10 快速成型技術(shù)的發(fā)展方向 112 快速成型技術(shù)行業(yè)及產(chǎn)業(yè) 12 快速成型技術(shù)的行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀 12 12 制造領(lǐng)域 12 快速成型技術(shù)的行業(yè)市場主體分析 13 快速成型技術(shù)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 14 快速成型技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r 14 16 163 國內(nèi)快速成型技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的機(jī)遇及挑戰(zhàn) 19 19 20 20 20 國內(nèi)快速成型技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展機(jī)遇 27 國內(nèi)外的市場環(huán)境利于快速成型技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展 27 國內(nèi)的政策環(huán)境利于快速成型技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展 27 國內(nèi)快速成型技術(shù)產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn) 28 快速成型技術(shù)在向產(chǎn)品生產(chǎn)化發(fā)展中所存在的主要問題 28 快速成型技術(shù)產(chǎn)業(yè)面臨的應(yīng)用化挑戰(zhàn) 2929 / 31快速成型技術(shù)行業(yè)現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢 本文引用了期刊、網(wǎng)站、新聞上的介紹性資料，大部分未進(jìn)行標(biāo)注出處，本文僅作參考資料使用，沒有侵犯引文作者的知識產(chǎn)權(quán)的意思。黃賢清 何文浩在新產(chǎn)品的開發(fā)過程中，總是需要在投入大量資金組織加工或裝配之前對所設(shè)計(jì)的零件或整個系統(tǒng)加工一個簡單的例子或原型。 一個產(chǎn)品的典型開發(fā)過程是從前一代的原型中發(fā)現(xiàn)錯誤，或從進(jìn)一步研究中發(fā)現(xiàn)更有效和更好的設(shè)計(jì)方案，而一件原型的生產(chǎn)極其費(fèi)時，模具的準(zhǔn)備需要幾個月，因此一個復(fù)雜的零件用傳統(tǒng)方法加工非常困難。在圖1中，快速成型技術(shù)的一般步驟得以展示：首先利用三維造型軟件設(shè)計(jì)出（或者通過三維數(shù)字化反求工程獲得）產(chǎn)品的三維實(shí)體模型，再利用RP處理軟件將該三維實(shí)體模型進(jìn)行離散、分層，然后將離散后的數(shù)據(jù)登錄RP設(shè)備進(jìn)行制造。與傳統(tǒng)制造方法不同，快速成型從零件的CAD幾何模型出發(fā)，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，用激光束或其它方法將材料堆積而形成實(shí)體零件。 、原理和工藝 （1）快速成型作為一種使設(shè)計(jì)概念可視化的重要手段，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)零件的實(shí)物模型可以在很短時間內(nèi)被加工出來，從而可以很快對加工能力和設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行評估。（2）由于快速成型技術(shù)是將復(fù)雜的三維型體轉(zhuǎn)化為兩維截面來解決，因此，它能制造任意復(fù)雜型體的高精度零件，而無須任何工裝模具。 （4）快速成型操作可以應(yīng)用于模具制造，可以快速、經(jīng)濟(jì)地獲得模具。 基于材料累加原理的快速成型操作過程實(shí)際上是一層一層地離散制造零件?？焖俪尚陀泻芏喾N工藝方法，但所有的快速成型工藝方法都是一層一層地制造零件，區(qū)別是制造每一層的方法和材料不同而已。目前一般快速成型支持的文件輸出格式為5TL模型，即對實(shí)體曲面近似處理，即所謂面型化(Tessellation)處理，是用平面三角面片近似模型表面。由于它在數(shù)據(jù)處理上較簡單，而且與CAD系統(tǒng)無關(guān)，所以很快發(fā)展為快速成型制造領(lǐng)域中CAD系統(tǒng)與快速成型機(jī)之間數(shù)據(jù)交換的準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，每個三角面片用4個數(shù)據(jù)項(xiàng)表示，即3個頂點(diǎn)坐標(biāo)和法向矢量，而整個CAD模型就是這樣一組矢量的集合。如Pro/E軟件是通過選定弦高值(ehchord height)作為逼近的精度參數(shù)，如圖2為一球體，給定的兩種ch值所轉(zhuǎn)化的情況。但是，如果該值選的太小，要犧牲處理時間及存貯空間，中等復(fù)雜的零件都要數(shù)兆甚至數(shù)十兆左右的存貯空間。圖2 不同ch值時的效果 (a) ch= (b) ch= 通過專用的分層程序?qū)⑷S實(shí)體模型(一般為5TL模型)分層，分層切片是在選定了制作(堆積)方向后，需對CAD模型進(jìn)行一維離散，獲取每一薄層片截面輪廓及實(shí)體信息。平行平面之間的距離就是分層的厚度，也就是成型時堆積的單層厚度。切片層的厚度直接影響零件的表面粗糙度和整個零件的型面精度，分層切片后所獲得的每一層信息就是該層片上下輪廓信息及實(shí)體信息，而輪廓信息由于是用平面與CAD模型的STL文件(面型化后的CAD模型)求交獲得的，所以輪廓是由求交后的一系列交點(diǎn)順序連成的折線段構(gòu)成，所以，分層后所得到的模型輪廓已經(jīng)是近似的，而層層之間的輪廓信息已經(jīng)丟失，層厚大，丟失的信息多，導(dǎo)致在成型過程中產(chǎn)生了型面誤差。圖3 目前快速成型主要工藝方法及其分類盡管各種快速成型技術(shù)的一般步驟都相同，但不同的工藝過程其生產(chǎn)制品的方法則有所不同，以下列出RP工藝的主要幾種類型。光固化采用的是將液態(tài)光敏樹脂固化(硬化)到特定形狀的原理。 成型開始時工作臺在它的最高位置(深度a)，此時液面高于工作臺一個層厚，零件第一層的截面輪廓進(jìn)行掃描，使掃描區(qū)域的液態(tài)光敏樹脂固化，形成零件第一個截面的固化層。此時已經(jīng)產(chǎn)生了一個有固定壁厚的圓柱體環(huán)形零件。到達(dá)b高度后，光束在xy面的移動范圍加大從而在前面成型的零件部分上生成凸緣形狀，一般此處應(yīng)添加類似于FDM的支撐。但周圍的液態(tài)樹脂仍然是可流動的，因?yàn)樗]有在紫外線光束范圍內(nèi)。而沒有用到的那部分液態(tài)樹脂可以在制造別的零件或成型時被再次利用。零件制造結(jié)束后從工作臺上取下，去掉支撐結(jié)構(gòu)，即可獲得三維零件。傾斜的表面也可以有很好的表面質(zhì)量。目前全球銷售的SL(光固化成型)設(shè)備約占RP設(shè)備總數(shù)的70%左右。表面質(zhì)量好，原材料的利用率接近100%，能制造形狀特別復(fù)雜、特別精細(xì)的零件，設(shè)備的市場占有率很高。該工藝適合成型制造比較復(fù)雜的中小件。該法采用CO2激光器作為能源，目前使用的在加工室的底部裝備了兩個圓筒： 1)一個是粉末補(bǔ)給筒，它內(nèi)部的活塞被逐漸地提升通過一個滾動機(jī)構(gòu)給零件造型筒供給粉末。首先在工作臺上均勻鋪上一層很薄(l00~200μm)的粉末，激光束在計(jì)算機(jī)控制下按照零件分層輪廓有選擇性地進(jìn)行燒結(jié)，從而使粉末固化成截面形狀，一層完成后工作臺下降一個層厚，滾動鋪粉機(jī)構(gòu)在已燒結(jié)的表面再鋪上一層粉末進(jìn)行下一層燒結(jié)。這個過程重復(fù)進(jìn)行直到制造出整個三維模型。目前，成熟的工藝材料為蠟粉及塑料粉，用金屬粉或陶瓷粉進(jìn)行直接燒結(jié)的工藝正在實(shí)驗(yàn)研究階段。 SLS工藝的優(yōu)點(diǎn)是原型件的機(jī)械性能好，強(qiáng)度高?？蛇x用的材料種類多。原型件疏松多孔，需要進(jìn)行后處理。加工前需要對材料預(yù)熱2h，成型后需要5~lOh的冷卻，生產(chǎn)效率低。成型過程產(chǎn)生有毒氣體，對環(huán)境有一定的污染。由于它可以采用各種不同成分的金屬粉末進(jìn)行燒結(jié)，進(jìn)行滲銅等后處理，因而其制造的原型件可具有與金屬零件相近的機(jī)械性能，故可用于直接制造金屬模具。 圖5 SLS工藝圖(3D