快速原型技术

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1、快速原型技术陈扼西（集美大学机械工程学院）1 什么是快速原型技术？它有什么用处？一个新产品在开发过程中，总是要经过对初始设计的多次修改，才有可能真正推向市场。通常， 产品到了经销商或客户的手中，很快就会有各种反馈的意见，认为这个产品如果能够再修改一下就会 更好。于是厂家就会根据所搜集到的意见，对产品进行改型。“修改”，在制造业中，是个谈谈容易做起来难的事。哪怕是外观上的一点修改，往往就要重新 制作模具。而模具的制作是一件非常费钱费时的事情，比如，一个制造普通电话机外壳的模具，就要 花费好几万元才能做出来。更严重的是，当你在花钱制作新模具的时候，并不知道这一次是不是一定 能够满意。万一再不满意，

2、再花钱是小事，拖延了时间就可能意味着失去市场。虽然利用电脑的虚拟技术可以非常逼真地再屏幕上显示所设计的产品的外观，但是，视觉上再逼 真，也无法与实物相比。只要想一想，单凭广告的精美图片，是没有多少人敢马上花钱去买一件贵重 商品的，非要亲自到商场，亲手摸一摸，摆弄摆弄，才敢真的下决心。因此在市场上，眼见还不能为 实，非要手摸才能为实。买一件商品尚且如此，如果是商家成千上万地向厂家定货，就更不是单纯看看电脑屏幕就可以下 决心的事了。由于全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分剧烈，产品开发周期的长短直接影响到一个企业 的生死存亡。因此，客观上需要一种可以直接地将设计数据快速地转化为三维实体的技术。这

3、样，不 但可以快速直观地验证设计的正确性，而且可以向客户、甚至仅仅是有意向的潜在客户提供未来产品 的实体模型，从而达到迅速占领市场的目的。快速原型技术（Rapid Pro tot yping,简称RP）就是在这样的社会背景下于1988年诞生于美国， 迅速扩展到欧洲和日本，并于九十年代初期引进我国。快速原型技术综合应用各种现代技术，直接快速地将电脑设计数据转化为实物，形象地说，快速 原型技术实现了所谓“心想事成”的梦想。快速原型技术已广泛应用于快速概念模型制造（比如检验 所设计的产品样子好看不好看、新潮不新潮）、快速测试模型制造（比如检验所设计的产品好用不好 用、性能怎么样）、快速模具制造（直接

4、制造模具）和快速功能零件制造（直接制造零件）等领域。2、 快速原型技术是怎么样把实物做出来的？快速原型技术的原理是：首先将电脑设计出来的三维实体模型数据分为层片模型数据。快速原型的 成型机根据这些数据，利用特定的材料，一个薄层一个薄层地创建出实体，每一个薄层都贴合粘结到 前一个薄层上，直至完成整个实体的创建。比如要做一个小圆球，电脑将圆球的实体数据，通过专用的软件，转化成一个一个薄片的数据。 第一个薄片是一个点，第二个薄片是一个小圆片，第三个薄片是一个稍大一点的圆片，一片一片 粘在一起，就成了一个圆球。由于所使用的构型材料性质各不相同，实现快速原型技术所使用的机器在结构原理上也不同。目 前见诸

5、报导的快速原型技术工艺有数十种，但是比较成熟的只有四、五种。2 1 立体光刻 Stereolithography (SLA)SLA快速原型技术最早是由美国3D System公司开发的，它的工作原理是这样的：由计算机传输来 的三维实体数据文件，经机器的软件分层处理后，驱动一个扫描激光头，发出紫外激光束在液态紫外 光敏树脂的表层进行扫描。液态树脂表层受光束照射的那些点发生聚合反应形成固态。每一层的扫描 完成之后，工作台下降一个凝固层的厚度，一层新的液态树脂又覆盖在已扫描过的层表面，一把刮刀 准确地刮过这一新的树脂层以保证其厚度的均匀性。如果实体上有悬空的结构，处理软件可以预先判 断并生成必要的支撑

6、工艺结构。为了防止成型后的实体沾黏在工作台上，处理软件还必须先在实体底 部生成一个网格状的框架，以减少实体与工作台的接触面积。构型工作全部完成后，实体应从工作台上小心取出，用溶剂洗去未凝固的树脂，再次用紫外线进 行整体照射以保证所有的树脂都凝结牢固。2 2 分层实体制造 Laminated Object Manufacturing (LOM)LOM快速原型技术最早是由美国Helisys公司开发的。该项技术将特殊的箔材一层一层地堆叠起 来，激光束只须扫描和切割每一层的边沿，而不必象SLA技术那样，要对整个表面层进行扫描。目前最常用的箔材是一种在一个面上涂布了热熔树脂胶的纸。在LOM成型机器里，箔

7、材由一个供 料卷筒被拉出，胶面朝下平整地经过造型平台，由位于另一方的收料卷筒收卷起来。每敷覆一层纸， 就由一个热压辊压过纸的背面，将其粘合在平台上或前一层纸上。这时激光束开始沿着当前层的轮廓 进行切割。激光束经准确聚焦，使之刚好能切穿一层纸的厚度。在模型四周和内腔的纸被激光束切割 成细小的碎片以便后期处理时可以除去这些材料。同时，在成型过程中，这些碎片可以对模型的空腔 和悬臂结构起支撑的作用。一个薄层完成后，工作平台下降一个层的厚度，箔材已割离的四周剩余部分被收料卷筒卷起，拉 动连续的箔材进行下一个层的敷覆。如此周而复始，直至整个模型完成。为了加快造型进程，可以每 次切割二层，甚至三层箔材。当

8、然，这要求造型机器具备功率更大的激光器，同时制作出来的模型外 表会有更明显的台阶状。LOM工艺的后处理加工包括去除模型四周和空腔内的碎纸片，必要的时候还可以通过加工去除模 型表面的台阶状。LOM模型相当坚固，它可以进行机加工、打磨、抛光、绘制、加涂层等各种形式的 加工。目前用于LOM技术的箔材主要有涂覆纸、覆膜塑料、覆蜡陶瓷箔、覆膜金属箔等。2 3 选择性激光烧结 Selective Laser Sintering (SLS)SLS技术最早由美国德克萨司大学开发，并由DTM公司将其推向市场。SLS的原理与SLA十分相象，主要分别在于所使用的材料及其性状。SLA所用的材料是液态的紫外 光敏可凝固

9、树脂，而SLS则使用粉状的材料。这是该项技术的主要优点之一，因为理论上任何可熔的 粉末都可以用来制造模型，这样的模型可以用作真实的原型元件。目前，可用于SLS技术的材料包括：尼龙粉、覆裹尼龙的玻璃粉、聚碳酸脂粉、聚酰胺粉、蜡粉、 金属粉(成型后常须进行再烧结及渗铜处理)、覆裹热凝树脂的细沙、覆蜡陶瓷粉和复蜡金属粉等。和其他的快速原型技术一样，SLS也是采用激光束对粉末状的成型材料进行分层扫描，受到激光 束照射的粉末被烧结。当一个层被扫描烧结完毕后，工作台下降一个层的厚度，一个敷料辊又在上面 敷上一层均匀密实的粉末，直至完成整个造型。在造型过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂 部分起着支撑作

10、用，不必象SLA工艺那样另行生成支撑工艺结构。SLS 技术视所用的材料而异，有时需要比较复杂的辅助工艺过程。以聚酰胺粉末烧结为例，为避 免激光扫描烧结过程中材料因高温起火燃烧，必须在造型机器的工作空间充入阻燃气体，一般为氮气。 为了使粉状材料可靠地烧结，必须将机器的整个工作空间、直接参与造型工作的所有机件以及所使用 的粉状材料预先加热到规定的温度，这个预热过程常常需要数小时。造型工作完成后，为了除去工件 表面沾粘的浮粉，需要使用软刷和压缩空气，而这一步骤必须在闭封空间中完成以免造成粉尘污染。2 4 熔融沉积成型 Fused Deposition Modeling (FDM)将丝状的热熔性材料加

11、热熔化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。喷头可沿着X轴方向移 动，而工作台则沿 Y 轴方向移动。如果热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而成型的部分温度稍 低于固化温度，就能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一个层面熔结在一起。一个层面沉积完 成后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体造型。用于FDM工艺的热熔性材料一般为ABS、蜡、聚乙烯、聚丙烯等。对于有空腔和悬臂结构的工件, 必须使用两种材料，一种是上述的成型材料，另一种是专门用于沉积空腔部分的支持材料，这些支持 材料在造型完成后再行除去。支持材料一般采用遇水可软化或溶解的材质，去除时只须用水泡浸清洗

12、 即可。FDM成型设备的主要生产厂家为美国的Stratasys公司，国内则是清华大学最早开发此项技术。近年来，美国3D Systems公司在FDM技术的基础上发展了 “多喷头制造”技术Multi-JetManufacture (MJM)，该项技术使用了多个喷头同时造型，从而加快了工艺过程。25 立体喷墨印刷 Ink-Jet PrintingInk-Jet Printing技术采用喷墨打印的原理，将液态造型墨水由打印头喷出，逐层堆积而形成一 个三维实体。该项技术的主要特点是非常精细，可以在实体上造出小至0.1mm的孔。为了支持空腔和 悬臂结构，必须使用两种墨水，一种用于支持空腔，而另一种则用于实

13、体造型。美国麻省理工大学开发了一项基于立体喷墨印刷技术的“直接模壳制造”的铸造技术。这一技术 随后授权于Soligen Inc.公司用于金属铸造。DSPC首先利用CAD软件定义所需的型腔，通过加入铸 造圆角、消除可待后处理时通过机加工生成的小孔等结构对模型进行检验和修饰，然后根据铸造工艺 所需的型腔个数生成多型腔的铸模。DSPC 的工艺过程是这样的：首先在成型机的工作台上覆盖一层氧化铝粉，然后一股微细的硅胶沿 着工件的外廓喷射在这层粉末上。硅胶将氧化铝粉固定在当前层上，并为下一层的氧化铝粉提供粘着 层。每一层完成后，工作台就下降一个层的高度，使下一层的粉末继续复敷和粘固。未粘固在模型上 的粉末

14、就堆积在模型的周围和空腔内，起着支撑的作用。整个模型完成后，型腔内所充填的粉末必须 去除。这项技术现已商业化，它使熔模铸造行业得以直接制造模壳而节省了制造蜡模的模具和蜡模本身 的成本。3 RP技术在我国的发展我国RP研究工作起步于90年代初。早期以技术引进为主，据报导，我国至今已有数十家企业或 机构从国外引进RP机器，加快了企业的新产品开发、取得了巨大的经济效益。但由于引进价格昂贵， 如美国3Dsystem公司生产的SLA250系统售价20万美元，SLA500价格高达40万美元；Texas DTM公 司的SLS设备Sin ter Stat ion 2000售价约50万美元。加之易损件和材料也依

15、靠进口，使生产成本 过高，往往是国内企业难以承受的。如上述Sin ter S tati on 2000所用的激光头为易损件，大约每两 年要更换一次，每个售价约3万美元。FDM技术所使用的耗材ABS塑料丝，每公斤约2百美元。为了解决中国制造业对RP的迫切需求，1991年以来，在中国政府资助和支持下，一些高等 院校和研究机构积极开展RP研究，并取得较大的进展。我国最早在快速成型技术方面开展工作的有清华大学、西安交通大学、华中理工大学和北京隆 源自动成形系统有限公司。这些单位早期在开发系统设备方面各有侧重。其中，清华大学以FDM和 LOM为主，西安交通大学则是SLA，北京隆源自动成形系统有限公司为S

16、LS，而华中理工大学主要为 LOM。华中理工大学从1991年开始，在政府的支持下开始进行RP技术研究，1994年开发成功LOM样 机，到1997年就向市场推出商品化的LOM成型设备。目前，该单位已对LOM设备进行了系列化的开 发，同时还成功地推出商品化的SLS设备。该校还利用复膜技术快速制造铸模，翻制出了铝合金模具 和铸铁模块。西安交通大学多年来一直致力于SLA的成型材料和设备的国产化，并因此获2000年度国家科 技进步二等奖和教育部科技进步以等奖。1992年，清华大学引进了当时先进的SLA-250光固化成形 设备，成立了激光快速成形中心,开展快速成形技术的研究。几年来,清华大学在成形理论、工

17、艺方法、 设备、材料、软件等方面做了大量的研究、开发工作。该校研制出的世界上最大的LOM双扫描成形机 已提供给国内的汽车制造企业，研制成功的多功能快速造型系统 MRPMS 已打入国际市场，自主开发的 大型挤压喷射成形RP设备SSM1600SSM成形尺寸已达1600X800X 750mm3,也居世界之首。清华大 学企业集团下属的RP专业公司北京殷华公司的产品不仅占据国内市场的一定份额，而且进入国际市 场，销售到泰国、香港、韩国等地并得到了好评。研究成果已经商品化的还有北京隆源公司开发的AFS 300激光快速成形机（SLS），该公司的 RP 服务中心已为工业企业单位制作了许多精密铸模。此外，南京航

18、天大学、上海交通大学、华北工学院等在该领域也做了许多工作。例如在基于快速成形 技术的快速制造模具方面，上海交通大学开发了具有我国自主知识产权的铸造模样计算机辅助快速制 造系统，为汽车行业制造了多种模具。国内的家电行业是对快速成形技术反应最为敏捷的行业，广东的美的、华宝、科龙、江苏的春 兰、小天鹅，青岛的海尔等，都先后采用快速成形系统来开发新产品，收到了很好的效果。目前，部分国产RP设备已接近或达到美国公司同类产品的水平，价格却便宜得多，材料的价 格更加便宜。我国已初步形成了 RP设备和材料的制造体系，中国机械工程学会下属的快速成型技术 委员会的活动也非常活跃。近年来，在国家科学技术部的支持下，我国已经在深圳、天津、上海、西 安、南京、重庆等地建立一批向企业提供快速成形技术的服务机构，并开始起到了积极的作用，推动 了快速成形技术在我国的广泛应用，使我国RP技术的发展走上了专业化、市场化的轨道，为国民经 济的发展作出了贡献。