快速成形技術

20世紀90年代以後，製造業的外部形勢發生了根本的變化。用户需求的個性化和多變性，迫使企業不得不逐步拋棄原來以“規模效益第一”為特點的少品種、大批量的生產方式，進而採取多品種、小批量、按定單組織生產的現代生產方式。同時，市場的全球化和一體化，更要求企業具有高度的靈敏性，面對瞬息萬變的市場環境，不斷地迅速開發新產品，變被動適應用户為主動引導市場，這樣才能保證企業在競爭中立於不敗之地。可見，在這種時代背景下，市場競爭的焦點就轉移到速度上來，能夠快速提供更高性能/價格比產品的企業，將具有更強的綜合竟爭力。快速成型技術是先進製造技術的重要分支，無論在製造思想上還是實現方法上都有很大的突破，利用快速成型技術可對產品設計進行迅速評價、修改，並自動快速地將設計轉化為具有相應結構和功能的原型產品或直接製造出零部件，從而大大縮短新產品的開發週期，降低產品的開發成本，使企業能夠快速響應市場需求，提高產品的市場競爭力和企業的綜合競爭能力 ^[1]  。

1、製造原型所用的材料不限，各種金屬和非金屬材料均可使用；

2、原型的複製性、互換性高；

3、製造工藝與製造原型的幾何形狀無關，在加工複雜曲面時更顯優越；

4、加工週期短，成本低，成本與產品複雜程度無關，一般製造費用降低50%，加工週期節約70%以上；

5、高度技術集成，可實現了設計製造一體化。

1、隨着全球市場一體化的形成，製造業的競爭十分激烈，產品的開發速度日益成為主要矛盾。在這種情況下，西安交通大學機械學院，快速成型國家工程研究中心，教育部快速成型工程研究中心自主快速產品開發(快速設計和快速工模具)的能力(週期和成本)成為製造業全球競爭的實力基礎。

2、製造業為滿足日益變化的用户需求，要求製造技術有較強的靈活性，能夠以小批量甚至單件生產而不增加產品的成本。因此，產品的開發速度和製造技術的柔性就十分關鍵。

3、從技術發展角度看，計算機科學、CAD技術、材料科學、激光技術的發展和普及為新的製造技術的產生奠定了技術物質基礎。

快速成形技術是在計算機控制下，基於離散、堆積的原理採用不同方法堆積材料，最終完成零件的成形與製造的技術。

1、從成形角度看，零件可視為“點”或“面”的疊加。從CAD電子模型中離散得到“點”或“面”的幾何信息，再與成形工藝參數信息結合，控制材料有規律、精確地由點到面，由面到體地堆積零件。

2、從製造角度看，它根據CAD造型生成零件三維幾何信息，控制多維繫統，通過激光束或其他方法將材料逐層堆積而形成原型或零件。

去除成型是運用分離的方法，按照要求把部分材料有序地從基體上分離出去而成型的加工方式。傳統的車、銑、創、磨等加工方法均屬於去除成型。去除成型是製造業最主要的成型方式。

添加成型是指利用各種機械的、物理的、化學的等手段通過有序地添加材料來達到零件設計要求的成型方法。快速成型技術是添加成型的典型代表，它從思想上突破了傳統的成型方式，可快速製造出任意複雜程度的零件，是一種非常有前景的新型製造技術。

受迫成型是利用材料的可成型性（如塑性等）在特定外圍約束（邊界約束或外力約束）下成型的方法。傳統的鑄造、鍛造和粉末冶金等均屬於受迫成型。受迫成型還未完全實現計算機控制，多用於毛坯成型、特種材料成型等。

生長成型是利用生物材料的活性進行成型的方法，自然界中生物個體的發育均屬於生長成型，“克隆”技術是在人為系統中的生長成型方式。隨着活性材料、仿生學、生物化學、生命科學的發展，這種成型方式將會得到很大的發展和應用。

不斷提高RP技術的應用水平是推動RP技術發展的重要方面。西安交通大學機械學院，快速成型國家工程研究中心，教育部快速成型工程研究中心快速成型技術已在工業造型、機械製造、航空航天、軍事、建築、影視、家電、輕工、醫學、考古、文化藝術、雕刻、首飾等領域都得到了廣泛應用。並且隨着這一技術本身的發展，其應用領域將不斷拓展。RP技術的實際應用主要集中在以下幾個方面：

1、在新產品造型設計過程中的應用快速成形技術為工業產品的設計開發人員建立了一種嶄新的產品開發模式。運用RP技術能夠快速、直接、精確地將設計思想轉化為具有一定功能的實物模型，這不僅縮短了開發週期，而且降低了開發費用，也使企業在激烈的市場競爭中佔有先機。

2、在機械製造領域的應用由於RP技術自身的特點，使得其在機械製造領域內，獲得廣泛的應用，多用於製造單件、小批量金屬零件的製造。有些特殊複雜製件，由於只需單件生產，或少於50件的小批量，一般均可用RP技術直接進行成型，成本低，週期短。

3、快速模具製造傳統的模具生產時間長，成本高。將快速成型技術與傳統的模具製造技術相結合，可以大大縮短模具製造的開發週期，提高生產率，是解決模具設計與製造薄弱環節的有效途徑。快速成形技術在模具製造方面的應用可分為直接制模和間接制模兩種，直接制模是指採用RP技術直接堆積製造出模具，間接制模是先製出快速成型零件，再由零件複製得到所需要的模具。

4、在醫學領域的應用，人們對RPM技術在醫學領域的應用研究較多。以醫學影像數據為基礎，利用RP技術製作人體器官模型，對外科手術有極大的應用價值。

5、在文化藝術領域的應用在文化藝術領域，快速成形制造技術多用於藝術創作、文物複製、數字雕塑等。

6、在航空航天技術領域的應用在航空航天領域中，空氣動力學地面模擬實驗，即風洞試驗是設計性能先進的天地往返系統（即航天飛機）所必不可少的重要環節。該實驗中所用的模型形狀複雜、精度要求高、又具有流線型特性，採用RP技術，根據CAD模型，由RP設備自動完成實體模型，能夠很好的保證模型質量。

7、在家電行業的應用，快速成形系統在國內的家電行業上得到了很大程度的普及與應用，使許多家電企業走在了國內前列，都先後採用快速成形系統來開發新產品，收到了很好的效果。快速成形技術的應用很廣泛，可以相信，隨着快速成形制造技術的不斷成熟和完善，它將會在越來越多的領域得到推廣和應用 ^[1]  。

從RP技術的研究和應用現狀來看，快速成型技術的進一步研究和開發工作主要有以下幾個方面：

1、開發性能好的快速成型材料，如成本低、易成形、變形小、強度高、耐久及無污染的成形材料。

2、提高RP系統的加工速度和開拓並行製造的工藝方法。

3、改善快速成形系統的可靠性，提高其生產率和製作大件能力，優化設備結構，尤其是提高成形件的精度、表面質量、力學和物理性能，為進一步進行模具加工和功能實驗提供基礎。

4、開發快速成形的高性能RPM軟件。提高數據處理速度和精度，研究開發利用CAD原始數據直接切片的方法，減少由STL格式轉換和切片處理過程所產生精度損失。

5、開發新的成形能源。

6、快速成形方法和工藝的改進和創新。直接金屬成形技術將會成為今後研究與應用的又—個熱點。

7、進行快速成形技術與CAD、CAE、RT、CAPP、CAM以及高精度自動測量、逆向工程的集成研究。

8、提高網絡化服務的研究力度，實現遠程控制。

快速成型的基礎是分層疊加原理，然而，用什麼材料進行分層疊加，以及如何進行分層疊加卻大有研究價值。因此，除了上述常見的分層疊加成形法之外，正在研究、開發一些新的分層疊加成形法，以便進一步改善製件的性能，提高成形精度和成形效率。

成型材料研究一直都是一個熱點問題，快速成型材料性能要滿足：①有利於快速精確的加工出成型；②用於快速成型系統直接製造功能件的材料要接近零件最終用途對強度、剛度、耐潮、熱穩定性等要求；③有利於快速制模的後續處理。發展全新的RP材料，特別是複合材料，例如納米材料、非均質材料、其他方法難以製作的材料等仍是努力的方向。

快速成形件的精度一般處於±0.1 mm的水平，高度方向的精度更是如此。快速成型技術的基本原理決定了該工藝難於達到與傳統機械加工所具有的表面質量和精度指標，把快速成型的基本成形思想與傳統機械加工方法集成，優勢互補，是改善快速成型精度的重要方法之一。

快速成型系統使用的分層切片算法都是基於STL文件格式進行轉換的，就是用一系列三角網格來近似表示CAD模型的數據文件，而這種數據表示方法存在不少缺陷，如三角網格會出現一些空隙而造成數據丟失，還有由於平面分層所造成的台階效應，也降低了零件表面質量和成形精度，應着力開發新的模型切片方法，如基於特徵的模型直接切片法、曲面分層法，即不進行STL格式文件轉換，直接對CAD模型進行切片處理，得到模型的各個截面輪廓，或利用反求工程得到的逐層切片數據直接驅動快速成型系統，從而減少三角面近似產生的誤差，提高成形精度和速度。

快速成型技術所採用的能源有光能、熱能、化學能、機械能等。在能源密度、能源控制的精細性、成型加工質量等方面均需進一步提高。

快速成型現有技術的應用領域主要在於新產品開發，主要作用是縮短開發週期，儘快取得市場反饋的效果。

由於快速成型技術的巨大吸引力，不僅工業界對其十分重視，而且許多其他的行業都紛紛致力於它的應用和推廣，在其技術向更高精度與更優的材質性能方向取得進展後，可以考慮加入生物醫學、考古、文物、藝術設計、建築成型等多個領域的應用，形成高效率、高質量、高精度的複製工藝體系 ^[2]  。