作者：梁江波 葛正浩 厲成龍
前言 在新產品的開發過程中，總是需要在投入大量資金組織加工或裝配之前對所設計的零件或整個系統加工壹個簡單的例子或原型。這樣做主要是因為生產成本昂貴，而且模具的生產需要花費大量的時間準備，因此，在準備制造和銷售壹個復雜的產品系統之前，工作原型可以對產品設計進行評價、修改和功能驗證。 壹個產品的典型開發過程是從前壹代的原型中發現錯誤，或從進壹步研究中發現更有效和更好的設計方案，而壹件原型的生產極其費時，模具的準備需要幾個月，因此壹個復雜的零件用傳統方法加工非常困難。 快速成型(Rapid Prototyping)技術是近年來發展起來的直接根據CAD模型快速生產樣件或零件的成組技術總稱，它集成了CAD技術、數控技術、激光技術和材料技術等現代科技成果，是先進制造技術的重要組成部分。與傳統制造方法不同，快速成型從零件的CAD幾何模型出發，通過軟件分層離散和數控成型系統，用激光束或其它方法將材料堆積而形成實體零件。由於它把復雜的三維制造轉化為壹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雜的零部件，極大地提高了生產效率和制造柔性。 壹個更為人們關註的問題是壹個產品從概念到可銷售成品的流程速度。眾所周知，在市場競爭中，產品在競爭對手之前進入市場更為有利可圖並能享有更大的市場氛圍。同時，還有壹個更為令人關心的問題是產品的高質量。由於這些原因，努力使高質量的產品快速進人市場就顯得極為重要。 快速成型技術問世以來，已實現了相當大的市場，發展非常迅速。人們對材料逐層添加法這種新的制造方法已逐步適應。該技術通過與數控加工、鑄造、金屬冷噴塗、矽膠模等制造手段結合，已成為現代模型、模具和零件制造的強有力手段，在航空航天、汽車摩托車、家電等領域得到了廣泛應用。 1快速成型技術的優點 1)快速成型作為壹種使設計概念可視化的重要手段，計算機輔助設計零件的實物模型可以在很短時間內被加工出來，從而可以很快對加工能力和設計結果進行評估。
2)由於快速成型技術是將復雜的三維型體轉化為兩維截面來解決，因此，它能制造任意復雜型體的高精度零件，而無須任何工裝模具。
3)快速成型作為壹種重要的制造技術，采用適當的材料，這種原型可以被用在後續生產操作中以獲得最終產品。
4)快速成型操作可以應用於模具制造，可以快速、經濟地獲得模具。
5)產品制造過程幾乎與零件的復雜性無關，可實現自由制造,這是傳統制造方法無法比擬的。 2快速成型的基本原理 基於材料累加原理的快速成型操作過程實際上是壹層壹層地離散制造零件。為了形象化這種操作，可以想象壹整條面包的結構是壹片面包落在另壹片面包之上壹層層累積而成的。快速成型有很多種工藝方法，但所有的快速成型工藝方法都是壹層壹層地制造零件，區別是制造每壹層的方法和材料不同而已。 2. 1快速成型的壹般工藝過程原理 2.1.1三維模型的構造 在三維CAD設計軟件(如Pro/E\UG\SolidWorks\SolidEdge等)中獲得描述該零件的CAD文件，如圖1(a)中所示的三維零件。目前壹般快速成型支持的文件輸出格式為5TL模型，即對實體曲面近似處理，即所謂面型化(Tessallation)處理，是用平面三角面片近似模型表面。這樣處理的優點是大大地簡化了GAD模型的數據格式，從而便於後續的分層處理。由於它在數據處理上較簡單，而且與CAD系統無關，所以很快發展為快速成型制造領域中CAD系統與快速成型機之間數據交換的準標準，每個三角面片用4個數據項表示，即3個頂點坐標和法向矢量，而整個CAD模型就是這樣壹組矢量的集合。 在三維CAD設計軟件對C.AD模型進行面型化處理時，壹般軟件系統中有輸出精度控制參數，通過控制該參數，可減小曲面近似處理誤差。如Pro/E軟件是通過選定弦高值(eh-chord height)作為逼近的精度參數，如圖1為壹球體，給定的兩種ch值所轉化的情況。對於壹個模型，軟件中給定壹個選取範圍，壹般情況下這個範圍可以滿足工程要求。但是，如果該值選的太小，要犧牲處理時間及存貯空間，中等復雜的零件都要數兆甚至數十兆左右的存貯空間。並且這種數據轉換過程中無法避免地產生錯誤，如某個三角形的頂點在另壹三角形邊的中間、三角形不封閉等問題是實踐中經常遇到的，這給後續數據處理帶來麻煩，需要進壹步檢查修補。
圖1 不同ch值時的效果
(a) ch=0.05 (b) ch=0.22.1.2三維模型的離散處理 通過專用的分層程序將三維實體模型(壹般為5TL模型)分層，分層切片是在選定了制作(堆積)方向後，需對CAD模型進行壹維離散，獲取每壹薄層片截面輪廓及實體信息。通過壹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，而實體信息是通過壹些判別準則來獲取的。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。在這壹過程中，由於分層，破壞了切片方向CAD模型表面的連續性，不可避免地丟失了模型的壹些信息，導致零件尺寸及形狀誤差的產生。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，分層切片後所獲得的每壹層信息就是該層片上下輪廓信息及實體信息，而輪廓信息由於是用平面與CAD模型的STL文件(面型化後的CAD模型)求交獲得的，所以輪廓是由求交後的壹系列交點順序連成的折線段構成，所以，分層後所得到的模型輪廓已經是近似的，而層層之間的輪廓信息已經丟失，層厚大，丟失的信息多，導致在成型過程中產生了型面誤差。 3快速成型的工藝方法 目前快速成型主要工藝方法及其分類見圖2所示。文章僅介紹目前工業領域較為常用的工藝方法。
圖2 目前快速成型主要工藝方法及其分類3.1熔積成型法(Fused Deposition Modeling) 如圖4所示，在熔積成型法( FDM)的過程中，龍門架式的機械控制噴頭可以在工作臺的兩個主要方向移動，工作臺可以根據需要向上或向下移動。熱塑性塑料或蠟制的熔絲從加熱小口處擠出。最初的壹層是按照預定的軌跡以固定的速率將熔絲擠出在泡沫塑料基體上形成的。當第壹層完成後，工作臺下降壹個層厚並開始叠加制造壹層。FDM工藝的關鍵是保持半流動成型材料剛好在熔點之上，通常控制在比熔點高1℃左右。
1，熱塑性塑料或蠟制熔絲；2，可在x-y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制作復雜的零件時，必須添加工藝支撐。如圖5(a)的高度，下壹層熔絲將鋪在沒有材料支撐的空間。解決的方法是獨立於模型材料單獨擠出壹個支撐材料，支撐材料可以用低密度的熔絲，比模型材料強度低，在零件加工完成後可以將它拆除。 在FDA4機器中層的厚度由擠出絲的直徑決定，通常是從0. 50mm到0. 25mm(從0. 02in到0. O1 in)這個值代表了在垂直方向所能達到的最好的公差範圍。在x-y平面，只要熔絲能夠擠出到特征上，尺寸的精確度可以達到0. 025mm(O.OO1in)。 FDM的優點是材料的利用率高，材料的成本低，可選用的材料種類多，工藝幹凈、簡單、易於操作且對環境的影響小。缺點是精度低，結構復雜的零件不易制造，表面質量差，成型效率低，不適合制造大型零件。該工藝適合於產品的概念建模以及它的形狀和功能測試，中等復雜程度的中小成型，由於甲基丙烯酸ABS材料具有較好的化學穩定型，可采用伽馬射線消毒，特別適於醫用。
圖5 快速成型支撐結構圖
(a)有壹個突出截面需要支撐材料的零件；(b)在快速成型機器中常用的支撐結構3. 2光固化法(Stereolithography ) 光固化法是目前應用最為廣泛的壹種快速成型制造工藝，它實際上比熔積法發展的還早。光固化采用的是將液態光敏樹脂固化(硬化)到特定形狀的原理。以光敏樹脂為原料，在計算機控制下的紫外激光按預定零件各分層截面的輪廓為軌跡對液態樹脂逐點掃描，使被掃描區的樹脂薄層產生光聚合反應，從而形成零件的壹個薄層截面。 成型開始時工作臺在它的最高位置(深度a)，此時液面高於工作臺壹個層厚，零件第壹層的截面輪廓進行掃描，使掃描區域的液態光敏樹脂固化，形成零件第壹個截面的固化層。然後工作臺下降壹個層厚，使先固化好的樹脂表面再敷上壹層新的液態樹脂然後重復掃描固化，與此同時新固化的壹層牢固地粘接在前壹層上，該過程壹直重復操作到達到b高度。此時已經產生了壹個有固定壁厚的圓柱體環形零件。這時可以註意到工作臺在垂直方向下降了距離ab。到達b高度後，光束在x-y面的移動範圍加大從而在前面成型的零件部分上生成凸緣形狀，壹般此處應添加類似於FDM的支撐。當壹定厚度的液體被固化後，該過程重復進行產生出另壹個從高度b到c的圓柱環形截面。但周圍的液態樹脂仍然是可流動的，因為它並沒有在紫外線光束範圍內。零件就這樣由下及上壹層層產生。而沒有用到的那部分液態樹脂可以在制造別的零件或成型時被再次利用。可以註意到光固化成型也像FDM成型法壹樣需要壹個微弱的支撐材料，在光固化成型法中，這種支撐采用的是網狀結構。零件制造結束後從工作臺上取下，去掉支撐結構，即可獲得三維零件。 光固化成型所能達到的最小公差取決於激光的聚焦程度，通常是0.0125mm(O.OOO5in)。傾斜的表面也可以有很好的表面質量。光固化法是第壹個投人商業應用的RF(快速成型)技術。目前全球銷售的SL(光固化成型)設備約占Rl'設備總數的70%左右。SL(光固化成型)工藝優點是精度較高，壹般尺寸精度控制在10. 1 mm;表面質量好，原材料的利用率接近100%，能制造形狀特別復雜、特別精細的零件，設備的市場占有率很高。缺點是需要設計支撐，可以選擇的材料種類有限，容易發生翹曲變形，材料價格較貴。該工藝適合成型制造比較復雜的中小件。 3. 3激光選區燒結(Selective Laser Sinering) 激光選區燒結(Selective Laser Sintering，簡稱SLS)是壹種將非金屬(或普通金屬)粉末有選擇地燒結成單獨物體的工藝。該法采用CO: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)壹個是粉末補給筒，它內部的活塞被逐漸地提升通過壹個滾動機構給零件造型筒供給粉末;
2)另壹個是零件造形筒，它內部的活塞(工作臺)被逐漸地降低到熔結部分形成的地方。
首先在工作臺上均勻鋪上壹層很薄(l00~200μm)的粉末，激光束在計算機控制下按照零件分層輪廓有選擇性地進行燒結，從而使粉末固化成截面形狀，壹層完成後工作臺下降壹個層厚，滾動鋪粉機構在已燒結的表面再鋪上壹層粉末進行下壹層燒結。未燒結的粉末仍然是松散的保留在原來的位置，支撐著被燒結的部分，它輔助限制變形，無需設計專門的支撐結構。這個過程重復進行直到制造出整個三維模型。全部燒結完後去掉多余的粉末，再進行打磨、烘幹等處理後便獲得需要的零件。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行直接燒結的工藝正在實驗研究階段。它可以直接制造工程材料的零件，具有誘人的前景。
SLS工藝的優點是原型件的機械性能好，強度高;無須設計和構建支撐;可選用的材料種類多;原材料的利用率接近100% ,缺點是原型表面粗糙;原型件疏松多孔，需要進行後處理;能量消耗高;加工前需要對材料預熱2h，成型後需要5~lOh的冷卻，生產效率低;成型過程需要不斷充氮氣，以確保燒結過程的安全性，成本較高;成型過程產生有毒氣體，對環境有壹定的汙染。SLS工藝特別適合制作功能測試零件。由於它可以采用各種不同成分的金屬粉末進行燒結，進行滲銅等後處理，因而其制造的原型件可具有與金屬零件相近的機械性能，故可用於直接制造金屬模具。由於，該工藝能夠直接燒結蠟粉，與熔模鑄造工藝相接特別適合進行小批量比較復雜的中小零件的生產。 3.4疊層制造(Lamited Object Manufacturing) LOM(疊層制造)工藝將單面塗有熱溶膠的紙片通過加熱輥加熱粘接在壹起，位於上方的激光器按照CAD分層模型所獲數據，用激光束將紙切割成所制零件的內外輪廓，然後新的壹層紙再疊加在上面，通過熱壓裝置和下面已切割層粘合在壹起，激光束再次切判，這樣反復逐層切割壹粘合壹切割，直到整個零件模型制作完成。該法只需切割輪廓，特別適合制造實心零件。壹旦零件完成.多余的材料必須手動去除，此過程可以通過用激光在三維零件周圍切割壹些方格形小孔而簡單化。 L0M工藝優點是無須設計和構建支撐;激光束只是沿著物體的輪廓掃描，無需填充掃描，成型效率高;成型件的內應力和翹曲變形小;制造成本低。缺點是材料利用率低;表面質量差;後處理難度大，尤其是中空零件的內部殘余廢料不易去除;可以選擇的材料種類有限，目前常用的主要是紙;對環境有壹定的汙染。LOM工藝適合制作大中型成型件，翹曲變形小和形狀簡單的實體類零件。通常用於產品設計的概念建模和功能測試零件，且由於制成的零件具有木質屬性，特別適用於直接制作砂型鑄造模。 4 快速成型技術在向產品生產化發展中所存在的主要問題 在制造業日趨國際化的狀況下，縮短產品開發周期和減少開發新產品投資風險，成為企業賴以生存的關鍵。因此，快速成型、快速制模、快速制造技術將會得到進壹步發展。 4. 1快速成型技術研究中存在的問題。 1)材料問題.目前快速成型技術中成型材料的成型性能大多不太理想，成型件的物理性能不能滿足功能性、半功能性零件的要求，必須借助於後處理或二次開發刁'能生產出令人滿意的產品。由於材料技術開發的專門性，壹般快速成型材料的價格都比較貴，造成生產成本提高。 2)高昂的設備價格.快速成型技術是綜合計算機、激光、新材料、CAD/CAM集成等技術而形成的壹種全新的制造技術，是高科技的產物，技術含量較高，所以，目前快速成型設備的價格較貴，限制了快速成型技術的推廣應用。 3)功能單壹.現有快速成型機的成型系統都只能進行壹種工藝成型，而且大多數只能用壹種或少數幾種材料成型。這主要是因為快速成型技術的專利保護問題，各廠家只能生產自己開發的快速成型工藝成型設備，隨著技術的進步，這種保護體制已成為快速成型技術集成的障礙。 4)成型精度和質量問題.由於快速成型的成型工藝發展還不完善，特別是對快速成型軟件技術的研究還不成熟，目前快速成型零件的精度及表面質量大多不能滿足工程直接使用的需要，不能作為功能性零件，只能作原型使用。為提高成型件的精度和表面質量，必須改進成型工藝和快速成型軟件。 5)應用問題.雖然快速成型技術在航空航天、汽車、機械、電子、電器、醫學、玩具、建築、藝術品等許多領域都已獲得了廣泛應用，但大多僅作為原型件進行新產品開發及功能測試等，如何生產出能直接使用的零件是快速成型技術面臨的壹個重要問題。隨著快速成型技的進壹步推廣應用，直接零件制造是快速成型技術發展的必然趨勢。 6)軟件問題。隨著快速成型技術的不斷發展，快速成型技術的軟件問題越來越突出，快速成型軟件系統不但是實現離散/堆積成型的重要環節，對成型速度，成型精度，零件表面質量等方面都有很大影響，軟件問題已成為快速成型技術發展的關鍵問題。 4. 2快速成型技術軟件系統存在的問題 1)快速成型軟件大多是隨機安裝，無法進行二次開發;
2)各公司的軟件都是自行開發，沒有統壹的數據接口;
3)隨機攜帶的快速成型軟件都只能完成壹種工藝的數據處理和控制成型;
4)已商品化的通用性軟件價格較貴，功能單壹，只能進行模型顯示、加支撐、錯誤檢驗與修正等中的壹種或幾種功能，而且也存在數據接口問題，不易集成;
5）商品化的軟件還不完善，不能滿足當前快速成型技術對成型速度、成型精度和質量的要求;
6)當前的數據轉換模型缺陷較多，對CAD模型的描述不夠精確，從而影響了快速成型的成型精度和質裏。 5快速成型技術的發展方向 目前國內外快速成型的研究、開發的重點是快速成型技術的基本理論、新的快速成型方法、新材料的開發、模具制作技術、金屬零件的直接制造、生物技術與工程的開發與應用等。另外，還要追求RPM(快速成型制造)的更快的制造速度、更高的制造精度、更高的可靠性，使RPM設備的安裝使用外設化，操作智能化;使RPM設備的安裝和使用變得非常簡單，不需專門的操作人員。具體說來，有以下幾點: 1）采用金屬材料和高強度材料直接成型是RPM重要發展方向，采用金屬材料和高強度材料直接制成功能零件是RPM(快速成型制造)壹個重要發展方向。美國Michigan大學的Manzumd采用大功率激光器進行金屬熔焊直接成型鋼模具;Stanford大學的Print。用逐層累加與五座標數控加工結合方法，用激光將金屬直接燒結成型，可獲得與數控加工相近的精度。 2)不同制造目標相對獨立發展。從制造目標來說RPM(快速成型制造)主要用於快速概念設計成型制造、快速模具成型制造、快速功能測試成型制造及快速功能零件制造。由於快速概念型制造和快速模具型制造的巨大市場和技術可行性，將來這兩個方面將是研究和商品化的重點。由於彼此特點有較大差距，兩者將是相對獨立發展的態勢，快速測試型制造將附屬於快速概念型制造。快速功能零件制造將是發展的壹個重要方向，但技術難度很大，在今後的很長壹段時間內，仍將局限於研究領域。 3)向大型制造與微型制造進軍。由於大型模具的制造難度和RPM(快速成型制造)在模具制造方面的優勢，可以預測，將來的RPM市場將有壹定比例為大型原型制造所占據。與此成鮮明對比的將是RPM(快速成型制造)向微型制造領域的進軍。SL技術的壹個重要發展方向是微米印刷(Microlithography) ,用來制造微米零件( Microseale Parts)。而針對我國的具體國情，快速成型技術今後的主要發展方向有:1)成型工藝、成型設備和成型材料的研發與改進;2)直接快速成型的金屬模具制造技術;3)基於因特網的分散化快速原型、快速模具的網絡制造技術研究;4)與生物技術相結合;5)進壹步完善軟件的功能. 6 結束語 快速成型的出現把傳統的加工帶入全新的數字化領域，要讓快速成型與制造技術得到越來越廣泛、深人的應用，應從各個方面著手完善和發展該系統，進壹步拓寬該技術的應用範圍。
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