快速成型技术发展方向探讨

快速成型技术发展方向探讨 西安北方光电 袁祁刚，南京师范大学 杨继全 2005-12-22 中国金属加工网 快速成形技术是集机械、电子、光学、材料等学科为一体的先进制造技术之一。本文论述了快速 成形技术的起源，介绍了快速成形技术的应用领域及其市场分布情况。在阐述了各成形工艺在国内 外新进展的基础上，讨论了该技术的发展趋势。 20世纪80年代末、90年代初发展起来的快速成形（Rapid Prototyping&Manu facturing：RP）技 术，突破了传统的加工模式，是近20年制造技术领域的一次重大突破。它与科学计算可视化和虚 拟现实等技术相结合，为者、制造者与用户之间提供了一种可测量、可触摸的新手段。快速成 形技术可以自动、快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的原型或直接制造零件（模 具），有效地缩短了产品的研发周期，是提高产品质量、缩减产品成本的有力工具。它的核心是基 于数字化的新型成形技术。快速成形技术对制造企业的模型、原型及成形件制造方式正产生深远的 影响。 RP系统可分为两大类：基于激光或其它光源的成形技术，如：立体光造型（Stereo lithography：SL）、迭层实体制造（Laminated Object Manufacturing：LOM）、选择性激光烧结（Selected Laser Sintering：SLS）、形状沉积制造（Shape Deposition Manufacturing：SDM）等；基于喷射的成形技 术，如：熔融沉积制造（Fused Deposition Modeling：FDM）、三维打印制造（Three Dimensional Printing：3DP）等。 1RP 1979年，东京大学的中川威雄教授利用分层技术制造了金属冲裁模、成形模和注塑模。20世纪70年代末到80年代初，美国3M公司的AlanJ. Hebert（1978年）、日本的小玉秀男（1980年）、美国UVP公司的Charles W. Hull（1982年）和日本的丸谷洋二（1983年），各自独立地首次提出 了RP的概念，即利用连续层的选区固化制作三维实体的新思想。 Charles W. Hull在UVP的资助下，完成了第1个RP系统Stereo lithography Apparatus（SLA），并于1986年获得专利，这是RP发展的一个里程碑。随后许多快速成形概念、技术及相应的成形机也相继出现。 2RP 快速成形术已经广泛应用于家电、汽车、航空航天、船舶、工业设计、医疗等领域。艺术、建筑 等领域的工作者也已开始使用RP设备。根据14个RP设备供应商和43个RP服务商的统计数据，所有RP模型的近41%用于装配和功能型零件；约27%用于工程、工具制造、报价和投标；约23%用于原型模具、金属铸造及模芯制造。随着RP技术本身的发展和完善，其应用领域在不断拓展。 截至2001年7月，全球共有355家RP服务机构，30家设备制造商，12家材料供应商，35家咨询机构，14家专门的软件供应商，67个教育及研究机构。分布于全球58个国家的RP系统有6755台套。根据其中6521个系统的分布情况统计出：北美（主要是美国）占45.3%，亚洲/环太平洋地区占28.6%，欧洲占24.6%，其它地区只占1.5%。近年来，采用RP设备最积极的地区是东亚（尤 其是韩国、香港、新加坡）。 RP市场2001年增速较慢，但在2002年有较大幅度的恢复性增长。 3 美国是世界上最重要的RP设备生产国，1999年美国生产的RP设备占全世界的8l.5%，美国的RP发展水平及其趋势基本代表了世界的RP发展水平及趋势。 3.1 立体光造型 1999年3DSystems公司推出SLA27000机型，扫描速度可达9.52m/s，层厚最小可达0.025mm。AUTOSTRADE公司（日本）开发了以680nm左右波长半导体激光器为光源的RP系统，及针对该波长的可见光树脂。提供光固化树脂的有瑞士Ciba公司、日本旭电化公司、美国Dupont公司等。 3.2 迭层实体制造 Helisys公司研制出多种LOM工艺用的成形材料，可制造用金属薄板制作的成形件。该公司还与 Dayton大学合作开发基于陶瓷复合材料的LOM工艺。苏格兰的Dundee大学使用CO2激光器切割薄钢板，使用焊料或粘接剂制作成形。日本Kira公司PLT2A4成形机采用超硬质刀具切割和选择性 粘接的方法制作成形件。澳大利亚的Swinburn工业大学开发了用于LOM工艺的金属2塑料复合材料。 3.3 选择性激光烧结 DTM公司推出了系列Sinterstation成形及多种成形材料，其中Somos材料具有橡胶特性，耐热、抗化学腐蚀，用该材料制造出了汽车上的蛇形管、密封垫等柔性零件。EOS公司研制了PA3200GF尼龙粉末材料，用其制作的零件具有较高的精度和表面光洁度。 3.4 熔融沉积制造 Stratasys公司推出FDM系列成形机，可使用两个喷头同时造形，制作速度快。1999年推出使用热塑性塑料的Genisys成形，并开发出水溶性支撑材料，解决了复杂及小型孔洞中的支撑材料难以 去除的问题。 3.5 三维打印 美国的Z Corp与日本的Riken Institute于2000年研制出基于喷墨打印技术的、能制作出彩色原 型件的RP设备。该系统采用4种不同的颜色能产生8种不同的色调，原型件可表现出三维空间内 的热应力分布情况，切割开原型，即可发现原型内的温度和应力变化情况，这对于原型的有限元分 析尤其实用。荷兰的TNO和德国的BMT也在研究RP彩色制造技术。 美国Sanders Prototype Inc的基于热熔金属喷射技术的Pattern Master是制作速度最快的RP设备之一。制作范围为300mm×150mm×220mm，用户可实时制作原型、验证设计，随后即可得到成形 件。成形件的表面精度为0.08mm～0.16mm。 德国的Generis Generative Systeme于2001年推出基于喷墨打印的设备，先在每层沙（或蜡）上 喷射粘接剂（平铺），再选择性喷射反应物，该设备的制作速度比其它选择性激光烧结设备快10倍以上。设备制作零件的范围为1.5m×0.75m×0.75m，制作速度为0.008m3/h。 以色列的Object Geometries 公司2000年底推出3维打印机系列的RP设备2Quadra建造零件尺寸为270mm×320mm×200mm。Quadra用了1536个喷头选择性沉积树脂，安装在喷头前后的紫外灯 固化喷射出的液态树脂。 3.6 其它RP技术 美国Michigan 的Precision Optical Manufacturing（POM）公司正在研制直接金属成形（Direct Metal Deposition：DMD）技术，用激光融化金属粉末，能一次制作出质地均匀、强度高的金属零件。 由美国国家航空航天局（NASA）资助而开发的精密RP设备可用来加工航空、医疗等领域用的 精密零件，制造尺寸范围为450mm×300mm×300mm，零件的微细特征可小于12μm，表面精度小于1μm，售价为150000美元左右。 德国的研究机构则利用SL与真空注塑相结合制造微陶瓷零件，精度为0.1mm。Oxford大学和Ford Motor公司正研制通过在低成本的陶瓷模具上喷射熔融的合金钢而制作大型零件的RP设备，Ford公司宣称该新型喷射成形工艺将缩短产品研发的工序（从12个工序到5个工序）和时间（从15～25周到3～5周）。 3.7 RP软件 RP软件主要具备CAD模型数据处理及成形机控制功能，它对成形零件的精度、系统的性能等方 面都有很大影响。几乎每一套商用RP系统都有自己的RP软件。因此，市场上的RP软件多种多样。表1中列出了功能较强、较为常用的几种RP软件。 但目前RP软件系统还存在以下问题： （1）RP软件无标准化。绝大多数的RP系统开发商都开发与自己的RP系统相匹配的软件系统，市场上RP软件互不兼容，不同RP系统间相互交换数据非常困难。 （2）RP软件二次开发难。目前的RP软件都随机安装，用户无法按照自己的具体要求进行二次 开发。 （3）价格昂贵，功能单一。RP软件的专业开发商提供的RP软件价格都十分昂贵，多在1万美元左右，而且仅限于数据处理模块，大多只具备模型显示、加支撑、切片、纠错等基本功能，后续 的成形机控制模块则需用户自行解决。 4RP 国内有多所高校自20世纪90年代初开始进行RP技术的研究开发。清华大学主要研究RP方面的现代成型学理论、SSM（Slicing Solid Manufacturing）、FDM工艺，并开展了基于SL工艺的金属模具的研究；华中科技大学研究LOM工艺，推出了HRP系列成形机和成形材料；西安交通大学 开发出LPS和CPS系列的光固化成形系统及相应树脂，CPS系统采用紫外灯为光源，成形精度 0.2mm。 但RP技术在国内的应用还不十分广泛，目前仅限于大型企业和少部分科研院所。国内已成立多 家RP服务中心，开始应用RP技术开发新产品。 香港较内地RP技术起步较早，香港生产力促进局和香港科技大学、香港理工大学、香港城市大 学等都拥有RP设备，但其重点是RP技术应用与推广而不是研制RP设备。台湾大学拥有LOM设备，台湾各单位及军方安装多台进口SL系列设备。 目前国内在RP技术的研究应用上存在着研究队伍比较薄弱，资金投入有限，应用普及范围不够，没有统一协调的管理机制等缺陷。 5 长期以来，不断有一些学者和专家对RP的发展持观望和怀疑态度，尤其是在1998年受全球经济的不景气所影响，RP工业出现缓慢增长甚至某些方面为负增长。对此，Terry Wohlers在其著述的《2000年度全球快速成形及快速模具制造工业进展报告》中指出，RP工业将会在未来几年发生巨大的变化，主要体现在新技术、新工艺及信息网络化等方面。 5.1 开发概念模型机或台式机 目前，RP技术向两个方向发展：工业化大型系统，用于制造高精度、高性能零件；自动化的桌 面小型系统，此类系统称为概念模型机或台式机，主要用于制造概念原型。发达国家许多科研机构 （如IBM公司）及教育单位（中等职业学校甚至中小学）已经开始购买此种小型RP设备，并极有可能进入家庭。美国通用汽车公司也为其每位工程师配备一台此类设备。 采用桌面RP系统制造的概念原型，可用于展示产品设计的整体概念、立体形态布局安排，进行 产品造型设计的宣传，作为产品的展示模型、投标模型等使用。 5.2 开发新的成形能源 SL、LOM、SLS等快速成形技术大多以激光作为能源，而激光系统（包括激光器、冷却器、电 源和外光路）的价格及维护费用昂贵，致使成形件的成本较高，于是许多RP研究集中于新成形能源的开发。目前已有采用半导体激光器、紫外灯等低廉能源代替昂贵激光器的RP系统，也有相当多的系统不采用激光器而通过加热成形材料堆积出成形件。 5.3 开发性能优越的成形材料 RP技术的进步依赖于新型快速成形材料的开发和新设备的研制。发展全新的RP材料，特别是复合材料，如纳米材料、非均质材料、其它传统方法难以制作的复合材料已是当前RP成形材料研究的热点。目前国外RP技术的研究重点是RP成形材料的研究开发及其应用，美国许多大学里进 行RP技术研究的科技人员多数来自材料和化工专业。 5.4 研究新的成形方法与工艺 在现有的基础上，拓宽RP技术的应用，开展新的成形技术的探索。新的成形方法层出不穷，如 三维微结构制造、生物活性组织的工程化制造、激光三维内割技术、层片曝光方式等。对于RP微型制造的研究主要集中于：RP微成形机理与方法、RP系统的精度控制、激光光斑尺寸的控制以及 材料的成形特性等方面。目前制作的微零件仅是概念模型，并不能称之为功能零件，更谈不上微机电系统（MEMS）。要达到MEMS还需克服很多的问题，如：随着尺寸的减小，表面积与体积之比 相对增大，表面力学、表面物理效应将起主导作用；微摩擦学、微热力学、微系统的设计、制造、 测试等。 5.5 集成化 生物科学、信息科学、纳米科学、制造科学和管理科学是21世纪的5个主流科学，与其相关的五大技术及其产业将改变世界，制造科学与其它科学交叉是其发展趋势。RP与生物科学交叉的生物制造、与信息科学交叉的远程制造、与纳米科学交叉的微机电系统等都为RP技术提供了发展空间。并行工程（CE）、虚拟技术（VT）、快速模具（RT）、反求工程（VR）、快速成形（RP）、网络（Internet、Intranet）相结合而组成的快速反应集成制造系统，将为RP的发展提供用力的技术支持。 添加时间：2005-7-19 文章来源： ais800.com 摘要：简要介绍了快速成型技术的基本原理、工艺方法和技术特点。阐述了快速成型技术在工业造 型、制造、模具、医学、航天等多领域的应用，探讨了快速成型技术今后的发展趋势。 关键词：快速成型技术 原型 快速制模 应用 快速成型技术RP(Rapid Protot-yping RP)是20世纪80年代末开始发展起来的一种基于逐层累加 成型的新兴制作工艺,它是集多种先进科技于一体的能够迅速将设计思想转化为产品的现代先进制 造技术。它为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。快速成 型工艺是一个涉及CAD/CAM、逆向工程技术、分层制造技术、数据编程、材料编制、材料制备、工 艺参数设置及后处理等环节的集成制造过程。通俗地说，快速成型技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。近十几年来，随着全球市场一体化的形成，制 造业的竞争十分激烈。尤其是计算机技术的迅速普遍和CAD/CAM技术的广泛应用，使得RP技术得到了异乎寻常的高速发展，表现出很强的生命力和广阔的应用前景。 快速成型制造工艺 PR技术是将传统的“去除”加工方法(由毛坯切去多余材料形成产品)改变为“增加”加工方法(将材料逐层累积形成产品)，采用离散分层/堆积的原理，由CAD模型直接驱动，快速制作原型或三维 实体零件的一种全新的制造技术。快速成型技术发展至今，以其技术的高集成性、高柔性、高速性 而得到了迅速发展，目前，快速成型的工艺方法已有几十种之多，其中主要工艺有四种基本类型: 光固化成型法(Stereo lithography Apparatus, SLA)、叠层实体制造法 (Laminated Object Manufacturing, LOM)、选择性激光烧结法 (Selective Laser Sintering, SLS) 和熔融沉积制造法 (Fused Deposition Manufacturing, FDM)。 1、SLA工艺 SLA工艺也称光造型或立体光刻，其工艺过程是以液态光敏树脂或丙稀酸树脂为材料充满液槽，由 计算机控制激光束跟踪层状截面轨迹并照射到液槽中的液体树脂上而固化一层树脂，之后升降台下 降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮平器将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行新 一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维 实体模型。 该工艺的特点是精度高，生产零件强度和硬度好，可制出形状特别复杂的空心零件，生产的模型柔 性化好，可随意拆装，是间接制模的理想方法，缺点是清洗和养护等后处理工序较费时。 2、LOM工艺 LOM工艺称叠层实体制造或分层实体制造，其工艺过程是由加热辊筒将薄形材料(如纸片，塑料薄膜，复合材料或金属等)加热联结，待加热辊筒自动离开后，再由激光将薄形材料截切成层面要求 形状(二维切片)，如此重复一层层叠加生成任意复杂形状的实体。 该工艺的特点是工作可靠，模型支撑性好，有类似木质外观，可制作一些SLA法难以制作的大型零件及厚壁零件，且成本低，效率高。缺点是前后处理费时费力且不能制造中空结构件。 3、SLS工艺 SLS工艺称为选择性激光烧结，其工艺过程是以金属、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作为成型材料，利用滚筒层层铺粉，激光器发出的光束在计算机控制下，对每层材料粉末进行扫描，使之熔化烧结成型，当一层粉末烧结完成后，滚筒上升一层，在烧结层上洒上新的一层粉末，供下一次烧结，直 至完成零件的成型。 该工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、金属、蜡等材料的零件。造 型精度高，原型强度高，所以可用样件进行功能试验或装配模拟。 4、FDM工艺 FDM工艺称为熔融沉积制造，其工艺过程是以热塑性成型材料丝为材料，材料丝通过加热器的挤压 头熔化成液体，由计算机控制挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，使熔化的热塑材料丝通过 喷嘴挤出，覆盖于已建造的零件之上， 并在1/10s内迅速凝固，形成一层材料。之后，挤压头沿轴向向上运动一微小距离进行下一层材料的建造。这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零 件。 该工艺的特点是使用、维护简单，成本较低，速度快，一般复杂程度原型仅需几个小时即可成型， 且无污染。 除了上述四种最为成熟的技术外，还有许多技术已经实用化，如三维喷涂粘结 （Three Dimensional Printing and Gluing, 3DPG）、焊接成型（Welding Forming, WF）、光屏 蔽工艺（Photo—masking, SGC）、直接壳法（Direct Shell Production Casting, DSPC）、直接 烧结技术、数码累积成型、热致聚合、全息干涉制造、模型熔、弹道微粒制造光束干涉固化等。 快速成型技术的特点 快速成型技术自问世以来，在短短的十几年时间里发展迅猛，表现出极强的生命力，与传统加工方 法相比具有诸多的优势，其特点主要表现为： 1、快速性 从CAD设计到完成原型制作通常只需数小时至几十个小时，与传统加工方法相比，加工周期节约 70%以上，对复杂零件尤其如此。 2、低成本 成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低50%，特别适合于新产品的开发和单件小批量零件的生产。 3、材料的广泛性 快速成型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用，可以制造树脂类、塑料类、纸类、石 蜡类、复合材料以及金属材料和陶瓷材料的原型。 4、适应性强 适应于加工各种形状的零件，制造工艺与零件的复杂程度无关，不受工具的限制，可实现自由制造 （Free Form Fabrication），原型的复制性、互换性高；尤其在加工复杂曲面时，更能体现出它 的优越性，这是传统法无法比拟的。 5、高柔性 采用非接触加工的方式，无需任何工夹具，即可快速成型出具有一定精度和强度、满足一定功能的 原型和零件。若要修改零件，只需修改CAD模型即可，特别适合于单件小批量生产。 6、高集成化 RP技术是集计算机、CAD/CAM、数控、激光、材料和机械等于一体的先进制造技术，整个生产过程 实现自动化、数字化，与CAD模型具有直接的关联，所见即所得，零件可随时修改，随时制造，实 现设计制造一体化。 快速成型技术的应用 不断提高RP技术的应用水平是推动RP技术发展的重要方面。目前，快速成型技术已在工业造型、 机械制造（汽车、摩托车）、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、 雕刻、首饰等领域都得到了广泛应用。并且随着这一技术本身的发展,其应用将不断拓展。RP技术 的实际应用主要集中在以下几个方面： 1、在新产品造型设计过程中的应用 快速成型技术为工业产品的设计开发人员建立了一种崭新的产品开发模式。运用RP技术能够快速、 直接、精确地将设计思想模型转化为具有一定功能的实物模型（样件），这不仅缩短了开发周期， 而且降低了开发费用，也使企业在激烈的市场竞争中占有先机。在新产品设计制造过程中，可用 RP技术快速制出产品样品的实物模型，供设计者进行性能测试、直观评估和验证分析。在进行新 产品市场调研时，用快速成型技术制造出样品的替代品，在潜在的用户中进行调研和宣传，了解用 户的意见和需求量，从而快速经济地验证设计人员的设计思想、产品结构的合理性、可制造性，找 出设计缺陷，并进行反复修改、制造，完善产品设计。以依托于西安交通大学的西北RPM应用服务中心为例，他们运用RPM技术为TCL公司设计了多款新型手机样品。从工业造型设计到样品全过程 仅用了七天的时间，如用传统设计制造技术是无法实现的。 2、在机械制造领域的应用 由于RP技术自身的特点，使得其在机械制造领域内，多用于制造单件、小批量金属零件。有些特 殊复杂制件只需单件或少于50件的小批量，这样的产品通过制模再生产，成本高，周期长。一般 可用RP技术直接进行成型，成本低，周期短。如某单位需试制发动机涡轮二个，采用传统工艺方 法，制模具再生产需4个月。北京隆源自动成型系统有限公司采用快速成型、失蜡铸造方法仅用了 两天时间就完成了用于失蜡铸造的蜡型。 3、快速模具制造 传统的模具生产时间长，成本高。将快速成型技术与传统的模具制造技术相结合，可以大大缩短模 具制造的开发周期，提高生产率，是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径。快速模具制造是 RP技术最具潜力的应用领域，其产业化规模和经济效益是不可估量的。 快速成型技术在模具制造方面的应用可分为直接制模和间接制模两种，直接制模是指采用RP技术直接堆积制造出模具，在RP技术诸方法中能够直接制作金属模具的是选择性激光烧结法(SLS法)， 用这种方法制造的钢铜合金注射模，寿命可达5万件以上，但此法在烧结过程中材料发生较大收缩 且不易控制，故难以快速得到高精度的模具。此外，用LOM法也可用于直接制造模具（如纸质成型 模具、压铸模具、低熔点合金模具等）；但用此法生产的模具寿命短，只适用于单间小批生产。 目前，基于RP技术快速制造模具的方法多为间接制模。间接制模是先制出快速成型零件，再由零件复制得到所需要的模具。依据材质不同，间接制模法生产出来的模具一般分为软质模具 (Soft Tooling)和硬质模具(Hard Tooling)两大类。软质模具是用硅橡胶、环氧树脂、低熔点合金、 锌合金、铝等软质材料制作的模具。由于其制造成本低和制作周期短,因而在新产品开发过程中作为产品功能检测和投入市场试运行以及国防、航空等领域的单件、小批量产品的生产方面受到高度 重视，尤其适合于批量小、品种多、改型快的现代制造模式。软质模具生产制品的数量一般为50～5000件，对于上万件乃至几十万件的产品，仍然需要传统的钢质模具,硬质模具指的就是钢质模具，利用RP原型制作钢质模具的主要方法有熔模铸造法、电火花加工法、陶瓷型精密铸造法等。 4、在医学领域的应用 近几年来，人们对RP技术在医学领域的应用研究较多。人是自然界最高级的动物，人体的骨骼和 内部器官具有极其复杂的内部组织结构。要真实地复制人体内部的器官构造，反映病变特征，快速 成型几乎是唯一的方法。以医学影像数据为基础，利用RP技术制作人体器官模型有极大的应用价 值，医疗专家组利用可视模型，进行模拟手术，对特殊病变部分进行修补(颅骨损伤、耳损伤等)。外科医生已利用CT与MRI所得数据，用RP技术制造模型，以便策划头颅和面部手术。他们还用 RP技术制成模型进行复杂手术练习，为牙齿、骨移植等手术设计样板。还有利用RP技术帮助发展新的医疗装置。 目前，国内外有许多单位在研究基于快速成型技术的人工骨成型。如：西安交通大学研制了气压式 熔融沉积造型系统成型可溶解的骨微管结构，并浇注到骨水泥中，融化后形成具有一定孔隙率的人 工骨。以美国Dayton大学为首的研究小组采用具有生物相容性的羟基磷灰石/玻璃薄膜材料，使用LOM快速成型工艺制造人工骨。美国Michigan大学采用光固化(SLA)技术将羟基磷灰石与紫外光固化的丙烯酸树脂混合制造人工骨。大连理工大学的姜开宇副教授将快速成型技术与化学气相渗透技 术相结合，提出了RPM—CTI复合成型技术，并制定出碳/碳复合材料人工骨RPM—CTI复合成型工艺。快速成型技术在医学领域的应用很有前景，发达国家已把它作为快速原型应用方面的主要研究 之一。 5、在文化艺术领域的应用 在文化艺术领域，快速成型制造技术多用于艺术创作、文物复制、数字雕塑等。RPM技术可使艺术创作、制造一体化，可将设计者的思想迅速表达成三维实体，便于设计修改和再创作，为艺术家提供了最佳的设计环境和成型条件；且使艺术创作过程简化，成本降低，多快好省地推出新作品。如 首饰的设计和制造，采用快速成型制造技术可极大地简化这一艺术创造过程，降低成本，更快地推 出新产品。文物复制可使失传文物得以再现，并使文物的保护工作进入一个新境界。 6、在航空航天技术领域的应用 在航空航天领域中，空气动力学地面模拟实验（即风洞实验）是设计性能先进的天地往返系统（即 航天飞机）所必不可少的重要环节。该实验中所用的比较模型由国家统一制定，模型形状复杂、精 度要求高、又具有流线型特性，采用RP技术，根据严格的CAD模型，由RP设备自动完成模型，能够很好的保证模型质量的。此外，宇航员的太空服要能防止极端温度和辐射，还要求有足够的柔软 性，因此每套太空服的制作费用达3万美元。美国一公司尝试综合反求工程、CAD、RP制造了太空服，既省时又省钱，质量又高，该太空服已用于宇航飞行。 7、在家电行业的应用 目前，快速成型系统在国内的家电行业上得到了很大程度的普及与应用,使许多家电企业走在了国内前列。如: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 型系统来开发新产品，收到了很好的效果。 快速成型技术的应用很广泛，可以相信，随着快速成型制造技术的不断成熟和完善，它将会在越来 越多的领域得到推广和应用。 快速成型技术的发展方向 虽然快速成型技术在很多领域得到了广泛应用，显示出极大的优越性，但它仍有一定的局限性，其 可成型材料有限，加工精度低、成本高、强度和耐久性能还不能满足用户的要求，在一定程度上阻 碍了该技术的推广普及。此外，由于高速加工中心的问世，向RP技术提出了新的挑战。从目前RP技术的研究和应用现状来看，快速成型技术的进一步研究和开发工作主要有以下几方面： 1）开发性能好的快速成型材料，如成本低、易成型、变形小、强度高、耐久及无污染的成型材料。 目前，快速成型用材料在挤出、浇注、复形和成型性能方面无法与热塑性塑料和金属相比。且易受 成型工艺的影响，材料在成型过程中会产生缺陷。因此，从RP技术的特点出发，结合各种应用要 求，改进和发展全新的便宜RP材料，特别是一些特殊材料和复合材料，例如智能材料、功能梯度 材料、纳米材料、非均质材料、其他方法难以制作的复合材料等。已经成为快速成型系统进步的迫 切要求。 2）提高RP系统的加工速度和开拓并行制造的工艺方法。目前，即使最快的快速成型机也难以完成 诸如注塑和压铸成型的快速大批量生产。在产品生产条件下，一个部件的制造周期仅需要2s～1min， 但快速成型则需要数小时甚至几天。因此，未来的快速成型机需要研究快速和多材料的制造系统， 以便能够直接面向产品制造。 3）改善快速成型系统的可靠性、生产率和制作大件能力，优化设备结构，尤其是提高成型件的精 度、表面质量、力学和物理性能，为进一步进行模具加工和功能实验提供基础。 4）开发快速成型的高性能RPM软件。提高数据处理速度和精度，研究开发利用CAD原始数据直接切片的方法，减少由STL格式转换和切片处理过程所产生精度损失。 5）开发新的成型能源。目前，大多数快速成型机都是激光作为能源，而激光系统（包括激光器、 冷却器、外光路等）的价格及维护不仅费用昂贵，而且存在传输效率较低。我国西安交通大学自主 开发的以紫外光代替激光的快速成型机，不仅性能可与激光成型机相媲美，而且降低了成本。新成 型能源方面的研究也是RP技术今后的一个重要发展方向。 6）快速成型方法和工艺的改进和创新。直接金属成型技术将会成为今后研究与应用的又一个热点。 7）进行快速成型技术与CAD、CAE、RT、CAPP、CAM 以及高精度自动测量、逆向工程的集成研究。 集成化也是RP技术今后的一个重要发展方向。如开发RP技术与快速制模工艺相综合的集成制造系 统，可扩大RP技术的制造能力、降低生产成本、提高生产效率。 8）提高网络化服务的研究力度，实现远程控制。随着Internet的迅速发展，用户可通过因特网将制品的CAD数据传给制造商，制造商可根据要求快速为用户制造各种制品。更进一步发展成用户通 过因特网直接进入制造商的主页，从而利用RP技术实现远程制造。此外，通过网络，科研机构可 以更好地为企业提供技术支持，有关单位可以方便地进行技术整合等。 结束语 总之，快速成型技术是一种新型成型方法，虽然问世不久，但已广泛应用于国民经济的许多领域， 给许多行业带来了巨大的经济效益。随着市场一体化竞争的日趋激烈，要求新产品开发和生产周期 越来越短，这为快速成型技术的生产与发展带来了广阔的空间。RP技术将会被越来越多的企业所 采用，对企业的发展发挥越来越重要的作用，并将给企业带来丰厚回报，其自身也将获得更大的发 展。同时，快速成型技术作为一门多学科交叉的专业技术，其本身的发展，也将推动相关技术、产 业的发展。目前快速成型技术在欧美、日本等发达国家应用较为广泛。我国仅一些高等院校及有关 厂家在吸收消化国外技术的基础上开发出了快速成型机，但不管是在质量及数量上，还是在应用领 域方面，与国外相比都还有较大的差距。 参考文献： [1] 史玉升，莫健华，黄树槐，周祖德。常用快速成型系统及其选择原则，锻压机械，2001.2。 [2] 姜开宇，段旭明，王伟，王敏杰。基于RPM的碳/碳复合材料人工骨预制体成型技术研究，碳 素技术，2003.5。 [3] 王广春，赵国群，杨艳。快速成型与快速模具制造技术，《新技术新工艺》，2000.9。 [4] 胡发宗，赵毅，陈罡，闫焕营。三维立体打印机成形人工骨支架，机械工程/生物医学，2004.10。 [5] 李涤尘，卢秉恒，赵万华。快速成形的未来发展——快速产品制造，航空制造技术，2004.5。 [6] 黄树槐，张祥林，马黎，黄乃瑜。快速原型制造技术的进展，中国机械工程，第8卷第5期。 [7] 王学农，陈发，吐鲁洪。应用快速成型技术，提高科研创新水平 新疆农机化，2003.1。 [8] 沈兴全，王爱玲，吴秀玲，吴淑琴。快速成型技术在仿生制造中的应用，机械工程师，2004.1。