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作者： 来源： 发布时间：2018/2/11 16:12:47  点击数：476

摘 要：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。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。
关键词：快速成形；立体光造型；迭层实体制造
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，为设计者、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。
1 rp起源
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。
2 rp技术应用及其市场
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（见图1），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系统的销售情况见图2。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 快速成形技术的国外发展现状
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。
4 国内rp技术的发展现状
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 快速成形技术的发展趋势
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计划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。
1.西安北方光电有限公司，陕西 西安 710043；
2.南京师范大学控制科学与工程系，江苏 南京 210042

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