快速成形技术原理与特点

　　1、前 言

　　90年代开始，随着冷战时代的结束，市场环境发生了巨大的变化。一方面表现为消费者需求日趋主体化、个性化和多样化；另一方面则是产品制造商们都着眼于全球市场的激烈竞争。面对市场，产品制造商们不但要很快地设计出符合人们消费需求的产品，而且必须很快地生产制造出来，抢占市场。因此，面对一个迅速变化且无法预料的买方市场，以往传统的大批量生产模式对市场的响应就显得越来越迟缓与被动。快速响应市场需求，已成为制造业发展的重要走向。为此，这些年来工业化国家一直在不遗余力地开发先进制造技术，以提高制造工业发展水平，以便在激烈的全球竞争中占有一席之地。与此同时，计算机、微电子、信息、自动化、新材料、和现代企业管理技术的发展日新月异，这些技术、产业的发展与进步，给产品创意、研究开发、设计、工艺设计、加工准备、制造工艺、装备、装配、质量保证、生产管理和企业经营都有带来了重大变革，产生了一批新的制造技术和制造模式，制造工程与科学取得了前所未有的成就。快速成形技术就是在这种背景下逐步形成并得以发展。快速成形技术的发展，使得产品设计、制造的周期大大缩短，提高了产品设计、制造的一次成品率，降低产品开发成本，从而给制造业带来了根本性的变化。

　　2、技术原理及特点

　　快速成形技术(快速原型技术，RP技术)是计算机辅助设计及制造技术、逆向工程技术、分层制造技术(SFF)、材料去除成形(MPR)材料增加成形(MAP)技术以及它们的集成。通俗地说，快速成形技术就是利用三维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。快速成形技术系统的工作流程。

　　快速成形系统工作流程

　　快速成形技术有以下特点：

　　(1) 制造原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用；

　　(2) 原型的复制性、互换性高；

　　(3) 制造工艺与制造原型的几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优越；

　　(4) 加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低50%，加工周期节约70%以上；

　　(5) 高度技术集成，可实现了设计制造一体化；

　　3、快速成形工艺

　　迄今为止，国外、国内已开发成功了10多种成熟的快速成形工艺，其中比较常用的有以下几种：

　　3.1　纸层叠法——薄形材料选择性切割(LOM法)

　　计算机控制的CO2激光束按三维实体模型每个截面轮廓线对薄形材料(如底面涂胶的卷状纸、或正在研制的金属薄形材料等)进行切割，逐步得到各个轮廓，并将其粘结形成快速原型。用此法可以制作铸造母模或用于“失纸精密铸造”。

　　3.2　激光立体制模法——液态光敏树脂选择性固化(SLA法)

　　液槽盛满液态光敏树脂，它在计算机控制的激光束(按照三维模型每个截面的轮廓线)照射下会很快固化形成一层轮廓，新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复直至成形完毕，即形成快速原型。而新推出的光照成形机(如3D Systems公司出产的SLA-300 成形机)采用了Zephyr再涂层技术，最上面待成形树脂用真空吸附式刮板结构涂布供给，不需要沉入液态树脂中，提高了速度，在制作的原型中不再困有液态树脂。用来制作消失模、在熔模精密铸造中替代蜡模。

　　3.3　烧结法——粉末材料选择性激光烧结(SLS法)

　　粉末材料可以是塑料、蜡、陶瓷、金属或它们复合物的粉体、覆膜砂等。粉末材料薄薄地铺一层在工作台上，按截面轮廓的信息，CO2激光束扫过之处，粉末烧结成一定厚度的实体片层，逐层扫描烧结最终形成快速原型。用此法可以直接制作精铸蜡模、实型铸造用消失模、用陶瓷制作铸造型壳和型芯、用覆膜砂制作铸型、以及铸造用母模等。

　　此外还有粉末材料选择性粘结法(TDP法)、直接壳型铸造法(DSPC法)[2]以及实体生长成形法(SGC法)等方法。

　　上述快速成形的工艺方法都是基于计算机三维实体造型。在对三维模型进行处理后，形成截面轮廓信息，随后将各种材料按三维模型的截面轮廓信息进行扫描，使材料粘结、固化、烧结，逐层堆积成为快速原型，这就是所谓的分层制造技术。

　　在模具制造业，可以利用快速成形技术制得的快速原型，结合硅胶模、金属冷喷涂、精密铸造、电铸、离心铸造等方法生产模具；快速成形件也可以直接或间接制得EDM电极，用于电火花加生产模具；快速成形技术制得的快速原型也可以直接作为模具。

　　快速成形技术的进一步研究和开发工作主要在以下几方面：

　　(1) 改善快速成形系统的可靠性、生产率和制作大件能力，尤其是提高快速成形系统的制作精度；

　　(2) 开发经济型的快速成形系统；

　　(3) 快速成形方法和工艺的改进和创新；

　　(4) 快速模具制造的应用；

　　(5) 开发性能好的快速成形材料；

　　(6) 开发快速成形的高性能软件；

　　(7) 快速成形技术与CAD、CAE、CAPP、CAM以及高精度自动测量、逆向工程的一体化集成

　　快速成形技术是一种具有广泛应用前景的正在不断完善的高新技术。随着市场竞争的日趋激烈，该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，并将给企业带来巨大的经济效益。同时，快速成形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。

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