快速原型制造技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

1、快速原型制造技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用摘要 本文首先介紹了快速成型技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、快速成型技術(shù)的成型方式、成型特點(diǎn)和應(yīng)用狀況,指出立體光固化(SLA)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、分層實(shí)體制造(LOM)、熔積成型(FDM)是目前使用的幾種主要成型方式,并對(duì)它們的成型原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。研究了快速成型技術(shù)在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、鑄造技術(shù)和模具制造方面的應(yīng)用?？焖俪尚图夹g(shù)改變了傳統(tǒng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式,可以為設(shè)計(jì)者提供產(chǎn)品樣件,縮短設(shè)計(jì)周期,加快新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)進(jìn)度,為決策者提供直觀性;快速成型技術(shù)迅速提供砂型鑄造、熔模鑄造、實(shí)型鑄造用的各種模樣,包括樹(shù)脂模、層壓模、熔模和消失模等,還可采用直接制殼鑄造法直接制造熔模鑄造用

2、的壓型、金屬型、壓鑄型、注塑模,甚至直接制造小批量鑄件,介紹了熔積成型技術(shù)在石膏型精密鑄造上的應(yīng)用和基于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的快速鑄造技術(shù),快速成型技術(shù)與鑄造工藝的有機(jī)結(jié)合,開(kāi)創(chuàng)了快速制造金屬零件的新階段,對(duì)用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)的鑄造工業(yè),使其面貌煥然一新,增強(qiáng)鑄造行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力;快速成型技術(shù)為母模的制造提供了一條快速、經(jīng)濟(jì)、可行的技術(shù)途徑,討論了利用快速成型技術(shù)制造模具的一般工藝方法,探討了將快速成型技術(shù)與金屬電弧噴鍍技術(shù)結(jié)合起來(lái)快速制造金屬模具問(wèn)題,以及快速成型技術(shù)與精密鑄造技術(shù)相結(jié)合的模具制造工藝,基于快速成型制造的快速模具技術(shù),集成了快速成型制造高新技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù),發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì),己成為產(chǎn)品

3、快速更新?lián)Q代和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及中、小批量生產(chǎn)的有效手段之一。預(yù)測(cè)了快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),指出隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和工業(yè)的發(fā)展,快速成型技術(shù)將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。關(guān)鍵詞 快速成型技術(shù),新產(chǎn)品開(kāi)發(fā),鑄造 引言目前,市場(chǎng)環(huán)境發(fā)生了巨大變化。一方面表現(xiàn)為消費(fèi)者需求日趨主體化、個(gè)性化和多樣化;另一方面則是產(chǎn)品制造商們都著眼于全球市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)。面對(duì)市場(chǎng),不但要很快地設(shè)計(jì)出符合人們消費(fèi)需求的產(chǎn)品,而且必須很快地生產(chǎn)制造出來(lái),搶占市場(chǎng),因此,面對(duì)一個(gè)迅速變化已無(wú)法預(yù)料的買方市場(chǎng),以往傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)模式對(duì)市場(chǎng)的響應(yīng)就顯得越來(lái)越遲緩與被動(dòng)?？焖夙憫?yīng)市場(chǎng)需求,己成為制造業(yè)發(fā)展的重要走向。為此,這些年來(lái)工業(yè)化國(guó)家一

4、直在不遺余力地開(kāi)發(fā)先進(jìn)制造技術(shù),以提高制造工業(yè)的發(fā)展水平,以便在激烈的全球競(jìng)爭(zhēng)中占有一席之地，與此同時(shí),計(jì)算機(jī)、微電子、信息、自動(dòng)化、新材料和現(xiàn)代化企業(yè)管理技術(shù)的發(fā)展日新月異,產(chǎn)生了一批新的制造技術(shù)和制造模式,制造工程與科學(xué)取得了前所未有成就?？焖俪尚图夹g(shù)就是在這種背景下逐步形成并得以發(fā)展的。快速成型技術(shù)的發(fā)展,使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造的周期大大縮短,提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造的一次成品率,降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本,從而給制造業(yè)帶來(lái)了根本性的變化。快速成型(raPdiPrototyPing,RP)技術(shù)是在計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和新材料的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)制造技術(shù)。它具備如下特點(diǎn):原型的復(fù)制性、互換性

5、高,制造工藝與制造原型的幾何形狀無(wú)關(guān),在加工復(fù)雜曲面時(shí)更顯優(yōu)越;加工周期短,成本低,成本與產(chǎn)品復(fù)雜程度無(wú)關(guān),一般制造費(fèi)用降低50%,加工周期節(jié)約70%以上;高度技術(shù)集成,可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化;制造原型所用的材料不限,各種金屬和非金屬材料均可使用,因而,得到了廣泛應(yīng)用。快速成型技術(shù)自80年代問(wèn)世以來(lái),在成型系統(tǒng)、材料方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步,同時(shí)推動(dòng)了快速制模技術(shù)(raPidto01ing,RT)和快速制造技術(shù)(raPdimanufaCturing,RM)的發(fā)展。近年來(lái),該技術(shù)迅速在工業(yè)造型、制造、建筑、藝術(shù)、醫(yī)學(xué)、航空、航天、考古和影視等領(lǐng)域得到良好應(yīng)用。1 快速成型技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀1.1 快速成型技

6、術(shù)在國(guó)外的發(fā)展快速成型技術(shù)是一種用材料逐層或逐點(diǎn)堆積出制件的制造方法。分層制造三維物體的思想雛形,最早出現(xiàn)在制造技術(shù)并不發(fā)達(dá)的19世紀(jì)。早在1892年,日l(shuí)anther主張用分層方法制作三維地圖模型。1979年?yáng)|京大學(xué)的中川威雄教授,利用分層技術(shù)制造了金屬?zèng)_裁模、成型模和注塑模。光刻技術(shù)的發(fā)展對(duì)現(xiàn)代RP技術(shù)的出現(xiàn)起到了催化作用。20世紀(jì)70年代末到80年代初期,美國(guó)3M公司的AlanJ.Hebert(1978年)、日本的小玉秀男(1980年)、美國(guó)UVP公司的CharlesW.Holl(1982年)和日本的丸谷洋二(1983年),在不同的地點(diǎn)各自獨(dú)立地提出了鐘的概念,即利用連續(xù)層的選區(qū)固化產(chǎn)生

7、三維實(shí)體的新思想。Charlesw.Holl在UVP的繼續(xù)支持下,完成了一個(gè)能自動(dòng)建造零件的稱之為SterolithograPhyAPP:atus(SLA)的完整系統(tǒng)SLA一1,1986年該系統(tǒng)獲得專利,這是即發(fā)展的一個(gè)里程碑。同年,CharleSW.Hun和UVP的股東們一起建立了3DSystem公司,隨后許多關(guān)于快速成型的概念和技術(shù)在3DSystem公司中發(fā)展成熟。與此同時(shí),其它的成型原理及相應(yīng)的成型機(jī)也相繼開(kāi)發(fā)成功。1984年MIChaelFeygi門提出了分層實(shí)體制造(IJam1nated jee:Manufaeturing,LOM)的方法,并于1985年組建Helisys公司,199

8、0年前后開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)機(jī)型LOM一1015。1986年,美國(guó)TexaS大學(xué)的研究生C.Deekard提出了SeleCtiVeLaserSinte,ing(SLS)的思想,稍后組建了nTM公司,于1992年開(kāi)發(fā)了基于SLS的商業(yè)成型機(jī)(Sinterstati。)。Sc。ttCr。mP在1988年提出了FusedDePosi:ionModeling(FDM)的思想,1992年開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)機(jī)型3D一Modeelr。自從80年代中期SLA成型技術(shù)發(fā)展以來(lái)到90年代后期,出現(xiàn)了十幾種不同的快速成型技術(shù),除前述幾種外,典型的還有3DP,SDM,SGC等。但是,SLA、LOM、SLS和FDM四利,技術(shù)

9、,目前仍然是快速成型技術(shù)的主流。即技術(shù)在世界正式出現(xiàn)并獲得了迅猛的發(fā)展,表現(xiàn)出極強(qiáng)的生命力。美國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位,日本和歐洲等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都投入了大量資金進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)。1998年在我國(guó)上海舉行的第七屆國(guó)際模具技術(shù)和設(shè)備展覽會(huì)上,美國(guó)、日本、德國(guó)、新加坡等國(guó)都展出了RP設(shè)備。目前全世界己有2000多臺(tái)RP系統(tǒng)投入使用。據(jù)報(bào)道,世界上快速制造服務(wù)中心發(fā)展很快,己由1992年剛開(kāi)始出現(xiàn)時(shí)的42家猛增到1996年的284家,現(xiàn)在又有新的增長(zhǎng)。國(guó)外有關(guān)RP研究的學(xué)術(shù)會(huì)議和專業(yè)刊物都己出現(xiàn)1991年Dagtn大學(xué)每年主辦。t.Conf.onRaPidPrototyPing這是舉辦時(shí)問(wèn)最早的學(xué)

10、術(shù)會(huì)議。由美國(guó)sME協(xié)會(huì)的!沖A分會(huì)主辦的Int.Conf.onR:PidPr。t。tyPingandManufact。ring會(huì)議,側(cè)重快速成型在制造業(yè)中的應(yīng)用,同時(shí)進(jìn)行商業(yè)展覽。1996年參加會(huì)議人數(shù)達(dá)610人。歐洲和日本也相應(yīng)舉辦了RPM年會(huì)。RPM技術(shù)己成為許多國(guó)際會(huì)議的熱點(diǎn)主題。己創(chuàng)刊的RP專業(yè)雜志有美國(guó)C八)/CAM雜志的每月新聞通訊RaPidProt。tyPingRePortS,美國(guó)MCB大學(xué)出版的1995年創(chuàng)刊的RaPidPrototyPsngJo。rnal和美國(guó)RP季刊RaPidPrototyPing概括起來(lái),這些會(huì)議和雜志涉及新的RP方法和工藝、新材料開(kāi)發(fā)、快速模具制造、制

11、件精度、軟件及新應(yīng)用等。1.2 快速成型技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展我國(guó)RP技術(shù)的研究始于1991年,清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中理工大學(xué)、南京航空航大大學(xué)等高等學(xué)校和北京隆源公司、廣州中望商業(yè)機(jī)器有限公司等都在RP技術(shù)的研究與應(yīng)用方面取得了顯著成果。這些成果包括即理論、CAO數(shù)據(jù)處理軟件、RP工藝原理、方法及控制技術(shù)、成型設(shè)備、成型材料以及成形精度等方面。兒年來(lái),我國(guó)RP技術(shù)飛速發(fā)展,己研制出與國(guó)外SLA(立體光固化),LOM(分層實(shí)體制造),SLS(選擇性激光燒結(jié)),FDM(熔積成型)等工藝方法相似的設(shè)備,并逐步實(shí)現(xiàn)了商品化,其性能達(dá)到了國(guó)際水平。清華大學(xué)最先引進(jìn)了美國(guó)3D公司的SLA一250設(shè)備與技

12、術(shù)并進(jìn)行研究與丁卜發(fā),現(xiàn)己開(kāi)發(fā)出“M一RPMS一11”型多功能快速成型制造系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有分層實(shí)體制造SSM(LOM)和熔積成型一MEM(FDM)兩種功能,這是我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的世界唯一擁有兩種快速成型工藝的系統(tǒng)。它具有較好的性能價(jià)格比是基于“模塊化技術(shù)集成”概念設(shè)計(jì)制造的,只需在基礎(chǔ)件上增加或更換某一功能模塊,即可完成相對(duì)應(yīng)的特定工藝。此外,清華大學(xué)還開(kāi)發(fā)出基于FDM法的熔絲沉積制造系統(tǒng)MEM一250和基于IOM法的分層實(shí)體制造系統(tǒng)SSM一500等。華中理工大學(xué)研制出以紙為成型材料的基于分層實(shí)體制造法(LOM)的HRP系統(tǒng);西安交通大學(xué)開(kāi)發(fā)了基于立體印刷法(SLA)的LPS和cPS系統(tǒng);南京

13、航空航大大學(xué)開(kāi)發(fā)了基于選擇性激光燒結(jié)法(SLS)的RAP系統(tǒng):北京隆源公司推出了基于選擇性激光燒結(jié)法(SLS)的AFS系統(tǒng);1998年5月在上海舉行的第七屆國(guó)際模具技術(shù)和設(shè)備展覽會(huì)上清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中理工大學(xué),北京隆源快速成形公司等單位均展示了各自開(kāi)發(fā)的快速成型系統(tǒng)。在基于快速成型技術(shù)的快速制造模具方面,上海交通大學(xué)開(kāi)發(fā)了具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鑄造模樣計(jì)算機(jī)輔助快速制造系統(tǒng),為汽車行業(yè)制造了多種模具:隆源公司的RP服務(wù)中心也為企業(yè)制作了多種精密鑄模;華中理工大學(xué)研究出了一種復(fù)膜技術(shù)快速制造鑄模,翻制出了鋁合金模具和鑄鐵模塊。在模具制造業(yè),可以利用快速成型技術(shù)制得的快速原型,結(jié)合硅膠模

14、、金屬冷噴涂、精密鑄造、電鑄、離心鑄造等方法生產(chǎn)模具;快速成型件也可以直接或間接制得巨D(zhuǎn)M電極,用于電火花加生產(chǎn)模具;快速成型技術(shù)制得的快速原型也可以直接作為模具。90年代中末期是R技術(shù)蓬勃發(fā)展的階段。目前,國(guó)內(nèi)RP技術(shù)主要在一些大型企業(yè)、公司應(yīng)用,如廣東的美的、華寶、科龍、江蘇的春蘭、小天鵝,青島的海爾等,都先后采用快速成形系統(tǒng)來(lái)丁卜發(fā)新產(chǎn)品J,收到了很好的效果。國(guó)內(nèi)的家電行業(yè)在快速成形系統(tǒng)的應(yīng)用上,走在了國(guó)內(nèi)前列。北京、廣州等地的一些單位相繼成立了RP服務(wù)中心,進(jìn)行即M技術(shù)的應(yīng)用推廣工作。目前,國(guó)內(nèi)由政府資助,正在深圳、天津等地建立一批向企業(yè)提供快速成形技術(shù)的服務(wù)機(jī)構(gòu),推動(dòng)快速成形技術(shù)在我

15、國(guó)的廣泛應(yīng)用。我國(guó)在1995年召開(kāi)了第1屆快速成型制造會(huì)議。1996年在中國(guó)先進(jìn)制造技術(shù)會(huì)議上發(fā)表了20多篇有關(guān)RP技術(shù)的論文,使之成為會(huì)議的主題之一。1998年西安交通大學(xué)召開(kāi)了全國(guó)快速成形與模具快速制造會(huì)議。但總的一說(shuō)來(lái),與工業(yè)化國(guó)家相比我國(guó)RP技術(shù)的研究和應(yīng)用尚存在一定的差距。2 工作原理RP系統(tǒng)可以根據(jù)零件的形狀，每次制做一個(gè)具有一定微小厚度和特定形狀的截面，然后再把它們逐層粘結(jié)起來(lái)，就得到了所需制造的立體的零件。當(dāng)然，整個(gè)過(guò)程是在計(jì)算機(jī)的控制下，由快速成形系統(tǒng)自動(dòng)完成的。不同公司制造的RP系統(tǒng)所用的成形材料不同，系統(tǒng)的工作原理也有所不同，但其基本原理都是一樣的，那就是分層制造、逐層疊

16、加。這種工藝可以形象地叫做增長(zhǎng)法或加法。RP技術(shù)的基本原理是：將計(jì)算機(jī)內(nèi)的三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分層切片得到各層截面的輪廓數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)據(jù)此信息控制激光器（或噴嘴）有選擇性地?zé)Y(jié)一層接一層的粉末材料（或固化一層又一層的液態(tài)光敏樹(shù)脂，或切割一層又一層的片狀材料，或噴射一層又一層的熱熔材料或粘合劑）形成一系列具有一個(gè)微小厚度的的片狀實(shí)體，再采用熔結(jié)、聚合、粘結(jié)等手段使其逐層堆積成一體，便可以制造出所設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品樣件、模型或模具。自美國(guó)3D公司1988年推出第一臺(tái)商品SLA快速成形機(jī)以來(lái)，已經(jīng)有十幾種不同的成形系統(tǒng)，其中比較成熟的有UV、SLA、SLS、LOM和FDM等方法。3 快速成型技術(shù)的特點(diǎn)3.1 快

17、速性從CAO設(shè)計(jì)到原型零件制成,一般只需幾個(gè)小時(shí)至幾十個(gè)小時(shí),速度比傳統(tǒng)的成型方法快得多,使快速成形技術(shù)尤其適合于新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與管理。3.2 設(shè)計(jì)制造一體化落后的CAPP一直是實(shí)現(xiàn)一設(shè)計(jì)制造一體化的較難克服的一個(gè)障礙,而對(duì)于快速成形來(lái)說(shuō),由于采用了離散堆積的加工工藝,CAPP已不再是難點(diǎn),CAD和CAM能夠很好地結(jié)合。3.3 自由成形制造自由的含義有兩個(gè):一是指可以根據(jù)零件的形狀,無(wú)需專用工具的限制而自由地成形,可以大大縮短新產(chǎn)品的試制時(shí)間;二是指不受零件形狀復(fù)雜程度限制。3.4 高度柔性僅需改變CAD模型,重新調(diào)整和設(shè)置參數(shù)即可生產(chǎn)出不同形狀的零件模型。3.5材料的廣泛性快速成形技術(shù)可以制造

18、樹(shù)脂類、塑料類原型,還可以制造出紙類、石蠟類、復(fù)合材料以及金屬材料和陶瓷材料的原型。3.6技術(shù)的高度集成RP技術(shù)是計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)、激光、材料和機(jī)械的綜合集成,只有在計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光器件和功率控制技術(shù)高度發(fā)展的今天才可能誕生快速成形技術(shù),因此快速成型技術(shù)帶有鮮明的時(shí)代特征。4 加工特點(diǎn)快速原型技術(shù)突破了“毛坯一切削加工一成品”的傳統(tǒng)的零件加工模式,開(kāi)創(chuàng)了不用刀具制作零件的先河,是一種前所未有的薄層迭加的加工方法。與傳統(tǒng)的切削加工方法相比,快速原型加工具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)可迅速制造出自由曲面和更為復(fù)雜形態(tài)的零件,如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等,零件的復(fù)雜程度和生產(chǎn)批量與制造成本基本無(wú)關(guān),

19、大大降低了新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本和開(kāi)發(fā)周期。(2)屬非接觸加工,不需要機(jī)床切削加工所必需的刀具和夾具,無(wú)刀具磨損和切削力影響。(3)無(wú)振動(dòng)、噪聲和切削廢料。(4)可實(shí)現(xiàn)夜間完全自動(dòng)化生產(chǎn)。(5)加工效率高,能快速制作出產(chǎn)品實(shí)體模型及模具。5 快速成型制造技術(shù)的應(yīng)用RP技術(shù)出現(xiàn)的十余年來(lái),己在廣泛的領(lǐng)域中得到應(yīng)用并顯示出它的優(yōu)越性。此項(xiàng)技術(shù)不僅己應(yīng)用在機(jī)械、汽車、航空航天、造業(yè)電而已在醫(yī)療、藝術(shù)和建筑等行業(yè)中發(fā)揮了它的作用,并取得了顯著的效果.5.1快速模具制造目前,采用快速成形制造技術(shù)的快速模具制造(RaPdiTool1ng,RT)主要用于制造鑄造模具和塑料模具。制模方法可分為間接制模和直接制模兩種

20、方式。5.2 快速制造金屬零件RP技術(shù)與鑄造技術(shù)相結(jié)合是由快速成型原型轉(zhuǎn)化為金屬零件的最佳途徑。其力一法有通過(guò)原型翻制壓型、直接復(fù)制鑄?；驘丸T造熔模,亦可設(shè)計(jì)模型直接得到型殼、型芯(原型)。采用RP原型得到燒失型鑄造熔模是一種較快的精鑄方法。美國(guó)3D一Systems公司采用這種方法開(kāi)發(fā)了Qu1ekcast快速精鑄技術(shù)它是在SLA法制造的原型表面上包覆耐火材料,直接焙燒使原型材料燒蝕氣化后得到鑄殼,用于金屬零件的澆注成型。該技術(shù)的關(guān)鍵是采用了發(fā)氣量小,燃燒充分的光固樹(shù)脂材料。美國(guó)福特汽車公司采用了這項(xiàng)技術(shù)制造汽車模具?？焖俪尚徒饘倭慵鳛榈谝徊降脑椭谱?己具有相當(dāng)快的成型速度。若要進(jìn)一步提

21、高制作速度,需要我們進(jìn)一步探索和解決的問(wèn)題是找到適應(yīng)各種快速成形方法的鑄造工藝和材料,以加快金屬零件的制造速度。5.3 加速新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)階段,雖然可借助設(shè)計(jì)圖紙和計(jì)算機(jī)模擬,但并不能展現(xiàn)原型,往往難以做出正確和迅速的判斷,而這對(duì)形狀復(fù)雜外形要求美觀的產(chǎn)品尤其重要。采用RP技術(shù)可在不需要其他加工手段支撐的情況下,在幾小時(shí)或幾大內(nèi)將設(shè)計(jì)圖紙或CAD模型制成RP三維實(shí)體原型。設(shè)計(jì)者可以根據(jù)此原型對(duì)外型、裝配關(guān)系等方面的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)定、模擬試驗(yàn)分析、生產(chǎn)可行性評(píng)估,并能迅速得到用戶對(duì)設(shè)計(jì)方案的反饋信息、,這樣,可以把可能出現(xiàn)的問(wèn)題解決在設(shè)計(jì)階段,使新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的費(fèi)用和時(shí)間顯著減少。如美國(guó)

22、Detroit的一家制造商,用RP系統(tǒng)及相應(yīng)的快速精鑄技術(shù),只用4d時(shí)間就造出福特公司的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋精鑄件樣品,在眾多的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手中搶先占領(lǐng)市場(chǎng),獲得了3000萬(wàn)美無(wú)的定單。在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中,如遇多種方案,對(duì)各方案產(chǎn)品的性能和效果尚需經(jīng)過(guò)實(shí)物試驗(yàn)才能可靠地確定時(shí),可用RP技術(shù)制成各種方案的原型制件,再進(jìn)行模擬試驗(yàn)分析和生產(chǎn)可行性評(píng)估,從而找出好的設(shè)計(jì)方案。5.4 在醫(yī)學(xué)中用于器官模型制作世界上許多國(guó)家都十分重視RP技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用,并取得了好的效果。該方法是將以數(shù)字成像技術(shù)為基礎(chǔ)的CT(斷層成像)、MR工(核磁共振)等診斷方法與RP系統(tǒng)相結(jié)合,即把所獲得的人體掃描的分層截面圖像,經(jīng)計(jì)算機(jī)三維重

23、建后的數(shù)據(jù)提供給RP系統(tǒng),得到人體局部或內(nèi)臟器官(原型)。這樣就可以顯示該部位病變情況和實(shí)體結(jié)構(gòu),可用于臨床輔助診斷和復(fù)雜手術(shù)方案的確定,或供教學(xué)使用。此外亦可利用鐘原型制作假肢。5.5 與反求工程相結(jié)合形成快速設(shè)計(jì)制造閉環(huán)系統(tǒng)在即技術(shù)中的反求,就是要在現(xiàn)有實(shí)物的基礎(chǔ)上求出三維的CAD模型。對(duì)于大多數(shù)產(chǎn)品未說(shuō),都可以在通用的CAD軟件上設(shè)計(jì)出它們的三維模型,但是由于對(duì)某些因素,如對(duì)功能、工藝、外觀等的考慮,一些零件的形狀十分復(fù)雜,很難在CAD軟件上設(shè)計(jì)出它們的實(shí)體模型,因此先制造出小比例的實(shí)物模型,再通過(guò)對(duì)模型測(cè)量和數(shù)據(jù)處理,獲得三維實(shí)體模型。目前在反求工程中常用的測(cè)量方法有三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x法、激

24、光三角形法、核磁共振(MR)I法、斷層成像(CT)法、光柵法和自動(dòng)斷動(dòng)掃描儀法等。通過(guò)反求工程還可以對(duì)RP原型進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測(cè)量,找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的不足,重新設(shè)計(jì),經(jīng)過(guò)多次反復(fù)的迭代,可使產(chǎn)品更加完善。在RP技術(shù)中引入反求工程,形成了一個(gè)包括設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)的快速設(shè)計(jì)制造閉環(huán)反饋系統(tǒng)。這樣就加快了反求工程的發(fā)展,擴(kuò)大了快速成形制造技術(shù)的應(yīng)用范圍。此外即技術(shù)還可在微細(xì)加工、工藝品制作、文物復(fù)制及建筑模型制作等方面得到應(yīng)用。快速成型技術(shù)是一種處在發(fā)展完善過(guò)程的高新技術(shù),其技術(shù)本身和應(yīng)用領(lǐng)域尚需進(jìn)行大量的開(kāi)發(fā)研究。21世紀(jì)將是以知識(shí)經(jīng)濟(jì)和信息社會(huì)為特征的時(shí)代,制造業(yè)面臨信息社會(huì)中瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)對(duì)小批

25、量多品種產(chǎn)品要求的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在制造業(yè)日趨國(guó)際化的狀況下,縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和減少開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品投資風(fēng)險(xiǎn),成為企業(yè)賴以生存的關(guān)鍵。因此,快速成型/快速制模戶決速制造技術(shù)將會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈,該技術(shù)將會(huì)被越來(lái)越多的企業(yè)所采用,對(duì)企業(yè)的發(fā)展,發(fā)揮越來(lái)越重要的作用,并將給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí),快速成型技術(shù)作為一門多學(xué)科交叉的先進(jìn)制造技術(shù),其本身的發(fā)展,也將推動(dòng)相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。6 快速原型技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)快速原型技術(shù)經(jīng)過(guò)近 20 年的發(fā)展，正朝著實(shí)用化、工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化方向邁進(jìn)。其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)歸納如下6.1 創(chuàng)新工藝 RP 技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)其他先進(jìn)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的支持，而且，它

26、們之間的結(jié)合越來(lái)越緊密。冰凍成形以水為原料，通過(guò)溫度控制、水滴控制、噴射方法與速度控制實(shí)現(xiàn)快速成形;人體骨骼組織工程材料成形利用材料的生物活性，將器官移人人體后誘導(dǎo)破壞組織再生，恢復(fù)機(jī)體功能，并適時(shí)降解。6.2 開(kāi)發(fā)新材料 合適的材料是快速原型制造的關(guān)鍵。研制替代進(jìn)口的光固化樹(shù)脂，是 RP 技術(shù)推廣的當(dāng)務(wù)之急，開(kāi)發(fā)全新的 RP 新材料如復(fù)合材料、納米材料、非均質(zhì)材料、活性生物材料，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外 RP 成型材料研究的熱點(diǎn)。6.3 開(kāi)發(fā)功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、處理和監(jiān)控軟件 軟件系統(tǒng)不僅是實(shí)現(xiàn)離散、堆積成型的關(guān)鍵，而且還對(duì)成型速度、成型精度、零件表面質(zhì)量等方面有很大影響。目前，大多數(shù)快速原型制造系統(tǒng)所

27、使用的分層切片算法都是基于 STL 文件進(jìn)行的，STL 文件存在許多缺陷和不足，如何克服 STL 文件本身的缺陷，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式是十分重要的?，F(xiàn)在的切片方式都是平面的，今后可能發(fā)展曲面切片、不等厚分層等方法，從曲面模型直接截面、分層，用更精確、更簡(jiǎn)潔的數(shù)學(xué)描述，提高造型精度。6.4 不同制造目標(biāo)相對(duì)獨(dú)立發(fā)展當(dāng)前，RP 制造目標(biāo)主要有三個(gè)方面，即快速概念設(shè)計(jì)原型制造、快速模具原型制造、快速功能零件原型制造。其中快速概念設(shè)計(jì)原型制造與快速模具原型制造技術(shù)已在實(shí)際中應(yīng)用，市場(chǎng)潛力巨大，是近期研究和市場(chǎng)化重點(diǎn)。快速功能零件原型制造技術(shù)難度較大，近期僅限于研究領(lǐng)域。6.5 反求技術(shù)已成為研究熱點(diǎn) 麻

28、省理工學(xué)院(MIT)的 RP 課程均將反求與 RP 融合。由實(shí)物、照片或 CT 數(shù)據(jù)等組成的反求幾何模型，常用于仿制、維修和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，可大大縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低成本。反求技術(shù)也是人體器官成型的核心與基礎(chǔ)。 6.6 向大型制造和微型制造進(jìn)軍 由于大型模具的高難度和高成本，以及 RPM 在模具制造方面的優(yōu)勢(shì)，可以預(yù)測(cè) RPM將向大型原型制造方向發(fā)展。RPM 的另一個(gè)重要發(fā)展方向是微型化，適應(yīng)環(huán)境和桌面化的微型“三維打印機(jī)”正日益受到 RP 設(shè)備開(kāi)發(fā)商和用戶的關(guān)注，這種產(chǎn)品價(jià)格便宜、外觀小巧、成型空間小并有一定的造型精度。這方面以色列的概念模型機(jī)世界領(lǐng)先，清華大學(xué)激光成形中心也在開(kāi)發(fā)適合中國(guó)國(guó)情

29、的“三維打印機(jī)”，它有較高的性價(jià)比。 6.7 RPM 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化 目前，RPM 工藝、設(shè)備種類繁多，RPM 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化既有利于開(kāi)發(fā)商開(kāi)發(fā)更新的產(chǎn)品，又方便用戶。 6.8 高速度、高精度、高可靠性 大力改進(jìn)快速原型制造系統(tǒng)，研制工作精度高、可靠性好、效率高而且廉價(jià)的制造設(shè)備，將解決制造系統(tǒng)昂貴、精度偏低、制品物理較差、所使用材料有限等問(wèn)題。 6.9 生長(zhǎng)成型 伴隨著生物工程、活性材料、基因工程、信息科學(xué)的發(fā)展，信息制造過(guò)程與物理制造過(guò)程相結(jié)合的生長(zhǎng)成型方式將會(huì)產(chǎn)生，制造與生長(zhǎng)將是同一概念。以全息生長(zhǎng)元為基礎(chǔ)的智能材料自主生長(zhǎng)方式是 RPM 的新里程碑。 6.10網(wǎng)絡(luò)加工 通過(guò)信息高速公路形成快速

30、原型制造信息網(wǎng)絡(luò)，使用戶直接從網(wǎng)絡(luò)得到產(chǎn)品的模型，利用自己的快速原型制造設(shè)備制造出原型，另一方面沒(méi)有原型設(shè)備的公司也可以利用網(wǎng)絡(luò)通過(guò)遠(yuǎn)程制造來(lái)實(shí)現(xiàn)原型制造。7 研究設(shè)想RP技術(shù)經(jīng)過(guò)十一幾年的發(fā)展,設(shè)備與材料兩方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前由于該技術(shù)的成本高,加以制件的精度、強(qiáng)度和l時(shí)久性能還不能滿足用戶的要求,暫時(shí)阻礙了RP技術(shù)的推廣普及。此外,近年來(lái)CNC切削機(jī)床亦在大步向前發(fā)展:一方面,價(jià)格大幅度下降;另一方面,高速、高精度的CNC機(jī)床問(wèn)世,制件時(shí)間縮短,精度及表面質(zhì)量提高。因此,不少企業(yè)使用CNC切削機(jī)床快速制造金屬或非金屬模具及零件,向RP技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。但是,在成型復(fù)雜、中空的零件方

31、面,CNC切削機(jī)床是不能取代RP技術(shù)的。這種直接從概念設(shè)計(jì)迅速轉(zhuǎn)為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)一生產(chǎn)模式,必然是21世紀(jì)中制造技術(shù)的主流。隨著技術(shù)的進(jìn)步,RP技術(shù)還會(huì)大踏步地向前發(fā)展,并將成為許多設(shè)計(jì)公司、制造公司、研究機(jī)構(gòu)和教育機(jī)構(gòu)等的基本技術(shù)和裝備。8 未來(lái)幾年RP技術(shù)的主要技術(shù)動(dòng)向8.1 提高RP系統(tǒng)的速度、控制精度和可靠性優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu),選用性能價(jià)格比高、壽命長(zhǎng)的元器件,使系統(tǒng)更簡(jiǎn)潔,操作更方便,可靠性更高,速度更快。開(kāi)發(fā)不同檔次、不同用途的機(jī)型亦是RP系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)方面,例如:一方面開(kāi)發(fā)高精度、高性能的機(jī)型,以滿足對(duì)制件尺寸、形狀和表面質(zhì)量要求更高、或有特殊要求的用戶。另一方面,開(kāi)發(fā)專門用于檢驗(yàn)設(shè)計(jì)、模

32、擬制品可視化,而對(duì)尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度要求不高的概念機(jī)。8.2 提高數(shù)據(jù)處理速度和精度研究開(kāi)發(fā)用CAD原始數(shù)據(jù)直接切片方法,減少數(shù)據(jù)處理量以及由STl格式轉(zhuǎn)換過(guò)程而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)缺陷和輪廓失真。8.3 研究開(kāi)發(fā)成本低、易成形、變形小、強(qiáng)度高、耐久及無(wú)污染的成形材料將現(xiàn)有的材料,RP技術(shù)的工藝要求。特別是功能材料進(jìn)行改造或預(yù)處理,使之適合于從RP的特點(diǎn)出發(fā),結(jié)合各種應(yīng)用要求,新的RP材料,特別是復(fù)合材料,例如納米材料、非均質(zhì)材料發(fā)全、其它方法難以制作的復(fù)合材料等。降低RP材料的成本,發(fā)展新的更便宣的材料。8.4 開(kāi)發(fā)新的成型能源前述的主流成形技術(shù)中,SLA、LOM和SLS均以激光作為能源,

33、而激光系統(tǒng)(包括激光器、冷卻器、電源和外光路)的價(jià)格及維護(hù)費(fèi)昂貴而傳輸效率較低,影響制件的成本。新成形能源方面的研究也是RP技術(shù)的一個(gè)重要方向。8.5 研究開(kāi)發(fā)新的成型方法在過(guò)去的十年中,許多研究者開(kāi)發(fā)出了十幾種成型方法,基本上都基于立體平面化一離散一堆積的思路。這種方法還存在著許多不足,今后有可能研究集“堆積”和“切削”于一體的快速成形方法,即RP與CNC機(jī)床和其它傳統(tǒng)的加工方式相結(jié)合,以提高制件的性能和精度,降低生產(chǎn)成本。還可能從RP原理延伸,產(chǎn)生一些新的快速成型方法。8.6 繼續(xù)研究快速制模和快速制造技術(shù)一方面研究開(kāi)發(fā)RP制件的表面處理技術(shù),提高表面質(zhì)量和耐久性:另一方面研究開(kāi)發(fā)與注塑技術(shù)、精密鑄造技術(shù)相結(jié)合的新途徑和新工藝,快速經(jīng)濟(jì)地制造金屬模具、金屬零件和塑料件。8.7 應(yīng)用范圍擴(kuò)大通過(guò)對(duì)現(xiàn)有RP系統(tǒng)的改進(jìn)和新材料的開(kāi)發(fā),使之能夠經(jīng)濟(jì)地.生產(chǎn)出直接可用的模具、工業(yè)產(chǎn)品和民用消費(fèi)品:制造出人工器官,用于治療疾病。9 結(jié)束語(yǔ)只要我們始終不渝地堅(jiān)持多學(xué)科綜合交叉的觀點(diǎn),堅(jiān)持各單位大力協(xié)作的觀點(diǎn),堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新的觀點(diǎn),堅(jiān)持面向生產(chǎn)的觀點(diǎn),我國(guó)的快速成型制造技術(shù)就能趁