快速成型技術的發展與應用

趙少君

摘要：快速成型技術是現代制造技術較為先進的加工方法，其結合了數控、計算機制造、激光等技術。本文主要介紹了幾種快速成型技術的發展與現狀及其加工原理，對其在產品設計、模具制造、建筑、醫療等方面的應用作了探討，分析了該技術在應用中的優缺點。

關鍵詞：快速成型技術；工作原理；應用

1前言

為了滿足現代社會消費者的需求，各種各樣的新產品不斷出現。現代產品的設計不但追求質量好，功能強，而且要求造型美觀。一方面，制造商要面對消費者“喜新厭舊”的心理，產品的更新換代不斷加快，誰能夠利用最短的時間不斷的推出新產品，誰就能留住消費者；另一方面，現代制造業的市場是競爭越來越激烈，降低成本，生產出高質量的產品是商家制勝的法寶。這就使得傳統的產品設計與制造的方法已經不能完全滿足現在產品設計的要求。在這種形勢下，催使快速成型技術（Rapid Prototyping Manufacturing,RPM）的出現與成熟。

2快速成型的原理

傳統的加工技術是采用去材料的加工方式，在毛坯上把多余的材料去除，得到我們想要的產品。而快速成型技術即是采用加材料的方式進行加工，材料從沒有到有，一層層的疊加得到產品，有別于傳統的加工方式。快速成型技術采用離散或堆積成型的原理，由三維的CAD模型根據不同的加工工藝進行分層，每一層就變成了一個二維圖形，從而由大量的二維圖形取代了三維圖形，只要所分的層是足夠的薄，那么大量的二維圖形疊加在一起就越逼近三維圖形。然后經過對數據進行處理，讓每一個二維圖形生成數控程序，利用數控系統把所得的數控程序以平面加工的方式還原成每一層二維圖形的薄片，讓薄片一層一層的疊加起來就得到了三維的模型。

快速成型技術經過近年來的不斷發展與完善，已經產生了很多種的加工方法。目前主要的有：美國3D SYSTEM公司的光固化成型法(Stereo Lithography Apparatus，SLA)、美國Helisys的分層實體制造法(Laminated Object Manufacturing,LOM)、德國的ESO選擇性激光燒結法 (Selective Laser Sintering,SLS)、美國Stratasys的熔融沉積法(Fused Deposition Modding,FDM)、美國MIT-Z的三維打印法 (Three Dimensional Printing and Gluing,3DP)等常用的方法。

2.1光固化成型技術（SLA）是以光敏樹脂為原料，放在液槽里，激光器發出紫外激光經過擴束鏡、聚焦鏡把激光束聚焦到振鏡掃描頭上。計算機根據由三維實體圖分割而成的二維圖的形狀控制振鏡掃描頭運動。激光所掃描到的液體上表面的地方，光敏樹脂馬上發生光聚合反應，形成一層薄層。激光沒有掃描到的地方，樹脂還是處于液體的狀態。然后把托板往下移動，讓液體再次充滿上表面，再次進行激光掃描并凝固，即得到另外一層薄片，跟前面的一層薄片粘合在一起。這樣一層一層的掃描凝固、粘合，直到把三維實體加工出來為止。（如圖1）

2.2熔融沉積法(FDM)技術是以熱融性的（ABS、尼龍、蠟等）作為材料，材料在噴頭處被加熱成液體。三維立體圖被分割成大量的二維圖后，設備的噴嘴受到系統的控制，根據二維圖的形狀一邊運動一邊擠出在噴頭里融化了的材料，形成一層與二維圖形狀一樣的薄層。一層一層的薄層疊加在一起即可得到三維的實體。如圖（2）

2.3三維打印 (3DP)技術是以特殊粉末與粘合劑為材料。系統把三維模型分割成適合打印機打印的二維截面圖。在工作臺上鋪一層薄薄的粉末，根據打印機的原理，打印噴頭噴出黏合劑，粉末遇到黏合劑即凝固，生成一層薄片層，工作臺隨即降低一層薄片層的高度，再鋪一層新的粉末，重復整個過程，一層層薄層疊加在一起生成整個三維模型。如圖（3）

2.4選擇性激光燒結技術 (SLS)是利用各種粉末作為材料，以激光作為能源。在工作臺上鋪一層薄薄的粉末，設備控制激光按照從三維模型分割出來的二維圖的形狀掃描，掃描到的粉末被激光燒結，形成薄層，一層完成后再到下一層，燒結完成后，經過打磨、烘干等的后處理即可得到模型。

2.5分層實體制造技術（LOM）是將單面涂有熱溶膠的紙片通過加熱粘接在一起，系統根據所獲得的二維數據，利用激光將紙切割成所制模型的內外輪廓，然一層層的紙再疊加在上面進行切割，把每一層粘合在一起，生成模型。

3快速成型技術在產品開發中的應用

Dimension公司生產的快速成型機是利用熔融沉積方法進行加工產品。設備主要以ABS料作為加工材料。能加工出復雜的工件，所加工的工件幾乎與工件的復雜程度無關，在加工復雜工件時較傳統加工技術節省了時間，從而節省了成本，使得整個產品的開發周期縮短。最大的優勢是能加工出工件的配合件與扣件。由于ABS料有較好的強度，可以對加工出來的工件進行結構與力學上的分析。這是該成型技術的優勢。

Z Corporation公司生產的Z Corp ZPrinter 450快速成型機利用的技術是三維打印技術（3DP）。該設備以粉末作為主要的材料，一個噴頭擠出黏合劑，另一個噴頭噴出彩色的墨水進行調色。加工出來的產品可以直接帶上色彩，無需再對產品進行上色的后處理，產品出來后，根據你想要的性能，可用不同的加強劑對產品進行強化，能得到硬性與塑性的模型。所以這是其一大優點。

在產品外觀設計中的應用，產品外觀設計時，設計者往往是根據自己的理念與空間的想象，首先設計出產品的三維圖表達其造型，再對產品進行色彩渲染，定好產品的色調，然后進行不斷的修改到滿意。但用三維圖來表現出來的產品始終是跟真的實物是有一定的差別的，往往就需要做出模型來檢驗設計者的設計理念、造型、色調等，特別還要檢驗產品的結構是否合理。那么就要求對模型進行多次的修改然后最終定型。所以做出模型對產品的設計的意義是十分重要的。傳統做模型多數利用手工制造（如玩具行業）或者利用數控設備進行加工，然后通過一些后處理，再進行上色，這樣既耗時又耗人力，又難免造成偏差。利用Z Corp ZPrinter 450彩色打印機可以一步到位，能在幾個小時內把產品的造型、字體（圖案）、色彩等一次性加工出來，比起傳統加工技術大大節省了做模型的時間與成本。如圖（4）、（5）。

在模具制造行業中的應用，有時需要對產品的結構外型與材料的性能進行分析，就要求制造出簡易的模具生產產品。可以快速的制造出模套與型芯，可得到鑄造模具進行澆鑄生產得到產品。如圖（6）

在建筑行業的應用，建筑設計師設計時不但要考慮房子的結構與造型，還要考慮到房子的位置布局、房子的外觀格調等是否與周圍的環境能和諧的結合在一起，要做到面面俱到，對設計師來說是一個挑戰。設計太復雜了，建筑工程師要讀懂設計師的設計圖紙實施工程的建設也有一定的難度。那么如果把整個建筑物及其周圍的環境都做成模型，將會既可以讓設計師檢驗房屋的布局、結構、外觀等是否符合其設計理念，以便可以進行及時的修改，也有利于建筑工程師通過模型實物了解設計師的設計意圖，避免在建造時出現偏差，浪費時間與成本。也可用作于房屋的展示。還可以制作城市里的整體或局部的立體地圖。如圖（7）、圖（8）。

在醫學上的應用，在很多重大、復雜的手術上，醫生都要進行手術的仔細研究，為了得到比較優化的手術方案，醫生要進行多次手術的預演。這就要求能快速的制作出醫學上用的三維模型用于手術前的研究與手術預演。在整形與骨頭外傷手術上，結合逆向工程技術進行設計與制作假體植入人體也得到比較廣泛的應用。如圖（9）。

4快速成型技術的優缺點

快速成型技術優點：由于其加工原理有別于傳統加工原理，能加工傳統加工方法無法加工的產品，加工的產品幾乎與產品的復雜程度無關，很多新穎的產品設計能得以實現。在開發新產品時快速成型技術較傳統加工能更快加工出模型，并能直接給產品上色，縮短了開發的周期、節省了材料與工時，提高了效率。

缺點在于：設備昂貴，容易損耗，設備的維護與材料的成本較高。加工的精度普遍不高，表面精度較差。產品的剛度和強度不足，難以進行結構與受力分析。加工的速度也是有待提高。

5結束語

快速成型技術是在一項在不斷發展與完善中的技術。對于現代產品的多樣化與復雜化來說，其應用于產品開發中有其較大的優勢，能使得產品的開發周期大大的縮短，為開發產品節省了成本，贏得市場。但也具有機器與材料成本相對來說較高，精度難以達到工業上要求的缺點，使得該技術有一定的局限性。若能克服以上的缺點，快速成型技術將會有很好的發展前景。

參考文獻：

[1]周振堂，馬廉潔.零件制造的快速成型技術及其應用[j].鑄造工藝，2008（5）：12-14.

[2]孫維峰.快速成型（RP）的原理方法及應用[j].機電技術，2008（3）：9-11.

[3]牛愛軍，黨新安，楊立軍.快速成型技術的發展現狀及其研究動向[j].熱加工工藝，2008（5）：116-118.

[4]王葵，譚威.快速成型技術及發展[j].科技創新導報，2008（9）：39.

[5]劉曉威.快速成型技術發展綜述[j].農業裝備與車輛工程，2008（2）：11-13.