快速原型技術的研究現狀及存在的問題

摘 要：快速原型是技術是激光技術、計算機技術、數控技術、材料科學、機械工程技術的集成。該文介紹了快速原型技術的原理、其主要的工藝種類光固化立體造型（SLA）、分層實體制造（LOM）、選擇性激光燒結（SLS）、熔融沉積制造（FDM）的研究現狀，探討了該技術現在所面臨的問題。

關鍵詞：快速原型 研究現狀 存在問題 SLA LOM SLS FDM

中圖分類號：TG24 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）01（a）-00-02

快速成型技術，也稱為快速原型（Rapid prototyping，RP）技術，是20世紀70年代末到80年代初產生的一種新型制造技術，它基于“離散/堆積”增材制造原理，和常規的去材制造不同，采用逐層累加制造的方法完成任意復雜零部件或實體的制作，又被稱為分層制造技術和自由實體制造技術，是先進制造技術的重要組成部分[1]。

1 快速原型的原理

RP是基于離散/堆積成形的數字化制造技術，它集成了激光、計算機、數控、精密伺服驅動、新材料等各種高新技術。通過離散，將復雜的三維形體進行降維處理；通過堆積使二維層片結合成復雜的三維實體。其基本過程是：首先設計出所需零件的計算機三維模型（數字模型、CAD模型），然后將CAD模型轉化為STL文件格式，用分層軟件將計算機三維實體模型在高度方向離散為一系列具有一定厚度、一定形狀的薄片，最后在計算機控制下有選擇的固化或粘結某一區域的材料，從而形成零件實體的一個層面，并逐漸堆積生成對應原型[2]。

2 快速原型技術的研究現狀

目前快速原型技術的工藝方法已經有幾十種，并且新工藝、新方法還在不斷出現，按成型核心工具不同，RP系統可以分為兩大類：基于激光技術（光固化立體造型SLA，分層實體制造LOM，選擇性激光燒結SLS）和基于微滴技術（熔融沉積制造FDM，三維印刷3DP，實體磨削固化SGC、多項噴射沉積MJD等）的RP技術，但商品化較好的主要還是SLA，LOM，SLS，FDM，下面僅就他們的研究現狀做一下介紹：

（1）光固化立體造型（SLA）以光敏樹脂為原料，在加工過程中，工作臺表面浸在液體的光敏樹脂中，一定功率的光照到光敏樹脂表面，通過光聚合反應導致固化，一層固化完成后，工作臺下降一定高度，重新覆蓋一薄層樹脂材料，光照固化新層。如此反復，直到零件生成。SLA是目前世界上研究最深入、技術最成熟、應用最廣泛的一種RP技術，其成型工藝穩定，成型精度可達0.1 mm，表面質量較好，可直接制造精細零件和塑料件，制件為透明體。但其自身也存在局限性：SLA設備昂貴，光敏樹脂價高，并且通常用的樹脂都是熱固性的光敏樹脂，不能多次加熱融化。SLA法適合于制作中小型工件，其制作原型的效果可達到機磨加工的表面效果，能直接得到樹脂或類似工程塑料的產品。

（2）分層實體制造（LOM）采用薄片材料如紙、金屬箔、塑料薄膜等，由計算機控制光束，按模型每層的內外輪廓線切割薄層材料，得到該層的平面形狀，并逐層堆放成零件原型，在堆放時，層與層制件以粘結劑粘牢，因此成型件無內應力，無變形，成型速度快，不需支撐，制件精度高。但LOM不能直接制作塑料制品，原型的抗拉強度和彈性也不夠理想，成型后的原型件應盡快做防潮處理。LOM法適用于制作結構簡單的中大型原型，特別適合于直接制作砂型鑄造模。

（3）選擇性激光燒結（SLS）選用各種粉末材作為燒結材料，通過激光的選擇性掃描使粉末表面局部或部分融化，融化的液體在冷卻凝固過程中使粉末顆粒相互連接，從而完成單一層面的加工，燒完一層，基體下移一個厚度，新鋪一層粉末進行新層燒結，此過程反復進行直至生成三維實體，完成后去掉未燒結的粉末，即得到成型件。SLS成型材料品種多，用料節省，成型件性能分布廣泛。SLS的缺點是：制品易變形，需預熱和冷卻，成型過程有毒氣體和粉塵，污染環境。

（4）熔融沉積制造（FDM）采用熱熔噴頭，使半流動狀態的材料流體按模型分層數據控制的路徑擠壓出來，并在指定的位置沉積、凝固成型，這樣逐層沉積、凝固后形成整個原型，該方法加工沒有粉末，總體誤差約為0.5μm，制件性能相當于工程塑料或蠟模，目前熱塑性工件的制作接近成熟。熔融沉積快速成型應用于汽車、機械.電子，玩具等產品的設計開發。

3 快速原型技術在今后發展中面臨的問題

目前RP技術還是面臨著很多問題，問題大多來自技術本身的發展水平，其中最突出的表現在如下幾個方面。

3.1 工藝問題

快速原型的基礎是分層疊加原理，然而，用什么材料進行分層疊加，以及如何進行分層疊加卻大有研究價值。因此，除了上述常見的分層疊加成形法之外，正在研究、開發一些新的分層疊加成形法，以便進一步改善制件的性能，提高成形精度和成形效率。

3.2 材料問題

成型材料研究一直都是一個熱點問題，快速成型材料性能要滿足：①有利于快速精確的加工出原型；②用于快速原型系統直接制造功能件的材料要接近零件最終用途對強度、剛度、耐潮、熱穩定性等要求；③有利于快速制模的后續處理。發展全新的RP材料，特別是復合材料，例如納米材料、非均質材料、其他方法難以制作的材料等仍是努力的方向。

3.3 精度問題

目前，快數成形件的精度一般處于±0.1 mm的水平，高度（Z）方向的精度更是如此。快速成型技術的基本原理決定了該工藝難于達到與傳統機械加工所具有的表面質量和精度指標，把快速成型的基本成形思想與傳統機械加工方法集成，優勢互補，是改善快速成型精度的重要方法之一[3]。

3.4 軟件問題[4]

目前，快速原型系統使用的分層切片算法都是基于STL文件格式進行轉換的，就是用一系列三角網格來近似表示CAD模型的數據文件，而這種數據表示方法存在不少缺陷，如三角網格會出現一些空隙而造成數據丟失，還有由于平面分層所造成的臺階效應，也降低了零件表面質量和成形精度，目前，應著力開發新的模型切片方法，如基于特征的模型直接切片法、曲面分層法，即：不進行STL格式文件轉換，直接對CAD模型進行切片處理，得到模型的各個截面輪廓，或利用反求工程得到的逐層切片數據直接驅動快速原型系統，從而減少三角面近似產生的誤差，提高成形精度和速度。

3.5 能源問題

當前快速原型技術所采用的能源有光能、熱能、化學能、機械能等。在能源密度、能源控制的精細性、成型加工質量等方面均需進一步提高。

3.6 應用領域問題

目前快速成型現有技術的應用領域主要在于新產品開發，主要作用是縮短開發周期，盡快取得市場反饋的效果。

由于快速原型技術的巨大吸引力，現在，不僅工業界對其十分重視，而且許多其他的行業都紛紛致力于它的應用和推廣，在其技術向更高精度與更優的材質性能方向取得進展后.可以考慮加入生物醫學、考古、文物、藝術設計、建筑成型等多個領域的應用，形成高效率、高質量、高精度的復制工藝體系。

4 結語

快速成型技術是一種新興技術，它使得制造技術產生了一次質的飛躍，其從成形原理上提出了一種全新的思維模式，將許多先進技術集于一身，此技術有很好的發展前景，通過不斷完善與發展，值得我們對其進行廣泛的研究、開發和應用，為我國制造業早日進入世界制造業前列做出更大的貢獻。

參考文獻

[1]王廣春.快速原型技術及應用[M].化學工業出版社，2006.

[2]范春華.快速成型技術及其應用[M]，電子工業出版社，2009.

[3]彭安華，張劍鋒，王其兵.提高快速原型制件精度方法研究[J].熱加工工藝，2008，37（5）.

[4]徐人平.快速原型技術與快速設計開發[M].化學工業出版社，2008.