快速原型技術在機械制造中的應用及發展趨勢

楊忠鳳

[摘 要]本文簡要介紹了快速原型技術的原理、特點及典型工藝方法；概括了快速原型技術在機械制造中的應用現狀，探討了快速原型技術未來的發展趨勢。

[關鍵詞]快速原型；機械制造；應用；發展趨勢

中圖分類號：TH16 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）19-0113-01

0 前言

近年來，各種先進制造技術競相發展，使企業將產品快速、成功地推向市場成為可能，成為企業占領市場先機的可靠保障。

快速原型技術（Rapid Prototyping.RP），也稱為快速成型技術，產生于20世紀80年代后期①，是一項結合了機械、計算機、數控、信息化和新材料等的多學科交叉多技術集成的先進制造技術?？焖僭椭圃旒夹g具有高柔性，高集成，高適應，低成本等特點，是現代機械制造技術的典型代表之一。

1 RP的原理及工藝方法

相對于傳統的“減法”制造，快速原型技術是“加法”制造。形象地表述快速原型制造系統就像一臺3D打印機，根據三維實體模型“打印”出實體零部件?？焖僭图夹g的基本原理是基于“離散/堆積”思想，把三維實體模型分散成二維層機構，再用材料按順序準確地把之前的各層堆積起來，最終獲得理想的三維實體零部件。

目前，快速原型制造技術的主要工藝方法有：

（1）立體光固化成型法（SLA，Stere-lithography Apparatus）是通過控制激光束照射液態光敏樹脂，使光敏樹脂材料逐層固化，最后將所有層再進行固化形成整體零件。

該方法生產的零件精度高、表面質量好；原材料利用率高，能制造形狀特別復雜精細的零件。

（2）分層實體制造發（LOM，Laminated Object Manufacture）是利用熱壓輥將涂有熱熔膠的薄層材料粘結在一起，再用激光束剪裁成零件形狀。

該方法工藝簡單，加工成本低，可靠性好，效率高。

（3）選擇性激光燒結法（SLS Selective Laser Sintering）是激光有選擇地對粉末材料進行逐層燒結而固化成零件。

該方法可制造多種材料的零件，如塑性金屬陶瓷等，加工精度和強度高。

（4）熔融沉積成型法（FDM，Fused Deposition Modeling）是用噴頭將熱塑性材料以絲狀形式噴擠出，逐層固結，最后堆積成實體零件。

該方法操作簡單，成本低，效率高，環保性好。

（5）三維印刷法（TDP，Three Dimensinal Printing）是反復地用打印噴頭將粉末材料噴在有粘結劑的層面上，最后形成整體零件。

2 快速原型技術在機械制造中的應用

2.1 在模具制造中的應用

在模具制造中應用快速成型技術進行快速制模，具體分為直接制模和間接制模，與傳統制模相比，應用快速原型技術大大縮短了模具的研發周期，將模具從設計到制造的過程變得更為高效，為模具制造的創新發展提供了大力支持。

2.2 在新產品研發中的應用

應用快速原型技術可以使新產品的設計開發過程變得簡單而且高效，既縮短了研發周期，又降低了研發成本。而且對于形狀復雜零件的開發效率也大大提高，從而有助于企業在競爭中立于不敗之地。例如，西安交通大學的西北RPM應用服務中心，運用快速原型技術為TCL公司設計了多款手機樣品，整個過程僅用了7天。

2.3 小批量復雜零件的直接生產

在機械制造中，有時只需要制造單件或幾十件的很少數量的零部件，要是仍然使用傳統工藝制造，會耗用大量的時間和較高的成本。

因此對于某些用高分子材料及其復雜金屬制造的零件，可用相應材料進行直接快速原型，這樣既節省時間有降低成本。

除上述應用外，快速原型技術在機械制造中還有較多其他應用。例如，產品展示，產品檢驗及微型機械等。這些應用都對原有傳統工藝帶來了質的提升。

3 發展趨勢

現在快速原型技術已經在機械制造等越來越多的領域發揮了其獨特的優勢，并獲得了充分的認可。但同時對該技術的要求也越來越高，這就要求其不斷完善和發展，以適應更高標準要求的需要。

3.1 新材料的研制

用于快速原型的材料由最初的塑料、樹脂等，發展到現在的高性能材料（如纖維混紡料，精鑄石蠟尼龍復合物等②），已取得了長足的發展。但是目前所使用的這些高性能材料在快速原型過程中仍會出現翹曲變形和粘結等問題，必須通過后續工序進行燒結固化等操作，整個過程相對比較復雜。

因此，研制具有更好性能、適應性更廣的原型材料（如，納米材料等復合材料）改善現有材料的不足，是快速原型技術持續發展的重要保障，也是今后國內外研究人員競相突破的難點和研究的熱點。

3.2 新工藝方法的研發

現有幾種典型快速原型工藝方法，都不同程度地存在有待改進的地方。如LOM方法操作相對復雜，耗時長，只能制造實心零件；SLA方法需要設計支撐，原材料價格昂貴，加工成本高等。

因此，在改進現有工藝方法的同時，也要研發新的原型工藝。例如，噴射原型技術、多材料制造系統、直接金屬原型工藝等。

3.3 提高原型精度

影響快速成型精度的因素主要有兩個方面，一是“先天”因素——STL文件，該文件具有精度不足和冗余較大等缺點，這就決定了切片后誤差的形成；二是“后天”因素，即在原型過程中由于各種原因造成的零件變形誤差。

針對以上兩方面，開發針對STL文件進行高效識別的軟件系統，從根源上減少誤差，提高原型精度。另外，要研發新的工藝方法，最大限度地控制零件的變形。

3.4 提高集成化

快速原型技術從出現之初就與多學科緊密聯系交叉發展，如快速模具、虛擬技術和網絡等，這些學科與快速原型技術共同進步發展?，F如今“互聯網+”和“大數據”已被越來越多的行業所采納，同樣也為快速原型的持續快速發展提供了有力支持，使快速原型技術發展成在網絡環境下的智能遠程加工。

4 結束語

總之，快速原型技術是一種具有廣泛應用前景的先進機械制造技術之一，其發展的速度和程度將對機械制造領域產生深淵影響，其總的發展趨勢是在不斷完善現有技術的基礎上，加速探索和研發新的原型材料及新的原型工藝，加強與其他學科的交叉融合，并借助互聯網優勢發展智能化遠程加工。

參考文獻

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