淺談快速成型技術(shù)研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

摘 要：快速成型技術(shù)又稱快速原型制造技術(shù)，是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。快速成型設(shè)備可以直接、快速、精確地把設(shè)計(jì)構(gòu)想或設(shè)計(jì)方案通過模型建立、近似處理和切片處理等過程轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際的零件原型或者直接制造零件，為零件的原型制作和設(shè)計(jì)構(gòu)想的校驗(yàn)等方面提供了一種高效低成本的實(shí)現(xiàn)手段，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)制造方法的不足。本文依據(jù)當(dāng)前相關(guān)文獻(xiàn)的內(nèi)容系統(tǒng)地介紹快速成型的基本原理及應(yīng)用狀況，給出了一個(gè)基于3D打印機(jī)的應(yīng)用實(shí)例，并簡單介紹了其發(fā)展的趨勢。

關(guān)鍵詞：快速成型；CAD；3D打印；應(yīng)用狀況

中圖分類號：TH122

能源是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要支撐，是人類社會(huì)生存和長期發(fā)展的重要基礎(chǔ)，對經(jīng)濟(jì)和社會(huì)快速穩(wěn)步發(fā)展起著不可或缺的重要推動(dòng)作用[1]。隨著“中國制造2025”和工業(yè)4.0的提出，制造業(yè)在節(jié)能減排方面進(jìn)行了革新，許多包括快速成型制造技術(shù)在內(nèi)的先進(jìn)制造技術(shù)在新的發(fā)展環(huán)境中得到廣泛地應(yīng)用。本文結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)的內(nèi)容，將系統(tǒng)地介紹快速成型技術(shù)的基本原理及應(yīng)用狀況，結(jié)合具體案例分析其實(shí)現(xiàn)過程，并簡單介紹其發(fā)展趨勢，為相關(guān)學(xué)者的研究提供參考。

快速成型技術(shù)（Rapid Prototyping Technology， RPT）是一種基于材料堆積法的先進(jìn)制造技術(shù)，誕生于20世紀(jì)80年代后期，在21世紀(jì)隨著大量的研究與應(yīng)用得到飛速的發(fā)展。它集機(jī)械工程、CAD、逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)與學(xué)科于一體。快速成型設(shè)備可以直接、快速、精確地把設(shè)計(jì)構(gòu)想或設(shè)計(jì)方案通過模型建立、近似處理和切片處理等過程轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際的零件原型或者直接制造零件，為零件的原型制作和設(shè)計(jì)構(gòu)想的校驗(yàn)等方面提供了一種高效低成本的實(shí)現(xiàn)手段，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)制造方法的不足[1-3]。

1 快速成型原理及處理過程

1.1 快速成型原理

快速成型技術(shù)的基本想法是：把所有零件的三維模型看作是由許多等厚度的二維平面層輪廓沿某一方向疊加而成的，即把零件三維模型劃分為一層層的二維平面。因此根據(jù)零件的三維模型，首先在CAD軟件里將模型進(jìn)行近似處理，然后到快速成型系統(tǒng)輔助軟件中將近似處理后的模型進(jìn)行分層切片，得到各層截面的輪廓，按照這些輪廓，激光束選擇性一層層地切割原材料，或固化一層層的液態(tài)樹脂，燒結(jié)一層層的粉末材料，或噴射源選擇性地噴射一層層的粘接劑或熱熔材料等，形成各截面輪廓并逐步沿著加工方向堆積疊加成三維實(shí)體[3，4]。對于大部分的快速成型設(shè)備，其實(shí)質(zhì)都是把零件看成一層層的平面輪廓堆疊而成。

1.2 快速成型的過程及其前處理

快速成型的基本原理是基于“離散—堆積”方法，即“分層制造，逐層疊加”[3]。快速成型制造的核心是模型的離散化處理和堆積加工[1]。快速成型的具體過程包括：前處理（即零件三維模型的建立、近似處理、切片處理等） 、分層疊加成型（截面輪廓的制造與堆積） 和后處理（表面處理等）。

1.2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

（1）三維模型建立。快速成型首先是快速成型系統(tǒng)的輔助軟件中將產(chǎn)品或零件的三維模型進(jìn)行切片處理，所以三維模型的建立至關(guān)重要，是快速成型制造的基礎(chǔ)。三維模型的建立是將產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息輸入到計(jì)算機(jī)中生成三維模型的過程。常用的三維建模方法有以下兩種：一是利用利用CAD軟件進(jìn)行建模，設(shè)計(jì)人員根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求（結(jié)構(gòu)尺寸等）在具體建模軟件中設(shè)計(jì)三維模型；另一種是對具體實(shí)物進(jìn)行數(shù)字化處理，通過相關(guān)工具或手段將食物信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為快速成型系統(tǒng)可以識別的數(shù)據(jù)。

（2）三維模型的近似處理。快速成型系統(tǒng)無法直接識別零件的三維模型，在使用快速成型系統(tǒng)加工零件時(shí)必須將三維模型進(jìn)行相關(guān)的處理。目前最常見的三維模型近似處理方法是用一系列的小三角形平面來逼近自由曲面。在實(shí)際處理過程，根據(jù)曲面的形狀選擇合適的三角形的大小，從而保證不同曲面的近似精度。經(jīng)過近似處理的三維模型文件稱為STL格式文件，其中三維模型被劃分為一系列相連的空間三角形。典型的CAD軟件都有轉(zhuǎn)換和輸出STL格式文件的接口，例如在SolidWorks中，可以將三維模型另存為*.stl格式文件。

（3）三維模型的切片處理。快速成型制造是根據(jù)零件的截面輪廓進(jìn)行堆積疊加，在進(jìn)行快速加工前必須從近似處理后的三維模型上沿設(shè)定的成型高度方向，每隔一定的間隔高度進(jìn)行切片處理，提取零件的截面輪廓，這個(gè)過程即為切片處理。間隔高度的大小可以根據(jù)被加工零件的精度和生產(chǎn)率的要求選定，間隔愈小，精度愈高，但成型時(shí)間也就愈長；間隔的范圍一般取在0. 05～0.5 mm之間，常用為0.1mm左右。切片的間隔高度選定之后，成型時(shí)每層的零件輪廓厚度也就被確定，即每層材料厚度等于間隔高度。

1.2.2 截面輪廓的制造

快速成型系統(tǒng)的成型頭（激光頭或噴頭）在x-y平面內(nèi)自動(dòng)地按切片的截面輪廓形狀進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，切割或者噴涂材料，得到具有設(shè)定的間隔高度的截面輪廓層。在一層截面成型完成后，系統(tǒng)將新一層的材料送到已成型的截面上，然后進(jìn)行新一層輪廓的成型，經(jīng)過多次成型，截面輪廓逐步堆積疊合在一起，最終形成三維實(shí)體產(chǎn)品。

2 快速成型技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，越來越多的快速成型技術(shù)被投入到實(shí)際應(yīng)用中，其獨(dú)特的加工模式縮短了制造商的產(chǎn)品開發(fā)周期，滿足市場變化的需要。主要包括以下幾個(gè)方面[5]：

（1）產(chǎn)品設(shè)計(jì)和功能驗(yàn)證。通過快速成型技術(shù)可以快速制作新產(chǎn)品的物理模型，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)構(gòu)思，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中存在的具體問題，及時(shí)解決，提高零件的設(shè)計(jì)效率。相對于傳統(tǒng)的方法，該技術(shù)更加高效，降低產(chǎn)品的開發(fā)成本。

（2）非功能性樣品制作。在新產(chǎn)品正式投產(chǎn)之前或按照定單制造時(shí)，通過快速成型制作產(chǎn)品的樣本，縮短產(chǎn)品與客戶的見面時(shí)間，為企業(yè)贏得客戶關(guān)注。

（3）快速模具制造。隨著快速成型技術(shù)的發(fā)展，其廣泛應(yīng)用于模具制造。通常利用快速成型技術(shù)進(jìn)行間接制模和直接制模。

3 快速成型技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

基于快速成型技術(shù)，本文運(yùn)用MakerBot 3D打印機(jī)，完成了小車零部件滑輪支架的制作。本文的零件三維模型采用SolidWorks 2013進(jìn)行建模，根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求制作的滑輪支架三維模型如圖1所示。利用MakerBot 3D打印機(jī)機(jī)制作滑輪支架的過程可分為三個(gè)步驟：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、快速成型制作及后處理。

（1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。包括三維模型的設(shè)計(jì)、STL數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、制作方向的選擇、分層切片處理以及支撐設(shè)置等過程。首先在SolidWorks中將建立好的三維模型轉(zhuǎn)化為STL格式文件。MakerBot 3D打印機(jī)的前處理軟件MakerWare可自動(dòng)識別二進(jìn)制與ASCII碼形式的STL文件。MakerWare通過加載STL文件后將其轉(zhuǎn)化為X3G文件。將X3G文件導(dǎo)入MakerWare中，設(shè)定零件加工的方向，如圖2所示。根據(jù)零件加工的時(shí)間以及制造出的零件的可用性要求選擇零件支撐；同時(shí)設(shè)置加工參數(shù)，包括填充度（Infill）、層高（Layer Height）以及噴嘴溫度。在滿足強(qiáng)度和剛度要求下，盡量減小填充度和增大層高，可以節(jié)省材料以及加工時(shí)間，本例中填充度為10%，層高為0.2mm，在軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理如圖3所示。最后將X3G文件拷貝至MakerBot 3D打印機(jī)中等待加工。

（2）快速成型制作。快速成型制作是將制作數(shù)據(jù)（本例中的X3G文件）傳輸?shù)娇焖俪尚蜋C(jī)中，快速成型制造出零件的過程，它是快速成型技術(shù)的核心。本例將打印機(jī)機(jī)中的Extruder為230℃左右，在軟件中進(jìn)行的模擬加工操作效果如圖3和4所示。

（3）后處理。滑輪支架成型完后升出工作臺，取出制作完成的零件。為了獲得一個(gè)表面質(zhì)量與機(jī)械性能更優(yōu)的零件，需要對工件進(jìn)行輔助工藝處理，包括零件的清洗、去除支撐、固化處理、打磨、表面噴漆等。

4 快速成型技術(shù)發(fā)展趨勢

目前，快速成型技術(shù)的研究主要集中在其基本理論、新型成型方法（如增材制造）、新型材料的研發(fā)、新型制模技術(shù)、金屬零件直接成型和工程應(yīng)用，同時(shí)還追求生產(chǎn)效率高，制造精度高，可靠性高，設(shè)備安裝外設(shè)化、操作智能化。具體有以下幾點(diǎn)：

（1）直接成型。在未來的實(shí)際應(yīng)用中，快速成型技術(shù)將廣泛用于金屬零件直接加工成型，即工用快速成型技術(shù)。三維模型經(jīng)過前處理后，通過快速成型系統(tǒng)直接加工成型，例如增材制造。

（2）不同制造目標(biāo)相對獨(dú)立發(fā)展。快速成型制造主要應(yīng)用于概念設(shè)計(jì)校驗(yàn)、模具制造、功能測試及功能零件制造。但不同制造目標(biāo)的發(fā)展呈現(xiàn)出相對獨(dú)立的發(fā)展。

（3）向大型制造與微型制造發(fā)展。由于大型模具和微型制造的制造難度大和快速成型制造在模具制造方面的具有獨(dú)特的優(yōu)勢，未來快速成型技術(shù)將廣泛應(yīng)用于大型制造和微型制造發(fā)展。

5 結(jié)論

隨著智能制造相關(guān)概念的提出，快速成型技術(shù)在新的形勢下得到了空前的發(fā)展。憑借其應(yīng)用方便，縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，節(jié)省產(chǎn)品開發(fā)成本的有點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)制造方法的不足。快速成型技術(shù)作為新型先進(jìn)制造技術(shù)，為了更加廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)，我們還需要就基本理論、實(shí)際應(yīng)用等方面投入大量研究和開發(fā)。未來，快速成型技術(shù)將促進(jìn)相關(guān)技術(shù)、行業(yè)等發(fā)展，結(jié)合其使用將成為制造業(yè)發(fā)展的趨勢。

參考文獻(xiàn)：

[1]張海龍.中國新能源發(fā)展研究[D].吉林大學(xué)，2014.

[2]尹希猛，王運(yùn)贛.快速成型技術(shù)：90年代新的造型工具[J].中國機(jī)械工程， 1993（6）：25-27.

[3]李春祥，彭淑慧，謝鵬壽，等.快速成型技術(shù)原理及應(yīng)用[J]. 蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2000， 26（3）：89-92.

[4]張曙.現(xiàn)代先進(jìn)制造的潮流快速成型技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀和展望[J].快速制造技術(shù)，2000 （1） ： 7-10.

[5]夏鵬，王丞，馬明亮.快速成型技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].九江學(xué)院學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版）， 2008， 27（3）：55-58.

作者簡介：伍泓宇（2000-），重慶市第八中學(xué)2018級7班。