快速成型技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

趙少君

摘要：快速成型技術(shù)是現(xiàn)代制造技術(shù)較為先進(jìn)的加工方法，其結(jié)合了數(shù)控、計(jì)算機(jī)制造、激光等技術(shù)。本文主要介紹了幾種快速成型技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀及其加工原理，對其在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具制造、建筑、醫(yī)療等方面的應(yīng)用作了探討，分析了該技術(shù)在應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：快速成型技術(shù)；工作原理；應(yīng)用

1前言

為了滿足現(xiàn)代社會消費(fèi)者的需求，各種各樣的新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)?，F(xiàn)代產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不但追求質(zhì)量好，功能強(qiáng)，而且要求造型美觀。一方面，制造商要面對消費(fèi)者“喜新厭舊”的心理，產(chǎn)品的更新?lián)Q代不斷加快，誰能夠利用最短的時(shí)間不斷的推出新產(chǎn)品，誰就能留住消費(fèi)者；另一方面，現(xiàn)代制造業(yè)的市場是競爭越來越激烈，降低成本，生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品是商家制勝的法寶。這就使得傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的方法已經(jīng)不能完全滿足現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求。在這種形勢下，催使快速成型技術(shù)（Rapid Prototyping Manufacturing,RPM）的出現(xiàn)與成熟。

2快速成型的原理

傳統(tǒng)的加工技術(shù)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(chǎn)品。而快速成型技術(shù)即是采用加材料的方式進(jìn)行加工，材料從沒有到有，一層層的疊加得到產(chǎn)品，有別于傳統(tǒng)的加工方式。快速成型技術(shù)采用離散或堆積成型的原理，由三維的CAD模型根據(jù)不同的加工工藝進(jìn)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(jīng)過對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，讓每一個二維圖形生成數(shù)控程序，利用數(shù)控系統(tǒng)把所得的數(shù)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(shù)經(jīng)過近年來的不斷發(fā)展與完善，已經(jīng)產(chǎn)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(shí)體制造法(Laminated Object Manufacturing,LOM)、德國的ESO選擇性激光燒結(jié)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(shù)（SLA）是以光敏樹脂為原料，放在液槽里，激光器發(fā)出紫外激光經(jīng)過擴(kuò)束鏡、聚焦鏡把激光束聚焦到振鏡掃描頭上。計(jì)算機(jī)根據(jù)由三維實(shí)體圖分割而成的二維圖的形狀控制振鏡掃描頭運(yùn)動。激光所掃描到的液體上表面的地方，光敏樹脂馬上發(fā)生光聚合反應(yīng)，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(tài)。然后把托板往下移動，讓液體再次充滿上表面，再次進(jìn)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(shí)體加工出來為止。（如圖1）

2.2熔融沉積法(FDM)技術(shù)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(shè)備的噴嘴受到系統(tǒng)的控制，根據(jù)二維圖的形狀一邊運(yùn)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(shí)體。如圖（2）

2.3三維打印 (3DP)技術(shù)是以特殊粉末與粘合劑為材料。系統(tǒng)把三維模型分割成適合打印機(jī)打印的二維截面圖。在工作臺上鋪一層薄薄的粉末，根據(jù)打印機(jī)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(fù)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(jié)技術(shù) (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(shè)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(jié)，形成薄層，一層完成后再到下一層，燒結(jié)完成后，經(jīng)過打磨、烘干等的后處理即可得到模型。

2.5分層實(shí)體制造技術(shù)（LOM）是將單面涂有熱溶膠的紙片通過加熱粘接在一起，系統(tǒng)根據(jù)所獲得的二維數(shù)據(jù)，利用激光將紙切割成所制模型的內(nèi)外輪廓，然一層層的紙?jiān)侬B加在上面進(jìn)行切割，把每一層粘合在一起，生成模型。

3快速成型技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用

Dimension公司生產(chǎn)的快速成型機(jī)是利用熔融沉積方法進(jìn)行加工產(chǎn)品。設(shè)備主要以ABS料作為加工材料。能加工出復(fù)雜的工件，所加工的工件幾乎與工件的復(fù)雜程度無關(guān)，在加工復(fù)雜工件時(shí)較傳統(tǒng)加工技術(shù)節(jié)省了時(shí)間，從而節(jié)省了成本，使得整個產(chǎn)品的開發(fā)周期縮短。最大的優(yōu)勢是能加工出工件的配合件與扣件。由于ABS料有較好的強(qiáng)度，可以對加工出來的工件進(jìn)行結(jié)構(gòu)與力學(xué)上的分析。這是該成型技術(shù)的優(yōu)勢。

Z Corporation公司生產(chǎn)的Z Corp ZPrinter 450快速成型機(jī)利用的技術(shù)是三維打印技術(shù)（3DP）。該設(shè)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(jìn)行調(diào)色。加工出來的產(chǎn)品可以直接帶上色彩，無需再對產(chǎn)品進(jìn)行上色的后處理，產(chǎn)品出來后，根據(jù)你想要的性能，可用不同的加強(qiáng)劑對產(chǎn)品進(jìn)行強(qiáng)化，能得到硬性與塑性的模型。所以這是其一大優(yōu)點(diǎn)。

在產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者往往是根據(jù)自己的理念與空間的想象，首先設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的三維圖表達(dá)其造型，再對產(chǎn)品進(jìn)行色彩渲染，定好產(chǎn)品的色調(diào)，然后進(jìn)行不斷的修改到滿意。但用三維圖來表現(xiàn)出來的產(chǎn)品始終是跟真的實(shí)物是有一定的差別的，往往就需要做出模型來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)理念、造型、色調(diào)等，特別還要檢驗(yàn)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)是否合理。那么就要求對模型進(jìn)行多次的修改然后最終定型。所以做出模型對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)的意義是十分重要的。傳統(tǒng)做模型多數(shù)利用手工制造（如玩具行業(yè)）或者利用數(shù)控設(shè)備進(jìn)行加工，然后通過一些后處理，再進(jìn)行上色，這樣既耗時(shí)又耗人力，又難免造成偏差。利用Z Corp ZPrinter 450彩色打印機(jī)可以一步到位，能在幾個小時(shí)內(nèi)把產(chǎn)品的造型、字體（圖案）、色彩等一次性加工出來，比起傳統(tǒng)加工技術(shù)大大節(jié)省了做模型的時(shí)間與成本。如圖（4）、（5）。

在模具制造行業(yè)中的應(yīng)用，有時(shí)需要對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)外型與材料的性能進(jìn)行分析，就要求制造出簡易的模具生產(chǎn)產(chǎn)品?？梢钥焖俚闹圃斐瞿Ｌ着c型芯，可得到鑄造模具進(jìn)行澆鑄生產(chǎn)得到產(chǎn)品。如圖（6）

在建筑行業(yè)的應(yīng)用，建筑設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)時(shí)不但要考慮房子的結(jié)構(gòu)與造型，還要考慮到房子的位置布局、房子的外觀格調(diào)等是否與周圍的環(huán)境能和諧的結(jié)合在一起，要做到面面俱到，對設(shè)計(jì)師來說是一個挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)太復(fù)雜了，建筑工程師要讀懂設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)圖紙實(shí)施工程的建設(shè)也有一定的難度。那么如果把整個建筑物及其周圍的環(huán)境都做成模型，將會既可以讓設(shè)計(jì)師檢驗(yàn)房屋的布局、結(jié)構(gòu)、外觀等是否符合其設(shè)計(jì)理念，以便可以進(jìn)行及時(shí)的修改，也有利于建筑工程師通過模型實(shí)物了解設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)意圖，避免在建造時(shí)出現(xiàn)偏差，浪費(fèi)時(shí)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(yī)學(xué)上的應(yīng)用，在很多重大、復(fù)雜的手術(shù)上，醫(yī)生都要進(jìn)行手術(shù)的仔細(xì)研究，為了得到比較優(yōu)化的手術(shù)方案，醫(yī)生要進(jìn)行多次手術(shù)的預(yù)演。這就要求能快速的制作出醫(yī)學(xué)上用的三維模型用于手術(shù)前的研究與手術(shù)預(yù)演。在整形與骨頭外傷手術(shù)上，結(jié)合逆向工程技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與制作假體植入人體也得到比較廣泛的應(yīng)用。如圖（9）。

4快速成型技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

快速成型技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：由于其加工原理有別于傳統(tǒng)加工原理，能加工傳統(tǒng)加工方法無法加工的產(chǎn)品，加工的產(chǎn)品幾乎與產(chǎn)品的復(fù)雜程度無關(guān)，很多新穎的產(chǎn)品設(shè)計(jì)能得以實(shí)現(xiàn)。在開發(fā)新產(chǎn)品時(shí)快速成型技術(shù)較傳統(tǒng)加工能更快加工出模型，并能直接給產(chǎn)品上色，縮短了開發(fā)的周期、節(jié)省了材料與工時(shí)，提高了效率。

缺點(diǎn)在于：設(shè)備昂貴，容易損耗，設(shè)備的維護(hù)與材料的成本較高。加工的精度普遍不高，表面精度較差。產(chǎn)品的剛度和強(qiáng)度不足，難以進(jìn)行結(jié)構(gòu)與受力分析。加工的速度也是有待提高。

5結(jié)束語

快速成型技術(shù)是在一項(xiàng)在不斷發(fā)展與完善中的技術(shù)。對于現(xiàn)代產(chǎn)品的多樣化與復(fù)雜化來說，其應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)中有其較大的優(yōu)勢，能使得產(chǎn)品的開發(fā)周期大大的縮短，為開發(fā)產(chǎn)品節(jié)省了成本，贏得市場。但也具有機(jī)器與材料成本相對來說較高，精度難以達(dá)到工業(yè)上要求的缺點(diǎn)，使得該技術(shù)有一定的局限性。若能克服以上的缺點(diǎn)，快速成型技術(shù)將會有很好的發(fā)展前景。

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