RP技術(shù)的發(fā)展及其研究

張慧梅

摘 要：文章主要針對(duì)快速成型進(jìn)行了分析，詳細(xì)介紹了其發(fā)展?fàn)顟B(tài)以及作用原理和特點(diǎn)，并對(duì)當(dāng)前已經(jīng)投入使用的幾種技術(shù)進(jìn)行了論述，對(duì)該項(xiàng)技術(shù)需要進(jìn)行開發(fā)、研究的內(nèi)容展開了探討。

關(guān)鍵詞：成型工藝；快速成型；制造技術(shù)

RP技術(shù)即快速成型技術(shù)，該技術(shù)最初起源于上世紀(jì)八十年代，在制造領(lǐng)域中屬于一種全新的技術(shù)。隨著科技的進(jìn)步以及新型材料工藝的出現(xiàn)，RP技術(shù)迅速發(fā)展。區(qū)別于傳統(tǒng)的制造方法，RP技術(shù)是將零件的設(shè)計(jì)制造從傳統(tǒng)工具中解脫出來，向著CAD幾何模型出發(fā)，通過使用計(jì)算機(jī)軟件將模型進(jìn)行分層離散，并利用數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制，采用激光束將材料進(jìn)行堆積，從而形成實(shí)體零件模型的技術(shù)。由于它把復(fù)雜的三維制造轉(zhuǎn)化為一系列二維制造的疊加，因而可以在不用模具和工具的條件下生成幾乎任意復(fù)雜的零部件，極大地提高了生產(chǎn)效率和制造柔性。

1 技術(shù)發(fā)展

在目前的制造行業(yè)中，快速制造技術(shù)一直是技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)，RP技術(shù)作為目前發(fā)展最快的技術(shù)之一，從最初的產(chǎn)生到后期的成熟，雖然發(fā)展速度上降低許多，但是由于新工藝、新裝備的出現(xiàn)，RP技術(shù)發(fā)展仍舊較為活躍。

RP技術(shù)研究在我國的起步最初在上世紀(jì)九十年代，最初我國應(yīng)用的RP技術(shù)主要是引進(jìn)技術(shù)。依照?qǐng)?bào)道，我國目前從國外引入RP設(shè)備以及技術(shù)的企業(yè)已達(dá)到了數(shù)十家，RP技術(shù)以及設(shè)備的應(yīng)用使得企業(yè)的生產(chǎn)力大大提高，因而獲得了巨大的效益。目前我國RP技術(shù)對(duì)于研究也進(jìn)入了穩(wěn)步階段，國產(chǎn)RP設(shè)備也逐步的同國際發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)同類產(chǎn)品水平相當(dāng)，并且成本更低。我國在發(fā)展中，逐步形成了RP材料以及設(shè)備的制造體系。近年來，在國家科學(xué)技術(shù)部的支持下，我國已在深圳、天津、上海、西安、南京、重慶等地建立一批向企業(yè)提供RP技術(shù)的服務(wù)機(jī)構(gòu)，并開始起到了積極的作用，推動(dòng)了該技術(shù)在我國的廣泛應(yīng)用，使我國RP技術(shù)的發(fā)展走上了專業(yè)化、市場化的軌道，為國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。

2 原理分析

離散堆積成型是RP技術(shù)所采用到技術(shù)原理，通過CAD模型快速制造出各類復(fù)雜的三圍圖形，并直接驅(qū)動(dòng)的技術(shù)便是RP。其技術(shù)作用過程中為：在計(jì)算機(jī)中利用三維CAD軟件依照實(shí)際的需要將所需要的零件的三維曲面或者模型制作出來，即制作電子模型。依照工藝具體需求，對(duì)該電子模型依照一定厚度分層，將三維電子模型轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫娴慕孛嫘畔?，通過計(jì)算機(jī)的控制，以平面加工的方式令數(shù)控系統(tǒng)有序的進(jìn)行薄層式加工，并自動(dòng)的將所有的薄層粘結(jié)成型。

對(duì)RP技術(shù)體系進(jìn)行分解，可以將其分解為五個(gè)環(huán)節(jié)，即：三維CAD造型、反求工程、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、原型制造、后處理等，其環(huán)節(jié)和環(huán)節(jié)之間相互聯(lián)系。

3 技術(shù)特點(diǎn)分析

首先，使用RP技術(shù)使得零件的制造周期更短，使用CAD從設(shè)計(jì)到制造零件原型，往往僅僅需要幾個(gè)小時(shí)，復(fù)雜的零件幾十個(gè)小時(shí)便可以制造出來，相比較于傳統(tǒng)的成型法更加高效快速，適用于新產(chǎn)品的研發(fā)。在CAPP法中設(shè)計(jì)制造一體化相對(duì)與落后，并且這一問題難以克服，而RP技術(shù)加工工藝使用了離散堆積，因此CAD、CAM的結(jié)合性良好。其次，在RP技術(shù)中可以依照零件實(shí)際需要的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)成型，而不會(huì)受到專用工具的限制，在新產(chǎn)品的研發(fā)中大大縮短了其周期，并且零件形狀無論如何復(fù)雜都不會(huì)受到限制。在設(shè)計(jì)中僅僅需要將CAD模型改變即可，柔性相對(duì)較高，通過參數(shù)的重新設(shè)置調(diào)整，便可以改變零件的形狀。最后，RP技術(shù)所應(yīng)用的領(lǐng)域較為廣泛，能夠適用于各類材料，并且其技術(shù)繼承了計(jì)算機(jī)、激光、數(shù)據(jù)、機(jī)械、材料等，在多種技術(shù)的集成下，誕生了高效快速的RP技術(shù)，因此其技術(shù)還富有鮮明的時(shí)代特征。

4 不同的RP工藝比較

光機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展以及CAD建模技術(shù)的進(jìn)步，使得RP技術(shù)的發(fā)展有了更加廣闊的發(fā)展空間。依照所需要的材料不同可以將RP技術(shù)分為不同種形態(tài)，其中已經(jīng)在應(yīng)用的RP技術(shù)有十多種，但是發(fā)展相對(duì)較為成熟的只有四種，即：SLA、LOM、SLS和FDM。

（1）光固化立體造型（SLA），SLA使用的是可光固化的液體材料，當(dāng)掃描器在計(jì)算機(jī)的控制下將激光器的能量按分層信息傳遞給成型液面后，掃描區(qū)就發(fā)生聚合反應(yīng)和固化，完成一層的加工。采用這種方法成型的零件有較高的精度且表面光潔，但可用材料的范圍較窄。

（2）分層物件制造（LOM），LOM的層面信息通過每一層的輪廓來表示，激光掃描器的動(dòng)作由這些輪廓信息控制，它采用的材料是具有厚度信息的片材。這種加工方法只需加工輪廓信息，所以可以達(dá)到很高的加工速度，但材料的范圍很窄，每層厚度不可調(diào)整是最大缺點(diǎn)。

（3）選擇性激光燒結(jié)（SLS），SLS使用固體粉末材料，該材料在激光的照射下，能吸收能量，發(fā)生熔融固化，從而完成層信息的成型。這種方法適用的材料范圍廣（適用于聚合物、鑄造用蠟、金屬或陶瓷粉末），特別是在金屬和陶瓷材料的成型方面具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。SLS無材料浪費(fèi)現(xiàn)象，未燒結(jié)的粉末可重復(fù)使用。目前成熟的工藝材料為蠟粉及塑料粉，用金屬粉或陶瓷粉進(jìn)行粘結(jié)或燒結(jié)的工藝還正在實(shí)驗(yàn)階段。

（4）熔融沉積造型（FDM），F(xiàn)DM不是采用激光作能源，而是將電能傳遞給塑料絲，在擠出噴頭前達(dá)到熔融狀態(tài)，噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下將熔融的塑料絲寫到工作臺(tái)上，從而完成整個(gè)零件的加工過程。這種方法的能量傳輸和材料傳輸均不同于前面三種方法，系統(tǒng)成本較低；但由于噴頭的運(yùn)動(dòng)是機(jī)械運(yùn)動(dòng)，速度有一定限制，所以加工時(shí)間較長，且其材料使用范圍不廣。

5 還需研發(fā)的技術(shù)內(nèi)容

快速自動(dòng)成型同其他技術(shù)相互融合、密切配合是現(xiàn)代RP技術(shù)發(fā)展的難點(diǎn)和重點(diǎn)。目前RP技術(shù)正在不斷向著產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。但是就目前的發(fā)展?fàn)顟B(tài)來看，其技術(shù)仍舊存在諸多需要克服的難點(diǎn)。例如，材料在生產(chǎn)過程中存在的殘余應(yīng)力以及所能夠處理的材料種類限制等。RP技術(shù)在生產(chǎn)過程中所需要的設(shè)備以及所使用的材料成本相對(duì)較高，因而只適用于小批量的生產(chǎn)。另外其成型速度以及精度上仍舊需要進(jìn)一步改善，因此可以總結(jié)出，快速成型技術(shù)在未來的發(fā)展中應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步改善以下幾方面內(nèi)容：

首先應(yīng)當(dāng)從可靠性、大件制作能力以及生產(chǎn)率等方面改善技術(shù)系統(tǒng)，尤其從制作精度方面對(duì)快速成型系統(tǒng)予以改善；其次對(duì)該技術(shù)系統(tǒng)的生產(chǎn)成本進(jìn)行降低，使之成為經(jīng)濟(jì)型、高效型的生產(chǎn)系統(tǒng)，并針對(duì)其技術(shù)工藝以及生產(chǎn)方法予以改進(jìn)；另外，在快速模具的生產(chǎn)應(yīng)用上海需要做進(jìn)一步研究，同時(shí)對(duì)快速成型材料進(jìn)行開發(fā)，提高材料性能，并開發(fā)高性能軟件；最后則是將快速成型技術(shù)同其他技術(shù)相互結(jié)合，提高自動(dòng)測量精度，并將逆向工程同自動(dòng)測量進(jìn)行集成。

6 結(jié)束語

在制造領(lǐng)域中，RP技術(shù)的出現(xiàn)實(shí)一場技術(shù)革命，快速成型技術(shù)進(jìn)步的基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)、激光、新材料技術(shù)的進(jìn)步，同時(shí)也離不開其他先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。RP技術(shù)在新技術(shù)的推動(dòng)下還在進(jìn)一步的發(fā)展，因而在未來的應(yīng)用中其具有更加寬廣的空間。尤其是快速成型系統(tǒng)的可靠性、精度以及材料、軟件的應(yīng)用上，將會(huì)快速更新。

在我國很多研究機(jī)構(gòu)中，有關(guān)RP技術(shù)的研究相對(duì)較為廣泛，但是該種技術(shù)的普及應(yīng)用率還相對(duì)較低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到科技進(jìn)步以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。但是由其發(fā)展?fàn)顟B(tài)推斷，通過科技人員的努力，我國RP技術(shù)必然會(huì)飛速發(fā)展，且其應(yīng)用也將更加的廣泛。因而RP技術(shù)在目前的制造領(lǐng)域具有極其重要的地位。

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