快速成型技术及在我国的发展

罗庚 （贵阳生产力促进中心快速成型服务中心）
摘要：快速成型技术兴起于20世纪80年代，是现代工业发展不可或缺的一个重要环节。本文介绍了快速成型技术的产生、技术原理、工艺特点、设备特点等方面，同时简述快速成型技术在国内的发展历程。
关键词：快速成型 烧结 固化 叠加 发展 服务
        0 引言
        在现代市场经济全球一体化背景下的今天，企业要在竞争日益激烈的市场经济中掌握先机，占据有利地位，需要有技术和产品上的创新，把握并引导市场的发展方向。与此同时，对于市场的需求，企业需要做出快速的响应，切合当前需求，而现有的常规技术手段已经不能对市场的需求做出最快的反应。与此同时快速制造技术的快速发展，体现了现代先进制造技术对全球制造业的支撑，通过应用快速成型技术企业能迅速响应市场需求，最快速度的抢占新兴市场。企业需要通过采用快速成型技术来降低开发、生产成本、缩短研发周期、提高市场快速响应能力，保持强大的市场竞争力。
        1 快速成形技术的产生
        快速原型（Rapid Prototyping，RP）技术，又称快速成形技术，是当今世界上飞速发展的制造技术之一。快速成形技术最早产生于二十世纪70年代末到80年代初，美国3M公司的阿伦赫伯特于1978年、日本的小玉秀男于1980年、美国UVP公司的查尔斯胡尔1982年和日本的丸谷洋二1983年，在不同的地点各自独立地提出了RP的概念，即用分层制造产生三维实体的思想。查尔斯胡尔在UVP的继续支持下，完成了一个能自动建造零件的称之为Stereolithography Apparatus (SLA)的完整系统SLA-1，1986年该系统获得专利，这是RP发展的一个里程碑。同年，查尔斯胡尔和UVP的股东们一起建立了3D System公司。与此同时，其它的成形原理及相应的成形系统也相继开发成功。1984年米歇尔法伊杰提出了薄材叠层（Laminated Object Manufacturing，以下简称LOM）的方法，并于1985年组建Helisys公司，1992年推出第一台商业成形系统LOM-1015。1986年，美国Texas大学的研究生戴考德提出了选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，简称SLS)的思想，稍后组建了DTM公司，于1992年开发了基于SLS的商业成形系统Sinterstation。斯科特科瑞普在1988年提出了熔融成形(Fused Deposition Modeling，简称FDM)的思想，1992年开发了第一台商业机型3D-Modeler。
        自从80年代中期SLA光成形技术发展以来到90年代后期，出现了几十种不同的RP技术，但是SLA、SLS和FDM几种技术，目前仍然是RP技术的主流，最近几年LJP（立体喷墨打印）技术发展迅速，以色列、美国、日本等国的RP设备公司都力推此类技术设备。
        2 快速成型技术特点
        RP技术与传统制造方法（即机械加工）有着本质的区别，它采用逐渐增加材料的方法（如凝固、焊接、胶结、烧结、聚合等）来形成所需的部件外型，由于RP技术在制造产品的过程中不会产生废弃物造成环境的污染，（传统机械加工的冷却液等是污染环境的），因此在当代讲究生态环境的今天，这也是一项绿色制造技术。
        RP技术集成了CAD、CAM、激光技术、数控技术、化工、材料工程等多项技术，解决了传统加工制造中的许多难题。
        RP技术的基本工作原理是离散与堆积，在使用该技术时，首先设计者借助三维CAD或者通过逆向工程所采集的几何数据，建立数字化模型，这是完成快速成型制造的一项基本条件，借助现有的主流三维设计软件建立三维模型，再经过三维CAD导出相应的文件格式输入快速成型机当中，通过逐点、逐面进行三维的立体堆积，部件完成后，再经过必要的后续处理，使完成的部件在性能、形状尺寸、外观上等方面达到设计要求。
        RP技术的特点
        从原理上说，应用RP技术来进行产品制造，可以忽略产品部件的外形复杂程度(这也是与传统机械加工方式制造产品的最大区别之一)，原材料的利用率接近100%，制造精度最高可达0.01mm。
        RP技术的主要特点有：
        2.1 制造快速
        RP技术是并行工程中进行复杂原型或者零件制造的有效手段，能使产品设计和模具生产同步进行，从而提高企业研发效率，缩短产品设计周期，极大的降低了新品开发的成本及风险，对于外形尺寸较小，异形的产品尤其适用。
        2.2 CAD/CAM技术的集成
        设计制造一体化一直来说是现在的一个难点，计算机辅助工艺（CAPP）在现阶段由于还无法与CAD、CAM完全的无缝对接，这也是制约制造业信息化一直以来的难点之一，而快速成型技术集成CAD、CAM、激光技术、数控技术、化工、材料工程等多项技术，使得设计制造一体化的概念完美实现。
        2.3 完全再现三维数据
        经过快速成型制造完成的零部件，完全真实的再现三维造型，无论外表面的异形曲面还是内腔的异形孔，都可以真实准确的完成造型，基本上不再需要再借助外部设备进行修复。
        2.4 成型材料种类繁多
        到目前为止，各类RP设备上所使用的材料种类有很多，树脂、尼龙、塑料、石蜡、纸以及金属或陶瓷的粉末，基本上满足了绝大多数产品对材料的机械性能需求。
        2.5 创造显著的经济效益
        与传统机械加工方式比较，开发成本上节约10倍以上，同样，快速成型技术缩短了企业的产品开发周期，使的在新品开发过程中出现反复修改设计方案的问题大大减少，也基本上消除了修改模具的问题，创造的经济效益是显而易见的。
        2.6 应用行业领域广
        RP技术经过这些年的发展，技术上已基本上形成了一套体系，同样，可应用的行业也逐渐扩大，从产品设计到模具设计与制造，材料工程、医学研究、文化艺术、建筑工程等等都逐渐的使用RP技术，使得RP技术有着广阔的前景。
        3 现阶段主流的RP工艺方法介绍
        3.1 SLA（立体光造型技术）
        立体光造型技术是典型的逐层制造法，采用光敏树脂（聚丙烯酸脂）为原料，紫外激光在工控机的控制下根据零件的分层截面信息，在光敏树脂等相应材料的液面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂经过光聚合反应而固化，形成零件的一个分层截面，一层固化好后工作平台下降一个分层厚的距离，以便在先前固化好的零件分层截面是重新涂抹一层新的液态树脂，然后工控机控制激光再扫描下一分层截面，层与层之间也因此而紧密连接在一起没有缝隙。如此反复直至整个零件成型。
        国外的SLA技术以美国的3D SYSTEM公司为代表，设备技术都较为成熟，同时日本德国以色列都也有各自具有特色比较成熟的SLA快速成型技术。国内是以西安交大的设备较为成熟，现已开发出一整套SLA快速成型机，成型速度、零件精度都已接近国外先进技术。
        总体来说SLA技术的优势是成型零件精度高，表面质量好，原材料利用率高，而且可以制作形状复杂的零件。但SLA技术也有一定的局限性就是不能选用多种材料，只能固定用光敏感材料。
        3.2 SLS（选择激光烧结技术）
        SLS与SLA有相似之处，都是在激光的选择下对材料进行烧结，区别在于SLS的材料不是液态的光聚合物，而是粉末材料，金属、尼龙、塑料、陶瓷等粉末材料均可，这样就使得SLS的适用范围更广，航空、航天、汽车、家电等行业中去，因此在这里的行业
        在工艺上，SLS控制激光，选择性的烧结粉末，使粉末烧结固化形成一个层面，经过电机的驱动，使粉末固化层下降一个层厚的高度，重新涂铺一层粉末再进行激光扫描重复之前的步骤，直到完成整个三维数模的实体造型。
        目前世界范围内进行SLS技术研究的主要是美国的DTM公司，德国队EOS公司以及中国北京隆源公司。其中DTM公司的SLS设备在市场使用率上占据领先地位，而EOS公司在金属粉末烧结方面有着自己的特点。
        3.3 FDM(熔融沉积成型技术)
        FDM与之前的SLA、SLS有一些区别，它采用热熔喷头，使熔融的材料，比如尼龙、塑料等，根据CAD数据信息的将材料挤压在制定位置凝固成型，逐层堆积，最后形成完整的零件。现在世界上FDM技术较为领先的是美国的Stratasys公司和Dimension公司，占据了市场大多数的份额。
        3.4 LJP（立体喷墨打印技术）
        LJP技术在早些年就已经产生，在美国麻省理工学院开发成功，但并没有完全推向市场，大多应用于内部研究，而近来立体打印技术经过技术改进，逐步在市场上占据一定的地位。从技术特点以及工艺上来看，LJP与FDM有相似之处，都采用的是将材料加热到熔融状态，再将材料喷出，堆积形成实体三维模型，但LJP的成型速度更快，表明质量更高，而且吸取了FDM可以随意更换制造原料的特性，一种材料装在一个墨盒里，每次制作前根据需要选择原料，方便快捷，同时又排除了FDM的缺点，比如成型速度慢，表面光洁度较低，模型精度不理想等，LJP制作出样品的外观质量基本上可以与SLA相媲美，因此近几年采用LJP工艺的快速成型设备逐渐占据了主流市场。
        还有一种是LOM（纸张叠层造型技术）由于制作出的三维模型精度低，表明光洁度差，经常无法准确再现三维数字模型，现在已经逐渐走向没落。
        4 我国RP技术的发展及应用
        快速原型是世界制造业的一次重大创新，是先进制造技术群中的重要组成部分。它集中了计算机辅助设计和制造技术、激光技术和材料科学技术，在没有传统模具和夹具的情况下，快速制造出任意复杂形状而又具有一定功能的三维实体模型或零件。快速原型与制造技术的推广应用将明显缩短新产品的上市时间，节约新产品开发和模具制造、修复的费用。美国、日本及欧洲发达国家已将快速成形技术应用于航空、航天、汽车、通讯、医疗、电子、家电、玩具、军事装备、工业造型（雕刻）、建筑模型、机械行业等领域。
        而我国RP研究工作起步于90年代初。刚开始时技术引进较多，1994年以来，我国已有20余家企业或机构从国外引进RP机器，加快了企业的新产品开发、取得了巨大的经济效益。但由于引进价格昂贵，如美国3Dsystem公司生产的SLA250系统售价20万美元，SLA500价格高达40万美元，加之材料也依靠进口，使生产成本过高，往往是国内大多制造型企业无法承受的。
        为了解决中国制造业对RP的迫切需求，1991年以来，在中国政府资助和支持下，一些高等院校和研究机构积极开展RP研究，并取得较大的进展。
        我国最早在快速成型技术方面开展研究的科研机构主要有清华大学、西安交通大学、华中理工大学。这些科研机构早期在开发系统设备方面各有侧重。1992年，清华大学引进了当时先进的SLA-250光固化成形设备，成立了激光快速成形中心，开展快速成形技术的研究。研制出世界上最大的LOM双扫描成形机，已提供给国内的汽车制造企业，研制成功的多功能快速造型系统MRPMS已打入国际市场，自主开发的大型挤压喷射成形RP设备SSM1600SSM成形尺寸已达1600×800×750mm3，也居世界之首。
        西安交通大学多年来一直致力于SLA的成型材料和设备的国产化，在卢秉恒院士的带领下，西交大自主研发出一套国内领先水平的快速成型系统，同时在成型材料等方面同样取得了重大突破，并已形成产业化生产，因此获1998年度国家科技进步一等奖、2000年教育部科技进步二等奖。华中理工大学从1991年开始，在政府的支持下开始进行RP技术研究，1994年开发成功LOM样机，到1997年就向市场推出商品化的LOM成型设备。目前，该单位已对LOM设备进行了系列化的开发，同时还成功地推出商品化的SLS设备。华中理工大学还利用复膜技术快速制造铸模，翻制出了铝合金模具和铸铁模块。
        此外，南京航天大学、上海交通大学、华北工学院、浙江大学等知名高校在该领域也做了许多工作。例如在基于快速成形技术的快速制造模具方面，上海交通大学开发了具有我国自主知识产权的铸造模样计算机辅助快速制造系统，为汽车行业制造了多种模具。
        目前，部分国产RP设备已接近或达到美国公司同类产品的水平，价格却便宜得多，自主研发应用于快速成型的材料也逐步趋于完善，材料的价格更加便宜，等待投放市场后可以改善过于依赖进口材料的状况。我国已初步形成了RP设备和材料的制造体系。
        国内的家电行业在快速成形系统的应用上，走在了国内制造型企业前列。如广东美的、科龙、江苏的春兰、小天鹅，青岛的海尔等，都先后采用快速成形系统来开发新产品，收到了很好的效果。近些年随着通讯事业在我国的高速发展，一些国内通讯巨头企业例如华为、中兴等公司也逐渐将快速成型技术引入到产品设计开发环节，使得公司对市场的响应效率、产品的竞争力提升了一个等级。
        在模具制造业，快速成型技术同样起到了重要作用。利用快速成形技术制得的快速原型，结合硅胶模、金属冷喷涂、精密铸造、电铸、离心铸造等方法生产模具；快速成形件也可以直接或间接制得EDM电极，用于电火花加生产模具；快速成形技术制得的快速原型也可以直接作为模具。
        近年来，在国家科学技术部的支持下，我国已经在深圳、天津、上海、西安、南京、重庆等地建立一批向企业提供快速成形技术的服务机构，并开始起到了积极的作用，推动了快速成形技术在我国的广泛应用，使我国RP技术的发展走上了专业化、市场化的轨道，为我国制造型企业的发展起到了支撑作用，提升了企业对市场的快速响应能力，提高了企业的竞争力，同时也为国民经济增长做出了重大贡献。
        快速成形技术是一种具有广泛应用前景的正在不断完善的高新技术。随着市场竞争的日趋激烈，该技术将会被越来越多的企业所采用，对企业的发展，发挥越来越重要的作用，并将给企业带来直接的巨大经济效益。同时，快速成形技术作为一门多学科交叉的专业技术，其本身的发展，也将推动相关技术、产业的发展，因此大力推行发展我国快速成型技术，建立创新技术自我知识产权，对提升我国企业的民族品牌效应，矗立世界企业之林打下坚实的基础，同时对于拉动内需，降低现今全球金融风暴对我国实体经济的影响也会起到一部分积极的作用。
参考文献:
[1]荣烈润.制造技术新的突破——快速成型技术.机电一体化.2004（3）.
[2]王秀峰.快速原型技术.中国轻工业出版社.2001.
[3]孙大涌.先进制造技术.机械工业出版社.2000.