快速原型技术——快速制造发展的应用和优势作者：S.O.ONUH、Y.Y.YUSUF利物浦大学工程院制造工程和工业管理专业，信箱：大不列颠联合王国利物浦147号，邮编：L693BX近年来，快速原型技术（RPT）被用于许多工业领域，尤其是新产品的开发方面。
现有的工艺能直接利用CAD的三维数据使一些材料（比如光固化树脂、粉纸）快速成型为实体零件。
本文目的是对这项技术的发展趋势、应用范围和它的对于制造业的贡献进行概述。
关键词：快速原型，产品开发，制造业1、引入在这个即时通讯的时代，企业制造了大量的信息，这些信息通过传真、调制解调器和电子邮件传送到世界的每个角落。
没有人会怀疑世界的相互依赖型已经成为常态，即使许多国家联合成为一个世界级的国家也并非不可想象。
随着电信业的发展，高新技术的竞争成为国家之间的另一个竞争方面。
许多新兴的未完全工业化国家，曾经不被认为是高新技术装备的主要市场，但如今这他们也在积极寻求更好的技术、设备和工艺，以便在国际市场上更加具有竞争力。
这些国家不再想以廉价劳动力和廉价产品而著称。
相反，他们正在奋力前进，向更具竞争力的高新技术跨越，以惊人的速度大步提升自己的设计制造能力。
在最近五年里，几乎没有哪项技术能够像快速原型技术（RPT）那样贡献这么大。
RPT可以把数字化设计转变为机器零件、模型、设计原型和模具的三维实体。
它每次制造实体的一个切片，但他能在一夜之间制造出高质量的模型，这之前需要花费几周或者几个月。
他们有不同的工艺方法，例如Onuh在1996年探讨过的光固化快速成型（SL）、选择性激光烧结（SLS）、叠层实体制造（LOM）、熔融沉积制造（FDM）、直接壳制造（DSP）、三维印刷成型制造和其它许多已经实际应用的或者正在发展阶段的快速原型工艺。
本文旨在对这项相对来说比较新颖的技术，以及其广泛的应用、技术优势和所面临的一些问题进行概述。
本文也着重讨论了该技术在九十年的发展方向和其对制造业的巨大贡献。
2、技术概述所有制造技术被分为材料去除型和材料累积型两类。
现有的制造技术要么是这两种类型中的一种，要么是这两种类型的混合。
快速原型技术特点是一旦加工过程开始，就几乎不需要人工的参与，完全在计算机的控制下完成。
Burns(1993)在他的书中写到RPT是一种自动化制造。
Burns用五个标准来判断一种工艺是否为快速原型工艺。
这五个标准是：（1）利用块状、薄片或者液体之类的原材料来制造有特定形状的实体。
（2）加工过程中必须没有过多人的参与。
（3）必须是制造有一定复杂度的三维实体，这个标准是用来排除了在薄片材料通过冲压、剪切或者钻削来制造简单的孔的加工方法。
（4）不需要为每个不同的零件制造对应的加工工具（专用工具）。
这个标准排除了所有类型的模制、铸造、线切割加工和仿形铣。
（5）制造目标必须是一个整体，不是组件装配而成，这就排除了胶粘、焊接和铆接之类连接方法。
符合这些标准的制造技术就是自动制造技术，一些例子如图.1.所示。
数控技术（CNC），比如数控铣削、数控磨削和数控钻削，在装夹比较复杂的工件时需要人的参与，因而并不严格符合那五个标准。
然而，如果是一个把多种加工能力集成在一起的多用途多轴的能够自动化制造的加工中心，那么就认为它满足了那些标准。
现有的技术其实都不符合那五个标准，因为形成一个特定形状所要的独特机械力必须被用于无形状的材料。
没有与被加工材料一致的预制模型是非常困难自动产生所需的独特机械力。
有人认为（Murphy 1995）基于材料在有形磁场作用下变形的理论的制造技术是可行的（电磁成形制造）。
由于它不是一项现有的技术，它只是作为例子例举在图.1.中。
自适应模制是一种技术拥有自动形成制造潜力的技术，也只是作为例子例举。
自适应模制是通过自动配置成型面来制造实体。
这样的模具由多种高质量的镶嵌棒构成，每一个棒准确定位，以提供所需要的具体轮廓。
激光弯曲是材料去除型和材料累加型混合的一种自动成型制造技术。
激光弯曲（Thomposn 1995）利用激光热量的改变来使材料的冷却速度不同，从而产生作用在薄板材料上的弯曲力。
一般先用激光对薄板进行初步切割（材料去除过程），然后再用激光弯曲成相当复杂的形状（成型过程）。
如果各个面之间缝隙是通过焊接连接在一起的话，那么它可以被认为是三种自动化制造技术的混合（Murphy 1995）。
目前没有制造技术满足自动累积制造的标准，主要是因为没有除了简单地把各组件连接起来之外的累积型的制造技术。
主要的已经商业化运用的RPT工艺在图.1.中用黑体表示。
RPT技术的实质是基于材料累积型的自动化制造，也就意味着它和传统的制造技术相背离。
这种背离显然造成了许多亟待解决的问题。
在某些情况下，这些问题可以通过对原有工艺的新式应用来解决，但是必须找到其它一些全新的解决方案。
3、术语因为快速原型技术还是相对比较新的技术，所以表述它的术语还没被确定。
十九世纪八十年代，快速原型系统第一次公布就引起了很多人的巨大兴趣，之后许多研究团队开始开发研究自己的系统，许多关于这项新技术应用的文章也投机性的发表。
在这一时期，许多引入了很多的术语来描述这项新技术，这些术语主要是关于制造零件技术和RPT系统的潜在应用。
一些术语准确地反映了该技术的本质，然而出现的更多的是对该技术缺乏了解的术语，还有一些已经被取消。
图.2.列出了现在正在使用的一些术语，这些术语无论对于新手还是老手都是很容易混淆的。
4、分层制造技术：工艺过程及原理几乎所有的快速原型过程，无论目前已经商业化或者还在发展中的，都基于分层制造方法，它是通过单独制造所建实体的一横向切片，然后再把这个切片与前一层粘在一起，直到整个实体被制造完成。
对于大部分RPT系统来说其主要的工艺过程阶段都是相同，但是每层的制造方法显然有不同的系统决定。
图.3.中列出了常用的工艺过程阶段。
任何工艺的起点是用数据集描述所制造几何体从而使几何体抽象化。
这些数据必须能被控制生成指令来控制最后阶段的生产过程。
5、分层制造面临的问题不考虑每层的制造技术问题，这种把实体看做一系列横切片累积的制造方法也提出了一些必须解决的问题。
其中一些问题也许是技术性问题或是由于硬件限制引起的，但是除此之外的问题或许归结于最终的加工方法。
这些亟待解决的问题影响了其未来的应用。
这一节将对使用分层技术制造零件过程中必须考虑的问题进行探讨。
5.1.“阶梯”现象切片的过程产生大量的水平方向的切片，每个切片符合CAD模型的精确程度对于整个制造过是十分重要的。
然而，每一层都是连续的分割其厚度方向（Z轴方向），因此工件在竖直方向不能精确的吻合CAD几何模型。
正如图.4.所示那样。
图中是一个由平行于切片轴线（也就是垂直于切片）的圆形切片累积而成的圆柱体。
如果任何一层能够被切片软件精确地分割，那么工件在竖直方向将会符合CAD模型的精度。
然而切片是以水平的方式切过实体，不能依照曲面的形状在厚度方向切割，于是下表面的误差最大。
这种影响已经被命名为“阶梯”现象。
5.2 切片厚度的选择由图.4a显然可知，越小的切片厚度，最终的工件质量就越好（如圆柱体.1—圆柱体.3所示）。
用系统所能产生的最小的厚度去制造看上去是明智的，但是，切片厚度越小，就会产生越多的切片，这将导致更长的数据处理时间、更多的数据文件和更长的制造时间。
为了使制造过程最优，要针对不同的类型的工件采用不同的厚度。
如图.4（b）所示的漏斗，在容易发生“阶梯”现象的倾斜部分采用较小的切片厚度，在垂直部分采用较厚的切片。
Suh（1994）认为自适应切片厚度算法将会促进可变的切片厚度技术分层制造技术中的应用。
5.3 CAD几何的误差上面举的两个例子中，其每一层的上表面是符合CAD几何形状，这也是许多商业化的快速原型系统就是这种情况。
SL原理是激光束被引导照射在液体聚合物的表面，描绘出每一层的形状，每当激光束照射到液体时就会固化一块，固化的深度取决去激光的强度和扫描的速度。
每层的表面必须与CAD几何形状一致，因为这就是实际要扫描在树脂表面的形状，被固化的树脂的厚度是连续的，但小于预设厚度。
图.4c.例举了每层形成CAD几何形状的三种不同方法，每幅图上阴影部分代表与真实几何体的最大误差。
图例（1）中每层的上部符合所要求的轮廓，这种加工是由每层的上部向下累积，图例（2）中与上面相反，是从下面开始。
很明显这些例子的最大误差取决于斜面的斜度。
最好的情况是所有的误差都是偏大的，然后这些多余的材料可以被小心的移除得到满足精度的工件。
然而，需要附加的处理能力去对数据进行必要的修正，以确保只有正偏差又不没超过每层的最大厚度。
图例（3）中就是这种情况，每层中间部分符合CAD几何形状，从而使各个方向的误差更小。
这将依据最大偏差制造出最高精度的工件，但是需要大量额外的处理能力。
5.4. 工件取向在制造过程中，消除分层制造中的“阶梯”现象需要大量的人工操作，而且需要较强的技巧来保证工件的精度。
工件各个表面中只有与切片方向平行的那面不存在“阶梯”现象，因此应把工件的重要表面放置在这个方向，而重要尺寸应与切片轴线平行。
图.4d.中例举了如何提高一个45度斜坡中A面和B面最终的尺寸精度。
但是这将会对工件的其它参数造成不好影响，因此必须找到一个两者的平衡点。
上述分析可认为这种处理方法可以得到比手工处理更高的精度。
但这依赖于模型制作者的技术和机器加工精度。
任何工件制造花费的时间主要取决于分层的数量，因而通过合理的工件放置方向的选择，可以使制造时间最小化。
但是拿不仅仅是选择在Z轴最小的方向放置，因为其它方面的影响也必须要考虑，必须进行一个折中。
.。