快速成形技术应用现状及发展趋势班级2011级车辆3班学号20111529姓名刘琳娜摘要: 近十几年来，随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈。

尤其是计算机技术的迅速普遍和CAD/CAM技术的广泛应用，使得RP技术得到了异乎寻常的高速发展，表现出很强的生命力和广阔的应用前景。

快速成形技术发展至今，以其技术的高集成性、高柔性、高速性而得到了迅速发展。

目前，快速成形的工艺方法已有几十种之多，其中主要工艺有五种基本类型：光固化成形法（SLA）、分层实体制造法（LOM）、选择性激光烧结法（SLS）、熔融沉积制造法（FDM）和三维打印（3DP）。

关键词: 快速成形技术特点优缺点应用现状发展趋势引言：本文阐述了快速成形技术的基本概念, 总结了快速成形技术的方法、特点和优缺点,快速成形技术在产品开发中的应用现状，最后展望了快速成形技术的未来发展趋势。

一、快速成形技术的原理快速成形技术(Rapid Prototyping；RPM)又称快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)技术，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。

它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。

即，快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成形机，将一层层的材料堆积成实体原型。

二、快速成形技术特点1.快速性通过STL格式文件, 快速成形制造系统几乎可以与所有的CAD造型系统无缝连接, 从CAD模型到完成原型制作通常只需几小时到几十小时,可实现产品开发的快速闭环反馈。

以快速原型为母模的快速模具技术, 能够在几天内制作出所需材料的实际产品, 而通过传统的钢制模具制作,至少需要几个月的时间。

2.高度集成化快速成形技术实现了设计与制造的一体化。

在快速成形工艺中, 计算机中的CAD模型数据通过接口软件转化为可以直接驱动快速成形设备的数控指令, 快速成形设备根据数控指令完成原形或零件的加工。

3.与工件复杂程度无关快速成形技术由于采用分层制造工艺, 将复杂的三维实体离散成一系列层片加工和加工层片之叠加, 大大简化了加工过程。

它可以加工复杂的中空结构且不存在三维加工中刀具干涉的问题,理论上可以制造具有任意复杂形状的原形和零件。

4.高度柔性快速成形系统是真正的数字化制造系统, 仅需改变三维CAD模型, 适当地调整和设置加工参数, 即可完成不同类型的零件的加工制作, 特别适合新产品开发或单件小批量生产。

并且, 快速成形技术在成型过程中无需专用的夹具或工具,成型过程具有极高的柔性, 这是快速成形技术非常重要的一个技术特征。

5.自动化程度高快速成形是一种完全自动的成形过程, 只需要在成形之初由操作者输入一些基本的工艺参数,整个成形过程操作者无需或较少干预。

出现故障, 设备会自动停止, 发出警示并保留当前数据。

完成成形过程时, 机器会自动停止并显示相关结果。

三、快速成形的工艺方法1.光固化成形SLA(Stereo lithography Apparatus)工艺也称光造型、立体光刻及立体印刷，其工艺过程是以液态光敏树脂为材料充满液槽，由计算机控制激光束跟踪层状截面轨迹，并照射到液槽中的液体树脂，而使这一层树脂固化，之后升降台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，然后再进行新一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到1个三维实体模型。

该工艺的优点是原型件精度高，零件强度和硬度好，可制出形状特别复杂的空心零件，生产的模型柔性化好，可随意拆装，是间接制模的理想方法。

缺点是需要支撑，树脂收缩会导致精度下降，另外光固化树脂有一定的毒性而不符合绿色制造发展趋势等。

2.分层实体制造LOM(Laminated Object Manufacturing)工艺或称为叠层实体制造，其工艺原理是根据零件分层几何信息切割箔材和纸等，将所获得的层片粘接成三维实体。

其工艺过程是：首先铺上一层箔材，然后用CO2，激光在计算机控制下切出本层轮廓，非零件部分全部切碎以便于去除。

当本层完成后，再铺上一层箔材，用滚子碾压并加热，以固化黏结剂，使新铺上的一层牢固地粘接在已成形体上，再切割该层的轮廓，如此反复直到加工完毕，最后去除切碎部分以得到完整的零件。

该工艺的优点是工作可靠，模型支撑性好，成本低，效率高。

缺点是前、后处理费时费力，且不能制造中空结构件。

3.选择性激光烧结SLS(Selective Laser Sintering)工艺，常采用的材料有金属、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作为成形材料。

其工艺过程是：先在工作台上铺上一层粉末，在计算机控制下用激光束有选择地进行烧结(零件的空心部分不烧结，仍为粉末材料)，被烧结部分便固化在一起构成零件的实心部分。

一层完成后再进行下一层，新一层与其上一层被牢牢地烧结在一起。

全部烧结完成后，去除多余的粉末，便得到烧结成的零件。

该工艺的优点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、金属、蜡等材料的零件。

造型精度高，原型强度高，所以可用样件进行功能试验或装配模拟。

缺点是原型结构疏松，多孔，且有内应力，制件易变形；需要预热与冷却；成型表面粗糙多孔，并受粉末颗粒大小及激光光斑的限制；成型过程产生有毒气体和粉尘，污染环境。

4.熔融沉积成形FDM(Fused Deposition Manufacturing)工艺又称为熔丝沉积制造，其工艺过程是以热塑性成形材料丝为材料，材料丝通过加热器的挤压头熔化成液体，由计算机控制挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，使熔化的热塑材料丝通过喷嘴挤出，覆盖于已建造的零件之上，并在极短的时间内迅速凝固，形成一层材料。

之后，挤压头沿轴向向上运动一微小距离进行下一层材料的建造。

这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。

该工艺的特点是使用、维护简单，成本较低，速度快，一般复杂程度原型仅需要几个小时即可成形，且无污染。

5．三维打印3DP（也称三维印刷或喷涂粘结），是一种高速多彩的快速成形方法。

3DP的工艺过程是：1）采集粉末原料；2）将粉末铺平到打印区域；3）打印机喷头在模型横截面定位，喷黏结剂；4）送粉活塞上升一层，实体模型下降一层以继续打印；5）重复上述过程直至模型打印完毕。

3DP快速成形技术的优点是成形速度快，成形材料价格低，适合做桌面型的快速成型设备；在粘结剂中添加颜色，可以制作彩色原型，这是该工艺最具竞争力的特点之一；成形过程不需要支撑，多余粉末的去除比较方便，特别适合于做内腔复杂的原型。

缺点是此工艺的原型强度较低，只能做概念型模型，而不能做功能性试验。

除了上述5种最为熟悉的技术外，还有许多技术也已经实用化，如光屏蔽工艺、直接壳法、直接烧结技术、全息干涉制造等。

四、快速成形技术的应用和发展现状快速成形技术的核心竞争力是其制造成本低和市场响应速度快, 而生产厂家于利润和速度的考虑而逐步采用快速成形技术, 从而促使快速成形技术得以迅速发展和推广应用, 尤其在工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到了广泛应用。

并且随着这一技术本身的发展，其应用领域将不断拓展。

快速成形技术的实际应用主要集中在以下几个方面：1.在新产品造型设计过程中的应用快速成形技术为工业产品的设计开发人员建立了一种崭新的产品开发模式。

运用RPM技术能够快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的实物模型(样件)，这不仅缩短了开发周期，而且降低了开发费用，也使企业在激烈的市场竞争中占有先机。

2.在机械制造领域的应用由于RPM技术自身的特点，使得其在机械制造领域内，获得广泛的应用，多用于制造单件、小批量金属零件的制造。

有些特殊复杂制件，由于只需单件生产，或少于50件的小批量，一般均可用RPM技术直接进行成形，成本低，周期短。

3.快速模具制造传统的模具生产时间长，成本高。

将快速成形技术与传统的模具制造技术相结合，可以大大缩短模具制造的开发周期，提高生产率，是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径。

快速成形技术在模具制造方面的应用可分为直接制模和间接制模两种，直接制模是指采用RPM技术直接堆积制造出模具，间接制模是先制出快速成型零件，再由零件复制得到所需要的模具。

4.在医学领域的应用近几年来，人们对RPM技术在医学领域的应用研究较多。

以医学影像数据为基础，利用RPM技术制作人体器官模型，对外科手术有极大的应用价值。

5.在文化艺术领域的应用在文化艺术领域，快速成形制造技术多用于艺术创作、文物复制、数字雕塑等。

6.在航空航天技术领域的应用在航空航天领域中，空气动力学地面模拟实验(即风洞实验)是设计性能先进的天地往返系统(即航天飞机)所必不可少的重要环节。

该实验中所用的模型形状复杂、精度要求高、又具有流线型特性，采用RPM技术，根据CAD模型，由RPM设备自动完成实体模型，能够很好的保证模型质量。

7.在家电行业的应用目前，快速成形系统在国内的家电行业上得到了很大程度的普及与应用，使许多家电企业走在了国内前列。

如：广东的美的、华宝、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。

快速成形技术的应用很广泛，可以相信，随着快速成形制造技术的不断成熟和完善，它将会在越来越多的领域得到推广和应用。

快速成形技术发展现状方面：比较典型的快速成形工艺有分层实体制造、选区激光烧结、熔丝沉积制造、三维印刷, 每种技术各有优缺点, 其中选区激光烧结的材料适用范围最广, 是实现金属零件直接快速成形的较好方法。

目前实现金属零件快速成形的工艺方法有两大类: 间接法和直接法。

间接法成形精度较高, 但是成形工艺复杂, 而直接法成形工艺简单, 成形精度稍差。

间接法比较成熟, 主要有硅橡胶法, 选区激光烧结+ 精密铸造法, 选区激光烧结+ 铜反渗法和选区激光烧结+ HIP法。

直接法目前只有德国EO S 公司刚开发成功的DMLS (Direct Metal Laser Sintering)法, 利用200W 的CO2激光直接烧结金属粉末成型, 成形精度可达±0. 2mm , 制作的注塑件金属模具寿命可达数十万件, 但成型尺寸较小, 否则变形较大。

从长远来看, 直接法将是金属零件快速成形技术的发展方向是快速成形技术的发展趋势。

金属零件、功能梯度零件的直接快速成型制造技术目前的快速成形技术主要用于制作非金属样件, 由于其强度等机械性能较差, 远远不能满足工程实际需求, 所以其工程化实际应用受到较大限制。