快速成型制造技術(shù)（Rapid Prototyping Manufac?ture，RPM）是一種先進(jìn)的制造技術(shù)，它是特種加工技術(shù)的一種，對(duì)現(xiàn)代制造業(yè)產(chǎn)生了重大影響。
概念
特種加工技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，是衡量一個(gè)國(guó)家制造技術(shù)水平和能力的重要標(biāo)志，在我國(guó)的許多關(guān)鍵制造業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用。采用特種加工技術(shù)可以加工特殊材料，且加工中無(wú)切削力，能夠進(jìn)行微細(xì)加工及復(fù)雜的空間曲面成形，所以能夠解決航空航天、軍工、汽車、模具、冶金、機(jī)械等工業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)難題，從而逐步形成新興的特種加工行業(yè)。
快速成型制造技術(shù)(Rapid Prototyping Manufac?turing，RPM)，就是根據(jù)零件的三維模型數(shù)據(jù)，迅速而精確地制造出該零件。它是在20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來(lái)的，被認(rèn)為是最近20年來(lái)制造領(lǐng)域的一次重大突破，是目前先進(jìn)制造領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。快速成型制造技術(shù)是集CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)專業(yè)、激光加工、新材料科學(xué)、機(jī)械電子工程等多學(xué)科、多技術(shù)為一體的新技術(shù)。傳統(tǒng)的零件制造過(guò)程往往需要車、鉗、銑、磨等多種機(jī)加工設(shè)備和各種夾具、刀具、模具，制造成本高，周期長(zhǎng)，對(duì)于一個(gè)比較復(fù)雜的零件，其加工周期甚至以月計(jì)，很難適應(yīng)低成本、高效率的加工要求。快速成型制造技術(shù)能夠適應(yīng)這種要求，是現(xiàn)代制造技術(shù)的一次重大變革。
工藝方法
隨著CAD建模和光、機(jī)、電一體化技術(shù)的發(fā)展，快速成型技術(shù)的工藝方法發(fā)展很快。目前已有光固法(SLA)、層疊法(LOM)、激光選區(qū)燒結(jié)法(十二烷基磺酸鈉)、熔融沉積法(FDM)、掩模固化法(SGC)、三維印刷法(TDP)、噴粒法(BPM)等10余種。
1. 光固化立體造型(Stereolithography，SLA)
該技術(shù)以光敏樹(shù)脂為原料，將計(jì)算機(jī)控制下的紫外激光，以預(yù)定零件各分層截面的輪廓為軌跡，對(duì)液態(tài)樹(shù)脂逐點(diǎn)掃描，由點(diǎn)到線到面，使被掃描區(qū)的樹(shù)脂薄層產(chǎn)生聚合反應(yīng)，從而形成零件的一個(gè)薄層截面。當(dāng)一層固化完畢，升降工作臺(tái)移動(dòng)一個(gè)層片厚度的距離，在原先固化好的沒(méi)藥樹(shù)表面再覆蓋一層新的液態(tài)脂以便進(jìn)行新一層掃描固化。新固化的一層牢固地粘合在前一層上，如此重復(fù)直到整個(gè)零件原型制造完畢，其工作原理如圖1所示。SLA法是第一個(gè)投入商業(yè)應(yīng)用的RPM技術(shù)，其方法特點(diǎn)是精度高、表面質(zhì)量好、原材料利用率將近100%，可以制造形狀特別復(fù)雜、外觀特別精細(xì)的零件。
2. 層片疊加制造(Laminated Object Manufacturing，LOM)
層片疊加制造工藝是將單面涂有熱溶膠的箔材(涂覆紙涂有粘接劑覆層的紙、涂覆陶瓷箔、金屬箔等)通過(guò)熱輥加熱粘接在一起，位于上方的激光器按照CAD分層模型所獲數(shù)據(jù)，用激光束將箔材切割成所制零件的內(nèi)外輪廓，然后新的1層箔材再疊加在上面，通過(guò)熱壓裝置和下面已切割層粘合在一起，激光束再次切割，這樣反復(fù)逐層切割一粘合一切割，直至整個(gè)零件模型制作完成。
3. 選擇性激光燒結(jié)(Selected Laser Sintering，SLS)
以激光器為能量源，通過(guò)紅外激光束使塑料、蠟、陶瓷和金屬(或配位化合物)的粉末材料均勻地?zé)Y(jié)在加工平面上。激光束在計(jì)算機(jī)的控制下，通過(guò)掃描器以一定的速度和能量密度按分層面的二維數(shù)據(jù)掃描。激光束掃描之處，粉末燒結(jié)成一定厚度的實(shí)體片層，未掃描的地方仍然保持松散的粉末狀。根據(jù)物體截層厚度而升降工作臺(tái)，鋪粉滾筒再次將粉末鋪平后，開(kāi)始新一層的掃描。如此反復(fù)，直至掃描完所有層面。去掉多余粉末，經(jīng)打磨、烘干等處理后獲得零件。
4. 熔融沉積造型(Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM)
將CAD模型分為一層層極薄的截面，生成控制FDM噴嘴移動(dòng)軌跡的二維幾何信息。FDM加熱頭把熱熔性材料(ABS、尼龍、蠟等材料)加熱到臨界半流動(dòng)狀態(tài)，在計(jì)算機(jī)控制下，噴嘴頭沿CAD確定的二維幾何信息運(yùn)動(dòng)軌跡擠出半流動(dòng)的材料，沉積固化成精確的零件薄層，通過(guò)垂直升降系統(tǒng)降下新形成層，進(jìn)行固化。這樣層層堆積粘結(jié)，自下而上形成一個(gè)零件的三維實(shí)體。
上述4種RPM方法，都有一個(gè)共同幾何物理基礎(chǔ)：分層制造原理。從幾何上講，將任意復(fù)雜的三維實(shí)體沿某一確定方向用平行的截面去依次截取厚度為δ的制造單元，可獲得若干個(gè)層面，將這些厚度為δ的單元疊加起來(lái)又可形成原來(lái)的三維實(shí)體，這樣就將三維問(wèn)題轉(zhuǎn)化為二維問(wèn)題，既降低了處理的難度，又不受零件復(fù)雜程度的限制。RPM的總體目標(biāo)是在CAD技術(shù)的支持下，快速完成復(fù)雜形狀零件的制造，其主要技術(shù)特征是：直接用CAD軟件驅(qū)動(dòng)，無(wú)需針對(duì)不同零件準(zhǔn)備工裝夾具；零件制造全過(guò)程快速完成；不受復(fù)雜三維形狀所限制的工藝方法的影響。
基本環(huán)節(jié)
1. 三維CAD造型
利用各種三維CAD軟件進(jìn)行幾何造型，得到零件的三維CAD數(shù)學(xué)模型，是快速成型技術(shù)的重要組成部分，也是制造過(guò)程的第一步。三維造型方式主要有實(shí)體造型和表面造型，目前許多CAD軟件在系統(tǒng)中加入一些專用模塊，將三維造型結(jié)果進(jìn)行離散化，生成面片模型文件或?qū)悠Ｐ臀募?/p>
2. 反求工程
物理形態(tài)的零件是快速成型技術(shù)體系中零件幾何信息的另一個(gè)重要來(lái)源。幾何實(shí)體同樣包含了零件的幾何信息，但這些信息必須通過(guò)反求工程進(jìn)行數(shù)字化，方可進(jìn)行下一步的處理。逆向工程軟件要對(duì)零件表面進(jìn)行數(shù)字化處理，提取零件的表面三維數(shù)據(jù)。主要的技術(shù)手段有三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、三維激光數(shù)字化儀、工業(yè)CT和自動(dòng)斷層掃描儀等。通過(guò)三維數(shù)字化設(shè)備得到的數(shù)據(jù)往往是一些散亂的無(wú)序點(diǎn)或線的集合，還必須對(duì)其三維重構(gòu)得到三維CAD模型，或者層片模型等。
3. 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換
三維CAD造型或反求工程得到的數(shù)據(jù)必須進(jìn)行大量處理，才能用于控制RPM成型設(shè)備制造零件。數(shù)據(jù)處理的主要過(guò)程包括表面離散化，生成STL文件或CFL文件，分層處理生成SLC，CLI，HPGL等層片文件，根據(jù)工藝要求進(jìn)行填充處理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)和修正并轉(zhuǎn)換為數(shù)控代碼。
4. 原型制造
原型制造即利用快速成型設(shè)備將原材料堆積成為三維物理實(shí)體。材料、設(shè)備、工藝是快速原型制造中密切相關(guān)的3個(gè)基本方面。成型材料是快速成型技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。它影響零件的成型速度、精度和性能，直接影響到零件的應(yīng)用范圍和成型工藝設(shè)備的選擇。
5. 物性轉(zhuǎn)換
通過(guò)快速成型系統(tǒng)制造的零件，其力學(xué)、物理性能往往不能直接滿足要求，仍然需要進(jìn)一步的處理，即對(duì)其物理性質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。該環(huán)節(jié)是RPM實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，包括精密鑄造、金屬噴涂制模、硅膠模鑄造、快速EDM電極、陶瓷型精密鑄造等多項(xiàng)配套制造技術(shù)，這些技術(shù)與RPM技術(shù)相結(jié)合，形成快速鑄造、快速模具制造等新技術(shù)。
應(yīng)用
RPM技術(shù)即可用于產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、功能測(cè)試等方面，又可直接用于工件設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)和制造等領(lǐng)域，RPM技術(shù)在汽車、電子、家電、醫(yī)療、航空航天、工藝品制作以及玩具等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。
1. 產(chǎn)品設(shè)計(jì)評(píng)估與功能測(cè)驗(yàn)
為提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短試制周期，RPM系統(tǒng)可在幾小時(shí)或幾天內(nèi)將圖紙或CAD模型轉(zhuǎn)變成看得見(jiàn)、摸得著的實(shí)體模型。根據(jù)設(shè)計(jì)原型進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)估和功能驗(yàn)證，迅速地取得用戶對(duì)設(shè)計(jì)的反饋信息。同時(shí)也有利于產(chǎn)品制造者加深對(duì)產(chǎn)品的理解，合理地確定生產(chǎn)方式、工藝流程和費(fèi)用。與傳統(tǒng)模型制造相比，快速成型方法不僅速度快、精度高，而且能夠隨時(shí)通過(guò)CAD進(jìn)行修改與再驗(yàn)證，使設(shè)計(jì)更完善。
2. 快速模具制造
以RPM生成的實(shí)體模型作為模芯或模套，結(jié)合精鑄、粉末燒結(jié)或電極研磨等技術(shù)可以快速制造出產(chǎn)品所需要的功能模具，其制造周期一般為傳統(tǒng)的數(shù)控切削方法的1/5～1/10。模具的幾何復(fù)雜程度越高，這種效益愈顯著。
3. 醫(yī)學(xué)上的仿生制造
醫(yī)學(xué)上的CT技術(shù)與RPM技術(shù)結(jié)合可復(fù)制人體骨骼結(jié)構(gòu)或器官形狀，整容、重大手術(shù)方案預(yù)演，以及進(jìn)行假肢設(shè)計(jì)和制造。
4. 藝術(shù)品的制造
藝術(shù)品和建筑裝飾品是根據(jù)設(shè)計(jì)者的靈感，構(gòu)思設(shè)計(jì)出來(lái)的，采用RPM可使藝術(shù)家的創(chuàng)作、制造一體化，為藝術(shù)家提供最佳的設(shè)計(jì)環(huán)境和成型條件。
參考資料 >
一分鐘帶你了解快速成型技術(shù).百家號(hào).2024-11-01