快速成型技術(shù)(Rapid Prototyping，RP)是基于離散一堆積成形原理的先進(jìn)制造技術(shù)的總稱。由產(chǎn)品的三維CAD模型數(shù)據(jù)直接驅(qū)動(dòng)，組裝（堆積）材料單元而完成任意復(fù)雜具有使用功能的零件的技術(shù)。對(duì)所成型零件的結(jié)構(gòu)與形狀無限制，可以是具有材料梯度、結(jié)構(gòu)梯度和特殊孔隙的復(fù)雜形狀。直接快速制造可以避免繁復(fù)的工、模具制造；使產(chǎn)品的制造成本有較大的下降：縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。目前，比較常用的其技術(shù)方法有光固化快速成型技術(shù)(Stereo Lithography Apparatus，簡(jiǎn)稱SLA)、分層實(shí)體制造技術(shù)(Laminated Object Manufacturing，簡(jiǎn)稱LOM)、激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)(Selected Laser Sintering，簡(jiǎn)稱SIS)、三維印刷法(Three Dimensional Printing簡(jiǎn)稱TDP)、絲狀材料選擇性熔覆(Fused Deposition Modeling，簡(jiǎn)稱FDM)等多種技術(shù)方法，其中SLA光固化快速成型工藝是目前應(yīng)用范圍最廣闊的一種快速成形方法。

1 SLA光固化快速成型技術(shù)的基本原理以及工藝流程

    該工藝是美國(guó)于1986年研制成功的一種RP工藝，1987年獲美國(guó)專利，是最早出現(xiàn)的、技術(shù)最成熟和應(yīng)用最廣泛的快速原型技術(shù)。它以光敏樹脂為原料，通過計(jì)算機(jī)控制紫外激光器逐層凝固成型。這種方法能簡(jiǎn)捷、全自動(dòng)地制造出表面質(zhì)量和尺寸精度較高、幾何形狀復(fù)雜的原型。

    1.1 光固化快速成型(SLA)的工作原理

    激光束在計(jì)算機(jī)控制下根據(jù)分層數(shù)據(jù)連續(xù)掃描液態(tài)光敏樹脂表面，利用液態(tài)光敏樹脂經(jīng)激光照射凝固的原理，層層固化光敏樹脂，一層固化后，工作臺(tái)下移一精確距離，掃描下一層，并且保證相鄰層可靠粘結(jié)，如此反復(fù)，直到成型出一個(gè)完整的零件。激光光同化成型方法的特點(diǎn)是精密度較高，質(zhì)量穩(wěn)定，對(duì)原材料的利用率高，制造速度快能成型形狀特別復(fù)雜、特別精細(xì)的零件。

    1.2 光固化技術(shù)的工藝過程

    a.制造數(shù)據(jù)的獲取（模型設(shè)計(jì)）：在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)造型軟件中完成原型件的三維立體，并將CAD模型沿某一方向分層切片(Slice)從而得到一組薄片信息，包括每一薄片的輪廓信息和實(shí)體信息，即數(shù)據(jù)模型其轉(zhuǎn)化成STL格式。

    b.層準(zhǔn)備：層準(zhǔn)備過程是指在獲取了制造數(shù)據(jù)以后，在進(jìn)行層層堆積成型時(shí)，掃描前每一待固化層液態(tài)樹脂的準(zhǔn)備。由于這種層堆積成型的工藝特點(diǎn)，必須保證每一薄層的精度，才能保證層層堆積后整個(gè)模型的精度。

    c.層固化：層固化是指在層準(zhǔn)備好了以后，用一定波長(zhǎng)的紫外光束按分層所獲得的層片信息以一定的順序照射樹脂液面使其固化為一個(gè)薄層的過程。

    d.三維實(shí)體建造：層層堆積實(shí)際上是前兩步層準(zhǔn)備與層固化的不斷重復(fù)，是當(dāng)前層與已固化層的前一層牢固粘結(jié)在一起，最終完成整個(gè)工件，得到原型件。

    e.后處理：后處理是指整個(gè)零件成型后對(duì)零件進(jìn)行的輔助處理工藝，包括零件的取出、清洗、去除支撐、磨光、表面噴漆以及后固化再處理過程。

2 快速成型技術(shù)在企業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用

    快速制作樣件、進(jìn)行新產(chǎn)品評(píng)估、鑒定、優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免設(shè)計(jì)中的失誤和缺陷、通過樣件實(shí)際測(cè)試，優(yōu)化零件的設(shè)計(jì)、縮短測(cè)試樣件的制造周期，增加樣件的測(cè)試項(xiàng)目、縮短零件的設(shè)計(jì)周期縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期等。廣泛應(yīng)用在新產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)審定、零件工程測(cè)試、零件整體配合及評(píng)估、產(chǎn)品的功能測(cè)試與結(jié)構(gòu)分析、產(chǎn)品樣品（首板）制作、產(chǎn)品的市場(chǎng)推廣、生產(chǎn)的可行性研究等制造領(lǐng)域，也可以作為硅膠模、金屬噴涂模等快速經(jīng)濟(jì)制模技術(shù)提供母件。

    2.1 快速原型在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用

    a.產(chǎn)品設(shè)計(jì)評(píng)估與審核

    為提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短生產(chǎn)試制周期，快速成型系統(tǒng)可在幾個(gè)小時(shí)或者幾天內(nèi)將設(shè)計(jì)人員的圖紙或者CAD數(shù)模轉(zhuǎn)化成看得見的實(shí)體模型。這樣可以根據(jù)原型進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)定和功能驗(yàn)證，及時(shí)的取得用戶對(duì)設(shè)計(jì)的反饋信息。

    b.產(chǎn)品功能試驗(yàn)

    在快速原型中，用新型光敏樹脂作為原材料制成的產(chǎn)品零件原型具有足夠的強(qiáng)度，可用于傳熱、流體力學(xué)試驗(yàn)、飛機(jī)風(fēng)洞試驗(yàn)等。這樣可以有效的節(jié)省試驗(yàn)成本和縮短試驗(yàn)周期。

    c.與客戶或者訂購(gòu)商的交流手段

    在國(guó)外，RP原型已經(jīng)成為某些制造商爭(zhēng)奪訂單的一種手段，例如我國(guó)沿海企業(yè)，主要生產(chǎn)小家電，每年都會(huì)有很多新的產(chǎn)品，在新品研發(fā)出來不用開模具制造就可以通過RP制作出來產(chǎn)品原型，經(jīng)過簡(jiǎn)單的表面處理，也叫手板，就可以在廣交會(huì)上展示，提前獲得產(chǎn)品訂單，這樣就可以為新品上市爭(zhēng)得寶貴的時(shí)間。

    2.2 快速成型技術(shù)在模具中的應(yīng)用

    快速模具制造技術(shù)是以快速成形技術(shù)(Rapid Prototyping-RP)為核心，由快速成形技術(shù)發(fā)展而來的一類快速制造模具的新方法、新工藝。目標(biāo)是服務(wù)于新產(chǎn)品開發(fā)和試制，以及產(chǎn)品小批量生產(chǎn)。

    基于RP的快速模具制造一般有軟模法和硬模法兩種。

    a.硅橡膠模具是最典型的軟模方法，它利用RP零件作母模，采用硅橡膠澆注，直接制作硅橡膠模具。由于硅橡膠模具有良好的柔性和彈性，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，花紋精細(xì)，無拔模斜度或具有倒拔模斜度以及具有深凹槽的零件來說，制件澆注完成后均可直接取出。硅橡膠快速模具制作周期短，制件質(zhì)量高，可在短時(shí)間內(nèi)獲得多個(gè)零件，以滿足使用要求，其變形小、耐高溫、耐酸性，膨脹系數(shù)小，收縮率低，廣泛應(yīng)用于汽車、家電、輕工、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)機(jī)械及軍工等行業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)和小批量生產(chǎn)，因此硅橡膠模具在軟模法中工藝最成熟，市場(chǎng)份額占有最大。

    b.硬模法中，金屬電弧噴涂快速制模技術(shù)是一種基于“復(fù)制”的制模技術(shù)。它以一個(gè)實(shí)物模型（或稱為原型）作為母模，以電弧為熱源，通過高速氣流將熔融狀態(tài)的金屬材料霧化，并使其噴射、沉積在母模表面上，形成一定厚度的致密金屬涂層，即模具型殼。模具型殼精確拷貝了原型的形狀，獲得了所需的模具型腔，在完成補(bǔ)強(qiáng)、脫模、拋光等后處理工藝后，即可完成模具的快速制造。具體工藝線路見下圖。

    金屬電弧噴涂快速制模技術(shù)工藝流程圖

    “金屬電弧噴涂成型快速制模技術(shù)”在模具成本、壽命、制造周期、精度等方面具有綜合比較優(yōu)勢(shì)，并且模具工作表面具有較好的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，模具表面摩擦學(xué)特性更接近于鋼質(zhì)模具，是一種較為理想的快速制模方法。該技術(shù)可用于制作金屬?zèng)_壓模具、熱壓成型模具以及塑料模具等，相對(duì)于鋼模具的制造，其制作時(shí)間可以縮短一半以上，成本可以減少25%以上。目前在飛機(jī)、汽車、拖拉機(jī)、家電、塑料、制鞋等行業(yè)中成功應(yīng)用，是極具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N模具制造新途徑。西安交通大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)研究所開創(chuàng)性地研制了“大型5軸智能電弧噴涂一電刷鍍制模機(jī)系統(tǒng)”，已成功完成了多套汽車低熔點(diǎn)合金模具的制作。

    2.3 快速成形技術(shù)在鑄造上的應(yīng)用

    快速成形與鑄造相結(jié)合的產(chǎn)物是快速鑄造技術(shù)(Quick Casting，簡(jiǎn)稱QC)，其基本原理是利用快速成型技術(shù)直接或者間接鑄造用消失模、模樣、模板、鑄型、型芯或者型殼等，然后結(jié)合傳統(tǒng)鑄造工藝，快速的制造出金屬零件。這種快速鑄造使得多種材料、任何形狀復(fù)雜、內(nèi)部結(jié)構(gòu)精細(xì)的鑄件都能生產(chǎn)出來，產(chǎn)品開發(fā)周期短、精度高，大大地提高了企業(yè)獲取訂單的競(jìng)爭(zhēng)力，RP為實(shí)現(xiàn)鑄造的短周期、多品種、低成本、高精度提供了一個(gè)快速響應(yīng)技術(shù)，顯示出了強(qiáng)大的生命力和巨大的應(yīng)用潛力。

    a.代替木模進(jìn)行傳統(tǒng)的砂箱鑄造，利用SLA快速成型出來的原型件，進(jìn)過簡(jiǎn)單表面打磨處理，可以直接代替木模進(jìn)行砂箱鑄造，大大縮短了原型的制作時(shí)間．提高了傳統(tǒng)木模鑄造的精度及表面光潔度。

    b.基于SLA原型的消失法鑄造，對(duì)于以下復(fù)雜零件，傳統(tǒng)砂箱鑄造是沒有辦法拔模的，光固化SLA原型由于在高溫下可以直接消失掉，便解決了這一問題。其主要工藝過程如下所示：

    基于SLA原型消失法砂箱鑄造流程圖

    c.代替蠟?zāi)＿M(jìn)行快速熔模鑄造，其工藝過程是利用快速成型技術(shù)制的原型代替熔模鑄造中的蠟?zāi)�，在其上涂掛耐火型殼，高溫焙燒使樹脂原型氣化去除，最后造型澆注，從而�?shí)現(xiàn)縮短生產(chǎn)周期和降低成本的目的。在新產(chǎn)品試制、少量多品種、單件小批量生產(chǎn)、具有自由曲面的中小型鑄件生產(chǎn)方面有廣闊的前景。

    快速熔模鑄造流程圖

    d.快速石膏型鑄造，石膏型鑄造工藝與快速成型技術(shù)結(jié)合起來形成快速石膏型鑄造。基于SLA快速成型在石膏型鑄造中應(yīng)用：一是制作型模，用于起模法中，相當(dāng)于砂箱鑄造中的木模。主要使用快速成型樹脂原型作為熔模，用石膏漿料灌注鑄型，通過焙燒去除樹脂原型從而形成鑄型，與熔模鑄造工藝相似，只是以石膏型代替型殼。二是制作熔模，用于熔模法中，發(fā)揮SLA快速成型工藝優(yōu)勢(shì)，可以制作復(fù)雜、曲面、薄壁型殼，效率高，制作方便，解決復(fù)雜型模制作困難的瓶頸。

3 快速制造與原始機(jī)械制造的優(yōu)缺點(diǎn)

    優(yōu)點(diǎn)：在制造模型時(shí)能夠直接制造，和傳統(tǒng)的機(jī)械制造相比，快速成型技術(shù)的制造速度快，能夠在很短的時(shí)間制造出所需要的模型，而且大幅度的縮短了制造所需要的時(shí)間，節(jié)約了人力物力，為新產(chǎn)品的研發(fā)降低了風(fēng)險(xiǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械制造還添加了很多的新型的科學(xué)生產(chǎn)技術(shù)，讓生產(chǎn)出來的模型產(chǎn)品更具有穩(wěn)定性，而且還大大的降低了運(yùn)行成本。

    缺點(diǎn)：光固化成型(SLA)的缺點(diǎn)是耗材價(jià)格稍貴，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)及維護(hù)成本稍高，可使用的材料種類較少。分層實(shí)體制造的缺點(diǎn)(LOM)，原型的抗拉強(qiáng)度和彈性不夠好，原型易吸濕膨脹，原型表面有臺(tái)階紋理，難以構(gòu)建形狀精細(xì)、多曲面的零件。激光燒結(jié)缺點(diǎn)(SLS)是生產(chǎn)制造出來的原型外表不太平整，切內(nèi)部不穩(wěn)定，容易導(dǎo)致變形。熔融沉積制造缺點(diǎn)(FDM)是其原型的表面有不光滑，有凹槽或者是條紋。

小結(jié)

    快速成型技術(shù)的飛速發(fā)展為眾多企業(yè)帶來了不可估量的好處，快速成型技術(shù)的產(chǎn)生相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械制造更顯得有科學(xué)技術(shù)含量，由于生產(chǎn)的技術(shù)含量高，大大縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，因此對(duì)新產(chǎn)品的研發(fā)節(jié)省了寶貴的時(shí)間�？焖俪尚图夹g(shù)在企業(yè)應(yīng)用廣泛，市場(chǎng)前景廣闊。但是快速成型技術(shù)目前還有一些不足需要我們克服．我們應(yīng)該在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)歸納總結(jié)，運(yùn)用科學(xué)技術(shù)知識(shí)進(jìn)行改進(jìn)，讓它更完美無缺，更好的投入企業(yè)使用中，最終造福人類。

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本文標(biāo)題：快速成型技術(shù)在企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用

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