快速成形和零件製造技術（1）
RP (Rapid Prototyping)技術是20世紀80年代後期誕生，90年代發展起來的快速成形(原型)技術，被公認為是近年來製造技術領域的一次重大突破，它對製造業的影響可與數控技術的出現相媲美。
RP系統綜合了機械工程、CAD、數控技術，激光技術及材料科學技術，可以自動、直接、快速、精確地將設計思想物化為具有一定結構和功能的原型或直接製造零件，從而可以對產品設計進行快速評價、修改及功能試驗，有效地縮短了產品的研發周期，可以快速響應市場需求，提高企業的競爭力。
快速成形技術徹底擺脫了傳統的「去除」加工法(部分去除大於工件的毛坯上的材料來得到工件)，而採用全新的「增長」堆積法(用一層層的小毛坯逐步疊加成大工件，將複雜的三維加工分解成簡單的二維加工的組合)，因此，它不必採用傳統的加工機床和工模具，只需傳統加工方法的10%～30%的工時和20%～35%的成本，就能直接製造出產品樣品或模具。由於快速成形具有上述突出的優勢，所以近年來發展迅速，已成為現代先進位造技術中的一項支柱技術，是實現并行工程CE(Concurrent
Engineering)必不可少的手段。
一、RP&M技術產生的背景
隨著全球市場一體化的形成，製造業的競爭十分激烈，產品的開發速度日益成為市場競爭的主要矛盾。在這種情況下，自主快速產品開發(快速設計和快速工模具製造)的能力(成本和周期)，成為製造業全球競爭的實力基礎。同時，製造業為滿足日益個性化的市場需求，又要求製造技術有較強的靈活性，能夠在不增加產品的成本的前提下，以小批量甚至單件組織生產。因此，產品開發的速度和製造技術的柔性就變得十分關鍵了。
半個世紀以來，計算機、CAD/CAM、NC、材料和激光等技術的發展和普及，也在技術層面上為新的製造技術的產生奠定了基礎。
正是在這種社會背景下，快速成形/零件製造技術(RP&M-Rapid Prototyping/Parts Manufacturing)於20世紀80年代後期產生於美國，並迅速擴展到歐洲及日本，被認為是近年來製造技術領域的一項重大突破。
二、RP&M的原理及主要方法
RP&M技術，是指在計算機控制與管理下，由零件的CAD模型直接驅動快速製造任意複雜形狀三維實體的技術總稱，是現代多種先進技術的集成。快速成形技術採用離散/堆積成形原理，通過離散獲得堆積的路徑和方式，通過精確堆積將材料「疊加」起來形成複雜三維實體。人們把快速成形系統比喻為「立體印表機」(3DSolid
Printer)是非常形象的。
離散/堆積的過程是由三維CAD模型開始的：先將CAD模型離散化，將某一方向(常取Z向)切成許多層面，即分層，屬信息處理過程；然後在分層信息控制下順序堆積各片層，並使層層結合，堆積出三維實體零件，這是CAD模型的物理體現過程。每種RP設備及其操作原理都是基於逐層疊加的過程的。
RP&M技術的具體工藝有30餘種，多數是由美國開發的。以下是最為成熟的5種方式。
1.立體印刷(SLA，Stereolithgraphy Apparatus)成形技術
基本工作原理：用紫外激光在光敏樹脂表面掃描，令其有規律地固化，由點到線，再到面，完成一個層面的建造，每次產生零件的一層。在掃描的過程中，只有激光的曝光量超過樹脂固化所需的閾值能量的地方，液態樹脂才會發生聚合反應形成固態。因此在掃描過程中，對於不同量的固化深度，要自動調整掃描速度，以使產生的曝光量和固化某一深度所需的曝光量相適應。每一層固化完畢之後，升降工作台移動一個層片厚度的距離，然後將樹脂塗在前一層上，再建造一個層。如此反覆，每形成新的一層均粘附到前一層上，直到製作完零件的最後一層，成為一個三維實體。這樣零件就堆積完畢，再對零件進行一些必要的后處理，整個製做過程就完成了。
快速成形和零件製造技術（2）
2.熔融沉積成形(FDM，Fused Deposition Modeling)
熔融沉積成形是指將熱熔性材料(ABS、尼龍或蠟)通過加熱器熔化，在移動頭的運動過程中擠壓噴出細絲，按零件的截面形狀沉積成一薄層，這樣逐層堆積製成一個零件。
在沉積過程中，噴頭受水平分層數據的控制沿XY移動，同時半流動融絲從FDM噴頭中擠壓出來，必須精確控制從擠壓頭孔流出的材料數量和噴頭的移動速度，當它和前一層相粘結時很快就會固化，整個零件是在一個活塞上製作的。該活塞可以上下移動，當製作完一層后活塞下降，為下一層製作留出層厚所需的空間。FDM可以使用很多種材料，任何有熱塑特性的材料均可作為其候選材料。
3.選擇性激光燒結(SLS，Selective Laser Sintering)
該工藝是利用紅外激光光束所提供的熱量熔化熱塑性材料以形成三維零件。在製作區域均勻鋪上一薄層熱塑性粉末材料，然後用激光在粉末表面掃描零件的截面形狀，激光掃描到的地方粉末燒結形成固體，激光未掃描到的地方仍是粉末，可以作為下一層的支撐並能在成形完成後去掉，上一層製作完畢后，再鋪平一層粉末，繼續掃描下一層，不斷重複這個鋪粉和選區燒結的過程直到最後一層，一個三維實體就選燒出來了。SLS使用的設備是激光器，使用的原料有蠟、聚碳酸酯、尼龍、纖細尼龍、合成尼龍和金屬材料等。
4.分層實體製造(LOM，Laminated object Manufacturing)
逐層物體製造技術是通過逐層激光剪切箔材製造零件的一種技術。用激光按該層零件的輪廓剪切，零件輪廓以外的部分用激光剪切成網格狀碎片以便零件製作完畢之後移去。每一層箔材之間塗有熱溶膠，通過加熱和加壓粘到前一層上，層層的箔材逐層粘成一個固體塊。當所有的層被粘結並進行剪切之後，整個零件就埋置在一大塊支撐材料中，去掉支撐碎片，就獲得所需的三維實體。這裡所說的箔材可以是塗覆紙(塗有粘接劑覆層的紙)、塗覆陶瓷箔、金屬箔或其他材質的箔材。
5.實體磨削固化(SGC，Solid Ground Curing)
它採用掩膜版技術使一層光固化樹脂整體一次成形,不像SL設備那樣逐層逐點照射成形。UV射線通過玻璃罩照射在一薄層液態光敏樹脂表面，玻璃罩上透光部分與零件截面形狀相同，零件截面形狀部分被固化，其餘部分仍為液態樹脂，將其吸掉，然後用蠟代替它。下一層零件就可以在此基礎上進行製做，當零件的所有層均製做完成後，整個零件就被埋置在一大塊蠟之中。可以通過熔化將蠟去除掉，剩下的就是由完全固化的樹脂形成的零件。
此外，還有一些較為成熟的RP技術，例如，3DP(Three-Dimensional
Printing)工藝，即三維印刷或三維列印,它採用逐點噴灑粘結劑來粘結粉末材料來製造原型；BPM(Ballistic Particle
Manufacturing)工藝，即彈道粒子製造，它採用具有五軸自由度的噴頭噴射熔融材料的方法來製造原型；PCM(Patternless
Casting
Manufacturing)工藝，即無木模鑄造，它採用逐點噴灑粘結劑和催化劑的方法來實現鑄造沙粒間的粘結，這一技術由清華大學開發成功；MJS(Multiple
Jet Solidification)工藝，亦稱為多相噴射固化，它採用活塞擠壓熔融材料使其連續地擠出噴嘴方法來堆積成形；CC(Contour
Craft)工藝，亦稱為輪廓成形工藝,它採用堆積輪廓和澆鑄熔融材料相結合的方法來製造原型，這種工藝在堆積輪廓時採用了簡單的模具等。
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三、RP&M技術的獨有特性
RP&M技術，異於傳統的去除成形(如車、銑、刨、磨等)，拼合成形(如焊接)，或受迫成形(如鑄、鍛，粉末冶金)等加工方法，而是採用材料累加法製造零件原型，快速成形技術較之傳統的諸多加工方法展示了以下幾方面的優越性。
(1)由CAD模型直接驅動，能自動、快速、精確地將設計思想轉變成一定功能的產品原型甚至直接製造零件，對縮短產品開發周期、減少開發費用、提高企業市場競爭力具有重要意義。
(2)可以在沒有任何刀具、模具及工裝卡具的情況下，快速直接地製成幾何形狀任意複雜的零件，而不受傳統機械加工方法中刀具無法達到某些型面的限制。
(3)曲面製造過程中，CAD數據的轉化(分層)可百分之百地全自動完成，而不像數控切削加工中需要高級工程技術人員複雜的人工輔助勞動才能轉化為完全的工藝數控代碼。
(4)任意複雜零件的加工只需在一台設備上完成，不需要傳統的刀具或工裝等生產準備工作。大大縮短了新產品的開發成本和周期，加工效率遠勝於數控加工。
(5)設備投資低於數控機床。
(6)在成形過程中無人干預或較少干預。
四、RP&M技術的應用
RP&M技術應用發展很快，一個顯著的指標是RP&M服務機構的數量和收入的快速遞增。90年代中後期，國外RP&M服務的數量以每年59%的速度遞增，可以說，國外已經從對RP&M工藝的熟悉、觀望、嘗試性應用階段進入了將RP&M真正作為產品開發的重要環節，提高產品開發質量、加快產品開發速度的階段。快速成形技術大大降低新產品開發風險，縮短新產品開發周期。
RP&M在國民經濟各個領域得到了廣泛應用。在RP工業的早期，汽車和航空工業主宰著RP市場，其佔據了超過一半的市場份額，但RP迅速傳入其他行業。目前已可應用於一般製造業、家用電器、航空航天、工程結構模型製造、美學及其相關工程、醫學康復和考古等領域，並且還在向新的領域發展。
在製造業中以RP系統為基礎發展起來並已成熟的快速模具工裝製造(Quick
Tooling)技術，快速精鑄技術(Quick Casting)和快速金屬粉末燒結技術(Quick Powder
Sintering)，可實現零件的快速製造。以下是RP&M應用的幾個主要方面。1.產品設計中的應用——快速產品開發RPDRP&M在RPD方面的應用。
RP&M在產品開發中的關鍵作用和重要意義是很明顯的。我們利用CAD技術、快速原形技術和快速制模等先進技術來完成設計定型工作，節省時間，效益突出。它不受複雜形狀的任何限制，可迅速地將計算機上的設計變為可進一步評估的實物原型。RP&M系列設備為用戶提供的不僅是一個概念模型，在很大程度上，它提供的就是產品，可以從配合、組裝及性能測試上全面驗證設計。
RP生成的模型亦是設計部門與非技術部門交流的更好中介物。能顯著地提高新產品投產的一次成功率。有鑒於此，國外常把快速成形系統作為CAD系統的外圍設備。
一般來說，採用QRP&M快速產品開發技術，可減少產品開發成本30%～70%，減少開發時間50%以上。如某汽車公司為滿足國家新的排放標準，開發進氣岐管採用了RP&M技術，使開發周期由傳統方法的4個月縮短為1個月，大大縮短了其新產品的上市周期。又如，光學照相機體採用RP&M技術僅需3～5天(從CAD建模到原型製作)，花費5000馬克，而傳統的方法則至少需1個月，耗需30000馬克。
目前，激光快速成形技術已成熟地應用於產品設計評估與校審、產品工程功能試驗等，已成為廠家與客戶的交流手段。
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2.快速工具(RT，Rapid Tooling)
模具是快速工具製造技術應用的重要方面，原型的快速設計和自動製造也保證了工具的快速製造。
用硅橡膠、金屬粉、環氧樹脂粉和低熔點合金等方法將RP原形準確地複製成模具，這些簡易模具的壽命是50～1000件，適宜產品試製階段。
、對製造長壽命的鋼製模具，它是由原形翻制三維研具，用研具研磨整體石墨電極，再用電極在電火花機床上加工鋼模具。這一工藝的特點是快速高效，耗時僅為傳統製造的1/5，精度也有所提高。
運用RP/RT技術比傳統的數控加工方法製造模具，周期縮短了1/3～1/10，費用降低了1/3～1/5。
以RP生成的實體模型作模芯或模套，結合精鑄、粉末燒結或電極研磨等技術可以快速製造出企業生產所需要的功能模具或工裝設備，其製造周期較之傳統的數控切削方法可縮短30%～40%以上，而成本卻下降35%～70%。模具的幾何複雜程度愈高，這種效益愈顯著。
3.快速直接製造
快速成形技術利用材料累加法亦可用來製造塑料、陶瓷、金屬及各種複合材料零件。
五、RP&M與相關技術的關係
RP&M集成了機械工程、計算機控制、CAD、數控技術、檢測技術、激光材料等各種學科的前沿技術，是一種典型的高新技術。
1. RP&M與CAD技術的關係
CAD技術的產生和發展不僅為人們迅速地進行顯示和修改設計提供了簡便易行的手段，更重要的是，這種方法可以使人們得到完整的數據，便於修改和進一步的處理，如生成加工數據或形成RP&M所需要的數據格式文件等。顯然，CAD是實現RP&M的前提和基礎，在應用上往往是RP&M的瓶頸。同時，RP&M技術的發展，又促進CAD技術的發展，比如數據交換介面和分層軟體等。
2. RP&M技術與材料科學的關係
材料是實現RP&M的關鍵，每一種RP&M工藝都對其材料有獨特的要求，例如，SLA工藝採用特種光固化樹脂，LOM工藝採用塗有粘接劑的紙張，FDM工藝採用臘、ABS以及尼龍等，SLS採用各種金屬和非金屬粉末為材料。材料的性質不但影響原型件的質量，對原型件的應用產生決定性影響，更為重要的是它是成形工藝可行性的保證。材料科學的發展，尤其是新材料的出現，將會對RP&M技術的發展產生重大的影響，同時，RP&M技術的發展，又會向材料科學提出新的要求，促進材料設計技術的發展。
3. RP&M與數控技術的關係
目前這四種比較成熟的工藝，SLA、LOM、SLS、FDM等都必須採用數控技術以實現其成形運動控制。此外，數控技術在RP&M技術中的應用還包括了對加工參數的控制。如SLA工藝中的補償系統，LOM、FDM工藝中溫度補償、功率控制和材料送給控制等。與切削加工數控技術相比，RP&M要求掃描速度快，停位精度高而負荷小，數控技術是RP&M技術的基礎，RP&M技術也向數控技術提出新的研究課題。
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4. RP&M與激光技術的關係
激光技術的發展和應用是RP&M技術產生的前提之一，同時也是RP&M技術進一步發展的保證。
RP&M技術主要有兩類成形方法：一類是基於激光的光固化、切割或熔化的方法；另一類是非激光直接堆積成形的方法。激光具有能量集中、易於控制、光斑小和波長恆定等特點，尤其適用於RP&M技術。目前發展得比較完善，應用較多的RP&M工藝，如SLA、LOM、SLS都採用激光為能源。
5. RP&M與其他相關技術的關係
RP&M技術除與上述學科密切相關外，還與機械科學、現代設計理論、電子技術和檢測技術等息息相關。機械科學奠定了RP&M的工藝基礎，確定了RP&M技術的主體框架與應用目標；現代設計理論為原型的設計提供了科學的理論指導；電子和信息技術使RP&M技術的各子系統集成起來，形成協調的整體；檢測技術確保了成形質量。
總之，RP&M技術是多學科的技術集成，它是各門學科協調發展的結果，同時，又為各門學科的發展增添了新的研究內容。
六、RP&M技術的發展
RP&M技術是當今世界上飛速發展的製造技術之一，自1986年在美國首次出現到目前為止一直處於繁榮階段，它被譽為近10年來工業界的一項重大的革命性的突破，1992年以前全世界總共裝機為300台，而到1995年全世界裝機為1000台，分佈於6大洲的40多個國家。根據美國Wohlers
Associates諮詢公司1998年的市場調查報告，1993～1997年RP&M設備的平均年銷售量以58.7%的速度增長，RP&M產值以53.6%的年平均速度增長。而2001年全球的RP設備已達8000台套，分佈於60多個國家和地區，美國和日本佔有其中的60%。RP&M技術如此受到青睞的主要原因是它可以快速將設計思想物化為具有一定結構和功能的三維實體，低成本製作產品原型甚至零件，這大大滿足了當今競爭日益激烈的市場對新產品快速開發的要求。
隨著RP&M技術的迅速發展，世界上研究RP&M技術的機構數目也越來越多。據統計，目前世界上已有數百所大學、研究機構和企業正在研究和開發RP&M技術。國外RP&M技術的研究和應用主要集中在美國、歐洲和日本。從技術、材料和應用等方面比較來看，總的情況是美國領先於歐洲和日本，歐洲和日本平分秋色。我國在這方面的發展起步較晚，但發展迅速，據美國Wohlers
Associates諮詢公司稱，2002年中國RP&M設備台數僅次於美國和日本，居世界第三位。
1.國外的發展狀況
(1)RP&M工藝裝備的發展
目前RP&M的工藝裝備發展速度很快，許多公司開發了自己的裝備。美國主要的RP&M生產商有7家，即3Dsystmes、Helisys、DTM、Stratasys、Sanders、Prototype、Soligen和BPM，其中BPM由於經營不善，業已倒閉。日本有6家，即CMET、D-MEC、Teijin
Selki、Kira Corp、Mitsui Zosen和Denken
Engineering。歐洲有3家，即德國的EOS、以色列的Cubital和F&S。
(2)RP&M成形材料的發展
成形材料是RP&M技術發展的關鍵環節。國外現在所應用的成形材料已經較為豐富。
(3)RP&M軟體的發展
軟體是RP&M系統的靈魂。其中，作為CAD到RP介面的數據轉換和處理軟體是其關鍵之一。
國外的各大RP&M系統生產商一般都開發自己的數據轉換介面軟體，如3D
SYSTEM公司的ACES、QuickCast，Helisys公司的LOMSIice，DTM的Rapid
Tool，Stratasys的Quicklice、Supprtwoks、AutoGen，Cubital的SoliderDFE，Sander
Prototype的ProtBuild和ProtoSupporl等。由於CAD與RP&M的數據轉換介面軟體開發的困難性和相對獨立性，國外湧現了作為CAD與RP系統之間的橋樑的第三方軟體。國外比較著名的一些第三方介面軟體有：美國Solid
Concept公司的ridge 、Solid View，比利時Materialise公司的Magics，美國POGD公司的STL
Manager，美國人Igore Tebelev的Stillew，美國Imageware公司的Surface-RP&M等。
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2.我國RP&M發展現狀
我國對這項新技術的研究從「八五」期間起步，在「九五」期間取得突破性進展。政府在「九五」的第一年就將該技術列入「九五」攻關項目，國家自然基金也將RP列為先進位造技術的重點資助項目，同時，「九五」國家科技攻關中，把先進位造技術列為重點資助的領域之一，而先進位造技術中的幾項重要內容，如精密成形、CAD推廣應用、并行設計和并行工程、敏捷製造、虛擬製造等技術方面都與RP有關，甚至主要以RP作技術支撐。
這標誌著國內的RP&M技術研究開始邁上一個新台階。
我國先後發展了SLA、LOM、FDM、SLS四種RP&M工藝、裝備及配套材料，其科技成果已經商品化。2002年我國快速成形製造的設備台數已近千台套，僅次於美國和日本，居世界第三位，其中60%是我國自己製造的。我國自主開發了無模砂型製造(PLC)、低溫冰型(LIR
P)工藝以及不採用激光器的紫外光快速成形機等幾種快速成形製造新技術，引起了國內外同行的高度重視。
