Liufuksh
快速成型(RP)技术是一种集计算机、数控、激光和材料技术于一体的先进制造技术。本文通过介绍快速成型系统的原理方法和特点，阐述其工艺特点及开发和应用，探讨快速成型技术在现代制造业中起到的重要作用和产生的巨大效益，分析快速成型技术的优点和缺点，并提出快速成型技术未来的发展方向和深远意义。1 前言 当今时代，制造业市场需求不断向多样化、高质量、高性能、低成本、高科技的方向发展，一方面表现为消费者兴趣的短时效和消费者需求日益主体化、个性化和多元化；另一方面则是区域性、国际市场壁垒的淡化或打破，要求制造业的厂商必须着眼于全球市场的激烈竞争。因此快速地将多样化、性能好的产品推向市场成为了制造业厂商把握市场先机的关键，由此导致了制造价值观从面向产品到面向顾客的重定位，制造战略重点从成本与质量到时间与响应的转移，也就是各国致力于CIMS (Computer Integrated Manufacture System)、并行工程、敏捷制造等现代制造模式的研究与实践的原因。 快速成型(Rapid Prototyping)技术正是在这种时代的需求下应运而生的。它是由三维CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的总称。它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。2 快速成型的原理及特点 快速成型技术采用离散/堆积成型原理，根据三维CAD模型，对于不同的工艺要求，按照一定厚度进行分层，将三维数字模型变成厚度很薄的二维平面模型。再将数据进行一定的处理，加入加工参数，产生数控代码，在数控系统控制下以平面加工方式连续加工出每个薄层，并使之粘结而成形。实际上就是基于“生长”或“添加”材料原理一层一层地离散叠加，从底到顶完成零件的制作过程。它是计算机辅助设计与制造技术、逆向工程技术、分层制造技术、材料去除成形、材料增加成形技术以及它们的集成的总称。 
我国考古发现，早在2000多年前，我国已有冲压模具被用于制造铜器，证明了中国古代冲压成型和冲压模具方面的成就就在世界领先。1953年，长春第一汽车制造厂在中国首次建立了冲模车间，该厂于1958年开始制造汽车覆盖件模具。我国于20世纪60年代开始生产精冲模具。在走过了温长的发展道路之后，目前我国已形成了300多亿元（未包括港、澳、台的统计数字，下同。）各类冲压模具的生产能力。 一、冲压模具市场情况 我国冲压模具无论在数量上，还是在质量、技术和能力等方面都已有了很大发展，但与国发经济需求和世界先进水平相比，差距仍很大，一些大型、精度、复杂、长寿命的高档模具每年仍大量进口，特别是中高档轿车的覆盖件模具，目前仍主要依靠进口。一些低档次的简单冲模，已趋供过于求，市场竟争激烈。 现将2004年我国冲压模具市场情况简介如下： 据中国模具工业协会发布的统计材料，2004年我国冲压模具总产出约为220亿元，其中出口75亿美元，约合2亿元 根据我国海关统计资料，2004年我国共进口冲压模具61亿美联社元，约合6亿元从上述数字可以得出2004年我国冲压模具市场总规模约为6亿元其中国内市场需求为4亿元，总供应约为8亿元，市场满足率为82%在上述供求总体情况中，有几个具体情况必须说明:一是进口模具大部分是技术含量高的大型精密模具，而出口模具大部分是技术含量较低中的中低档模具，因此技术含量高的中高档模具市场满足率低于冲压模具总体满足率，这些模具的发展已滞后于冲压件生产，而技术含量低的中低档模具市场满足率要高于冲压模具市场总体满足率;二是由于我国的模具价格要比国际市场低格低许多，具有一定的竟争力，因此其在国际市场前景看好，2005年冲压模具出口达到46亿美元，比2004年增长7%就可说明这一点;三是近年来港资、台资、外资企业在我国发展迅速，这些企业中大量的自产自用的冲压模具无确切的统计资料，因此未能计入上述数字之中。 二、冲压模具水平状况 近年来，我国冲压模具水平已有很大提高。大型冲压模具已能生产单套重量达50多吨的模具。为中档轿车配套的覆盖件模具内也能生产了。精度达到1~2μm，寿命2亿次左右的多工位级进模国内已有多家企业能够生产。表面粗糙度达到Ra≤5μm的精冲模，大尺寸（φ≥300mm）精冲模及中厚板精冲模国内也已达到相当高的水平。 1、 模具CAD/CAM技术状况 我国模具CAD/CAM技术的发展已有20多年历史。由原华中工学院和武汉733厂于1984年共同完成的精神模CAD/CAM系统是我国第一个自行开发的模具CAD/CAM系统。由华中工学院和北京模具厂等于1986年共同完成的冷冲模CAD/CAM系统是我国自行开发的第一个冲裁模CAD/CAM系统。上海交通大学开发的冷冲模CAD/CAM系统也于同年完成。20世纪90年代以来，国内汽车行业的模具设计制造中开始采用CAD/CAM技术。国家科委863计划将东风汽车公司作为CIMS应用示范工厂，由华中理工大学作为技术依托单位，开发的汽车车身与覆盖模具CAD/CAPP/CAM集成系统于1996年初通过鉴定。在此期间，一汽和成飞汽车模具中心引进了工作站和CAD/CAM软件系统，并在模具设计制造中实际应用，取得了显著效益。1997年一汽引进了板料成型过程计算机模拟CAE软件并开始用于生产。 21世纪开始CAD/CAM技术逐渐普及，现在具有一定生产能力的冲压模具企业基本都有了CAD/CAM技术。其中部分骨干重点企业还具备各CAE能力。 模具CAD/CAM技术能显著缩短模具设计与制造周期，降低生产成本，提高产品质量，已成为人们的共识。在“八五”、九五“期间，已有一大批模具企业推广普及了计算机绘图技术，数控加工的使用率也越来越高，并陆续引进了相当数量CAD/CAM系统。如美国EDS的UG，美国Parametric Technology公司 Pro/Engineer，美国CV公司的CADSS，英国DELCAM公司的DOCT5，日本HZS公司的CRADE及space-E， 以色列公司的Cimatron 还引进了AutoCAD CATIA 等软件及法国Marta-Daravision公司用于汽车及覆盖件模具的Euclid-IS等专用软件。国内汽车覆盖件模具生产企业普遍采用了CAD/CAM技术/DL图的设计和模具结构图的设计均已实现二维CAD，多数企业已经向三维过渡，总图生产逐步代替零件图生产。且模具的参数化设计也开始走向少数模具厂家技术开发的领域。 在冲压成型CAE软件方面，除了引进的软件外，华中科技术大学、吉林大学、湖南大学等都已研发了较高水平的具有自主知识产权的软件，并已在生实践中得到成功应用，产生了良好的效益。 快速原型（RP）传统的快速经济模具相结合，快速制造大型汽车覆盖件模具，解决了原来低熔点合金模具靠样件浇铸模具，模具精度低、制件精度低，样样制作难等问题，实现了以三维CAD模型作为制模依据的快速模具制造，它标志着RPM应用于汽车身大型覆盖件试制模具已取得了成功。 围绕着汽车车身试制、大型覆盖件模具的快速制造，近年来也涌现出一些新的快速成型方法，例如目前已开始在生产中应用的无模多点成型及激光冲击和电磁成型等技术。它们都表现出了降低成本、提高效率等优点。 2、模具设计与制造能力状况 在国家产业政策的正确引导下，经过几十年努力，现在我国冲压模具的设计与制造能力已达到较高水平，包括信息工程和虚拟技术等许多现代设计制造技术已在很多模具企业得到应用。 虽然如此，我国的冲压模具设计制造能力与市场需要和国际先进水平相比仍有较大差距。这一些主要表现在高档轿车和大中型汽车覆盖件模具及高精度冲模方面，无论在设计还是加工工艺和能力方面，都有较大差距。轿车覆盖件模具，具有设计和制造难度大，质量和精度要求高的特点，可代表覆盖件模具的水平。虽然在设计制造方法和手段方面基本达到了国际水平，模具结构周期等方面，与国外相比还存在一定的差距。 标志冲模技术先进水平的多工位级进模和多功能模具，是我国重点发展的精密模具品种。有代表性的是集机电一体化的铁芯精密自动阀片多功能模具，已基本达到国际水平。 但总体上和国外多工位级进模相比，在制造精度、使用寿命、模具结构和功能上，仍存在一定差距。 汽车覆盖件模具制造技术正在不断地提高和完美，高精度、高效益加工设备的使用越来越广泛。高性能的五轴高速铣床和三轴的高速铣床的应用已越来越多。NC、DNC技术的应用越来越成熟，可以进行倾角加工超精加工。这些都提高了模具面加工精度，提高了模具的质量，缩短了模具的制造周期。 模具表面强化技术也得到广泛应用。工艺成熟、无污染、成本适中的离子渗氮技术越来越被认可，碳化物被覆处理（TD处理）及许多镀（涂）层技术在冲压模具上的应用日益增多。真空处理技术、实型铸造技术、刃口堆焊技术等日趋成熟。激光切割和激光焊技术也得到了应用。
摘要:介绍快速成型技术的原理，重点讨论了与快速成型相关的技术，并试图将此技术充分应用于产品设计评价，以期缩短产品的开发周期。 关键词:快速成型;RP;反求工程引言随着科技进步和全球市场一体化的形成，现在工业正面临产品的生命周期越来越短的代写论文问题，作为一种新产品开发的重要手段，快速成型能够迅速将设计思想转化为产品的现代先进制造技术。它为零件原型制作、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，提高产品研发的效率。1快速成型技术原理在工业产品设计过程中，设计师往往希望能快速由三维CAD模型，得到产品的实物模型，快速成型技术可以满足这种需求。快速成型(Rapid Prototyping，RP)技术是一种基于离散/堆积成型思想的新型成型技术，它根据零件或物体的三维模型数据，快速、精确地制造出零件或物体的实体模型。2关键技术1制造工艺目前，世界上已有几十种不同的快速成型工艺方法，比较成熟的就有十余种。其中光固化成型法(Stereo Lithography Apparatus，SLA)、叠层实体制造法(Laminated Object Manufactur-ing，LOM)、熔融沉积法(Fused Deposition Model-ing，FDM)、选择性激光烧结法(Selective LaserSintering，SLS)和3DP(Three DimensionalPrinting and Gluing，也称3DPG)五种方法，在世界范围内应用最为广泛。对于RP制造工艺的研究，一方面是在原有技术基础上进行改进，另一方面是研究新的成型技术。新的成型方法，如三维微结构制造、生物活性组织的工程化制造、激光三维内割技术、层片曝光方式等。2成型材料成型材料是决定快速成型技术发展的基本要素之一，它直接影响到原型的精度、物理化学性能以及应用等。与RP制造的4个目标(概念型、测试型、模具型、功能零件)相适应，使用的材料不同，概念型对材料成型精度和物理化学特性要求不高，主要要求成型速度快。如对光固化树脂，要求较低的临界曝光功率、较大的穿透深度和较低的粘度。测试型对于材料成型后的强度、刚度、耐温性、抗蚀性等有一定要求，以满足测试要求。如果用于装配测试，则对于材料成型的精度还有一定要求。模具型要求材料适应具体模具制造要求，如对于消失模铸造用原型，要求材料易于去除。快速功能零件要求材料具有较好的力学性能和化学性能。从解决的方法看，一个是研究专用材料以适应专门需要;另一个是根据用途分类，研究几类通用材料以适应多种需要。3加工精度影响成型件精度的主要因素有两方面:一是由CAD模型转换成STL格式文件以及随后的切片处理所产生的误差;二是成型过程中制件翘曲变形，成型后制件吸入水分，以及由于温度和内应力变化等所造成的无法精确预计的变形。为了解决第一类问题，正在研制直接切片软件和自适应切片软件。所谓直接切片是不将CAD模型转换成STL格式文件，而直接对CAD模型进行切片处理，得到模型的各截面层轮廓信息，从而可以减少三角面近似化带来的误差，所谓自适应切片是快速成型机能根据成型零件表面的曲率和斜率自动调整切片的厚度，从而得到高品质的光滑表面。为解决第二类问题，正在研究、开发新的成型方法、新的成型材料及成型件表面处理方法，使成型过程中制件的翘曲变形小，成型后能长期稳定不变形。4与RP技术相关软件软件是RP系统的灵魂，其中作为CAD到RP接口的数据转换和处理软件是其关键。不同CAD系统所采用的内部数据格式不同，RP系统无法一一适从，这就要求有一种中间数据格式既便RP系统接受又便于不同CAD系统生成，STL(Stereo Lithography)格式应运而生了，STL文件是用大量空间小三角形面片来近似逼近实体模型。由于STL格式具有易于转换、表示范围广、分层算法简单等特点，为大多数商用快速成形系统所采用，现己成为快速成形行业的工业标准。但是，STL模型也存在许多不足之处:1精度不足。由于STL模型用大量小三角形面片来近似逼近CAD模型表面，造成STL模型对产品几何模型的描述存在精度损失，并且在对多张曲面进行三角化时，在曲面的相交处往往产生裂缝、孔洞、覆盖及相邻面片错位等缺陷。2数据冗余度大。STL模型不包含拓扑信息，三角形面片的公用点、边单独存储，数据的冗余度大。随着网络时代的到来，STL模型数据冗余大的不足也使其不利于远程RF的数据传输，难以有效支持远程制造。3快速成型技术的应用1在外观及人机评价中的应用新产品开发的设计阶段，虽然可借助设计图纸和计算机模拟，但并不能展现原型，往往难以做出正确和迅速的评价，设计师可以通过制作样机模型达到检验的目的。传统的模型制作中主要采用的是手工制作的方法，制作工序复杂，手工制作的样机模型不仅工期长，而且很难达到外观和结构设计要求的精确尺寸，因而其检查外观及人机设计合理性的功能大打折扣。快速成型设备制作的高精度、高品质样机与传统的手工模型相比较可以更直观地以实物的形式把设计师的创意反映出来，方便产品的外观造型和人机特性评价。现在的快速成型加工得到的成型件都是单一颜色，颜色主要由材料决定，为了对产品色彩外观进行评价，有时需要手工涂色，随着彩色成型技术的发展，这方面的问题可以解决。人机评价主要包括成型件尺寸及操作宜人性，快速成型可以很好地满足这方面的要求。2在产品结构评价中的应用通过快速成型制成的样机和实际产品一样是可装配的，所以它能直观地反映出结构设计合理与否，安装的难易程度，使结构工程师可以及早发现和解决问题。由于模具制造的费用一般很高，比较大的模具往往价值数十万乃至几百万，如果在模具开出后发现结构不合理或其他问题，其损失可想而知。而应用快速成型技术的样机制作可以把问题解决在开出模具之前，大大提高了产品开发的效率。3与反求工程结合反求工程(Reverse Engineering，RE)也称逆向工程，就是用一定的测量手段对实物或模型进行测量，然后根据测量数据通过三维几何建模方法重建实物的CAD数字模型，从而实现产品设计与制造过程。对于大多数产品来说，可以在通用的三维CAD软件上设计出它们的三维模型，但是由于对某些因素，如对功能、工艺、外观等的考虑，一些零件的形状十分复杂，很难在CAD软件上设计出它们的实体模型，在这种情况下，可以通过对模型测量和数据处理，获得三维实体模型。作为一种新产品开发以及消化、吸收先进技术的重要手段，反求工程和快速成型技术可以胜任消化外来技术成果的要求。对于已存在的实体模型，可以先通过反求工程，获取模型的三维实体，经过对三维模型处理后，使用快速成型技术，实现产品的快速复制，缩短了产品开发周期，大大提高产品的开发效率。结束语快速成型技术可以大大缩短产品的开发周期，满足产品的个性化、多样化需求，在工业设计中得到广泛应用。但由于该技术的制作精度、强度和耐久性还不能满足工程实际的需要，加之设备的运行及制作成本高，一定程度上制约着RP技术的普遍推广。随着研究的不断深入，制约快速成型发展的因素会逐步解决，应用领域会不断得到拓展。参考文献[1]孙秀英面向RP的VRML模型浏览与分层研究[D]西安科技大学，[2]丘宏扬，谢嘉生，刘斌快速成型技术研究中的若干关键问题[J]锻造机械，[3]徐江华，张敏快速成型技术在工业设计中的应用[J]包装工程，2004
