快速成形技术介绍

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引言  
  
　　设计是一种思维活动。设计师在设计过程中需要面临创新和风险的平衡：  
　设计过程一方面意味着进行技术创新的机会：一个产品的技术含量、技术性能、制造成本，以及市场销售收益，在很大程度上取决于设计。  
　设计过程另一方面又意味着一种风险：走弯路的风险、走错路的风险、甚至是失败的风险。产品的复杂程度越高，这种风险也就越大。设计者在设计过程中不能不考虑这种风险，常常为了避开风险而舍弃了创新。  
　　怎样才能充分利用创新的机会，提高设计质量，降低设计成本，同时又最大限度地降低风险，提高产品开发的一次成功率；此外，激烈的市场竞争还要求以最短的周期完成设计开发工作，提高对市场需求的响应速度。设计师面临的要求越来越严格。  
　　随着设计对象复杂程度的提高，随着旨在提高设计效率、缩短设计周期和提高一次成功率的并行工程的实施，在设计过程早期对模型的要求显得越来越迫切。目前，广泛应用的CAD技术在一定程度上帮助设计师掌握创新和风险之间的平衡。  
　　CAD模型具有很多优点：采用CAD生成的三维CAD模型，可以进行结构、性能分析，可以进行模拟装配，可以进行外观造型的渲染，甚至可以在虚拟现实环境下进行操作和使用。  
　　但是，CAD模型的出现，无法、也不可能完全替代其它形式的模型，特别是具有三维实体形态的实体模型。例如：  
　在产品的造型设计中，不仅要考察产品的外形、色彩效果，甚至要考察其手感；  
　在航空、航天器的设计中，没有因为三维CAD的采用而放弃采用空气动力学的“风洞”试验，同样，汽车工业中任一新车型开发过程中也不能不进行结构安全性的“碰撞”试验；  
　尽管有十分详尽的军事地图，在大型战役的指挥中，“沙盘”仍是不可缺少的。  
　　这一切都源于CAD模型的缺限：  
　CAD模型无法提供产品的全部信息（如手感）；  
　CAD模型只能模拟我们已知的环境条件；  
　三维空间中的实体模型比二维屏幕上的CAD模型更具有“真实感”和“可触摸性”；  
　CAD模型本身也需要接受实际验证。  
　　因此，在大力研究和应用三维CAD/CAM基础上的拟实设计、拟实制造的同时，还要积极研究和采用同样是在三维CAD基础上产生和发展起来的快速成形技术（又称实体自由成型技术，即Rapid Prototyping，简称RP技术）。  
　　CAD/CAM技术和RP技术的结合为现代生产企业带来完美的解决方案。  
  
1.　快速成形技术的诞生背景  
  
　　进入20世纪后期，随着东西方冷战的结束，市场环境发生了巨大的变化。一方面表现为消费者需求日趋主体化、个性化和多样化；另一方面则是产品制造商们都着眼于全球市场的激烈竞争。面对市场，产品制造商们不但要很快地设计出符合人们消费需求的产品，而且必须很快地生产制造出来，抢占市场。  
　　制造业是一个国家的立国之本，市场环境发生了巨大的变化，面对一个迅速变化且无法预料的买方市场，以往传统的大批量生产模式对市场的响应就显得越来越迟缓与被动。快速响应市场需求，单件小批量已成为制造业发展的重要走向。为此，这些年来工业化国家一直在不遗余力地开发先进制造技术，以提高制造工业发展水平，以便在激烈的全球竞争中占有一席之地。与此同时，计算机、微电子、信息、自动化、新材料、和现代企业管理技术的发展日新月异，这些技术、产业的发展与进步，给产品创意、研究开发、设计、工艺设计、加工准备、制造工艺、装备、装配、质量保证、生产管理和企业经营都有带来了重大变革，产生了一批新的制造技术和制造模式，制造工程与科学取得了前所未有的成就。快速成形技术就是在这种背景下逐步形成并得到飞速的发展。  
　　快速成形技术是在20世纪80年代后期由工业发达国家率先开发，1988年，世界上第一台快速成形机诞生于美国。  
　　传统方法中制造产品原型需要几周或几个月以及高昂的费用，而快速成形技术的发展，使得产品设计、制造的周期大大缩短，提高了产品设计、制造的一次成品率，降低产品开发成本，可以在没有任何刀具、模具及工装夹具的情况下，快速直接地实现产品（或零件）的单件生产，从而给制造业带来了根本性的变化。快速成形技术作为先进制造技术的重要组成部分，与60年代发展壮大的数控制造技术一样必将对现代制造业产生巨大的影响。  
  
2.　快速成形技术的先进性  
  
　　快速成形技术是基于离散/堆积成型原理，在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。  
  
　主要技术特征  
　　快速成形技术的主要技术特征是成型的快捷性，能高度柔性和高度集成地自动且精确地将设计思想（CAD模型）转变成一定功能的产品原型或直接制造零部件。该项技术不仅能缩短产品研制开发周期，减少产品研制开发费用，而且对迅速响应市场需求，提高企业核心竞争力具有重要作用。  
  
　主要技术优点  
　大大缩短新产品研制周期，可使模型或模具制造时间缩短数倍甚至数十倍；  
　制造原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用；  
　原型的复制性、互换性高，制造工艺与制造原型的几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优越，提高制造复杂、精密零件的能力；  
　加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低50%，加工周期节约70%以上；  
　及时发现产品设计错误并尽早更改，避免传统方法中待模具制造出来并批量生产后再进行修改所造成的损失，减少开发风险，提高成功率；  
　高度技术集成，可实现设计制造一体化，支持并行工程的实施，使产品设计、样品制造、市场订货等工作能同步进行；  
　降低开模风险和新产品研发成本，与快速制模技术（RT）相结合可迅速实现单件及小批量生产，使新产品上市时间大大提前，迅速占领市场。  
  
3.　快速成形技术的成形方法  
　　当前所有的快速成形技术的成形方法基本上都是按照如下步骤进行的：  
　利用三维建模设计软件（如：Pro/E, SOLIDWORKS, Unigraphics，AutoCAD等）设计和构建3D CAD模型，然后输出为STL格式的文件；  
　RP设备的处理软件对.STL文件进行分层处理；  
　RP设备对分层处理好的数据模型进行实体制造，加工生成了第一个物理层后，模型降低一个层高以便生成另一层，循环往复，直到生成整个模型；  
　模型和支撑材料取出后，按照要求进行适当的表面处理，包括去除支撑材料，清洁，打磨，喷漆等。  
  
4.　快速成形技术的研究和应用  
  
　　世界上第一台快速成形机于自1988年诞生于美国。在这一领域，美国一直处于领先地位，各种新工艺大都在美国最先出现，研究、开发的工艺种类也最多，其次在欧洲、日本发展也很快。国内最早开始RP领域研究的是清华大学，清华大学机械工程系于1989年开始涉足，经过几年的努力，在快速成形工艺研究、成型设备开发、数据处理及控制软件、新材料的研发等方面都做了大量卓有成效的工作，赶上了世界发展的步伐，并有很多独创性的创新。  
　　目前国际上RP技术应用较好的有美国、日本、新加坡等国家。RP技术主要有两种应用模式，一种是大型制造企业，如美国通用、福特汽车、波音公司以及国内上汽公司、上菱公司、德尔福公司等，拥有自己的RP系统；另一种是以院校科研单位和RP服务中心的模式运行，为中小企业提供设计和技术服务。RP技术在航空航天、汽车、国防、教育、工业制造、塑料、通讯、高科技电子、日用消费品、生命科学（医学）等很多行业都可以得到广泛应用。  
  
行业应用例证一：  
塑料行业产品设计验证 行业应用例证二：  
制造业迅速实现单件及小批量生产  
     
行业应用例证三：  
医学领域头骨复原和开颅手术前期方案设计  
行业应用例证四：  
文物和工艺品的复原和设计  
  
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