淺談快速成型技術研究現狀及其發展趨勢

摘 要：快速成型技術又稱快速原型制造技術，是現代先進制造技術的重要組成部分。快速成型設備可以直接、快速、精確地把設計構想或設計方案通過模型建立、近似處理和切片處理等過程轉變為實際的零件原型或者直接制造零件，為零件的原型制作和設計構想的校驗等方面提供了一種高效低成本的實現手段，彌補了傳統制造方法的不足。本文依據當前相關文獻的內容系統地介紹快速成型的基本原理及應用狀況，給出了一個基于3D打印機的應用實例，并簡單介紹了其發展的趨勢。

關鍵詞：快速成型；CAD；3D打印；應用狀況

中圖分類號：TH122

能源是現代經濟社會發展的重要支撐，是人類社會生存和長期發展的重要基礎，對經濟和社會快速穩步發展起著不可或缺的重要推動作用[1]。隨著“中國制造2025”和工業4.0的提出，制造業在節能減排方面進行了革新，許多包括快速成型制造技術在內的先進制造技術在新的發展環境中得到廣泛地應用。本文結合相關文獻的內容，將系統地介紹快速成型技術的基本原理及應用狀況，結合具體案例分析其實現過程，并簡單介紹其發展趨勢，為相關學者的研究提供參考。

快速成型技術（Rapid Prototyping Technology， RPT）是一種基于材料堆積法的先進制造技術，誕生于20世紀80年代后期，在21世紀隨著大量的研究與應用得到飛速的發展。它集機械工程、CAD、逆向工程技術、分層制造技術等多項技術與學科于一體。快速成型設備可以直接、快速、精確地把設計構想或設計方案通過模型建立、近似處理和切片處理等過程轉變為實際的零件原型或者直接制造零件，為零件的原型制作和設計構想的校驗等方面提供了一種高效低成本的實現手段，彌補了傳統制造方法的不足[1-3]。

1 快速成型原理及處理過程

1.1 快速成型原理

快速成型技術的基本想法是：把所有零件的三維模型看作是由許多等厚度的二維平面層輪廓沿某一方向疊加而成的，即把零件三維模型劃分為一層層的二維平面。因此根據零件的三維模型，首先在CAD軟件里將模型進行近似處理，然后到快速成型系統輔助軟件中將近似處理后的模型進行分層切片，得到各層截面的輪廓，按照這些輪廓，激光束選擇性一層層地切割原材料，或固化一層層的液態樹脂，燒結一層層的粉末材料，或噴射源選擇性地噴射一層層的粘接劑或熱熔材料等，形成各截面輪廓并逐步沿著加工方向堆積疊加成三維實體[3，4]。對于大部分的快速成型設備，其實質都是把零件看成一層層的平面輪廓堆疊而成。

1.2 快速成型的過程及其前處理

快速成型的基本原理是基于“離散—堆積”方法，即“分層制造，逐層疊加”[3]。快速成型制造的核心是模型的離散化處理和堆積加工[1]。快速成型的具體過程包括：前處理（即零件三維模型的建立、近似處理、切片處理等） 、分層疊加成型（截面輪廓的制造與堆積） 和后處理（表面處理等）。

1.2.1 數據準備

（1）三維模型建立。快速成型首先是快速成型系統的輔助軟件中將產品或零件的三維模型進行切片處理，所以三維模型的建立至關重要，是快速成型制造的基礎。三維模型的建立是將產品的結構數據信息輸入到計算機中生成三維模型的過程。常用的三維建模方法有以下兩種：一是利用利用CAD軟件進行建模，設計人員根據產品的設計要求（結構尺寸等）在具體建模軟件中設計三維模型；另一種是對具體實物進行數字化處理，通過相關工具或手段將食物信息數據轉化為快速成型系統可以識別的數據。

（2）三維模型的近似處理。快速成型系統無法直接識別零件的三維模型，在使用快速成型系統加工零件時必須將三維模型進行相關的處理。目前最常見的三維模型近似處理方法是用一系列的小三角形平面來逼近自由曲面。在實際處理過程，根據曲面的形狀選擇合適的三角形的大小，從而保證不同曲面的近似精度。經過近似處理的三維模型文件稱為STL格式文件，其中三維模型被劃分為一系列相連的空間三角形。典型的CAD軟件都有轉換和輸出STL格式文件的接口，例如在SolidWorks中，可以將三維模型另存為*.stl格式文件。

（3）三維模型的切片處理。快速成型制造是根據零件的截面輪廓進行堆積疊加，在進行快速加工前必須從近似處理后的三維模型上沿設定的成型高度方向，每隔一定的間隔高度進行切片處理，提取零件的截面輪廓，這個過程即為切片處理。間隔高度的大小可以根據被加工零件的精度和生產率的要求選定，間隔愈小，精度愈高，但成型時間也就愈長；間隔的范圍一般取在0. 05～0.5 mm之間，常用為0.1mm左右。切片的間隔高度選定之后，成型時每層的零件輪廓厚度也就被確定，即每層材料厚度等于間隔高度。

1.2.2 截面輪廓的制造

快速成型系統的成型頭（激光頭或噴頭）在x-y平面內自動地按切片的截面輪廓形狀進行運動，切割或者噴涂材料，得到具有設定的間隔高度的截面輪廓層。在一層截面成型完成后，系統將新一層的材料送到已成型的截面上，然后進行新一層輪廓的成型，經過多次成型，截面輪廓逐步堆積疊合在一起，最終形成三維實體產品。

2 快速成型技術應用現狀

目前，越來越多的快速成型技術被投入到實際應用中，其獨特的加工模式縮短了制造商的產品開發周期，滿足市場變化的需要。主要包括以下幾個方面[5]：

（1）產品設計和功能驗證。通過快速成型技術可以快速制作新產品的物理模型，以驗證設計人員的設計構思，發現產品設計中存在的具體問題，及時解決，提高零件的設計效率。相對于傳統的方法，該技術更加高效，降低產品的開發成本。

（2）非功能性樣品制作。在新產品正式投產之前或按照定單制造時，通過快速成型制作產品的樣本，縮短產品與客戶的見面時間，為企業贏得客戶關注。

（3）快速模具制造。隨著快速成型技術的發展，其廣泛應用于模具制造。通常利用快速成型技術進行間接制模和直接制模。

3 快速成型技術應用實例

基于快速成型技術，本文運用MakerBot 3D打印機，完成了小車零部件滑輪支架的制作。本文的零件三維模型采用SolidWorks 2013進行建模，根據具體設計要求制作的滑輪支架三維模型如圖1所示。利用MakerBot 3D打印機機制作滑輪支架的過程可分為三個步驟：數據準備、快速成型制作及后處理。

（1）數據準備。包括三維模型的設計、STL數據的轉換、制作方向的選擇、分層切片處理以及支撐設置等過程。首先在SolidWorks中將建立好的三維模型轉化為STL格式文件。MakerBot 3D打印機的前處理軟件MakerWare可自動識別二進制與ASCII碼形式的STL文件。MakerWare通過加載STL文件后將其轉化為X3G文件。將X3G文件導入MakerWare中，設定零件加工的方向，如圖2所示。根據零件加工的時間以及制造出的零件的可用性要求選擇零件支撐；同時設置加工參數，包括填充度（Infill）、層高（Layer Height）以及噴嘴溫度。在滿足強度和剛度要求下，盡量減小填充度和增大層高，可以節省材料以及加工時間，本例中填充度為10%，層高為0.2mm，在軟件中進行數據處理如圖3所示。最后將X3G文件拷貝至MakerBot 3D打印機中等待加工。

（2）快速成型制作。快速成型制作是將制作數據（本例中的X3G文件）傳輸到快速成型機中，快速成型制造出零件的過程，它是快速成型技術的核心。本例將打印機機中的Extruder為230℃左右，在軟件中進行的模擬加工操作效果如圖3和4所示。

（3）后處理。滑輪支架成型完后升出工作臺，取出制作完成的零件。為了獲得一個表面質量與機械性能更優的零件，需要對工件進行輔助工藝處理，包括零件的清洗、去除支撐、固化處理、打磨、表面噴漆等。

4 快速成型技術發展趨勢

目前，快速成型技術的研究主要集中在其基本理論、新型成型方法（如增材制造）、新型材料的研發、新型制模技術、金屬零件直接成型和工程應用，同時還追求生產效率高，制造精度高，可靠性高，設備安裝外設化、操作智能化。具體有以下幾點：

（1）直接成型。在未來的實際應用中，快速成型技術將廣泛用于金屬零件直接加工成型，即工用快速成型技術。三維模型經過前處理后，通過快速成型系統直接加工成型，例如增材制造。

（2）不同制造目標相對獨立發展。快速成型制造主要應用于概念設計校驗、模具制造、功能測試及功能零件制造。但不同制造目標的發展呈現出相對獨立的發展。

（3）向大型制造與微型制造發展。由于大型模具和微型制造的制造難度大和快速成型制造在模具制造方面的具有獨特的優勢，未來快速成型技術將廣泛應用于大型制造和微型制造發展。

5 結論

隨著智能制造相關概念的提出，快速成型技術在新的形勢下得到了空前的發展。憑借其應用方便，縮短產品開發時間，節省產品開發成本的有點，彌補了傳統制造方法的不足。快速成型技術作為新型先進制造技術，為了更加廣泛的應用于各行各業，我們還需要就基本理論、實際應用等方面投入大量研究和開發。未來，快速成型技術將促進相關技術、行業等發展，結合其使用將成為制造業發展的趨勢。

參考文獻：

[1]張海龍.中國新能源發展研究[D].吉林大學，2014.

[2]尹希猛，王運贛.快速成型技術：90年代新的造型工具[J].中國機械工程， 1993（6）：25-27.

[3]李春祥，彭淑慧，謝鵬壽，等.快速成型技術原理及應用[J]. 蘭州理工大學學報， 2000， 26（3）：89-92.

[4]張曙.現代先進制造的潮流快速成型技術的歷史、現狀和展望[J].快速制造技術，2000 （1） ： 7-10.

[5]夏鵬，王丞，馬明亮.快速成型技術應用現狀及發展趨勢[J].九江學院學報（社會科學版）， 2008， 27（3）：55-58.

作者簡介：伍泓宇（2000-），重慶市第八中學2018級7班。