浅谈快速成型技术研究现状及其发展趋势

摘 要：快速成型技术又称快速原型制造技术，是现代先进制造技术的重要组成部分。快速成型设备可以直接、快速、精确地把设计构想或设计方案通过模型建立、近似处理和切片处理等过程转变为实际的零件原型或者直接制造零件，为零件的原型制作和设计构想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段，弥补了传统制造方法的不足。本文依据当前相关文献的内容系统地介绍快速成型的基本原理及应用状况，给出了一个基于3D打印机的应用实例，并简单介绍了其发展的趋势。

关键词：快速成型；CAD；3D打印；应用状况

中图分类号：TH122

能源是现代经济社会发展的重要支撑，是人类社会生存和长期发展的重要基础，对经济和社会快速稳步发展起着不可或缺的重要推动作用[1]。随着“中国制造2025”和工业4.0的提出，制造业在节能减排方面进行了革新，许多包括快速成型制造技术在内的先进制造技术在新的发展环境中得到广泛地应用。本文结合相关文献的内容，将系统地介绍快速成型技术的基本原理及应用状况，结合具体案例分析其实现过程，并简单介绍其发展趋势，为相关学者的研究提供参考。

快速成型技术（Rapid Prototyping Technology， RPT）是一种基于材料堆积法的先进制造技术，诞生于20世纪80年代后期，在21世纪随着大量的研究与应用得到飞速的发展。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术等多项技术与学科于一体。快速成型设备可以直接、快速、精确地把设计构想或设计方案通过模型建立、近似处理和切片处理等过程转变为实际的零件原型或者直接制造零件，为零件的原型制作和设计构想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段，弥补了传统制造方法的不足[1-3]。

1 快速成型原理及处理过程

1.1 快速成型原理

快速成型技术的基本想法是：把所有零件的三维模型看作是由许多等厚度的二维平面层轮廓沿某一方向叠加而成的，即把零件三维模型划分为一层层的二维平面。因此根据零件的三维模型，首先在CAD软件里将模型进行近似处理，然后到快速成型系统辅助软件中将近似处理后的模型进行分层切片，得到各层截面的轮廓，按照这些轮廓，激光束选择性一层层地切割原材料，或固化一层层的液态树脂，烧结一层层的粉末材料，或喷射源选择性地喷射一层层的粘接剂或热熔材料等，形成各截面轮廓并逐步沿着加工方向堆积叠加成三维实体[3，4]。对于大部分的快速成型设备，其实质都是把零件看成一层层的平面轮廓堆叠而成。

1.2 快速成型的过程及其前处理

快速成型的基本原理是基于“离散—堆积”方法，即“分层制造，逐层叠加”[3]。快速成型制造的核心是模型的离散化处理和堆积加工[1]。快速成型的具体过程包括：前处理（即零件三维模型的建立、近似处理、切片处理等） 、分层叠加成型（截面轮廓的制造与堆积） 和后处理（表面处理等）。

1.2.1 数据准备

（1）三维模型建立。快速成型首先是快速成型系统的辅助软件中将产品或零件的三维模型进行切片处理，所以三维模型的建立至关重要，是快速成型制造的基础。三维模型的建立是将产品的结构数据信息输入到计算机中生成三维模型的过程。常用的三维建模方法有以下两种：一是利用利用CAD软件进行建模，设计人员根据产品的设计要求（结构尺寸等）在具体建模软件中设计三维模型；另一种是对具体实物进行数字化处理，通过相关工具或手段将食物信息数据转化为快速成型系统可以识别的数据。

（2）三维模型的近似处理。快速成型系统无法直接识别零件的三维模型，在使用快速成型系统加工零件时必须将三维模型进行相关的处理。目前最常见的三维模型近似处理方法是用一系列的小三角形平面来逼近自由曲面。在实际处理过程，根据曲面的形状选择合适的三角形的大小，从而保证不同曲面的近似精度。经过近似处理的三维模型文件称为STL格式文件，其中三維模型被划分为一系列相连的空间三角形。典型的CAD软件都有转换和输出STL格式文件的接口，例如在SolidWorks中，可以将三维模型另存为*.stl格式文件。

（3）三维模型的切片处理。快速成型制造是根据零件的截面轮廓进行堆积叠加，在进行快速加工前必须从近似处理后的三维模型上沿设定的成型高度方向，每隔一定的间隔高度进行切片处理，提取零件的截面轮廓，这个过程即为切片处理。间隔高度的大小可以根据被加工零件的精度和生产率的要求选定，间隔愈小，精度愈高，但成型时间也就愈长；间隔的范围一般取在0. 05～0.5 mm之间，常用为0.1mm左右。切片的间隔高度选定之后，成型时每层的零件轮廓厚度也就被确定，即每层材料厚度等于间隔高度。

1.2.2 截面轮廓的制造

快速成型系统的成型头（激光头或喷头）在x-y平面内自动地按切片的截面轮廓形状进行运动，切割或者喷涂材料，得到具有设定的间隔高度的截面轮廓层。在一层截面成型完成后，系统将新一层的材料送到已成型的截面上，然后进行新一层轮廓的成型，经过多次成型，截面轮廓逐步堆积叠合在一起，最终形成三维实体产品。

2 快速成型技术应用现状

目前，越来越多的快速成型技术被投入到实际应用中，其独特的加工模式缩短了制造商的产品开发周期，满足市场变化的需要。主要包括以下几个方面[5]：

（1）产品设计和功能验证。通过快速成型技术可以快速制作新产品的物理模型，以验证设计人员的设计构思，发现产品设计中存在的具体问题，及时解决，提高零件的设计效率。相对于传统的方法，该技术更加高效，降低产品的开发成本。

（2）非功能性样品制作。在新产品正式投产之前或按照定单制造时，通过快速成型制作产品的样本，缩短产品与客户的见面时间，为企业赢得客户关注。

（3）快速模具制造。随着快速成型技术的发展，其广泛应用于模具制造。通常利用快速成型技术进行间接制模和直接制模。

3 快速成型技术应用实例

基于快速成型技术，本文运用MakerBot 3D打印机，完成了小车零部件滑轮支架的制作。本文的零件三维模型采用SolidWorks 2013进行建模，根据具体设计要求制作的滑轮支架三维模型如图1所示。利用MakerBot 3D打印机机制作滑轮支架的过程可分为三个步骤：数据准备、快速成型制作及后处理。

（1）数据准备。包括三维模型的设计、STL数据的转换、制作方向的选择、分层切片处理以及支撑设置等过程。首先在SolidWorks中将建立好的三维模型转化为STL格式文件。MakerBot 3D打印机的前处理软件MakerWare可自动识别二进制与ASCII码形式的STL文件。MakerWare通过加载STL文件后将其转化为X3G文件。将X3G文件导入MakerWare中，设定零件加工的方向，如图2所示。根据零件加工的时间以及制造出的零件的可用性要求选择零件支撑；同时设置加工参数，包括填充度（Infill）、层高（Layer Height）以及喷嘴温度。在满足强度和刚度要求下，尽量减小填充度和增大层高，可以节省材料以及加工时间，本例中填充度为10%，层高为0.2mm，在软件中进行数据处理如图3所示。最后将X3G文件拷贝至MakerBot 3D打印机中等待加工。

（2）快速成型制作。快速成型制作是将制作数据（本例中的X3G文件）传输到快速成型机中，快速成型制造出零件的过程，它是快速成型技术的核心。本例将打印机机中的Extruder为230℃左右，在软件中进行的模拟加工操作效果如图3和4所示。

（3）后处理。滑轮支架成型完后升出工作台，取出制作完成的零件。为了获得一个表面质量与机械性能更优的零件，需要对工件进行辅助工艺处理，包括零件的清洗、去除支撑、固化处理、打磨、表面喷漆等。

4 快速成型技术发展趋势

目前，快速成型技术的研究主要集中在其基本理论、新型成型方法（如增材制造）、新型材料的研发、新型制模技术、金属零件直接成型和工程应用，同时还追求生产效率高，制造精度高，可靠性高，设备安装外设化、操作智能化。具体有以下几点：

（1）直接成型。在未来的实际应用中，快速成型技术将广泛用于金属零件直接加工成型，即工用快速成型技术。三维模型经过前处理后，通过快速成型系统直接加工成型，例如增材制造。

（2）不同制造目标相对独立发展。快速成型制造主要应用于概念设计校验、模具制造、功能测试及功能零件制造。但不同制造目标的发展呈现出相对独立的发展。

（3）向大型制造与微型制造发展。由于大型模具和微型制造的制造难度大和快速成型制造在模具制造方面的具有独特的优势，未来快速成型技术将广泛应用于大型制造和微型制造发展。

5 结论

随着智能制造相关概念的提出，快速成型技术在新的形势下得到了空前的发展。凭借其应用方便，缩短产品开发时间，节省产品开发成本的有点，弥补了传统制造方法的不足。快速成型技术作为新型先进制造技术，为了更加广泛的应用于各行各业，我们还需要就基本理论、实际应用等方面投入大量研究和开发。未来，快速成型技术将促进相关技术、行业等发展，结合其使用将成为制造业发展的趋势。

参考文献：

[1]张海龙.中国新能源发展研究[D].吉林大学，2014.

[2]尹希猛，王運赣.快速成型技术：90年代新的造型工具[J].中国机械工程， 1993（6）：25-27.

[3]李春祥，彭淑慧，谢鹏寿，等.快速成型技术原理及应用[J]. 兰州理工大学学报， 2000， 26（3）：89-92.

[4]张曙.现代先进制造的潮流快速成型技术的历史、现状和展望[J].快速制造技术，2000 （1） ： 7-10.

[5]夏鹏，王丞，马明亮.快速成型技术应用现状及发展趋势[J].九江学院学报（社会科学版）， 2008， 27（3）：55-58.

作者简介：伍泓宇（2000-），重庆市第八中学2018级7班。