快速成型（RP）技術

快速成型（RP）技術簡介 RP技術是80年代後期發展起來的快速成型(Rapid Prototyping簡稱RP)技術，被認為是近年來製造技術領域的一次重大突破，其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。而以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)，快速金屬粉末燒結技術(Quick Powder Sintering)，則可實現零件的快速成品。 RP技術，迴異於傳統的去除成型(如車、削、刨、磨)，拼合成型(如焊接)，或受迫成型(如鑄、鍛，粉末冶金)等加工方法，而是採用基於材料累積製造的思想，把三維立體看成是無數平行的、具有不同形狀的層面的疊加，能快速製造出產晶原型。快速原型製造技術(RP)將計算機輔助設計(CAD)、輔助製造 (CAM)、計算機輔助控制(CHC)、精密伺服驅動和新材料等先進技術集於一體，依據計算機上構成的產品三維設計模型，對其進行分層切片，得到各層截面的輪廓，激光選擇性的切割一層層的紙(或固化一層層的液態樹脂、燒結一層層的粉末材料或熱噴頭選擇快速地熔覆一層層的塑料或選擇性地向粉末材料噴射一層層粘結劑等)，形成各截面輪廓並逐步疊加成三維產品。目前，它已成為現代製造業的支柱技術，是實現並行工程、集成製造技術和技術開發的必不可少的手段之一。與傳統的切削加工方法相比，快速原型加工具有以下優點：(1)可迅速製造出自由曲面和更為複雜形態的零件，如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，大大降低了新產品的開發成本和開發周期。(2)屬非接觸加工，不需要機床切削加工所必需的刀具和夾具，無刀具磨損和切削力影響。　(3)無振動、雜訊和切削廢料。(4)可實現夜間完全自動化生產。(5)加工效率高，能快速製作出產品實體模型及模具。 由於RP技術給工業界帶來巨大的效益。因而，它被譽為近十年來工業界的一項重大(革命性與突破性)的科技發展，1992年以前全世界總共裝機為300台，而到1995年世界裝機為1000台，分布於六大洲的40多個國家，這期間幾乎以每年50%的速度增長。而從1995年到1996年4月，據美國 Dayton國際RP技術研討會上一份報告統計台數增長為40%以上，而在設計開發，製造中使用過RP技術的廠商數目增長率為52%。 用於快速原型製造的材料有：液態光敏樹脂、粉末材料、熱塑性材料和薄片材料等。快速原型製造按成形材料及技術的不同，發展了立體光刻造型法(SL)、粉末燒結法(SIS)、熔化凝結法(FDM)、薄層材料製造法(LOM)、三維印刷法(3DP)、逐層固化法(SGC)。 自美國3D公司1988年推出第一台商品SLA快速成形機以來，已經有十幾種不同的成形系統，其中比較成熟的有SLA、SLS、LOM和FDM等方法。其成形原理分別介紹如下：（1）SLA快速成形系統的成形原理： 成形材料：液態光敏樹脂； 製件性能：相當於工程塑料或蠟模； 主要用途：高精度塑料件、鑄造用蠟模、樣件或模型。（2）SLS快速成形系統的成形原理： 成形材料：工程塑料粉末； 製件性能：相當於工程塑料、蠟模、砂型； 主要用途：塑料件、鑄造用蠟模、樣件或模型。（3）LOM快速成形系統的成形原理： 成形材料：塗敷有熱敏膠的纖維紙； 製件性能：相當於高級木材； 主要用途：快速製造新產品樣件、模型或鑄造用木模。（4）FDM快速成形系統的成形原理： 成形材料：固體絲狀工程塑料； 製件性能：相當於工程塑料或蠟模； 主要用途：塑料件、鑄造用蠟模、樣件或模型。目前激光快速成型技術在製造業中已成熟地應用於以下領域:產品設計評估與校審 RP技術將CAD的設計構想快速、精確、而又經濟地生成可觸摸的物理實體。顯然比將三維的幾何造型展示於二維的屏幕或圖紙上具有更高的直觀性和啟示性。正可謂「一圖值千言，一物值千圖」。因此，設計人員可以更快，更易地發現設計中的錯誤。更重要的是，對成品而言，設計人員可及時體驗其新設計產品的使用舒適性和美學品質。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。有鑒於此，國外常把快速成型系統作為CAD系統的外圍設備，並稱桌上型的快速成型機為「三維實體印刷機(3D Solid printer)」。產品工程功能試驗 在RP系統中使用新型光敏樹脂材料製成的產品零件原型具有足夠的強度，可用於傳熱、流體力學試驗，用某些特殊光敏固化材料製成的模型還具有光彈特性。可用於產品受載應力應變的實驗分析。例如，美國GM在為其97年將推出的某車型開發中，直接使用RP生成的模型進行其車內空調系統、冷卻循環系統及冬用加熱取暖系統的傳熱學試驗，較之以往的同類試驗節省費用40%以上。Chrysler則直接利用RP製造的車體原型進行高速風洞流體動力學試驗，節省成本達 70%。廠家與客戶或訂購商的交流手段 在國外，RP原型成為某些製造廠家爭奪訂單的手段。例如位於Detroit的一家僅組建兩年的製造商，由於裝備了2台不同型號的快速成型機及以此為基礎的快速精鑄技術，僅在接到Ford公司標書後的4個工作日內便生產出了第一個功能樣件，從而在眾多的競爭者中奪到了為Ford公司生產年總產值達300萬美元發動機缸蓋精鑄件的合同；零一方面，客戶總是更樂意對著實物原型「指手劃腳」，提出其對產品的修改意見。因此，RP模型是設計製造商就其產品與客戶交流溝通的最佳手段。快速模具製造 以RP生成的實體模型作模心或模套，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。據一家位於美國Chicago的模具供應商(僅有20名員工)聲稱，其車間在接到客戶CAD設計文件後1周內可提供任意複雜的注塑模具，而實際上80%模具則可在24～48小時內完工。快速直接製造 快速成型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。
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