什么是快速原型制造技术？

随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈，产品的开发速度日益成为竞争的主要矛盾。在这种情况下，自主快速产品开发（快速设计和快速工模具）的能力成为制造业全球竞争的实力基础。同时，制造业为满足日益变化的用户需求，又要求制造技术有较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产，而不增加产品的成本。因此，产品开发的速度和制造技术的柔性就变得十分关键了。

快速原型制造技术（RPM, Rapid Prototyping Manufacturing）就是在这种社会背景下，于20世纪80年代后期产生于美国并很快扩展到日本及欧洲，是近年来制造技术领域的一项重大突破。

1　快速原型制造技术的原理

快速原型制造技术是集材料成形、CAD、数控、激光等技术为一体的综合技术，是实现从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术。

快速原型制造技术的基本原理是：在没有任何模具、刀具和工装的条件下，根据三维CAD模型的分层数据，对材料进行堆积（或叠加），快速地制造出任意复杂程度的产品原型或零件的一种数字化成形技术，如图2-65所示。快速原型制造主要包括以下四部分：

（1）零件CAD数据模型的构建。构建三维CAD数据模型的方法有两种：①基于构思的三维造型。设计人员应用各种三维CAD造型系统，如Pro/E、UG、Solidworks等进行零件的三维实体造型，即将设计人员所构思的零件概念模型转变为三维CAD数据模型。②基于实体数据的三维造型。设计人员通过三坐标测量机、激光扫描仪、核磁***振图像、实体影像等方法对三维实体进行反求、计算并建立三维模型。

（2）数据转换文件的生成。由三维造型系统将零件CAD数据模型转换成一种可被快速成型系统接受的数据文件，如STL、IGES等格式文件。STL文件是对三维实体内外表面进行离散化后形成的文件，STL文件易于进行模型的分层切片处理，故已成为目前绝大多数快速成型系统所接受的文件格式。目前所有CAD造型系统也均具有对三维实体输出STL文件的功能。

图2-65　RPM技术原理

（3）模型的分层切片。将三维实体模型沿给定的方向（一般沿z轴）切成一个个二维薄片，即进行离散化。可以根据快速成型系统的成形精度选择薄片的厚度，如0.05～0.5mm。

（4）快速堆积成型。以平面加工方式有序地连续叠加，得到三维实体。随着RPM技术的发展和人们对该项技术认识的深入，它的内涵也在逐步扩大。目前快速原型技术包括一切由CAD直接驱动的成型过程，而主要的技术特征就是成型的快捷性。对于材料的转移形式可以是自由添加、去除以及添加和去除相结合等形式。

PRM技术的具体工艺有30余种，其中分层实体制造（LOM）、选择性激光烧结（SLS）、熔融沉积造型（FDM）、立体光刻（SAL）在技术上最为成熟，并已得到很好商品化的方法。

下面以熔融沉积造型（FDM）为例介绍其工艺方法。

2　熔融沉积造型的工艺方法

熔融沉积造型（FDM, Fused Deposition Modeling）是根据CAD模型确定的几何信息，丝状材料由送丝机构送进喷头，并在喷头内采用一个加热器将丝状材料加热成半流动状态。喷头在计算机的控制下根据片层参数沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时挤压并控制流量，使黏稠流体均匀地铺撒在断面层上，一层层堆积，从而制造出零件原型。其工作原理如图2-66所示，图2-67是利用熔融沉积造型原理图的3D打印机外形，图2-68是熔融沉积造型的作品，熔融沉积造型所采用的材料有ABS工程塑料、蜡、聚乙烯、聚丙烯、陶瓷和尼龙等。

图2-66　熔融沉积造型原理图

图2-67　3D打印机外形

图2-68　FDM的作品