摘 要：快速原型是技术是激光技术、计算机技术、数控技术、材料科学、机械工程技术的集成。该文介绍了快速原型技术的原理、其主要的工艺种类光固化立体造型（SLA）、分层实体制造（LOM）、选择性激光烧结（SLS）、熔融沉积制造（FDM）的研究现状，探讨了该技术现在所面临的问题。
关键词：快速原型 研究现状 存在问题 SLA LOM SLS FDM
中图分类号：TG24 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）01（a）-00-02
快速成型技术，也称为快速原型（Rapid prototyping，RP）技术，是20世纪70年代末到80年代初产生的一种新型制造技术，它基于“离散/堆积”增材制造原理，和常规的去材制造不同，采用逐层累加制造的方法完成任意复杂零部件或实体的制作，又被称为分层制造技术和自由实体制造技术，是先进制造技术的重要组成部分[1]。
1 快速原型的原理
RP是基于离散/堆积成形的数字化制造技术，它集成了激光、计算机、数控、精密伺服驱动、新材料等各种高新技术。通过离散，将复杂的三维形体进行降维处理；通过堆积使二维层片结合成复杂的三维实体。其基本过程是：首先设计出所需零件的计算机三维模型（数字模型、CAD模型），然后将CAD模型转化为STL文件格式，用分层软件将计算机三维实体模型在高度方向离散为一系列具有一定厚度、一定形状的薄片，最后在计算机控制下有选择的固化或粘结某一区域的材料，从而形成零件实体的一个层面，并逐渐堆积生成对应原型[2]。
2 快速原型技术的研究现状
目前快速原型技术的工艺方法已经有几十种，并且新工艺、新方法还在不断出现，按成型核心工具不同，RP系统可以分为两大类：基于激光技术（光固化立体造型SLA，分层实体制造LOM，选择性激光烧结SLS）和基于微滴技术（熔融沉积制造FDM，三维印刷3DP，实体磨削固化SGC、多项喷射沉积MJD等）的RP技术，但商品化较好的主要还是SLA，LOM，SLS，FDM，下面仅就他们的研究现状做一下介绍：
（1）光固化立体造型（SLA）以光敏树脂为原料，在加工过程中，工作台表面浸在液体的光敏树脂中，一定功率的光照到光敏树脂表面，通过光聚合反应导致固化，一层固化完成后，工作台下降一定高度，重新覆盖一薄层树脂材料，光照固化新层。如此反复，直到零件生成。SLA是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种RP技术，其成型工艺稳定，成型精度可达0.1 mm，表面质量较好，可直接制造精细零件和塑料件，制件为透明体。但其自身也存在局限性：SLA设备昂贵，光敏树脂价高，并且通常用的树脂都是热固性的光敏树脂，不能多次加热融化。SLA法适合于制作中小型工件，其制作原型的效果可达到机磨加工的表面效果，能直接得到树脂或类似工程塑料的产品。
（2）分层实体制造（LOM）采用薄片材料如纸、金属箔、塑料薄膜等，由计算机控制光束，按模型每层的内外轮廓线切割薄层材料，得到该层的平面形状，并逐层堆放成零件原型，在堆放时，层与层制件以粘结剂粘牢，因此成型件无内应力，无变形，成型速度快，不需支撑，制件精度高。但LOM不能直接制作塑料制品，原型的抗拉强度和弹性也不够理想，成型后的原型件应尽快做防潮处理。LOM法适用于制作结构简单的中大型原型，特别适合于直接制作砂型铸造模。
（3）选择性激光烧结（SLS）选用各种粉末材作为烧结材料，通过激光的选择性扫描使粉末表面局部或部分融化，融化的液体在冷却凝固过程中使粉末颗粒相互连接，从而完成单一层面的加工，烧完一层，基体下移一个厚度，新铺一层粉末进行新层烧结，此过程反复进行直至生成三维实体，完成后去掉未烧结的粉末，即得到成型件。SLS成型材料品种多，用料节省，成型件性能分布广泛。SLS的缺点是：制品易变形，需预热和冷却，成型过程有毒气体和粉尘，污染环境。
（4）熔融沉积制造（FDM）采用热熔喷头，使半流动状态的材料流体按模型分层数据控制的路径挤压出来，并在指定的位置沉积、凝固成型，这样逐层沉积、凝固后形成整个原型，该方法加工没有粉末，总体误差约为0.5μm，制件性能相当于工程塑料或蜡模，目前热塑性工件的制作接近成熟。熔融沉积快速成型应用于汽车、机械.电子，玩具等产品的设计开发。
3 快速原型技术在今后发展中面临的问题
目前RP技术还是面临着很多问题，问题大多来自技术本身的发展水平，其中最突出的表现在如下几个方面。
3.1 工艺问题
快速原型的基础是分层叠加原理，然而，用什么材料进行分层叠加，以及如何进行分层叠加却大有研究价值。因此，除了上述常见的分层叠加成形法之外，正在研究、开发一些新的分层叠加成形法，以便进一步改善制件的性能，提高成形精度和成形效率。
3.2 材料问题
成型材料研究一直都是一个热点问题，快速成型材料性能要满足：①有利于快速精确的加工出原型；②用于快速原型系统直接制造功能件的材料要接近零件最终用途对强度、刚度、耐潮、热稳定性等要求；③有利于快速制模的后续处理。发展全新的RP材料，特别是复合材料，例如纳米材料、非均质材料、其他方法难以制作的材料等仍是努力的方向。
3.3 精度问题
目前，快数成形件的精度一般处于±0.1 mm的水平，高度（Z）方向的精度更是如此。快速成型技术的基本原理决定了该工艺难于达到与传统机械加工所具有的表面质量和精度指标，把快速成型的基本成形思想与传统机械加工方法集成，优势互补，是改善快速成型精度的重要方法之一[3]。
3.4 软件问题[4]
目前，快速原型系统使用的分层切片算法都是基于STL文件格式进行转换的，就是用一系列三角网格来近似表示CAD模型的数据文件，而这种数据表示方法存在不少缺陷，如三角网格会出现一些空隙而造成数据丢失，还有由于平面分层所造成的台阶效应，也降低了零件表面质量和成形精度，目前，应着力开发新的模型切片方法，如基于特征的模型直接切片法、曲面分层法，即：不进行STL格式文件转换，直接对CAD模型进行切片处理，得到模型的各个截面轮廓，或利用反求工程得到的逐层切片数据直接驱动快速原型系统，从而减少三角面近似产生的误差，提高成形精度和速度。
3.5 能源问题
当前快速原型技术所采用的能源有光能、热能、化学能、机械能等。在能源密度、能源控制的精细性、成型加工质量等方面均需进一步提高。
3.6 应用领域问题
目前快速成型现有技术的应用领域主要在于新产品开发，主要作用是缩短开发周期，尽快取得市场反馈的效果。
由于快速原型技术的巨大吸引力，现在，不仅工业界对其十分重视，而且许多其他的行业都纷纷致力于它的应用和推广，在其技术向更高精度与更优的材质性能方向取得进展后.可以考虑加入生物医学、考古、文物、艺术设计、建筑成型等多个领域的应用，形成高效率、高质量、高精度的复制工艺体系。
4 结语
快速成型技术是一种新兴技术，它使得制造技术产生了一次质的飞跃，其从成形原理上提出了一种全新的思维模式，将许多先进技术集于一身，此技术有很好的发展前景，通过不断完善与发展，值得我们对其进行广泛的研究、开发和应用，为我国制造业早日进入世界制造业前列做出更大的贡献。
参考文献
[1]王广春.快速原型技术及应用[M].化学工业出版社，2006.
[2]范春华.快速成型技术及其应用[M]，电子工业出版社，2009.
[3]彭安华，张剑锋，王其兵.提高快速原型制件精度方法研究[J].热加工工艺，2008，37（5）.
[4]徐人平.快速原型技术与快速设计开发[M].化学工业出版社，2008.