快速成型技术：用于制作塑料制品的高效方案

快速成型技术，英文简称为RP成型技术，它是用于快速制作塑料制品样件的技术。常规情况下，制作塑料制品需用多种机床设备和模具，既费时，又费钱。当企业要开发新的制品或仿制塑料制品时，都希望尽快地制造出几个样件，以便测试性能和征求用户意见，以最快的速度定型并投放市场。尤其在市场经济的条件下，产品更新的速度十分惊人。在这种背景下，人们研究开发了一系列快速成型技术。

快速成型是一项专业性很强的技术，具体形式有很多，各自均有独特的工艺和专用设备。目前国内外均有专业的公司生产不同的专业设备并承揽加工业务。本书仅介绍各种技术的简单原理和应用。

虽然快速成型技术有多种，但其基本原理是相通的，都是将计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数字控制（CNC）、激光技术、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体的集成技术。具体的过程是通过CAD或原样扫描测绘等方法在计算机上构成设计制品的三维设计模型，然后像拍CT片子一样，沿着制品立体模型对其作一层层的分层切片，即可得到连贯的各个截面的二维轮廓图形的数据，然后采用不同的成型方法按每层二维轮廓的数据，顺序加工出各层截面的切片实体。由于各截面是连贯的，所以各截面叠加起来即可制成三维制品。

不同的切片加工方法和不同的截面截取和叠加的形式即形成了各种成型方法。

1.液态光敏聚合物固化成型技术

该技术简称为SLA，又称为立体印刷技术，是技术最成熟、应用最广泛的一种快速成型方法。其工作原理如下：

成型设备下方设置光敏塑料配方料的溶液槽，槽内有可按计算机指令上下升降的工作台，设备上方设置激光发射装置，按计算机的指令可进行纵横移动。工作开始时工作台下降规定的距离（即一层切片的厚度），使光敏树脂液面高于台面一定厚度层（通常为0.125～0.75mm），激光头按指令做纵横扫描运动，定位精度为0.008mm，重复精度为0.13mm，光敏液在激光束（光斑直径一般为0.05～3mm）作用下发生聚合固化，形成第一层切片的固态截面轮廓；接着工作台又按指令下降一定距离，新铺了第二层光敏液，激光头移动即形成与第一层切片相粘合的第二层切片截面轮廓。如此重复即可制成整个主体形状的制品。

这种方法常用于制作环氧树脂、丙烯酸树脂等热固性树脂制品，树脂均为专用配方料，价格较高，激光器多数采用紫外光束。目前，美国3DSYSTEMS公司、EDS公司、F&S公司、D-MEC公司及国内的西安交通大学等单位均有系列快速成型机产品。这些设备不需要用专用的工模具及加工设备即可快速地设计和制造各种复杂和不规则形状的样品，并可进行小批量生产，还可加工小批量生产样品用的模型、模板和模具。

2.薄型材料切割快速成型技术

该工艺简称为LOM，其工作原理是采用复合纸材为加工原料，用激光切割截面切片，并粘结构成立体制品。LOM成型机由送料机构、热合机构、激光切割系统、可升降工作台系统及数控系统组成。工作中各机构的动作程序，运动路线、起止位置等工作参数都由计算机控制自动操作。

首先采用CAD设计三维模型，并进行截面切片，数字化后储存起来，在后续工作过程中依次顺序向各机构发出起止指令。

工作开始时由送纸机构，将纸送至工作台面上方，纸材为涂覆热熔树脂的复合材料，厚度为0.025～0.125mm（又称涂敷纸），然后工作台上升与纸面紧贴，纸张受张力作用平整地铺在工作台上，激光头在计算机指令下切割第一层切片截面轮廓线，完成切割后工作台下降一个料厚的高度，送料机构送入第二层纸料，然后进行两层料的热粘合，激光头进行第二层轮廓切割，只要调整好激光器输出功率，在切割第二层材料时不会对前一层的材料有任何损伤。如此重复操作，最终可制成与设计原型一样的三维制品。这种工艺成型效率高，纸材成本低，宜用作加工中、大型制品；制品精度在0.1～0.2mm，最小壁厚可达0.3～0.5mm；经处理表面后，制品表面光滑，坚如硬木，水平面硬度为18HRR，垂直面硬度为100HRR；用于加工制品及精密母模等零件均取得较好效果。国外主要厂商有美国HELISYS公司、日本KIRA公司和新加坡KINERGY公司等。国内有清华大学SSM系列、华中理工大学的HRP系列，上海富奇凡机电科技发展公司的SPEEDA系列等。

3.丝状材料熔覆成型技术

该工艺简称FDM，它利用ABS、尼龙、石蜡、热塑性聚酯、MABS、聚烯烃等塑料的丝料，加热到熔粘状态，在计算机指令指挥下沿切片截面轮廓线做平面运动，沿轮廓线每绕一圈后，喷丝头自动位移丝径距离，继续再绕下一圈，各圈之间的丝料互相熔接冷却成一体，待绕完第一层截面宽度后，喷丝头自动上升一个丝径距离，熔丝按指令，沿第二层切片的截面轮廓再绕第二层，上下层间的熔丝可以是对齐熔叠，或叉开熔叠，不管如何堆叠，熔丝间粘结、冷却后均可粘结成一个整体。如此重复熔覆，直至达到第一层切片指令后，则再按第二层切片指令熔烧，最终可制成三维制品。

上述这些工作都是由设置在设备上方的供丝机构、工频加热熔丝装置、挤压移动喷头及三维伺服驱动机构组成的主机来完成的。设置在下方的工作台用作安装制品的基座，对有些悬臂结构的制品，其下面必须有支撑。支撑所用的材料也可与制件材料相同或不同。成型支撑件也可由设备支撑软件自动完成。成型精度在±0.1～±0.13mm。由于成型制品选用ABS等材料，因此制品可供力学、耐热性及耐蚀性等功能试验，也可进行钻削、攻螺纹等机械加工，可快速成型各种复杂形状中小型尺寸的样品、模型，还可和CT扫描数据制作人体骨骼的复制品，如下颌骨、关节等，可预先制作代用品供移植置换。但这种成型方法由于熔丝间有间隙，丝径不均匀，每圈熔丝接头部位易发生缺料或过剩，表面有阶梯形等缺陷，需要表面修整并精确地计算喷头移动、起止的程序。

目前，国外主要生产商有美国STRATASYS公司、MED公司、MODELER公司，新加坡KINERGY公司等。国内有清华大学激光快速成型中心等。

4.粉末材料激光烧结成型(www.xing528.com)

该工艺简称为SLS，其设备下方有由工作台、粉末箱及送给机构、铺粉辊筒等组成的工作室，工作室内在工作时充入氮气类惰性保护气体，设备上方设有可沿x、y轴移动的激光器扫描装置。工作时工作台按指令下降到第一层切片截面厚度，铺粉辊筒在工作台上铺设切片厚度的一层粉料，然后激光器发射激光（通常用CO₂激光器或Nd：YAG激光器），并按指令沿切片截面实体部分轮廓进行扫描移动，将粉料熔化并互相粘结，自行冷凝制得第一层切片截面，而周边的粉末仍为无熔结的松散料可围着熔结层作为支撑；转下一程序时工作台下降一切片厚度继续铺料、扫描熔结，即得第二层切片截面实体。依此类推即可制得三维制品。该工艺可成型各种材料的制品、模型和模具。其常用粉料（直径一般为50～125μm）有PA、PC、丙烯酸共聚物、PVC、PA（50%玻璃微珠，质量分数）、弹性体聚合物等粉料，以及陶瓷与金属粘结混合粉料、不锈钢粉、热固性树脂混合物，其他金属粉等专用配方料；材料成型收缩率在2%～4%；激光扫描器定位精度为±0.04mm左右，制品精度（小件）在x、y、z方向均为±1.27mm左右，最小为±0.2mm；制品表面较疏松、粗糙，但有些专用粉料，如Dura Form GF、Rapid Tool2.0等材料也可达到光洁光滑和较高精度的水平，甚至几乎不需抛光；SLS制件具有较好的机械加工性能，可供铣削、钻削、攻螺纹等，粘结性较好；制品轮廓清晰度较好，加工时有未熔粉末作支撑，故无需专门的支撑。

由于可采用各种材料，所以制品可直接用作功能试验，以验证各种性能指标。SLS工艺除了制作样件外，还可制造各种复杂形状的零件，如汽车上的蛇形管、密封垫等。此外，还可用于制作模型、模具，如精密铸造的可熔模芯、不锈钢粉熔结的注射模、用陶瓷或金属与粘结剂混合粉可制作的陶瓷或金属模具等。

目前国外主要生产商有美国的DTM公司、EOS公司、ATI公司、3D SYSTEMS公司，德国的EOSINT公司等；国内的有北京隆源公司、华中科技大学、南京航空航天大学等。

5.低价位的快速成型机

快速成型机按其成型制品的用途可分为概念型、生产型、专用型三种类型。概念型设备加工的制品仅用于验证产品设计、测试或装配等，如校验结构、装配、色彩等外观设计。生产型设备是指成型的制品或模型、模具直接用于产品制造。这类设备和用料的价格都较高，材料性能要求高，速度快，精度需满足产品零件的要求。专用型设备是指专用于完成特定成型项目的设备。这些设备的特点是可成型任意复杂的形状，在生物医学领域中应用较多，如复制骨组织支架等。

由于生产型、专用型设备及材料价格较高，所以各供应商开发了许多低价位的成型机。它们具有体积小，操作维护简便，噪声及污染少，成型速度快，价格便宜、对环境无特别要求等优点，可像复印机一样在办公室内制作样件，以便进行外观、设计及装配的检证和修改。但设备的精度稍逊于生产机。

低价位快速成型机的品种很多，多数机是利用彩色三维打印机式的工作原理，即将热塑性塑料粉末树脂，按指令熔喷在工作台上绘制一层层各种轮廓形状的切片，并使其相叠组成三维样品。ProMetal公司的RTS-300机型还可以利用在金属粉末上喷粘结剂的方法制作金属粉末零件。

目前，国外产品有美国3D SYSTEMS公司的Ther-mo Jet机型。OBJECT GEOMETRIES公司的Object Quedra型（采用光敏树脂，紫外线照射固化）、ZCor-po-Ration公司的Z系列机型等。国内的有上海同济大学现代制造技术研究所开发的TSJ系列机型等。

6.其他快速成型样件方法

（1）快速制造成型模具 在模具设计及制造专业书刊中介绍有许多快速制模法，如硅橡胶浇注模、低熔点合金模、喷涂或电铸金属壳模，简易结构模等，都可以帮助快速制作模具来实现快速制作塑料样件的目的。

（2）机加工样件 这是指利用塑料型材或部分金属材料，采用车、铣、锯、钻等机械加工及钳工修配等方法来制作样件，复杂样件也可分解加工成若干个组件，然后采用焊接、粘接或机械连接方法将其组合成整体。对于有些大型样品也可采用手糊、喷涂等工艺制作样品。此外，为了仅供设计或模具制作人员提供样品外观信息时，也常用结构泡沫塑料制作仿真样品的方法等。

（3）样品的表面修饰 上述各种快速成型方法加工的样品，其外观及色彩往往不能满足市场展示的要求，需要再次进行表面装饰加工。通常采用表面打磨、抛光（或亚光处理）等方法进行表面光滑，平整修整处理后，再进行喷漆着色。喷漆前一般先喷密封漆以保护热塑性塑料样品表面不受溶剂侵蚀，然后喷着色漆，最后再喷清漆。关于样品的表面质量标准，美国塑料工业协会及塑料工程师协会分别制订了SPI标准及SPE标准，相关数据见表3-2。

表3-2 采用手工修整技术模拟注塑产品的外观

在此必须指出，如此着色的样品色彩效果与实际生产制品是有区别的，因此设计者必须考虑调整色彩的余地。