第三节 快速成型技术的用途

由前面叙述得知，RP技术与传统材料加工技术有本质的区别。它具有以下鲜明的特点：高柔性的数字化制造、技术的高度集成、快速性、所用的材料类型丰富多样，包括树脂、纸、工程蜡、工程塑料(ABS等)、陶瓷粉、金属粉、砂等，可以在航空、机械、家电、建筑、医疗等各个领域应用。此外，RP技术是逐层堆积成型的，因此它有可能在成型的过程中改变成型材料的组分，制造出具有材料梯度的模型产品，这点是其他传统工艺难以做到的，所以也是RP技术与传统工艺相比具有的很大优势之一。

一、快速成型技术的作用

当前，RP技术与快速模具制造技术的出现引起了制造业领域里的一场革命，它不需要借助任何专门的辅助工夹具，就能够直接将三维CAD模型快速地加工制造成为三维实体模型，而产品造价几乎与其外观复杂程度无关。它特别适用于复杂结构零件的快速制造，并且制造柔性极高，随着各种RP技术的进一步发展，零件精度也不断提高。随着RP成型材料种类的增加以及材料性能的不断改进，RP技术的应用领域也在不断扩大，用途也越来越广泛，目前其主要用途可以概括为以下几方面：

(一)使三维设计原形实物化

为提高产品的设计质量，缩短产品的试制周期，RP技术可在数小时或1～2天内就可将设计人员的三维CAD模型直接加工成实体模型样品，从而使设计者、制造者、销售人员和用户都能在很短的时间内对新研发的产品做出评价与修改。

(二)设计者方面

在传统的设计与加工过程中，由于设计者自身的能力有限，不可能在短时间内仅凭产品的使用要求就能把产品各方面的问题都考虑周全并使其结果最优化。虽然在现代制造技术领域中提出了并行工程的方法，即以小组协同工作为基础，通过网络共享数据等信息资源同步考虑产品设计和制造的有关上下游问题，以实现并行设计，但仍然存在着设计与制造周期长、效率低等问题。

借助RP技术，设计者可以在设计的最初阶段就能拿到产品的实物样件，并可在不同阶段快速地修改和再设计，也可以制作出模具和少量的产品以供试验与测试，使设计者在短时间内得到优化结果。因此，RP技术是目前真正能实现并行设计的强有力手段。

(三)制造者方面

制造者在产品制造工艺设计的最初阶段，可通过实物样件快速制作出模具及少量的产品，以便及早地对该产品的工艺设计提出意见和建议，同时做好原材料、标准件、外协加工件、加工工艺和批量生产用模具等准备工作。这样可以减少失误和返工的次数，节省工时，降低成本和提高产品质量。因此，RP技术可以实现基于并行工程的快速生产准备。

(四)推销者方面

推销者在产品的最初阶段能借助于这种实物样品，及早并真实地向用户宣传，征求意见，以便准确、快速地预测出市场需求。因此，RP技术的应用可以显著地降低新产品的销售风险和成本，大大缩短其投放市场的时间并提高竞争力。

(五)用户方面

用户在产品设计的最初阶段就能见到产品的实物样件，使得他们能及早且全面地认识该产品，进行必要的测试并及时反馈意见。因此，RP技术可以在尽可能短的时间内，以最合理的价格得到外观、性能等符合要求的新产品。

(六)产品的性能测试方面

随着RP新型材料的开发，RP系统所制造的产品零件的原型已具备较好的力学性能，可用于传热及流体力学等试验。而用某些特殊光固化材料制作的模型还具有光弹的特性，它可用于零件受载荷下的应力应变分析。例如，克莱斯勒汽车公司对利用RP制作的车体原型进行高速风洞流体动力学试验，仅此项内容就节省开发成本约70％。又如，1997年美国通用汽车公司推出的某一车型，直接使用RP制作的模型进行车内空调系统、冷却循环系统及加热取暖等系统的传热学试验，此项研究与以往的同类试验相比，节省花费约40％。

(七)投标手段方面

RP原型已成为国外某些制造商家争夺订单的重要手段。例如，位于美国Detroit的一家制造公司，由于装备了两台不同型号的RP设备及采用快速精铸技术，只在接到Ford公司标书后的4个工作日内便生产出了第一个功能样件，因而使其在众多的竞争者中中标得到了一个合同，即年总产值达3000万美元的发动机缸盖精铸件合同。

(八)快速制造模具方面

模具的设计与制造过程是一个多环节的复杂过程。由于在实际制造和检测之前，很难保证产品在成型过程的每一个阶段的性能都符合要求，所以长期以来模具设计都是凭经验或是使用传统CAD进行的。因此，要设计和制造一副合适的模具往往需要经过设计、制造、试模和修模的多次反复，有时还不可避免地导致模具的报废。快速模具是在RP技术的基础上发展起来的一种新型模具制造技术，借助此项技术可以大大减少模具的生产成本和制造周期。

基于RE/CAD/CAE/RP的快速模具制造技术已成为当前模具制造业的热点，并被广泛地研究和推广应用。该技术曾被美国汽车工程杂志评为全球15项重大技术之首，已受到全球制造业的广泛关注。其中，RE(Reverse Engineering)为逆向工程。RP技术在模具制造方面的应用可分为直接制模和间接制模。

以RP技术制作的实体模型可用于制作模芯或模套，同时结合精铸、粉末烧结或石墨研磨等技术，可以快速制造出所需产品的功能模具或设备，其制造周期为传统加工方法的1/10～1/5，而成本却仅为其传统加工方法的1/5～1/3。实践证明，模具的几何复杂程度越高，RP所带来的效益就越显著。

模具的开发已成为制约新产品开发的瓶颈，要缩短新产品的开发周期和降低开发成本，首先必须缩短模具的开发周期和降低模具的成本。而快速模具制造对新产品的开发、试制和生产有着十分重要的作用，是制造业重点推广的一种先进技术。

总之，快速原型技术不仅制造原理与传统方法截然不同，重要的是RP技术可以缩短产品的研发周期，降低开发成本，从而提高企业的竞争力。随着快速原型制造产品的推广与普及，该项技术将成为21世纪的重要组成部分。

二、快速成型技术的应用

快速成型技术自20世纪80年代问世以来，由于其本身具有的技术特点，在汽车、航天、家电、模具等多个行业获得了日益广泛的应用。目前，全世界有300多家快速成型服务机构、20多家设备制造商。国内该领域的研究也飞速发展，如清华大学、西安交通大学、南京航空航天大学和华中科技大学等从20世纪90年代初即开始了快速原型及相关技术的研究、开发、推广和应用。

(一)在工业设计新产品研发中的广泛应用

目前快速成型技术的一个重要应用是产品创新开发，尤其是在工业设计新产品研发中的应用。它不受复杂形状的任何限制，可迅速地将计算机设计出的三维原型转化成为可进一步评估的实物；我们可根据原型对设计的正确性、造型的合理性、可装配性和干涉情况等进行具体的检验和核查，尤其是对一些形状较复杂而贵重的零件，通过采用快速成型技术就可对原型进行检验，从而降低了开发成本和风险。通常情况下，采用快速成型技术可减少产品开发成本的30％～70％，减少开发时间50％以上。

(二)概念模型的可视化应用

由于快速成型技术能够迅速地将设计者的设计思想变成三维实体模型，因此不仅能节省大量的时间和精力，而且能准确地体现设计者的设计理念，为产品评审等决策工作提供直接、准确的模型依据，从而尽量减少决策工作中的不正确因素。

传统的外形评估方法是采用手绘的效果图及油泥模型，而现代设计则是越来越多地采用计算机软件设计出产品的三维CAD模型，然后借助快速成型技术将产品的外观直接表现出来。现在设计者可以通过模型外观感受或局部功能的合理分析与应用，以评价设计的正确性并加以改进。新产品的开发总是从外观设计开始的，外形是否美观与实用往往决定了该产品是否能够被市场快速地接受。很多产品，尤其是家电、汽车等对外形的美观和新颖性要求极高，产品的外观已成为影响产品市场竞争力的一个关键因素。

(三)开发新产品的快速评价应用

借助RP技术制作出的产品模型或样件，能够使用户非常直观地了解和接触尚未投入批量生产的产品外观及其性能，并及时做出评价。这样能使厂方根据用户的意见和评价及时地改进产品外观及性能，并为今后的销售创造有利条件，同时也可避免由于盲目生产可能造成的巨大损失。

与此同时，在工程投标中，投标方可以直观、全面地提供对产品的评价依据，使设计更加完善和符合用户需求，从而为中标创造有利条件。图1-6所示为护肤品瓶子的RP样件，图1-7所示为一女士鞋底的RP样件，将它们放在样品的参展会中，可以让厂商更直观地对产品做出评价。

图1-6 护肤品瓶子的RP样件

图1-7 鞋底的RP样件

(四)装配校验

对一些大型、复杂的仪器设备系统应进行装配检验及校验。而RP原型样件可以用于装配模拟，使我们可以观察到各工件之间如何配合以及如何相互影响。因此，在新产品投产之前，先用RP技术制作出零件原型，然后进行试安装，有助于验证设计的合理性，及时发现安装工艺与装配中出现的问题，以便快速、方便地纠正设计中出现的问题。

图1-8所示为一吸尘器的外壳RP样件，图1-9所示为一棘轮棘爪的RP样件。通过RP样件的模拟装配，可以一次性成功地完成该项设计。

图1-8 吸尘器的外壳RP样件

图1-9 棘轮棘爪的RP样件

(五)产品性能和功能测试

应用RP技术制作出的样品或模型，不仅可以进行产品外观的设计评价和结构校验，而且还能直接进行产品相关性能和功能参数的试验，如流动及应力分析、流体和空气动力学分析等。因此，采用RP技术能快速地将模型制造出来并进行产品的功能测试，以判断其是否满足设计者和用户的需求，从而进一步进行产品的优化设计和新产品的研发工作。

例如，上海联泰科技有限公司借助RP技术为某一汽车股份有限公司新型前保险杠(见图1-10)的设计进行了功能样件的试制，并用这批样件进行了其外观的验证、冲撞试验以及车辆路试等各项功能的检验。使用RP样件的方案共生产出6套前保险杠，样件的制造周期仅用了40天，费用约为60万元；而若采用传统的制造方法，则制造周期约为6个月，制作费用需要500万左右。

图1-10 汽车前保险杠

(六)医学领域的广泛应用

目前，RP技术已广泛应用于医学领域，并在应用的同时借助于计算机断层照相法(Computed Tomography，CT)及核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，NMR)等高分辨率检测技术。基于CT图像的快速成型方法是利用CT图像数据，重构出可直接用于RP制造的层片数据文件。在医学领域，利用RP技术对断层图像进行处理，可得到仿真的实物模型，这已成为RP技术的一个新的研究热点。其主要应用于人工假肢、人工活性骨的制作。

1.设计和制作可植入假体 运用RP技术，种植体设计师们可以根据某一病人的CT数据来设计并制作出所需的种植体。

图1-11所示为某一骨骼种植体的制作过程。这种采用RP技术为特定病人解剖结构制作的种植体，能极大地减少种植体设计的出错率，还可为病人快速制定出具体的手术方案提供依据，同时也节省了麻醉时间，降低了整个手术的费用和术后并发症等。其具体的制作过程如下：将原始的CT数据转换成STL数据；利用RP技术制作缺损部位原型；采用硬质石膏、硅橡胶等材料进行翻模；制作熔模并进行熔模铸造，最终将其制作成假体。

图1-11 某一骨骼种植体的制作过程

a)原始的CT数据 b)3D数值模型 c)RP模型

2.外科手术规划 目前，复杂的外科手术往往需要在三维模型上进行演练以确保较高的手术成功率。采用RP技术可快速地制造出解剖的模型。医生借助解剖模型及其关键的区域，可以有效地与病人进行沟通，增进病人的理解，还能对病人以前的手术经历一目了然。与此同时，医生还可以在手术之前借助三维模型进行手术步骤的规划。由此可见，解剖模型的制作在很多复杂手术中显得非常重要和必要。

此外，运用RP技术加工出的生物模型，也逐渐成为生物力学研究的有力工具。例如，应用CT或MR数据，再结合RP技术所加工制作出的心腔模型，可研究人体心腔体系内的血流动力学特点；结合RP技术所加工制作出的鼻腔模型，可用来研究鼻腔内的气流通过情况。

(七)艺术领域的应用

PR技术可应用于工艺品及珍贵文物等的原型设计和复制，这为传统的工艺品的修复和仿制提供了一个全新的途径。首先，借助CAD软件和逆向工程技术，进行工艺品的三维实体的复原，并从各个角度进行编辑修改和再设计，赋予其材料，并进行恰当地渲染，以达到完美逼真的视觉效果，最后再利用RP技术得到所需的修复原型或仿制原型。

当前，古文物的复制是研究、继承和发扬我国文化遗产的重要手段。RP制造技术为艺术家以三维实体的形式更细腻、形象、准确、生动地表达自己的思想情感提供了一种全新的现代技术手段，同时也为古文物及艺术品的复制和多样化提供了强有力的高新技术工具。

图1-12a所示为贝多芬头像的复制品，它首先借助三维测量设备，获得贝多芬头像外部的点云数据，如图1-12b所示，再经过三维点云的编辑与处理，曲面的构造与重构，获得三维CAD数据模型，然后借助RP技术，快速地制作出与原品几乎相同的复制品。

图1-12 艺术品头像的复制

a)头像的复制品 b)头像的三维点云数据

图1-13所示为西汉“骠骑将军”霍去病大型石雕之一《大汉十六品——卧牛》的真品及复制品。目前，历经两千余年流传至今的气魄雄伟、造型洗练的西汉石雕仅存二十余件，且其表面大都风化剥落，而保护真品并能展示该文化遗产的最佳途径，就是借助三维扫描与快速成型技术，即先借助三维扫描技术将石雕的三维数据资料进行扫描并永久存储，再借助快速成型工艺与技术进行三维实体的展示与再现，从而使得不可再现的文化遗产得以世代流传并发扬光大。

(八)RP技术与工业设计发展的互动性

工业设计是一门新兴的技术、艺术与市场相结合的边缘学科，并由先进的技术推动向前发展。近年来，RP技术的快速复制功能也推动工业设计向前迈进了一大步。在当今信息迅速发展的时代，工业设计在设计、产品样机制作、开模等方面已实现了计算机一体化。制造领域中的高新技术开辟了工业设计的崭新局面。高精度、高效率的RP技术在工业设计中的应用极大地缩短了新产品的开发周期，降低了产品的开发成本，同时也提高了产品的设计质量。

图1-13 《大汉十六品——卧牛》的真品及复制品

a)真品 b)复制品

另一方面，工业设计也因其自身的特性，对RP技术提出了新的、更高的要求，对目前的RP技术及设备的成型空间、成型材料以及软件的兼容性等也提出了新的要求。促进RP技术“再设计、再发展”的过程，就是实现工业设计与RP技术最终形成良性的、互动发展的过程。