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[摘 要]本文简要介绍了快速原型技术的原理、特点及典型工艺方法；概括了快速原型技术在机械制造中的应用现状，探讨了快速原型技术未来的发展趋势。
[关键词]快速原型；机械制造；应用；发展趋势
中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）19-0113-01
0 前言
近年来，各种先进制造技术竞相发展，使企业将产品快速、成功地推向市场成为可能，成为企业占领市场先机的可靠保障。
快速原型技术（Rapid Prototyping.RP），也称为快速成型技术，产生于20世纪80年代后期①，是一项结合了机械、计算机、数控、信息化和新材料等的多学科交叉多技术集成的先进制造技术。快速原型制造技术具有高柔性，高集成，高适应，低成本等特点，是现代机械制造技术的典型代表之一。
1 RP的原理及工艺方法
相对于传统的“减法”制造，快速原型技术是“加法”制造。形象地表述快速原型制造系统就像一台3D打印机，根据三维实体模型“打印”出实体零部件。快速原型技术的基本原理是基于“离散/堆积”思想，把三维实体模型分散成二维层机构，再用材料按顺序准确地把之前的各层堆积起来，最终获得理想的三维实体零部件。
目前，快速原型制造技术的主要工艺方法有：
（1）立体光固化成型法（SLA，Stere-lithography Apparatus）是通过控制激光束照射液态光敏树脂，使光敏树脂材料逐层固化，最后将所有层再进行固化形成整体零件。
该方法生产的零件精度高、表面质量好；原材料利用率高，能制造形状特别复杂精细的零件。
（2）分层实体制造发（LOM，Laminated Object Manufacture）是利用热压辊将涂有热熔胶的薄层材料粘结在一起，再用激光束剪裁成零件形状。
该方法工艺简单，加工成本低，可靠性好，效率高。
（3）选择性激光烧结法（SLS Selective Laser Sintering）是激光有选择地对粉末材料进行逐层烧结而固化成零件。
该方法可制造多种材料的零件，如塑性金属陶瓷等，加工精度和强度高。
（4）熔融沉积成型法（FDM，Fused Deposition Modeling）是用喷头将热塑性材料以丝状形式喷挤出，逐层固结，最后堆积成实体零件。
该方法操作简单，成本低，效率高，环保性好。
（5）三维印刷法（TDP，Three Dimensinal Printing）是反复地用打印喷头将粉末材料喷在有粘结剂的层面上，最后形成整體零件。
2 快速原型技术在机械制造中的应用
2.1 在模具制造中的应用
在模具制造中应用快速成型技术进行快速制模，具体分为直接制模和间接制模，与传统制模相比，应用快速原型技术大大缩短了模具的研发周期，将模具从设计到制造的过程变得更为高效，为模具制造的创新发展提供了大力支持。
2.2 在新产品研发中的应用
应用快速原型技术可以使新产品的设计开发过程变得简单而且高效，既缩短了研发周期，又降低了研发成本。而且对于形状复杂零件的开发效率也大大提高，从而有助于企业在竞争中立于不败之地。例如，西安交通大学的西北RPM应用服务中心，运用快速原型技术为TCL公司设计了多款手机样品，整个过程仅用了7天。
2.3 小批量复杂零件的直接生产
在机械制造中，有时只需要制造单件或几十件的很少数量的零部件，要是仍然使用传统工艺制造，会耗用大量的时间和较高的成本。
因此对于某些用高分子材料及其复杂金属制造的零件，可用相应材料进行直接快速原型，这样既节省时间有降低成本。
除上述应用外，快速原型技术在机械制造中还有较多其他应用。例如，产品展示，产品检验及微型机械等。这些应用都对原有传统工艺带来了质的提升。
3 发展趋势
现在快速原型技术已经在机械制造等越来越多的领域发挥了其独特的优势，并获得了充分的认可。但同时对该技术的要求也越来越高，这就要求其不断完善和发展，以适应更高标准要求的需要。
3.1 新材料的研制
用于快速原型的材料由最初的塑料、树脂等，发展到现在的高性能材料（如纤维混纺料，精铸石蜡尼龙复合物等②），已取得了长足的发展。但是目前所使用的这些高性能材料在快速原型过程中仍会出现翘曲变形和粘结等问题，必须通过后续工序进行烧结固化等操作，整个过程相对比较复杂。
因此，研制具有更好性能、适应性更广的原型材料（如，纳米材料等复合材料）改善现有材料的不足，是快速原型技术持续发展的重要保障，也是今后国内外研究人员竞相突破的难点和研究的热点。
3.2 新工艺方法的研发
现有几种典型快速原型工艺方法，都不同程度地存在有待改进的地方。如LOM方法操作相对复杂，耗时长，只能制造实心零件；SLA方法需要设计支撑，原材料价格昂贵，加工成本高等。
因此，在改进现有工艺方法的同时，也要研发新的原型工艺。例如，喷射原型技术、多材料制造系统、直接金属原型工艺等。
3.3 提高原型精度
影响快速成型精度的因素主要有两个方面，一是“先天”因素——STL文件，该文件具有精度不足和冗余较大等缺点，这就决定了切片后误差的形成；二是“后天”因素，即在原型过程中由于各种原因造成的零件变形误差。
针对以上两方面，开发针对STL文件进行高效识别的软件系统，从根源上减少误差，提高原型精度。另外，要研发新的工艺方法，最大限度地控制零件的变形。
3.4 提高集成化
快速原型技术从出现之初就与多学科紧密联系交叉发展，如快速模具、虚拟技术和网络等，这些学科与快速原型技术共同进步发展。现如今“互联网+”和“大数据”已被越来越多的行业所采纳，同样也为快速原型的持续快速发展提供了有力支持，使快速原型技术发展成在网络环境下的智能远程加工。
4 结束语
总之，快速原型技术是一种具有广泛应用前景的先进机械制造技术之一，其发展的速度和程度将对机械制造领域产生深渊影响，其总的发展趋势是在不断完善现有技术的基础上，加速探索和研发新的原型材料及新的原型工艺，加强与其他学科的交叉融合，并借助互联网优势发展智能化远程加工。
参考文献
[1] 朱季平.快速成型技术在现代制造业中的应用研究[J].装备制造技术，2011，（8）：10-12、2，20
[2] 刘昌云.快速原型技术研究现状与发展[J].锻造技术，2012，33（6）：712-714.
[3] 冯俊丽.浅谈快速成型技术的原理、应用及发展趋势[J].高职教育，2013， （12）：227-228.
[4] 陈晓罗.快速制造技术的发展现状及应用的研究[J].科技创新与应用，2013，（17）：14.
[5] 冯嫦.快速成型技术在现在制造业中的应用[J].机电工程技术，2010， 39（7）：129-130，141.
[关键词]快速原型；机械制造；应用；发展趋势
中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）19-0113-01
0 前言
近年来，各种先进制造技术竞相发展，使企业将产品快速、成功地推向市场成为可能，成为企业占领市场先机的可靠保障。
快速原型技术（Rapid Prototyping.RP），也称为快速成型技术，产生于20世纪80年代后期①，是一项结合了机械、计算机、数控、信息化和新材料等的多学科交叉多技术集成的先进制造技术。快速原型制造技术具有高柔性，高集成，高适应，低成本等特点，是现代机械制造技术的典型代表之一。
1 RP的原理及工艺方法
相对于传统的“减法”制造，快速原型技术是“加法”制造。形象地表述快速原型制造系统就像一台3D打印机，根据三维实体模型“打印”出实体零部件。快速原型技术的基本原理是基于“离散/堆积”思想，把三维实体模型分散成二维层机构，再用材料按顺序准确地把之前的各层堆积起来，最终获得理想的三维实体零部件。
目前，快速原型制造技术的主要工艺方法有：
（1）立体光固化成型法（SLA，Stere-lithography Apparatus）是通过控制激光束照射液态光敏树脂，使光敏树脂材料逐层固化，最后将所有层再进行固化形成整体零件。
该方法生产的零件精度高、表面质量好；原材料利用率高，能制造形状特别复杂精细的零件。
（2）分层实体制造发（LOM，Laminated Object Manufacture）是利用热压辊将涂有热熔胶的薄层材料粘结在一起，再用激光束剪裁成零件形状。
该方法工艺简单，加工成本低，可靠性好，效率高。
（3）选择性激光烧结法（SLS Selective Laser Sintering）是激光有选择地对粉末材料进行逐层烧结而固化成零件。
该方法可制造多种材料的零件，如塑性金属陶瓷等，加工精度和强度高。
（4）熔融沉积成型法（FDM，Fused Deposition Modeling）是用喷头将热塑性材料以丝状形式喷挤出，逐层固结，最后堆积成实体零件。
该方法操作简单，成本低，效率高，环保性好。
（5）三维印刷法（TDP，Three Dimensinal Printing）是反复地用打印喷头将粉末材料喷在有粘结剂的层面上，最后形成整體零件。
2 快速原型技术在机械制造中的应用
2.1 在模具制造中的应用
在模具制造中应用快速成型技术进行快速制模，具体分为直接制模和间接制模，与传统制模相比，应用快速原型技术大大缩短了模具的研发周期，将模具从设计到制造的过程变得更为高效，为模具制造的创新发展提供了大力支持。
2.2 在新产品研发中的应用
应用快速原型技术可以使新产品的设计开发过程变得简单而且高效，既缩短了研发周期，又降低了研发成本。而且对于形状复杂零件的开发效率也大大提高，从而有助于企业在竞争中立于不败之地。例如，西安交通大学的西北RPM应用服务中心，运用快速原型技术为TCL公司设计了多款手机样品，整个过程仅用了7天。
2.3 小批量复杂零件的直接生产
在机械制造中，有时只需要制造单件或几十件的很少数量的零部件，要是仍然使用传统工艺制造，会耗用大量的时间和较高的成本。
因此对于某些用高分子材料及其复杂金属制造的零件，可用相应材料进行直接快速原型，这样既节省时间有降低成本。
除上述应用外，快速原型技术在机械制造中还有较多其他应用。例如，产品展示，产品检验及微型机械等。这些应用都对原有传统工艺带来了质的提升。
3 发展趋势
现在快速原型技术已经在机械制造等越来越多的领域发挥了其独特的优势，并获得了充分的认可。但同时对该技术的要求也越来越高，这就要求其不断完善和发展，以适应更高标准要求的需要。
3.1 新材料的研制
用于快速原型的材料由最初的塑料、树脂等，发展到现在的高性能材料（如纤维混纺料，精铸石蜡尼龙复合物等②），已取得了长足的发展。但是目前所使用的这些高性能材料在快速原型过程中仍会出现翘曲变形和粘结等问题，必须通过后续工序进行烧结固化等操作，整个过程相对比较复杂。
因此，研制具有更好性能、适应性更广的原型材料（如，纳米材料等复合材料）改善现有材料的不足，是快速原型技术持续发展的重要保障，也是今后国内外研究人员竞相突破的难点和研究的热点。
3.2 新工艺方法的研发
现有几种典型快速原型工艺方法，都不同程度地存在有待改进的地方。如LOM方法操作相对复杂，耗时长，只能制造实心零件；SLA方法需要设计支撑，原材料价格昂贵，加工成本高等。
因此，在改进现有工艺方法的同时，也要研发新的原型工艺。例如，喷射原型技术、多材料制造系统、直接金属原型工艺等。
3.3 提高原型精度
影响快速成型精度的因素主要有两个方面，一是“先天”因素——STL文件，该文件具有精度不足和冗余较大等缺点，这就决定了切片后误差的形成；二是“后天”因素，即在原型过程中由于各种原因造成的零件变形误差。
针对以上两方面，开发针对STL文件进行高效识别的软件系统，从根源上减少误差，提高原型精度。另外，要研发新的工艺方法，最大限度地控制零件的变形。
3.4 提高集成化
快速原型技术从出现之初就与多学科紧密联系交叉发展，如快速模具、虚拟技术和网络等，这些学科与快速原型技术共同进步发展。现如今“互联网+”和“大数据”已被越来越多的行业所采纳，同样也为快速原型的持续快速发展提供了有力支持，使快速原型技术发展成在网络环境下的智能远程加工。
4 结束语
总之，快速原型技术是一种具有广泛应用前景的先进机械制造技术之一，其发展的速度和程度将对机械制造领域产生深渊影响，其总的发展趋势是在不断完善现有技术的基础上，加速探索和研发新的原型材料及新的原型工艺，加强与其他学科的交叉融合，并借助互联网优势发展智能化远程加工。
参考文献
[1] 朱季平.快速成型技术在现代制造业中的应用研究[J].装备制造技术，2011，（8）：10-12、2，20
[2] 刘昌云.快速原型技术研究现状与发展[J].锻造技术，2012，33（6）：712-714.
[3] 冯俊丽.浅谈快速成型技术的原理、应用及发展趋势[J].高职教育，2013， （12）：227-228.
[4] 陈晓罗.快速制造技术的发展现状及应用的研究[J].科技创新与应用，2013，（17）：14.
[5] 冯嫦.快速成型技术在现在制造业中的应用[J].机电工程技术，2010， 39（7）：129-130，141.