快速原型

**快速成型**或**快速成形**（英語：Rapid prototyping，RP）是一種快速生成模型或者零件的製造技術。在電腦控制與管理下，依靠已有的 CAD 資料，採用材料精確堆積的方式，即由點堆積成面，由面堆積成 3D，最終生成實體。依靠此技術可以生成非常複雜的實體，而且成型的過程中無需模具的輔助。

## 發展歷史

對於快速成型技術的研究始於 1970 年代，但是直到 1980 年代末才逐漸出現了成熟的製造裝置。美國 3M 公司的 Alan J.Herbert（1982 年）、日本名古屋市工業研究所的小玉秀男（1980 年）、美國 UVP 公司的 Charles W. Hull（1984 年）、日本大阪工業技術研究所的丸谷洋二（1984 年），各自獨立地提出了快速成型的技術設想，實現的材料和方式有差異，但均以多層疊加並固化來產生實體。在 1986 年，Charles W. Hull 在美國獲得了光固化立體造型裝置（SLA）的專利，標誌著快速成型技術即開始進入實用階段，在設計領域及汽車工業上有廣泛應用。

## 技術原理

儘管快速成型有多種不同工藝技術，但基本原理都和 3D 列印相同，即將一定厚度的材料反覆列印在平台上，迴圈往復，直到生成整個成型件。按照不同的實現工藝，材料可以是紙張、塑料、金屬、陶瓷等各種材料。一個淺顯的事例為，儘管紙張看似是二維的，但是由於具有一定厚度，將紙張一層層疊加起來，就能組成 3D 實體。

### 工藝過程

首先利用 3D 造型軟體建立 3D 實體造型，再將設計出的實體造型通過快速成型裝置的處理軟體進行離散與分層，然後將處理過的資料輸入裝置進行製造，最後還需要進行一定的後處理以得到最終的成品。

* 實體造型的構建：使用快速成型技術的前提是擁有相應模型的 CAD 資料，這可以利用電腦輔助設計軟體如 Creo Parametric（Pro/ENGINEER）、SolidWorks、Unigraphics、AutoCAD 等建立，或者通過其他方式如雷射掃描、 電腦斷層掃描，得到點雲資料後，也得建立相應的 3D 實體造型。
* 實體造型的離散處理：由於實體造型往往有一些不規則的自由曲面，加工前要對模型進行近似處理，比如曲線是無法完全實現的，實際製造時需要近似為極細小的直線段來類比，以方便後續的資料處理工作。由於 STL 格式檔案格式簡單實用，目前已經成為快速成型領域的最常用的檔案標準，用以和裝置進行對接。它將複雜的模型用一系列的微小三角形平面來近似類比，每個小三角形用 3 個頂點坐標和一個法向量來描述，三角形的大小的選擇則決定了這種類比的精度。
* 實體造型的分層處理：需要依據被加工模型的特徵選擇合適的加工方向，比如應當將較大面積的部分放在下方。隨後成型高度方向上用一系列固定間隔的平面切割被離散過的模型，以便提取截面的輪廓資訊。間隔可以小至亞毫米級，間隔越小，成型精度越高，但成型時間也越長。
* 成型加工：根據切片處理的截面輪廓，在電腦控制下，相應的成型頭（根據裝置的不同，分別為雷射頭或噴頭等）進行掃描，在工作檯上一層一層地堆積材料，然後將各層粘結（根據工藝不同，有各自的物理或者化學過程），最終得到原型產品。
* 成型零件的後處理：對於實體中上大下小的部分，一般會設計多餘的部分去支撐，把這些廢料去除是必須的。另外還可能需要進行打磨、拋光、塗上油漆，或在高溫爐中燒結以提高強度。

### 工藝技術

目前已有十餘種不同方法，如光固化立體造型（SLA）、層片疊加製造（LOM）、選擇性雷射燒結（SLS）、熔融沉積造型（FDM）、掩模固化法（SGC）、3D 印刷法（3DP）、噴粒法（BPM）等。其中 SLA 是使用最早和最廣泛的技術，約占全部快速成型裝置的 70％左右。

#### 光固化立體造型（SLA）

自 1984 年的第一台快速成形裝置即採用了光固化立體造型的工藝，現在的快速成型裝置中，以 SLA 的研究最為深入，運用也最為廣泛。

該技術以光敏樹脂的聚合反應為基礎。在電腦控制下的紫外雷射，沿著零件各分層截面輪廓，對液態樹脂進行逐點掃描，使被掃描的樹脂薄層產生聚合反應，由點逐漸形成線，最終形成零件的一個薄層的固化截面，而未被掃描到的樹脂保持原來的液態。當一層固化完畢，升降工作檯移動一個層片厚度的距離，在上一層已經固化的樹脂表面再覆蓋一層新的液態樹脂，用以進行再一次的掃描固化。新固化的一層牢固地粘合在前一層上，如此迴圈往復，直到整個零件原型製造完畢。

這種方法的特點是有較高的精度和較好的表面品質，能製造形狀特別複雜（如空心零件）和特別精細（如工藝品、首飾等）的零件。

#### 層片疊加製造（LOM）

層片疊加製造工藝是將單面塗有熱溶膠（在被加熱狀態下可產生粘性）的箔材（紙、陶瓷箔、金屬箔等）通過熱輥加熱粘接在一起，位於上方的雷射器按照 CAD 分層模型所獲資料，用雷射束將箔材切割成所制零件的內外輪廓，然後新的一層箔材再疊加在上面，通過熱壓裝置和下面已切割層粘合在一起，雷射束再次切割，在每一層進行切割和粘合的過程，直至整個零件模型製作完成。

#### 選擇性雷射燒結（SLS）

這種工藝也是以雷射器為能量源，通過紅外雷射束使塑料、蠟、陶瓷、金屬或其複合物的粉末均勻地燒結在加工平面上。在工作檯上均勻鋪上一層很薄（亞毫米級）的粉未作為原料，雷射束在電腦的控制下，通過掃描器以一定的速度和能量密度按分層面的二維資料掃描。經過雷射束掃描後，相應位置的粉末就燒結成一定厚度的實體片層，未掃描的地方仍然保持鬆散的粉末狀。這一層掃描完畢，隨後需要對下一層進行掃描。先根據物體截層厚度而升降工作檯，鋪粉滾筒再次將粉末鋪平，可以開始新一層的掃描。如此反覆，直至掃描完所有層面。去掉多餘粉末，並經過打磨、烘乾等適當的後處理，即可獲得零件。目前應用此工藝時，以蠟粉末及塑料粉末作為原料較多，而用金屬粉或陶瓷粉進行粘接或燒結的工藝尚未獲得實用。

#### 熔融沉積造型（FDM）

1993 年美國 Stratasys 公司開發出了第一台基於熔融沉積造型的裝置。將 CAD 模型分為一層層極薄的截面，生成控制 FDM 噴嘴移動軌跡的二維幾何資訊。FDM 加熱頭把熱熔性材料（ABS 樹脂、尼龍、蠟等）加熱到臨界狀態，呈現半流體性質，在電腦控制下，沿 CAD 確定的二維幾何資訊運動軌跡，噴頭將半流動狀態的材料擠壓出來，凝固形成輪廓形狀的薄層。當一層完畢後，通過垂直升降系統降下新形成層，進行固化。這樣層層堆積粘結，自下而上形成一個零件的 3D 實體。

FDM 工藝的關鍵是保持材料的半流動性。這些材料並沒有固定的熔點，需要精確控制其溫度。

#### 3D 印刷工藝（3DP\_Binder Jetting）

3D 印刷工藝，也稱為 3D 列印。1989 年，美國麻省理工學院的 Emanuel M. Sachs 和 John S. Haggerty 等在美國申請了 3D 印刷技術的專利，之後 Emanuel M. Sachs 和 John S. Haggerty 又多次對該技術進行完善，形成了今天的 3D 印刷快速成型工藝。
通過這個工藝，在每一層粘結完畢後，成型缸下降一個距離（等於層厚），供粉缸上升一段高度，推出多餘粉末，並被鋪粉輥推到成型缸，鋪平並被壓實。噴頭在電腦控制下，按照下一個截面的二維幾何資訊進行運動，有選擇地噴射粘結劑，最終構成層面。原理和印表機非常相似，即為 3D 列印這一名稱的由來。鋪粉輥鋪粉時多餘的粉末被粉末收集裝置收集。如此周而復始地送粉、鋪粉和噴射粘結劑，最終完成一個 3D 粉體的粘結，從而生產製品。
3DP 工藝與 SLS 工藝都是將粉末材料選擇性地粘結成為一個整體。其最大的不同之處在於 3DP 工藝不用將粉末材料熔融，而是通過噴嘴本身會噴出粘合劑，將這些材料粘合在一起。

### 工藝與材料

材料的不同，是不同快速成型工藝間最大的區別之一。材料工藝過程間有很強的聯絡。對於 LOM 工藝，其所選擇的材料應該是在一定條件下能夠互相展合的薄層材料，比如說塗有熱熔膠的紙、陶瓷、塑料等。而 SLS 所選材料的範圍非常廣泛，材料基本只要滿足能在雷射作用下進行粘結的條件，這種材料的粉末就可作為原料。常用原料高分子粉末（具有熱塑性）、鑄造用蠟末粉、金屬粉末 \ 以及表面塗有熱熔膠的陶瓷粉末等。3DP 適用的材料和 SLS 基本相同。SLA 選擇的材料和其它工藝都有所不同，大部分工藝的材料均只有物理變化，而 SLA 則需要化學反應，因此 SLA 需要選擇對雷射有較快的吸收和回應速度，以此來保證固化速度。同時為了保證成本的品質，也有固化時收縮小等要求。

## 特點

* 可生成高複雜度的產品。產品製造過程幾乎與零件的複雜程度無關，相比傳統製造方式（如鑄造），使用快速成型技術可以製作出外形極為複雜的產品，對於傳統工藝來說，一些特殊的形狀無法完成。
* 便於修改，生產迅速。整個生產過程數位化，與 CAD 模型具有直接的關聯，可隨時修改資料後進行製造，尤其適用於產品設計階段的模型製造。
* 固定的製造成本。傳統的模型製作往往先需要模具，需要耗費大量時間，且模具的製造成本往往較高。快速成型技術的單個成品製作成本往往高於使用模具進行批次生產的平均成本，但是無需模具的一次性投資，對於只需要小規模生產的情況（比如在新產品開發中的設計模型），使用快速成型技術可以降低成本。
* 固定的的生產效率。使用快速成型技術生產任何產品均使用雷同的材料堆積方式，對某一特定的產品的生產而言可能不是最佳的方式。比如，生產時間會隨著產品體積的增大而迅速增加。

## 應用

美國在自動成型技術的研究和使用上處於領先地位，一些著名的高校如麻省理工學院、德克薩斯大學從政府和企業獲得了大量經費用以研究，諸多企業也紛紛將裝置投入商用。此外，日本、德國、英國等國的高校和企業也在不斷研究新的成型技術。現已有 2500 多套快速成型機分布在世界各地的不同領域，其中尤其廣泛應用於汽車工業。

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快速成型技術的主要應用可分為：

* 新產品開發過程中的驗證。設計師手中的 CAD 模型，可以通過快速成型技術轉換成物理實物模型，方便對設計和功能進行驗證，及時發現問題。如果用傳統方法，需要經過繪圖、工藝設計、模具製造等多個環節，花費較多的時間和較高的成本。對於一些複雜的系統，其可製造性和可裝配性用快速成型技術進行核對和設計，可以此類系統的設計製造難度大大降低。對於暫時難以確定生產工藝的複雜零件，可以先行用快速成型技術進行試生產
* 商業交流。通過快速成型裝置製造的成品，可以在產品商品化的過程中作為產品向客戶提供，或者進行市場宣傳等。快速成型技術已成為並列工程和敏捷製造的一種技術途徑，使用快速成型技術製造的一些樣品經常在展覽會上出現。
* 小批次零件和特殊複雜零件的直接生產。對於小批次生產，採用快速成型技術可節約製作模具的時間和成本，或者製作一些複雜的零件。比如對於高分子材料的零部件，可用高強度的工程塑料直接快速成型。對於複雜金屬零件，可通過快速鑄造或直接金屬件成型獲得。同時現代生產有更新換代快、批次越來越小的發展趨勢。運用快速製造技術生成的原型，可以通過其他裝置轉換成各種快速模具，如低熔點的合金模、矽膠模、金屬冷噴模、陶瓷模具等，用以進行中小批次零件的生產。例如奧迪 RSQ 是為了電影而特製，其製造過程有別於傳統批次生產方式，採用了快速成型技術製造，車身由德國庫卡公司的工業機器人一次性完成。

## 參見

* 實體造型
* 電腦輔助設計（CAD）
* 電腦輔助製造（CAM）
* 機械加工

## 相關文獻

* 韓霞。快速成型技术与应用。北京：機械工業出版社. 2012. ISBN 978-7-111-37057-4.
* Andreas Gebhardt. Rapid Prototyping – Werkzeuge für die schnelle Produktentstehung. 慕尼黑: Hanser Verlag. 2000. ISBN 3-446-21242-6 （德語）.
* Andreas Neef、Klaus Burmeister 等. Vom Personal Computer zum Personal Fabricator. 漢堡: Murmann Verlag. 2005. ISBN 3-938017-39-2 （德語）.
* Westkämper Engelbert、Bohnet Jens. Oberflächenveredelung von RP-Bauteilen. 柏林: Springer. 2007. ISBN 978-3-540-69879-1 （德語）.

## 參考資料