快速成型技术,也被称为快速原型技术(Rapid Prototyping,RP),是20世纪80年代兴起的一种先进的制造技术,它结合了机械工程、计算机辅助设计(CAD)、数控技术、激光技术和材料科学等多个领域的精华。这项技术的核心在于能够快速、直接、精确地将设计概念转化为具有实际功能的原型或直接生产零件,极大地减少了产品开发周期,因此被誉为近几十年来制造业的重大创新,其影响力堪比数控技术。
在中国,90年代,多所高校和企业如武汉华中科技大学快速制造中心、西安交通大学先进制造技术研究所、北京殷华实业有限公司以及陕西省激光快速成形与模具制造工程技术研究中心等机构,在快速成形工艺研究、设备开发、数据处理软件及新材料研发等方面取得了显著成果。
快速成型技术的基本流程包括CAD模型建立、STL文件生成、分层切片和快速堆积成形四个步骤。其中,光敏树脂液相固化成形(SL-Stereo Lithography)是较早发展起来的技术之一,由Charles Hul于1984年提出并申请专利,1988年由3D Systems公司商业化。该技术利用特定波长和功率的紫外光照射液态光敏树脂,引发光聚合反应,使材料由液态变为固态,形成三维实体。SL技术精度高,表面质量优良,适用于制造复杂和精细的零件,如空心结构和珠宝首饰。然而,其缺点是成本较高且材料有毒性。
另外,选择性激光粉末烧结成形(SLS-Selected Laser Sintering)是由C.R.Dechard在1989年研发,采用激光束选择性地熔化或烧结粉末材料,逐层堆积形成零件。SLS技术的优势在于它可以处理多种材料,包括尼龙、塑料、金属和陶瓷,适合制造高强度和复杂形状的部件,但成本相对较高,且粉末材料的处理和回收过程较为复杂。
除了上述两种方法,快速成型技术还包括薄片分层叠加成形(如Laminated Object Manufacturing,LOM)和熔丝堆积成形(Fused Deposition Modeling,FDM)等技术。每种技术都有其独特的适用范围和优缺点,可以根据具体需求选择合适的方法。
快速成型技术的应用广泛,例如在汽车、航空航天、医疗器械和消费品等行业,用于快速制造产品原型,进行功能测试和结构验证,或者制作复杂和精细的零件。此外,通过这些原型,可以快速翻制模具,进一步批量生产零件,大大提高了产品开发效率和质量。
新材料的研发对于快速成型技术的发展至关重要,如Somos 9420 EP-White是一种基于环氧树脂的光敏聚合物,适用于制造具有高透明度和强度的零件。RenShape SL 7800则是一种高抗冲击的光敏聚合物,适用于制作需要承受强烈冲击的复杂零件。
快速成型技术通过集成多种先进技术,为制造业带来了革命性的变化,不仅提升了设计到生产的速度,还降低了制造成本,推动了新产品的快速迭代和创新。随着新材料的不断研发和工艺技术的改进,快速成型技术在未来将继续发挥重要作用,引领制造业的持续发展。