快速原型技術(shù)（RP）是采用材料累加思想，快速制造產(chǎn)品原型的新型綜合技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、電器、航天航空、軍工等幾乎所有的工業(yè)領(lǐng)域，開創(chuàng)了模具快速制造的新時(shí)代，發(fā)展前景廣闊?？焖僭图夹g(shù)（Rapid Prototyping，簡(jiǎn)稱RP）于1988年誕生于美國(guó)，迅速擴(kuò)展到歐洲和日本，并于九十年代初期引進(jìn)我國(guó)。
一、快速成形—先進(jìn)的現(xiàn)代制造技術(shù)
傳統(tǒng)的切削加工是不斷地去除毛坯上的多余材料而得到制件，而RP技術(shù)是采用基于材料累積制造的思想，把三維立體看成是無數(shù)平行的、具有不同形狀的層面的疊加，能快速制造出產(chǎn)晶原型?？焖僭椭圃旒夹g(shù)（RP）將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)輔助控制（CHC）、精密伺服驅(qū)動(dòng)和新材料等先進(jìn)技術(shù)集于一體，依據(jù)計(jì)算機(jī)上構(gòu)成的產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)模型，對(duì)其進(jìn)行分層切片，得到各層截面的輪廓，激光選擇性的切割一層層的紙（或固化一層層的液態(tài)樹脂、燒結(jié)一層層的粉末材料或熱噴頭選擇快速地熔覆一層層的塑料或選擇性地向粉末材料噴射一層層粘結(jié)劑等），形成各截面輪廓并逐步疊加成三維產(chǎn)品。目前，它已成為現(xiàn)代制造業(yè)的支柱技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)并行工程、集成制造技術(shù)和技術(shù)開發(fā)的必不可少的手段之一。
用于快速原型制造的材料有：液態(tài)光敏樹脂、粉末材料、熱塑性材料和薄片材料等?？焖僭椭圃彀闯尚尾牧霞凹夹g(shù)的不同，發(fā)展了立體光刻造型法（SL）、粉末燒結(jié)法（SIS）、熔化凝結(jié)法（FDM）、薄層材料制造法（LOM）、三維印刷法（3DP）、逐層固化法（SGC）。
與傳統(tǒng)的切削加工方法相比，快速原型加工具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）可迅速制造出自由曲面和更為復(fù)雜形態(tài)的零件，如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，大大降低了新產(chǎn)品的開發(fā)成本和開發(fā)周期。
（2）屬非接觸加工，不需要機(jī)床切削加工所必需的刀具和夾具，無刀具磨損和切削力影響。
（3）無振動(dòng)、噪聲和切削廢料。
（4）可實(shí)現(xiàn)夜間完全自動(dòng)化生產(chǎn)。
（5）加工效率高，能快速制作出產(chǎn)品實(shí)體模型及模具。
二、RP技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展
國(guó)內(nèi)RP研究起步是在1991年左右，北京隆源快速成形公司、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、華中理工大學(xué)、上海交通大學(xué)、華北工學(xué)院等單位在成型理論、工藝、設(shè)備、材料、軟件開發(fā)等方面做了大量的研究工作。有些單位已開發(fā)出商品化、能做出復(fù)雜原型的RP系統(tǒng)。在基于快速成形技術(shù)的快速制造模具方面：上海交通大學(xué)開發(fā)了具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鑄造模樣計(jì)算機(jī)輔助快速制造系統(tǒng)，為汽車行業(yè)制造了多種模具；隆源公司的ＲＰ服務(wù)中心也為企業(yè)制作了多種精密鑄模；華中理工大學(xué)研究出了一種復(fù)膜技術(shù)快速制造鑄模，翻制出了鋁合金模具和鑄鐵模塊。此外，國(guó)內(nèi)的家電行業(yè)在快速成形系統(tǒng)的應(yīng)用上，也走在了國(guó)內(nèi)前列。如廣東的美的、華寶、科龍、江蘇的春蘭、小天鵝、青島的海爾等，都先后采用快速成形系統(tǒng)來開發(fā)新產(chǎn)品，收到了很好的效果。正在深圳、天津等地建立一批向企業(yè)提供快速成型技術(shù)的服務(wù)機(jī)構(gòu)。
三、快速原型技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用
3.1 快速制模鑄造
將需鑄零件的CAD模型轉(zhuǎn)換為快速模殼制造，按模殼每層截面的幾何形狀生成陶瓷模殼然后按快速熔模鑄造方法即可快速制造金屬零件。此外，可將快速原型技術(shù)制作生成的樣件作為鑄造模具的原模，實(shí)現(xiàn)零件的快速鑄造，其過程為：零件CAD三維設(shè)計(jì)→計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析（CFD）→LOM模型制造→熔模鑄造金屬零件。
3.2 快速模具制造
傳統(tǒng)的模具制造方法周期長(zhǎng)、成本高，一套簡(jiǎn)單的塑料注塑模具其價(jià)值也在10萬元以上。設(shè)計(jì)上的任何失誤反映到模具上都會(huì)造成不可挽回的損失。快速原型技術(shù)可精確制作模具的型心和型腔，也可直接用于注射過程制作塑料樣件，以便發(fā)現(xiàn)和糾正出現(xiàn)的錯(cuò)誤。
美國(guó)愛達(dá)荷國(guó)家工程與環(huán)境試驗(yàn)中心采用快速凝固工藝即RSP技術(shù)實(shí)現(xiàn)了注塑模具的快速經(jīng)濟(jì)制造。該方法采用快速原型技術(shù)制作的樣件作為母體樣板，通過噴涂到母體樣板的金屬或合金熔滴的沉積制造模具。其工藝過程為：熔融的工具鋼或其它合金被壓入噴嘴，與高速流動(dòng)的隋性氣體相遇而形成直徑約0.05mm的霧狀熔滴，噴向并沉積到母體樣板上，復(fù)制出母樣的表面結(jié)構(gòu)形狀，借助脫模劑使沉積形成的鋼制母樣使用的材料取決于噴涂其上的合金材料。對(duì)于噴涂工具鋼來說，可選用陶瓷材料，類似材料還有鋁氧粉和氧化鋯可供選擇。該方法制作精度高（噴涂工具鋼時(shí)最小表面涂層可達(dá)0.038mm，制造精度可達(dá)±0.025mm～±0.05mm）、時(shí)間短（普通模具一周之內(nèi)即可成型）、造價(jià)低（一般為傳統(tǒng)模具制造費(fèi)用的1/2～1/10）。
3.3 快速鑄造模具
以聚碳酸脂為材料，用SLS快速制出母型，并在母體表面制出陶瓷殼型，焙燒后用鋁或工具鋼在殼內(nèi)進(jìn)行鑄造，即得到模具的型心和型腔。該方法制作周期不超過4周，制造的模具可生產(chǎn)250000個(gè)塑料制品。
3.4 基于RP法的快速模具制造實(shí)例與效果
1．汽車剎車鉗體精鑄母模的激光快速成型加工
汽車工業(yè)中很多形狀復(fù)雜的零部件均由精鑄直接制得，如何高精度、高效率、低成也制造這些精鑄件的母模是汽車制造業(yè)中的一個(gè)重要問題，采用傳統(tǒng)的木模工手工制作，對(duì)于面形狀復(fù)雜的母模，不但效率低、精度低，難以滿足生產(chǎn)需要。采用數(shù)控加工中心制作，則成本太高。
采用快速成型技術(shù)中的熔融沉積制造工藝制造汽車復(fù)雜零部精鑄用模，成本低，效率高能夠滿足生產(chǎn)需要。
工藝過程：首先根據(jù)汽車剎車鉗體精鑄母模的二維圖紙，采用Pro/E三維實(shí)體建模軟件，建立其三維實(shí)體CAD模型，然后再采用Lark'98系統(tǒng)對(duì)CAD模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和工藝規(guī)劃，最后采用FDM工藝制得汽車剎車鉗體精鑄母模。
1995年8月，采用FDM工藝制造了奧迪轎車剎車鉗體精鑄母模的RP原型，整體支撐效果很理想，一個(gè)完整的包圍盒起了很好的保溫作用。原型尺寸精度高、尺寸穩(wěn)定不變形、表面光潔度好、線條流暢，其精度完全達(dá)到并超過了精鑄母模質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，并鑄出了金屬制件，取得了明顯的階段性成果，有力地支持了高級(jí)轎車國(guó)產(chǎn)作。
2．采用RP/RT技術(shù)制作大型汽車覆蓋件模具
傳統(tǒng)的大型汽車模具制造方法是首先通過鑄造獲得型坯，然后通過機(jī)加工的方法對(duì)型坯進(jìn)行加工來保證模具的尺寸，傳統(tǒng)的模具加工方法的缺點(diǎn)為：制造周期長(zhǎng)，成本高，降低模具開發(fā)的周期和成本成為急待解決的問題。
快速模具制造（RT工藝）是一種新型的工藝，RT工藝方法之一是通過快速原型制造（RP工藝）獲得原型，通過無焙燒陶瓷型技術(shù)將原型轉(zhuǎn)換為陶瓷型，再進(jìn)行精密鑄造獲得尺寸精度較高、表面光潔度良好的鑄件，經(jīng)拋光處理后即得到所制造的模具。
清華大學(xué)激光快速成型中心與一汽集團(tuán)，一汽模具技術(shù)有限公司合作采用RP/RT技術(shù)制作大型汽車覆蓋件模具，制作步驟如下：
（1）用Pro/E造型軟件做出CAD模型
應(yīng)用MARC非線性有限元分析軟件對(duì)鑄件的凝固過程的尺寸精度進(jìn)行有限元分析，修改CAD模型。
（2）LOM工藝制造模具凸凹模工作部分的原型，在殷華公司M-RPMS—II型設(shè)備上，應(yīng)用LOM分層實(shí)體制造工藝，采用YHCP-1004涂敷紙，完成模具凸凹模的原型制作，其余部分由砂型制造。
（3）凸凹模工作部分的原型采用M-RPMS-Ⅱ型多功能快速成型機(jī)制作，輪廓掃描速度為300mm/s，網(wǎng)格直線速度為500mm/s，二氧化碳激光器功率為35W，采用YHCP-1004涂覆紙，熱壓溫度為90℃，紙和膠層的總厚度為0.1mm-1mm。
（4）利用無焙燒陶瓷轉(zhuǎn)換技術(shù)將模具的凸、凹模原型轉(zhuǎn)換為陶瓷型，陶瓷型凝固時(shí)間為8-10分鐘，表面粗糙度Ra0.8-3.2。
（5）采用陶瓷型精密鑄造與消失模鑄造技術(shù)相結(jié)合的方法制造凸、凹模（包括工作部分和其他部分）。
（6）對(duì)鑄造得到的模具進(jìn)行簡(jiǎn)單的拋光、打磨，獲得所需的模具。
北京殷華激光成型及模具有限公司采用RP/RT技術(shù)完成了大型汽車覆蓋件模具的凸凹模制作，這是一個(gè)試驗(yàn)用板料沖壓模具，它的成功開辟了一條大型覆蓋件模具制造的新路。
四、結(jié)語
快速原型技術(shù)是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來的高新技術(shù)，RPM的主要技術(shù)特征是成型的快捷性。運(yùn)用RPM技術(shù)能自動(dòng)、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變成一定功能的產(chǎn)品原型或直接制造零件，這對(duì)縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、減少產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力有重要作用。
（轉(zhuǎn)載）
