1 引言
快速成型(rapid prototyping，RP)技術是80年代中期發展起來的一種新原型制造技術，在產品開發初期，設計出所需的CAD圖或STL檔，并在實際生產前制作出模型以作為設計確認、產品修正、功能測試、模具開發的原始模型，即原型(prototype)。RP技術綜合了機械工程、CAD、數控技術、激光技術及材料科學技術，可以自動、直接、快速、精確地將設計思想轉變為具有一定功能的原型或直接制造零件，從而對產品設計進行快速評估、修改及功能試驗，大人縮短產品研發周期：具有敏捷性、適合任何形狀、高度柔韌或剛性、高度集成化等優點，廣泛應用于機械、汽車、電子、通訊、航空航天等領域。RP技術發展至今，已開發了較多相關設備以滿足各類模型制作的需要。
2 基于激光燒結技術的e-制造特點
德國EOS公司自1989年以來一直致力于激光燒結快速成型系統的研究開發與設備制造工作，所擁有的激光燒結技術正是EOS公司所倡導e-制造的核心技術。e-制造是指從數字檔案直接進行快速、彈性、低成本的制造。這種制造方式目前能夠滿足從單件產品制造到個性化產品大量生產的不同需求，使產品設計與制造之間有了新的結合方式，其主要優點簡稱為：任何形狀、任何時間、任何地方。具體說明如下：
(1)任何形狀，即在任何形狀下都可通過設計帶動制造。基于激光燒結技術的e-制造使設計者不再受傳統制造技術的限制而修改設計，造型設計師或工業設計師可實現其無窮的創意。如異型水路設計成為了改善模具散熱效率以降低冷卻周期的革命性設計。
(2)任何時間，即適用于產品生命周期中的任何一個階段。e-制造適用于產品生命周期中從前置開發期到產品上市后的零組件供應中的任何一個階段，且不受專業人員更替及工作時間的限制，通過CAD或各種設計軟件所獲得的3D數據可直接并快速地制作原型樣品或實體零件。
(3)任何地方，即適用于任何產業。e-制造理念極具競爭優勢，可輕松制作原本結構復雜及價格高昂的模具或零部件產品，設計、建筑、航天、汽車、機器人等高科技或民生工業領域均有其適用性。目前直接金屬激光燒結(DMLS)技術呈現出e-制造優勢，可直接燒結銅合金粉末、鋁硅鎂粉末、不銹鋼粉末、模具鋼粉末、鈦合金粉末，使模具開發從快速開模(rapid tooling)進展到具有異型水路結構或幾何外型復雜的高端模具制作。
2 金屬粉末激光快速成型技術應用案例
鈦應用的傳統制造方法是鑄造、鍛造和機械加工，這些方法非常費力且成本較高。鈦經常用于產量相對較小但價值重要的零件。激光燒結方法能夠輕易制造出空心等輕型結構產品，極大地提高鈦組件的性能和價值。鈦合金有極佳的機械特性和抗腐蝕性，比重小，生物兼容性好。迄今為止，激光鈦燒結主要應用于醫學和牙科設備、航天和汽車及時尚行業等。最常使用的材料是EOS鈦T164(細粉末Ti6A14V合金)。一些醫學案例中使用低間隙元素含量的粉末或者工業純鈦粉末。
圖1為Leader Italia公司研發出的一系列名為TiXos的新型植牙螺釘，能在EOSINT M 270設備中使用鈦原料進行生產。這種螺釘通常由固體金屬機械加工而成，而在激光燒結中則通過將金屬粉末熔在一起而形成，不會浪費原料。通過控制激光曝光強度生成一種含有完全致密體和多孔表面形態的混合結構，這樣就無需涂層，還能提高生物活性，可以根據需要在每一次作業中生產不同種類和尺寸的螺釘，高教靈活地生產大量高性能產品。激光燒結技術能夠通過計算機進行設計，在制造植牙體和相關表面時頗具特色地模仿骨骼結構的內部連接孔洞，傳統的表面處理工藝不能做到這一點。
圖1 新型植牙螺釘
KERRIE LUFT將激光燒結技術用于制造別致鞋類，通過鈦快速成型制作復雜幾何形狀的鞋跟，以體現其新藝術的特征。鞋跟的花絲結構需要高強度材料，選擇鈦最合適。圖2為KERRIE LUFT在倫敦展示的使用激光鈦燒結制作的MA系列鞋跟。
圖2 使用激光鈦燒結制作的MA系列鞋跟
使用直接金屬激光燒結技術制作模具的另一優勢是改善模具效能以使生產過程獲得最大成效，該技術能夠節省時間和成本，而且在模具中加設冷卻水路或溫控管路時，可以使模具局部溫度降低或達到均溫，對模具進行更快速地冷卻或加溫處理，以縮短成型周期，且不會產生殘留應力及翹曲等問題。傳統的水路制作均以鉆孔方式完成，其直線圓管狀造型須避開相關結構或組裝原件，使水路設計受到限制。而基于直接金屬激光燒結技術制作的模具，給冷卻水路或其他管道設計的位置及造型帶來了廣闊的想象空間。圖3所示帶有異型水路的模具需要以低廉的單價生產200萬顆高爾夫球紀念品，利用直接金屬激光燒結技術制作此模具的時間僅為50h，且能提高產能近20%。
圖3 帶有異型水路的模型
3 結束語
RP技術經過20余年的發展，在加工方法、材料等方面取得了許多突破。該技術持續以20%的速度穩定增長，每年均有1000～1500套快速成型設備出售。目前全球有400家RP服務機構，這一市場的擴人，在很人程度上與相關設備的研發及材料的開發密不可分。
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本文標題：RP技術在各種產業中的應用研究
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