常见的快速成型技术、优势和应用 - 深圳国际3D打印展

快速成型技术（Rapid Prototyping，简称 RP），又称快速原型制造技术，是 20 世纪 80 年代后期发展起来的一项先进制造技术。它基于离散 - 堆积原理，将计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数字控制（CNC）、激光技术、材料科学与工程等多学科技术集成，能够快速、精确地将设计思想转化为具有一定功能的三维实体模型或零件。

工作原理

离散过程：

首先，利用三维设计软件（如 SolidWorks、Pro/E 等）构建产品的三维 CAD 模型。然后，通过专门的切片软件将三维模型沿一定方向（通常是 Z 轴方向）进行分层切片，得到一系列具有一定厚度的二维截面轮廓信息。这些二维轮廓信息包含了模型在该层的几何形状和尺寸等数据。

堆积过程：

快速成型设备根据切片后的二维轮廓信息，采用不同的材料添加方式，如激光烧结粉末材料、挤出熔融材料、喷射液态材料等，逐层堆积材料，最终形成三维实体模型。每一层的堆积都是在前一层的基础上进行，通过精确控制材料的添加位置和形状，使各层之间紧密结合，逐步构建出完整的三维物体。

常见的快速成型技术

立体光固化成型（Stereolithography Apparatus，SLA）

原理：以光敏树脂为原材料，在计算机的控制下，紫外激光按零件各分层截面的轮廓信息对液态的光敏树脂表面进行逐点扫描。被扫描到的树脂薄层会在光的作用下发生聚合反应（固化），从而形成零件的一个薄层截面。一层固化完成后，工作台下降一个层厚的距离，使新一层的树脂覆盖在已固化层上，然后激光继续扫描进行下一层的固化，如此反复，直至整个零件制作完成。
特点：成型精度高，表面质量好，能制作出非常精细的结构；成型过程中无相变，材料收缩小；但设备成本较高，光敏树脂材料价格较贵，且成型件容易受紫外线影响发生老化。

选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）

原理：将金属、陶瓷、塑料等粉末材料均匀地铺洒在工作台上，形成一定厚度的粉末层。然后，在计算机的控制下，激光束按照零件分层截面的轮廓信息对粉末层进行选择性扫描，使被扫描到的粉末颗粒吸收激光能量而升温，达到粉末材料的熔点或软化点，从而相互粘结在一起，形成零件的一个截面层。一层烧结完成后，工作台下降一个层厚的距离，再铺上一层新的粉末，重复上述烧结过程，层层堆积直至完成整个零件的制造。
特点：可直接制造金属、陶瓷等功能零件，无需模具；材料利用率高，未被烧结的粉末可重复使用；能制造形状复杂、内部结构精细的零件；但成型精度相对较低，表面粗糙度较大，成型过程中可能产生内应力导致零件变形。

熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）

原理：把丝状的热塑性材料（如 ABS、PLA 等）通过送丝机构送至喷头，在喷头内材料被加热至熔融状态。喷头在计算机的控制下，按照零件分层截面的轮廓信息在工作台上进行运动，将熔融状态的材料挤出并沉积在指定位置，逐层堆积形成三维实体模型。材料在沉积后迅速冷却固化，与前一层牢固粘结。
特点：设备结构简单，成本较低，操作方便；材料种类丰富，常见的有 ABS、PLA、尼龙等；成型过程无污染；但成型精度相对较低，成型速度较慢，零件表面质量一般，在垂直方向上可能会出现明显的阶梯状纹理。

三维打印成型（Three - Dimensional Printing，3DP）

原理：与传统的二维喷墨打印原理类似，通过喷头将粘结剂（如胶水）选择性地喷射到粉末材料（如石膏粉、陶瓷粉等）上，使粉末材料在粘结剂的作用下逐层粘结固化，形成三维实体模型。首先在工作台上均匀铺设一层粉末材料，然后喷头按照零件分层截面的轮廓信息喷射粘结剂，使粉末材料粘结成该层的形状。一层完成后，工作台下降一个层厚的距离，再铺上一层新的粉末，继续喷射粘结剂，如此循环直至完成整个零件的制作。
特点：设备成本低，成型速度快，可实现彩色打印；材料选择范围广，包括多种粉末材料；但成型件的强度相对较低，一般需要进行后处理（如浸蜡、树脂灌注等）来提高强度和表面质量。

快速成型技术的优势

缩短产品开发周期：

传统的产品开发过程通常需要经过模具设计与制造、试模、修改模具等多个环节，周期较长。而快速成型技术无需模具，可直接根据三维设计模型快速制作出原型，大大缩短了产品从设计到样品制作的时间，加快了产品开发进度，使企业能够更快地响应市场需求。

降低研发成本：

在产品研发初期，通过快速成型技术制作原型进行性能测试和功能验证，可以提前发现设计中存在的问题并进行修改，避免了在后期制造模具或批量生产后才发现问题而造成的巨大成本浪费。同时，对于一些小批量、定制化的产品生产，快速成型技术也能以较低的成本满足需求。

提高设计灵活性：

快速成型技术可以轻松实现复杂形状零件的制造，设计师无需过多考虑制造工艺的限制，可以充分发挥创意，设计出更加新颖、独特的产品结构。此外，在设计过程中，还可以随时对三维模型进行修改，并快速制作出新的原型，方便对设计方案进行优化。

便于产品展示与评估：

快速成型制作的原型具有真实的外观和一定的功能，能够直观地展示产品的外形、结构和装配关系，便于企业内部各部门之间的沟通协作，也方便向客户、投资者等展示产品，获得更准确的反馈意见，有助于产品的市场推广和商业决策。

应用领域

制造业：

在产品设计阶段用于制作原型，进行设计验证和功能测试；在模具制造中，可制作模具原型，缩短模具开发周期；还可直接制造小批量的零部件，满足个性化定制生产的需求。例如汽车制造业中，利用快速成型技术制作汽车发动机缸体、仪表盘、车身覆盖件等原型，进行装配和性能测试；航空航天领域，制造复杂的航空发动机叶片、飞机模型等。

医疗领域：

可以根据患者的医学影像数据（如 CT、MRI）制作人体器官模型，辅助医生进行手术规划、模拟手术操作，提高手术的准确性和安全性；还可用于定制个性化的医疗器械，如义齿、假肢、植入物等。例如，通过 3D 打印技术制作的个性化膝关节植入物，能够更好地匹配患者的骨骼结构，提高植入效果。

建筑设计：

制作建筑模型，直观展示建筑外观、内部结构和空间布局，帮助设计师与客户沟通交流设计理念；还可用于制作建筑装饰构件的原型，实现个性化的建筑装饰设计。例如，利用快速成型技术制作大型商业建筑的外观模型，让客户提前感受建筑的整体效果。

文化创意产业：

在影视道具制作、动漫手办设计与制作、文物复制等方面有广泛应用。通过快速成型技术，可以快速制作出逼真的影视道具和精美的动漫手办，满足文化创意产品的个性化需求；同时，对于珍贵文物的复制，能够在不损坏文物原件的前提下，高精度地还原文物的外观和细节。

教育领域：

作为一种直观的教学工具，帮助学生更好地理解复杂的三维结构和空间概念。例如在机械设计、工业设计等课程中，学生可以通过快速成型技术将自己设计的作品制作成实物模型，增强对设计的感性认识，提高实践能力和创新能力。