1.1 快速成形技术的原理

快速成形技术（Rapid Prototyping，RP）最早产生于20世纪70年代末到80年代初，是当今世界快速发展的技术之一。其在制造原理上采用了“增材制造”的加工思想，相比于传统的加工“去材制造”方法，在制造思想和实现方法上具有很大的区别。

1.1.1 传统加工制造模式

按现代制造理论对机械加工成形方式的划分，传统的制造加工方法在成形方式上主要有两种：切削成形与受迫成形。切削成形又称去除成形，是将包含零件形状的毛坯，使用工具通过切削加工的方法去除规定尺寸以外的部分，得到所要求的零部件。受迫成形又称净尺寸成形，是利用材料的可成形性（如塑性等），在特定的外围约束（加工零件的模具型腔）下将能够流动的液体材料挤压成形，或者挤压固体材料达到所需的形状和尺寸。

它们所包含的主要加工方法如图1-1所示。

除图1-1所示的成形加工方法外，有些特种加工方法如电火花加工、激光切割加工等也属于切削成形的加工方法，非金属材料的注塑、挤塑、吹塑、压延、发泡等加工方式也都属于受迫成形的方法。

受迫成形通过一定的外加压力，使被加工的材料（通常为具流动性的液体）填充于预先加工好的型腔，而型腔的制造通常也由切削成形的加工方法完成。因为切削成形的加工方法是一种“去材”成形的加工方法，“去材”的实现主要通过一定的工具和坯料之间的相对运动来实现。例如，车削加工方法主要完成回转体类零件的加工，它是在电机提供动力的条件下，使得坯料做回转运动而车刀按一定的轨迹运动，在相对运动的过程中将相互干涉的部分去除，实现切削，如图1-2所示。

由图1-2“去材”加工的实现过程所示，传统的“去材”加工方式有以下特点：

① 制造思路为“将坯料上相对于零件在形状上相差异而多出来的那部分去除”。

② 为完成一个零件的加工往往需对零件的几何形状特征进行分析，从而确定加工方法及其工艺过程，整个切削成形过程可能保护多种加工方法，对带有键槽的轴除了车削加工方法外还有铣削加工方法，以完成键槽的加工。

③ 由于采用的工具通常为具有一定刚度的材料，当零件的几何形状比较复杂时采用“去材”加工方法，加工过程中刀具与零件或坯料会产生干涉而无法完成，应选用多自由度的数控机床完成加工。

④ 根据零件使用性能要求选择毛坯材料，加工完成后的零件即可用于实际使用。

相比于“去材”成形的加工方法，快速成形技术采用“增材”成形的制造思路实现成形件的加工，这种成形方法具有其自身的特点。

1.1.2 快速成形技术的原理

快速成形技术（Rapid Prototyping，RP）基于数字离散-堆积的概念。其制造技术原理如图1-3所示。

根据离散-堆积的制造原理，快速成形制造过程中有以下几点问题需要考虑：

① 需首先对实体进行离散，因而必须对三维实体数据按一定的格式进行表达，采用什么样的方式对数据进行离散，同时选择何种精度对数据进行离散才能保证离散数据再堆积后实体的精度能满足实际的需求。

② 离散后的数据采用何种加工方式，如何对这些离散数据进行堆积，选择什么样的堆积方式。

③ 选择什么样的材料进行加工，对于三维实体，其离散后可分为点、线、面，在实现的过程中对应其堆积方式，可选择离散材料应有点、线、面三种形式，不同的离散材料加工堆积的方法有所不同。

因而，要实现快速成形的制造过程，必须要有许多先进的制造技术支撑，如由CAD技术完成数据的处理，CAM技术及精密的驱动机构完成各离散材料的准备，合适的能量源或黏结剂使离散材料完成从点到线到面的转变。快速成形技术原理的具体实现过程如下：首先将CAD模型转化为STL（STereoLithography）文件格式，用分层软件将计算机三维实体模型在高度方向离散成一系列具有一定厚度、一定形状的薄片，其次在计算机的控制下有选择性地固化或黏结某一区域的材料，从而形成零件实体的一个层面，并逐层堆积生成对应CAD原形三维实体（原型），其技术原理如图1-4所示。

1.1.3 快速成形技术的特点

从快速成形技术的原理及其实现的基本过程看，快速成形技术是各种先进制造技术的高度集成，该技术具有如下特点：

① 其实现思想上和传统的“去材”成形正好相反，通过对离散材料按一定的方式进行点、线、面的连接与堆积。

② 无论零件的复杂程度如何，其加工统一采用先离散后堆积的制造过程，不因零件的现状几何特征相异而采用不同的加工工艺，整个零件一次完成，而对于“去材”加工，某一零件的加工可能需多种加工方法复合，如带“键槽”的轴类零件需要车削和铣削两种加工方法。

③ 在“去材”成形的实现过程中，材料根据使用性能的要求选择，而在堆积制造过程中材料的整体制备和零件的成形过程是统一的。

④ 在每一离散面加工过程中不涉及工具加工轨迹的相互干涉，能实现高度的自动化。

因而，快速成形技术应用于制造领域具有如下优点：

① 对零件的复杂程度不敏感，加工过程没有从CAD模型到CAM实现的工艺分析过程，可以快速地实现零件从CAD设计模型到实体模型的制作，实现产品开发的快速闭环反馈，从而大大地缩短产品的开发周期。

② 对产品的设计者而言，可以快速地根据CAD模型拿到真实的产品样品，一方面可以加快产品的开发速度，另一方面可以对设计的产品有一个实实在在的认识，从而对产品的外形、功能进行多次评估，为设计者创造优良的设计环境，尽快得到优化结果，是实现并行设计的强有力手段。比如，在鼠标的新产品开发过程中，电脑CAD模型的观测只能获取视觉上的感官认识，但并不能了解新鼠标的设计在人使用时是否舒适，将电脑上所见的三维实体快速地转换为实体则可以很好地解决这一问题。

③ 特别适合小批量产品的开发与制造。对于某些批量小且形状复杂的产品，如采用传统的开设模具加工会造成生产成本的巨大支出，而利用快速成形产品并结合快速模具技术则可大大降低成本，缩短制造周期。

④ 在没有实际投产前通过快速成形技术获得的产品原形，通过一定的市场化的途径，如产品推销员通过产品原形与直接使用客户的沟通，在展销会上和经销商之间的直接交流等以获得市场对该产品的认可程度与反馈意见，从而减少产品投产的风险。

正是由于快速成形技术有诸多的优点，各国政府自该技术出现并商业化以来都给予了巨大的资助，自20世纪80年代初至今，该技术深受制造业的瞩目并取得了长足的发展。