當(dāng)前我國的機(jī)械工業(yè)與發(fā)達(dá)國家相比有很大差距，機(jī)電產(chǎn)品缺乏國際競爭力,，主要原因之一就是新產(chǎn)品開發(fā)周期過長,，企業(yè)對市場響應(yīng)能力較差。一般機(jī)電產(chǎn)品的開發(fā)周期,，我國為24個月,，國外為3～6個月。而若采用快速成型（RPM: RapidPrototyping & Manufacturing）技術(shù)則可大大縮短開發(fā)周期,。
作為與科學(xué)計算可視化,、虛擬現(xiàn)實相匹配的新興技術(shù)，快速成型技術(shù)提供了一種可測量,、可觸摸的手段,，是設(shè)計者、制造者與用戶之間的新媒體,。
1 國外RPM技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

圖1 快速成型系統(tǒng)銷售情況
至 1999年,，全球共有334家RPM服務(wù)機(jī)構(gòu),，27家設(shè)備制造商，12家材料供應(yīng)商,，23家咨詢機(jī)構(gòu),，14家專門的軟件供應(yīng)商。分布于全球的RPM系統(tǒng)有 4257臺套,，其中大約50%在美國,，20%在日本，其次是德國,、法國,、意大利和韓國。近年來,，采用RPM設(shè)備最積極的地區(qū)是東亞（尤其是韓國,、新加坡及我國的香港）。RPM系統(tǒng)的銷售情況見圖1,。
美國的各種RPM系統(tǒng)基本上都是在美國國家自然科學(xué)基金會的資助下研發(fā)并實現(xiàn)商品化的,。在Austin舉行的2000年度RP年會上，許多大學(xué)和公司都推出了各自的成型系統(tǒng),。
日本以東京大學(xué)為首的一批學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)及企業(yè)單位主要集中于SLA工藝（因為該工藝成型精度最高）,、樹脂材料研究開發(fā)和RPM技術(shù)的應(yīng)用方面。
澳大利亞建立了主要由RPM領(lǐng)域的工業(yè)企業(yè)和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)參與的“歐洲快速原型制造行動（EARP）”項目,。研究的主要內(nèi)容有:創(chuàng)造性設(shè)計和產(chǎn)品開發(fā),、建模和原型制造、CAD軟件,、醫(yī)療應(yīng)用等,。
2 國內(nèi)RPM技術(shù)的發(fā)展
為了加快RPM技術(shù)在我國的發(fā)展，國家已組織實施了快速成型技術(shù)應(yīng)用研究和推廣服務(wù)工作,。經(jīng)過國內(nèi)多所大學(xué)及公司幾年的努力,，已經(jīng)研制開發(fā)出與國外SLA、 LOM,、SLS,、FDM工藝相類似的一批設(shè)備。這些設(shè)備都是多種技術(shù)的集成,，主要是為了提高RPM制作精度和可靠性,，涉及工藝原理、工藝方法,、溫度控制,、激光及冷卻系統(tǒng)、精密機(jī)械傳動等硬軟件方面,。
但RPM技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用還不十分廣泛,，設(shè)備安裝臺數(shù)不多,，目前僅限于大型企業(yè)。為改變此落后局面,，西安交通大學(xué)已建立了中國RPM網(wǎng)絡(luò)站點,，為我國RPM制造商、RPM技術(shù)應(yīng)用服務(wù)中心,、科研院校及廣大用戶提供信息服務(wù),。南方也已成立多家采用國外設(shè)備的RPM服務(wù)中心，一些公司開始應(yīng)用RPM技術(shù)開發(fā)新產(chǎn)品,。
香港較內(nèi)地RPM技術(shù)起步較早,，香港生產(chǎn)力促進(jìn)局和亞洲殷發(fā)公司、香港科技大學(xué),、香港理工大學(xué)和香港大學(xué)都擁有RPM設(shè)備,。
與國外和香港地區(qū)相比，我們的RPM技術(shù)沒有得到充分的發(fā)展與應(yīng)用,，主要表現(xiàn)在三個方面:
a RPM技術(shù)本身發(fā)展不夠成熟
該領(lǐng)域研究隊伍比較薄弱,，資金投入有限，設(shè)備尚未完全達(dá)到商品化,，成型材料急需國產(chǎn)化,，與RPM技術(shù)配套的后續(xù)技術(shù)尚不完備。
b 未能有效地在企業(yè)中得到應(yīng)用
企業(yè)界對RPM技術(shù)重要性認(rèn)識不足,，缺乏企業(yè)的有力支持,，目前投入的研發(fā)資金幾乎都是由國家承擔(dān)，企業(yè)沒有發(fā)揮其主導(dǎo)作用,。對于已引進(jìn)RPM設(shè)備的企業(yè),，也未能充分發(fā)揮其作用。由于目前的RPM設(shè)備價格太昂貴,，因此廣大中小型企業(yè)很少能得到RPM提供的技術(shù)服務(wù)。
c 沒有建立發(fā)展RPM技術(shù)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理體系
目前存在相當(dāng)多的“低水平重復(fù)”現(xiàn)象,，使得有限的投入未能發(fā)揮更好的作用,。尤其是在學(xué)、產(chǎn),、研結(jié)合方面力度不夠,，影響科研成果的商品化，直至產(chǎn)業(yè)化,。
3 基于RPM技術(shù)的集成制造系統(tǒng)
同傳統(tǒng)制造法相比,，RPM技術(shù)雖然在制作周期、柔性等方面有較大提高,，但因多數(shù)RPM系統(tǒng)報價超過100萬人民幣,，甚至達(dá)幾百萬,。如全球最大RPM設(shè)備生產(chǎn)廠商3D Systems公司99年推出的最新SLA-7000設(shè)備，其報價達(dá)80萬美元,，因此,，如果RPM系統(tǒng)僅僅用來制造產(chǎn)品原型，從經(jīng)濟(jì)效益的角度看,，有時是得不償失的,。
為使RPM技術(shù)得到更為有效的應(yīng)用，發(fā)揮其傳統(tǒng)加工技術(shù)無法比擬的長處,，結(jié)合研制微機(jī)械快速成型系統(tǒng),、臺式快速成型系統(tǒng)的經(jīng)驗，提出一種基于快速成型技術(shù)的集成制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu),。


圖2 基于RPM的集成制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
a 集成制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
該集成制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)把RPM技術(shù)作為整個產(chǎn)品開發(fā)周期的一個核心環(huán)節(jié),。RPM技術(shù)與前期的快速反求工程（RRE: RapidReverse Engineering）、后續(xù)的快速模具制造（RT:Rapid Tooling）技術(shù),、其它先進(jìn)制造技術(shù)及企業(yè)內(nèi)外部的網(wǎng)絡(luò)組成一個集成的快速響應(yīng)制造系統(tǒng),，這樣，RPM技術(shù)的優(yōu)越性及形成的經(jīng)濟(jì)效益就會得到更為充分的體現(xiàn),。圖2所示是基于RPM的集成制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu),。
對于單件或小批量生產(chǎn)，可直接由RPM系統(tǒng)制造,。對于大批量生產(chǎn),，則由RPM系統(tǒng)加工出原型，利用RT技術(shù)生產(chǎn)大批零件,。如果要快速復(fù)制某物品（在雕刻,、珍貴文物復(fù)制、手術(shù)用器官模型等方面有應(yīng)用）,，則可利用RRE采集待復(fù)制物體的數(shù)據(jù),，進(jìn)行物體的三維CAD模型重建，模型經(jīng)處理后,，再輸入到RPM系統(tǒng)制作原型,。
圖2中的測試系統(tǒng)包括各種檢測及測量設(shè)備，如三坐標(biāo)測量機(jī),、核磁共振,、激光快速掃描儀、動態(tài)測試儀等,。產(chǎn)品或原型經(jīng)檢測分析合格后方能投入生產(chǎn),。企業(yè)不必花重金添置完備的測試裝置，可將零件送交專門的檢測單位檢測,。
快速成型,、快速模具制造,、快速反求工程及并行工程、虛擬制造等配套技術(shù)在Internet,、Intranet支持下,，便形成一個快速響應(yīng)的集成制造系統(tǒng)，企業(yè)也可因此加快開發(fā)產(chǎn)品,、開拓市場的步伐,。
b 集成制造系統(tǒng)特點
與傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法相比，該系統(tǒng)在以下方面大大縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期,，提高了產(chǎn)品質(zhì)量:反求工程技術(shù)的引入使得建造CAD模型的過程方便且快捷,，節(jié)省了大量的人工建造CAD模型時間。CAD模型到加工數(shù)據(jù)的處理過程自動化,。省卻了傳統(tǒng)的CAPP,、CAM編程環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了原型的加工過程自動化,，降低了對技術(shù)人員或操作人員的技術(shù)要求,。虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用提高了開發(fā)合格產(chǎn)品的一次成功率，避免了產(chǎn)品開發(fā)中的多次反復(fù)而造成的時間和財力的浪費,。]企業(yè)對市場的響應(yīng)能力大大提高,。該系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)技術(shù)為支撐，以計算機(jī)技術(shù)為實現(xiàn)手段,，綜合使用了各種先進(jìn)的制造技術(shù),，充分實現(xiàn)了人、管理及技術(shù)三者間的有機(jī)結(jié)合,。
c 臺式快速成型系統(tǒng)
快速成型裝置是整個集成制造系統(tǒng)的核心,，目前推出的快速成型裝置大都報價很高，暫不適宜推廣到中小企業(yè)中去,。 快速成型技術(shù)將會向著降低成本,、提高效率、簡化工藝的方向發(fā)展,，目的是為普及和擴(kuò)大其應(yīng)用范圍,。 為此，我們在“863計劃”的支持及有關(guān)單位的配合下,，在借鑒研制微機(jī)械快速成型系統(tǒng)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，研制了臺式快速成型系統(tǒng),。 該系統(tǒng)具有體積小,、成本低、材料國產(chǎn)化的特點,，尤其適合于國內(nèi)廣大的中小企業(yè),。系統(tǒng)沒有采用昂貴的激光器作為光源,，而是采用了紫外光較為豐富的紫外燈。針對該燈,，開發(fā)了一套體積小,、成本低的調(diào)制及控制裝置，實現(xiàn)了計算機(jī)的多種自動控制,。在材料方面,，同有關(guān)單位合作已成功開發(fā)出幾種性能較好的樹脂，樹脂無味,、無毒,、基本實現(xiàn)了材料的國產(chǎn)化。 系統(tǒng)噪聲小,、重量輕,、無三廢排放，可將打印機(jī),、復(fù)印機(jī)等一同用作辦公設(shè)備,。系統(tǒng)的造價及運(yùn)行成本僅為國外同類設(shè)備的1/10～1/20。
4 微機(jī)械快速成型技術(shù)
快速成型技術(shù)正向著多種材料復(fù)合成型方向發(fā)展,，即無需裝配能一次制造具有多種材料,、復(fù)雜形狀的器件。這種將材料制備與結(jié)構(gòu)成型一體化的快速成型方法,，將為開發(fā)復(fù)合結(jié)構(gòu)成型提供新途徑,，在微機(jī)械、電子元器件,、電子封裝,、傳感器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。我們研制的微機(jī)械快速成型系統(tǒng),，初步實現(xiàn)了快速成型與微機(jī)械制造兩種高新技術(shù)的結(jié)合,。該系統(tǒng)已通過“863計劃”專家組驗收。 微機(jī)械快速成型系統(tǒng)主要由建模切片軟件子系統(tǒng),、控制子系統(tǒng),、機(jī)械傳動子系統(tǒng)（X-Y工作臺、升降臺等）,、光學(xué)子系統(tǒng)等組成,。其工作原理等同一般快速成型技術(shù)。 微機(jī)械快速成型系統(tǒng)的特點主要有:


圖3 光造型技術(shù)兩種加工方式
采用約束液面式的加工方法
固化層片堆積的方向是向下,，而不是向上,。圖3a為一般光造型技術(shù)采用的自由液面式，圖3b為約束液面式。約束液面式可提高零件制作精度,，不需使用刮平樹脂液面的機(jī)構(gòu),，制作時間有較大縮短。 由于窗板與樹脂固化物分離性小,，需要對窗板表面進(jìn)行一定的處理,。在進(jìn)行了關(guān)于表面處理的分離性評價實驗的基礎(chǔ)上，考慮到透明性,、強(qiáng)度以及耐熱性的要求,，選擇了含有氟樹脂的材料涂覆在窗板表面上。
采用CAD直接法
CAD模型建造完以后,，直接在CAD系統(tǒng)內(nèi)對該模型進(jìn)行切片,，而不必轉(zhuǎn)化為89: 文件格式。這一方法可以避免所有小三角形平面逼近而產(chǎn)生的逼近誤差,，更適合于微機(jī)械制造,。
小固化單元，高加工分辨率本系統(tǒng)采用光譜極窄（0.1nm）,、發(fā)散角極小的氮分子激光器,，激光經(jīng)光學(xué)子系統(tǒng)調(diào)制后得到極微細(xì)的光束，該光束隨著工作臺的運(yùn)動而逐點,、逐線,、逐面地固化液態(tài)光敏樹脂。這種樹脂的固化顆粒小,，從而保證了高加工分辨率應(yīng)具有小固化單元的要求,。
利用以RPM技術(shù)為核心的集成制造系統(tǒng)，企業(yè)可由基于Internet,， Intranet的快速反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)獲得訂單或市場信息,，通過互連網(wǎng)，可以在一地區(qū),、一國之內(nèi),，甚至全球范圍內(nèi)共享信息、設(shè)備等資源,。如沒有RPM設(shè)備的企業(yè)可以把自己的設(shè)計結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳給諸如RPM服務(wù)中心等單位制造原型,，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程制造。 這樣一種戰(zhàn)略,，可大大縮短我國在機(jī)電行業(yè)特別是在汽車工業(yè)研發(fā)周期方面的差距,，這是以有限投資實現(xiàn)巨大收益的有效途徑，也是我國制造業(yè)加入WTO之后嚴(yán)峻的國際競爭形勢下獲得生存的有效途徑,。目前包括中國一汽,、春蘭,、海信,、海爾,、金城等在內(nèi)的不少企業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)中都采用了快速成型技術(shù)，該技術(shù)與其它先進(jìn)制造技術(shù)相結(jié)合而構(gòu)成的集成制造體系,，已經(jīng)取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益,。 RPM技術(shù)與CIMS不同，CIMS投資巨大,，需要較高的企業(yè)管理水平及高素質(zhì)的人才,，是個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，而RPM是一個非常適宜中國國情的先進(jìn)制造技術(shù),，應(yīng)引起政府部門,、高校和企業(yè)的高度重視，并加以研發(fā)及推廣,。