當(dāng)前我國(guó)的機(jī)械工業(yè)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比有很大差距，機(jī)電產(chǎn)品缺乏國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，主要原因之一就是新產(chǎn)品開發(fā)周期過(guò)長(zhǎng)，企業(yè)對(duì)市場(chǎng)響應(yīng)能力較差。一般機(jī)電產(chǎn)品的開發(fā)周期，我國(guó)為24個(gè)月，國(guó)外為3～6個(gè)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(jì)算可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)相匹配的新興技術(shù)，快速成型技術(shù)提供了一種可測(cè)量、可觸摸的手段，是設(shè)計(jì)者、制造者與用戶之間的新媒體。
1 國(guó)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(tái)套，其中大約50%在美國(guó)，20%在日本，其次是德國(guó)、法國(guó)、意大利和韓國(guó)。近年來(lái)，采用RPM設(shè)備最積極的地區(qū)是東亞（尤其是韓國(guó)、新加坡及我國(guó)的香港）。RPM系統(tǒng)的銷售情況見(jiàn)圖1。
美國(guó)的各種RPM系統(tǒng)基本上都是在美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)的資助下研發(fā)并實(shí)現(xiàn)商品化的。在Austin舉行的2000年度RP年會(huì)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?yàn)樵摴に嚦尚途茸罡撸?、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(dòng)（EARP）”項(xiàng)目。研究的主要內(nèi)容有:創(chuàng)造性設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)RPM技術(shù)的發(fā)展
為了加快RPM技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展，國(guó)家已組織實(shí)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(guò)國(guó)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(guó)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(dòng)等硬軟件方面。
但RPM技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用還不十分廣泛，設(shè)備安裝臺(tái)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(guó)RPM網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)，為我國(guó)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(guó)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(guó)外和香港地區(qū)相比，我們的RPM技術(shù)沒(méi)有得到充分的發(fā)展與應(yīng)用，主要表現(xiàn)在三個(gè)方面:
a RPM技術(shù)本身發(fā)展不夠成熟
該領(lǐng)域研究隊(duì)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(guó)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(duì)RPM技術(shù)重要性認(rèn)識(shí)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(guó)家承擔(dān)，企業(yè)沒(méi)有發(fā)揮其主導(dǎo)作用。對(duì)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(jià)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(méi)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(bào)價(jià)超過(guò)100萬(wàn)人民幣，甚至達(dá)幾百萬(wàn)。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(bào)價(jià)達(dá)80萬(wàn)美元，因此，如果RPM系統(tǒng)僅僅用來(lái)制造產(chǎn)品原型，從經(jīng)濟(jì)效益的角度看，有時(shí)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(wú)法比擬的長(zhǎng)處，結(jié)合研制微機(jī)械快速成型系統(tǒng)、臺(tái)式快速成型系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，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(gè)產(chǎn)品開發(fā)周期的一個(gè)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(gè)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(huì)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(duì)于單件或小批量生產(chǎn)，可直接由RPM系統(tǒng)制造。對(duì)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?gòu)?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(cè)試系統(tǒng)包括各種檢測(cè)及測(cè)量設(shè)備，如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、核磁共振、激光快速掃描儀、動(dòng)態(tài)測(cè)試儀等。產(chǎn)品或原型經(jīng)檢測(cè)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(cè)試裝置，可將零件送交專門的檢測(cè)單位檢測(cè)。
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(gè)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(chǎng)的步伐。
b 集成制造系統(tǒng)特點(diǎn)
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(guò)程方便且快捷，節(jié)省了大量的人工建造CAD模型時(shí)間。CAD模型到加工數(shù)據(jù)的處理過(guò)程自動(dòng)化。省卻了傳統(tǒng)的CAPP、CAM編程環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了原型的加工過(guò)程自動(dòng)化，降低了對(duì)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(shí)間和財(cái)力的浪費(fèi)。]企業(yè)對(duì)市場(chǎng)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(jì)算機(jī)技術(shù)為實(shí)現(xiàn)手段，綜合使用了各種先進(jìn)的制造技術(shù)，充分實(shí)現(xiàn)了人、管理及技術(shù)三者間的有機(jī)結(jié)合。
c 臺(tái)式快速成型系統(tǒng)
快速成型裝置是整個(gè)集成制造系統(tǒng)的核心，目前推出的快速成型裝置大都報(bào)價(jià)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(huì)向著降低成本、提高效率、簡(jiǎn)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?cè)?ldquo;863計(jì)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(yàn)的基礎(chǔ)上，研制了臺(tái)式快速成型系統(tǒng)。 該系統(tǒng)具有體積小、成本低、材料國(guó)產(chǎn)化的特點(diǎn)，尤其適合于國(guó)內(nèi)廣大的中小企業(yè)。系統(tǒng)沒(méi)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(duì)該燈，開發(fā)了一套體積小、成本低的調(diào)制及控制裝置，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)的多種自動(dòng)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(wú)味、無(wú)毒、基本實(shí)現(xiàn)了材料的國(guó)產(chǎn)化。 系統(tǒng)噪聲小、重量輕、無(wú)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(jià)及運(yùn)行成本僅為國(guó)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(wú)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(shí)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(guò)“863計(jì)劃”專家組驗(yàn)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(dòng)子系統(tǒng)（X-Y工作臺(tái)、升降臺(tái)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(diǎn)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(shí)間有較大縮短。 由于窗板與樹脂固化物分離性小，需要對(duì)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(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)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(duì)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(tái)的運(yùn)動(dòng)而逐點(diǎn)、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(chǎng)信息，通過(guò)互連網(wǎng)，可以在一地區(qū)、一國(guó)之內(nèi)，甚至全球范圍內(nèi)共享信息、設(shè)備等資源。如沒(méi)有RPM設(shè)備的企業(yè)可以把自己的設(shè)計(jì)結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳給諸如RPM服務(wù)中心等單位制造原型，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程制造。 這樣一種戰(zhàn)略，可大大縮短我國(guó)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(shí)現(xiàn)巨大收益的有效途徑，也是我國(guó)制造業(yè)加入WTO之后嚴(yán)峻的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)下獲得生存的有效途徑。目前包括中國(guó)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(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，而RPM是一個(gè)非常適宜中國(guó)國(guó)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。