一、快速成型发展概述
快速成型(Rapid Prototyping)技术是80年代发展起来的一种新型制造技术。与传统的切削加工不同，RP采用逐层材料累加法加工实体模型来，故也称为增材制造(Material Incress Manufacturing,MIM)或分层制造技术(Layered Manufacturing Technonogy，LMT)。RP是计算机技术、数控技术、材料科学、激光技术、机械工程技术集成的结晶。它具有如下特点：1）高度柔性，可以制造任意复杂形状的三维实体；2）CAD模型直接驱动，设计制造高度一体化；3）成型过程无需专用夹具或工具，无需人员干预；4）成型全过程的快速性。
RP概念一直可以追溯到1892年美国的一项采用层合方法制作三维地图模型的专利技术，1979年，日本东京大学生产技术研究所的中川威雄教授发明了叠层模型造型法，1980年小玉秀男又提出了光造型法。SLA方法由Charles Hull于1986年获美国专利。1988年，美国3D Systems公司率先推出了世界上第一台商用快速成型系统-立体光刻SLA-1，并以30%～40%的年销售增长率在世界市场出售。
近年来，随着激光技术、材料科学和计算机技术的发展，快速成型技术已日趋成熟。迄今为止，国内外已开发成功了10多种成熟的快速成型工艺，其中比较常用的有立体光刻SLA(Stereolithography Apparatus)工艺、分层实体制造LOM(Laminated Object Manufacturing)工艺、选择性烧结SLS(Selective Laser Sintering)工艺、熔融沉积制造FDM(Fused Deposition Modeling)工艺、三维印刷3DP(Three Dimension Printing)工艺、工艺等，各种工艺在市场中的分布如图1所示。从图中可以看出，应用最广泛的是立体光刻(SL)成型机。但近年来，Z Corp公司生产的3DP概念型成型设备有迅速增长之势。
RP的用途主要是快速模具(Rapid Tooling)、设计可视化、设计验证与检讨、功能测试等。实践证明RP能优化产品设计、缩短产品开发周期、降低开发成本，并广泛应用于家用电气、汽车、航空航天、医学、教学科研等领域，同时应用又促进了RP的发展，从图2可以看出RP的发展势头。
二、立体光刻技术的发展
2.1 SL工艺简介
SLA工艺也称光造型或立体光刻，它是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长和强度的紫外光(如λ=325nm)的照射下能迅速发生光聚合反应, 分子量急剧增大,材料也就从液态转变成固态。液槽中盛满液态光固化树脂，激光束在偏转镜作用下在液态树脂表面扫描,光点照射到的地方,液体就固化。成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描固化。
当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度，刮板在已成型的层面上又涂满一层树脂并刮平，然后再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕,得到一个三维实体模型。
目前立体光刻成型机占据着RP设备市场的最大份额。除了美国3D System公司的SLA系列成型机外，还有日本CMET公司的SOUP系列、D-MEC(JSR/Sony)
公司的SCS系列和采用杜邦公司技术的Teijin Seiki公司的Solidform。在欧洲有德国EOS公司的STEREOS、Fockele & Schwarze公司的LMS以及法国Laser 3D公司的Stereophotolithography(SPL)。中国在90年代初即开始了SL快速成型的研究，经过近十余年的发展，取得了长足的进展，西安交通大学等高校对SL原理、工艺、应用技术等进行了深入的研究，成熟的商品化产品有上海联泰的RS系列激光快速成型机。国产快速成型机在国内市场的拥有量已超过了进口设备，并且其性价比和售后服务优于进口设备。
nextpage 2.2 SL技术的最新进展
当前SL技术的进展主要体现在如下几个方面：
1．软件技术
随着越来越多的原型要在快速成型机上加工，RP数据处理软件的性能在提高工作效率、保证加工精度等方面变得越来越重要。因为虽然快速成型机的加工过程是自动进行，不要人工干预，但RP的数据处理却要由人来完成，特别是由于目前通行的STL文件总存在这样那样的问题，当操作员手中有大量的原型要在短时间内加工出来时，数据处理就成了瓶颈，并且稍有疏漏，可能会导致一批零件的加工失败。数据处理应具备如下基本功能：1）STL文件的修补；2）多个加工文件的定位、定向；3）支撑设计；4）切片操作。成型机生产厂商自己开发的数据处理软件已很难满足要求，一些通用的RP软件应运而生，其中最著名的是比利时Materialise公司开发的MagicsRP。最新版的MagicsRP9.0除能自动快速完成上述基本功能外，还具有如下一些功能:
1）STL文件的编辑，如打标、打孔、切割、添加特征等；2）各种形式的支撑，如点状支撑使得支撑去除容易、不损坏表面，镂空的支撑使得支撑消耗的材料降低到最低；3）Z轴补偿、光斑补偿保证原型的尺寸精度；4）具有功能强大的工具箱，如抽壳操作可对任意复杂的STL文件进行抽壳 ；三角形缩减功能可根据精度要求对STL文件进行精简，从而提高数据处理速度。5）完善的标注功能不但能测量标注点到点的距离，还能进行特征识别，测量并标注直径、角度等尺寸。
2．激光技术的进步使成型速度大幅度提升
RP技术走出实验室后，就必须不断提高成型速度，才能逐步符合“快速”二字。从设备的角度而言，激光功率是影响成型速度的主要因素。立体光刻的成型速度一般用每小时成型的原型重量来衡量。初期采用325nm的氦镉激光器的立体光刻设备激光功率较低（50mw左右），一般的成型速度在20克～30克每小时之间。351nm的氩离子紫外激光器虽然能输出较高功率的激光，但却有体积大、对水、电需求严格高等缺点。目前，工作波长为355nm的半导体泵浦固体激光器(DPSS)的发展迅速改变了这种状况，成为光固化快速成型系统的理想光源。新型的半导体泵浦固体紫外激光器输出功率在100mW以上，甚至超过1W，扫描速度接近了振镜扫描系统的极限，从而使成型速度提高一倍以上，达到50～100克每小时。固体激光器的另一个优点是寿命大大增加，可接近或超过1万小时，而且激光器的再生费用也较低，从而大大降低了设备的使用成本。成本更低、稳定性更高、使用寿命更长是对紫外固体激光器发展的要求。
3．成型材料的进展
对于立体光刻快速成型设备来说，光敏树脂材料是至关重要的，目前进口材料已解决了收缩变形的问题，朝性能多样化、功能材料方向发展。目前光固化材料供应商主要有DSM Somos、VANTICO、RPC等公司。以DSM Somos公司为例，该公司提供多种型号的光敏树脂材料，能满足多种需求，例如Somos 11120是一种低黏度的光敏树脂，固化后的性能类似于ABS塑料，并且燃烧后残留灰份很少，特别适合于消失铸造。而Somos12120是一种耐高温光敏树脂，原型成型后呈淡红色，经热固化后，热变形温度可达126℃(0.46MPa)，适合耐高温的要求。ProtoTool 20L是一种高强、高硬、高温复合光敏树脂，固化后的热变形温度可达259℃(0.46MPa),拉伸强度可达79MPa,可直接用于加工汽车零件、风管测试件、车灯等功能零件，甚至可直接加工注塑模具。
4．成型机机、电、控制系统不断完善，使稳定性、加工质量和效率不断提高
立体光固化工艺过程恰似搭建空中楼阁，局部的加工缺陷会造成整个加工过程的失败，具有天然的脆弱性，因而设备的稳定性至关重要。提高设备的稳定性要从光、机、电、软件各部分着手。上海联泰的最新立体光刻设备采用先进的真空吸附涂层系统，使得大平面的涂层可靠性大大提高，并且完全消除了气泡，整个涂层时间也大大缩短；成型机的电气系统采用PLC控制，稳定性和可靠性得到保证；控制软件可根据激光功率的变化自动调节工艺参数。因而整机性能得到大幅提升。
三、发展趋势
因为快速成型符合加工过程数字化这一潮流，因此它不会是昙花一现的技术，从长期来讲，它必将从原型的加工转变成产品的加工，并可能成为未来一个主要的加工手段。在未来的几年内，设备技术会出现一个相对的平稳阶段，发展主要体现在生产效率的提高和材料的进步上。随着人们对RP的不断了解，各种RP工艺将会在最适合自己的领域内发挥自己的作用，作为RP百花园中的一朵奇葩，立体光刻以其出色的精度，在非金属材料的高端快速成型领域内将继续领先。
