我們處在一個(gè)信息的時(shí)代、一個(gè)科學(xué)技術(shù) 迅猛發(fā)展、各種技術(shù)迅速融合集成的時(shí)代。在這 個(gè)時(shí)代，快速成型制造技術(shù)(RP&M)的產(chǎn)生就 是計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光和新材料等ZUI新 技術(shù)集成的結(jié)果，同樣它的發(fā)展和應(yīng)用更有賴 于相關(guān)技術(shù)。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，已經(jīng)形成一個(gè) 以快速成型技術(shù)為核心，包括CAD造型、數(shù)據(jù) 處理、反求工程，以及工模具制造技術(shù)等多項(xiàng)技 術(shù)的相對(duì)完善的技術(shù)體系。下圖給出了一個(gè)比 較完善典型技術(shù)體系。

一、PR＆M技術(shù)系統(tǒng)中的信息及信息處理 

快速成型技術(shù)是信息時(shí)代的產(chǎn)物，其技術(shù) 系統(tǒng)的核心問題是信息處理，從本質(zhì)上講， RP＆M制造技術(shù)系統(tǒng)中的各個(gè)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)都是 信息處理的環(huán)節(jié)，如數(shù)據(jù)處理反求工程，原型制 造，快速工模具制造等。 

現(xiàn)代系統(tǒng)科學(xué)認(rèn)為，“信息是物質(zhì)的一種普 遍的基本屬性，是關(guān)于系統(tǒng)的組織性和復(fù)雜性 的規(guī)定性及其表征”[1]。因此，不能僅僅認(rèn)為只 有數(shù)字化的信息才是信息。 

CAD三維數(shù)據(jù)模型、表面離散化模型、分 層后的層片文件、掃描矢量文件、數(shù)控代碼文件 是信息，它們都是數(shù)字化的信息，是加工對(duì)象幾 何信息的不同描述方式。同樣由RP＆M技術(shù)生 成的原型，由其它成型方式加工而成的零件，或 自然形成的各種實(shí)物，同樣包含著該對(duì)象的三 維幾何信息。只不過前者是數(shù)字化的信息，而后 者是物理實(shí)體。因此可以將RP&M技術(shù)系統(tǒng)中 的信息分為數(shù)字形態(tài)信息和物理形態(tài)信息兩大 類，而每一類中又有不同的形式(圖2)。 

RP＆M技術(shù)系統(tǒng)中的信息分為兩種信息 形態(tài)，與之對(duì)應(yīng)RP&M技術(shù)系統(tǒng)中的信息轉(zhuǎn)換 可分為數(shù)據(jù)處理、信息物化、物性轉(zhuǎn)換、實(shí)物信 化4種基本形式(圖3)。 

在快速成型技術(shù)系統(tǒng)中，將加工對(duì)象的三 維實(shí)體模型離散化，得到層片文件，根據(jù)不同工 藝進(jìn)行填充得到掃描矢量文件，進(jìn)而生成數(shù)控 代碼文件，這種不同數(shù)字形態(tài)信息間即不同數(shù) 據(jù)模型間的轉(zhuǎn)換稱之為數(shù)據(jù)處理；在快速成型 制造過程中，快速成型設(shè)備在數(shù)控代碼的控制 下，逐層加工堆積得到物理原形，這一根據(jù)數(shù)字 形態(tài)信息生成實(shí)際的物理實(shí)體的過程稱之為信 息物化；在將不同物理實(shí)體間的轉(zhuǎn)換稱之為物 性轉(zhuǎn)換，而將物理實(shí)體的幾何信息數(shù)字化的過 程稱之為實(shí)物信化。 

二、快速成型制造技術(shù)體系的基本環(huán)節(jié) 

基于以上分析，可以將RP&M技術(shù)體系分 解為幾個(gè)彼此聯(lián)系的基本環(huán)節(jié)： 

1．三維CAD造型 

利用各種三維CAD軟件進(jìn)行幾何造型， 得到零件的三維CAD數(shù)字模型，是獲得初始 信息的ZUI常用方法。目前較杰出的CAD軟件 系統(tǒng)主要有 Pro／Engineer， AutoCAD， I— DEAS，Unigraphics，CATIA，CADKEY等，其 三維造型方式主要有實(shí)體造型和曲面造型，三 維數(shù)據(jù)格式主要有IGES，DXF，VDA—FS，Uni— versallFiles等。目前許多CAD軟件在目前系 統(tǒng)中加入一些專用模塊，將三維造型結(jié)果進(jìn)行 離散化，生成面片模型文件(STL文件、CFL文 件等)或?qū)悠Ｐ臀募?LEAF文件、CLI文件、 HPGL文件等[3]。 

2．反求工程 

物理形態(tài)的零件是快速成型技術(shù)體系中零 件幾何信息的另一個(gè)重要來源。這里既包括天 然形成的各種幾何形體，也包括利用各種技術(shù) 手段，如鍛造、鍛壓、焊接、車、銑、刨、磨、堆積等 傳統(tǒng)工藝加工而成的幾何實(shí)體。這些幾何實(shí)體 同樣包含了零件的幾何信息，但這些信息必須 通過反求工程進(jìn)行數(shù)字化，方可進(jìn)行下一步的 處理。反求工程是將三維的物理實(shí)體幾何信息 數(shù)字化的一系列技術(shù)手段的總稱，它完成實(shí)物 信化的功能。反求工程的整個(gè)過程主要由兩個(gè) 部分組成，首先是零件表面數(shù)字化，提取零件的 表面三維數(shù)據(jù)。主要的技術(shù)手段有三坐標(biāo)測(cè)量 儀、三維激光數(shù)字化儀、工業(yè)CT和MRI，以及 自動(dòng)斷層掃描儀等。通過三維數(shù)字化設(shè)備得到 的數(shù)據(jù)往往是一些散亂的無序點(diǎn)或線的集合， 還必須對(duì)其進(jìn)行三維重構(gòu)得到三維CAD模 型，或者層片模型等[4]。 

3．?dāng)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 

快速成型系統(tǒng)比繪圖儀、打印機(jī)要復(fù)雜得 多，同時(shí)設(shè)備工藝也具有更大的多樣性，因此利 用快速成型系統(tǒng)制造零件并不像使用打印機(jī)、 繪圖儀那樣簡(jiǎn)單，只要將CAD系統(tǒng)的文件發(fā) 送過去就行了。三維CAD造型或反求工程得 到的數(shù)據(jù)必須進(jìn)行大量處理，才能用于控制 RP成型設(shè)備制造零件。數(shù)據(jù)處理的主要過程 包括表面離散化，生成STL文件或CFL文件， 分層處理生成SLC、CLI、HPGL等層片文件， 根據(jù)工藝要求進(jìn)行填充處理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn) 和修正并轉(zhuǎn)換為數(shù)控代碼[3]。目前已經(jīng)有許多 比較成熟的RP專用數(shù)據(jù)處理軟件面市。如 Bridgeworks and SolidView， Brockware， StlView， Velocity， Z_ Shifter， Rapid Tools， Rapid Prototyping Module，Rapid Tools[5]，以及清華大學(xué)激光快速成型中心開發(fā)的Lark’98 等。 

4.原型制造 

即利用快速成型設(shè)備將原材料堆積成為三 維物理實(shí)體。材料、設(shè)備、工藝是快速原型制造 中密切相關(guān)的三個(gè)基本方面。不同的工藝要求 不同的材料，要求不同的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。這里材料 問題是一個(gè)基本的問題。目前許多制造商可以 提供多種快速原形設(shè)備，而且新的工藝設(shè)備也 在不斷出現(xiàn)。常見的系統(tǒng)有3D Systems的 SLA—250，Helisys的 LOM—2030，Stratasys的 FDM1650，F(xiàn)DM2000，F(xiàn)DM8000，國內(nèi)清華大 學(xué)激光快速成型中心的MRPMS—II等。各種設(shè) 備具有不同的特點(diǎn)和局限，有著不同的應(yīng)用范 圍。 

5.物性轉(zhuǎn)換 

通過快速原形系統(tǒng)制造的零件的力學(xué)、物 理性質(zhì)往往不能直接滿足需要，仍然需要進(jìn)一 步的處理，即對(duì)其物理性質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。該環(huán)節(jié)是 RP&M實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，包括精密鑄 造、金屬噴涂制模、硅膠模鑄造、快速EDM電 極、陶瓷型精密鑄造等多項(xiàng)配套制造技術(shù)，這些 技術(shù)與RP技術(shù)相結(jié)合，形成快速鑄造、快速模 具制造等新技術(shù)。在目前RP制造技術(shù)尚不能 直接制造滿足工業(yè)要求的結(jié)構(gòu)和功能零件的情 況下，這是RP技術(shù)走向工業(yè)應(yīng)用的重要橋 梁[5]。 

三、技術(shù)工具的評(píng)價(jià)方法 

通過以上分析可知：在快速成型技術(shù)系統(tǒng) 的各個(gè)環(huán)節(jié)中，都有不同的技術(shù)工具，不同的處 理方式。任何技術(shù)手段都不是萬能的，都不是完 美元缺的，任何技術(shù)工具都有自己的特點(diǎn)，既有 獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)又有自己的局限。對(duì)使用者而言，如 何選用技術(shù)工具，對(duì)研究開發(fā)者而言，如何確定 自己的技術(shù)路線，如何給自己的產(chǎn)品進(jìn)行市場(chǎng) 定位，也就是如何對(duì)各種技術(shù)工具進(jìn)行評(píng)價(jià)成 為首要問題。解決這個(gè)問題的一個(gè)較好的方法 是從整體上來認(rèn)識(shí)把握它。 

任何技術(shù)手段都是信息處理的工具，從系 統(tǒng)論的角度看，一個(gè)信息處理工具包含3個(gè)基 本要素，輸入、輸出、處理器。如圖4所示。 

輸入輸入信息具有什么形式，具有什么 特點(diǎn)。如在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中，輸入的是什么格式的數(shù) 據(jù)，是否存在需要檢查修復(fù)的錯(cuò)誤；在反求工程 中，要測(cè)量的物體是什么材料，其幾何形狀是否 復(fù)雜等。 

輸出系統(tǒng)的輸出信息具有什么形式，質(zhì) 量如何。如快速成型設(shè)備所制造的原形材料是 什么，它的精度、表面粗糙度如何，強(qiáng)度硬度如 何，可以制造原形的尺寸范圍等。 

處理器處理器采取什么樣的工作方式， 其可靠性、靈活性等如何。如在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中的算 法問題，快速原形制造中的工藝問題。 

信息處理工具的三個(gè)基本要素反映了系統(tǒng) 的基本特征。 

四、網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的快速成型技術(shù)體系的研究與集成 

通過以上分析可以看出快速成型技術(shù)目前 具有以下幾個(gè)特點(diǎn)： 

(1)技術(shù)系統(tǒng)化快速成型技術(shù)已經(jīng)與其 它相關(guān)技術(shù)結(jié)合形成了一個(gè)龐大的技術(shù)體系。 任何一項(xiàng)技術(shù)必須與其它技術(shù)相結(jié)合才能發(fā)揮 自己的作用。 

(2)需求多樣化隨著快速成型技術(shù)的應(yīng) 用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，人類的實(shí)踐領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大， 對(duì)快速成型技術(shù)出現(xiàn)了各種各樣、干差萬別、不 同層次的需求。 

(3)技術(shù)多樣化在快速成型技術(shù)體系中 任何一個(gè)環(huán)節(jié)，都有大量的不同技術(shù)工具，這些 技術(shù)工具都有自己的優(yōu)點(diǎn)與局限，可以滿足不 同的需求。沒有什么技術(shù)可以占據(jù)統(tǒng)治地位。 

(4)技術(shù)復(fù)雜化快速成型技術(shù)是多種高 新技術(shù)集成的結(jié)果，在這個(gè)技術(shù)體系中任何一 項(xiàng)技術(shù)都具有很高的技術(shù)含量，都是一個(gè)復(fù)雜 的技術(shù)系統(tǒng)。 

(5)技術(shù)更新速度不斷加快需求、技術(shù)的 多樣化使得快速成型領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，現(xiàn) 有技術(shù)不斷改進(jìn)，新工藝技術(shù)不斷出現(xiàn)，技術(shù)的 更新?lián)Q代速度越來越快。 

顯然，任何一個(gè)科研機(jī)構(gòu)都不能包攬所有 技術(shù)的研究開發(fā)，任何一個(gè)使用單位都很難擁 有全套技術(shù)手段，而快速成型技術(shù)的系統(tǒng)化需 要多種技術(shù)的集成。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為這個(gè)問題提供 了良好的解決方案。不同的研究開發(fā)者，不同的 使用者，不同的技術(shù)擁有者可以通過計(jì)算機(jī)網(wǎng) 絡(luò)聯(lián)系在一起，形成快速成型技術(shù)體系的虛擬 集成系統(tǒng)，組成虛擬研究組織。 

網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來，為快速成型技術(shù)領(lǐng)域的 分工與合作，為快速成型技術(shù)的發(fā)展提供了無 限的空間。圖5為快速成型技術(shù)體系的虛擬集成示例。 

(1)RP&M加技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為一個(gè)技術(shù)體 系，該體系從本質(zhì)上講是一個(gè)信息轉(zhuǎn)換與處理 的體系。在RP8z皿技術(shù)體系中信息可分為數(shù)字 形態(tài)信息和物理形態(tài)信息兩類，與之對(duì)應(yīng)信息 處理與轉(zhuǎn)換有實(shí)物信化、數(shù)據(jù)處理、信息物化、 物性轉(zhuǎn)換4種基本形式?？焖俪尚图夹g(shù)體系中 的所有技術(shù)工具都可以看作一種信息處理系 統(tǒng)，可以以一定的模式進(jìn)行評(píng)價(jià)。 

(2)快速成型技術(shù)領(lǐng)域呈現(xiàn)系統(tǒng)化、多樣化、復(fù)雜化的特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為快速成型技術(shù)體 系的發(fā)展應(yīng)用提供了廣闊的空間，不同的研究 開發(fā)者，不同的制造商，不同的服務(wù)中心，可以 通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起實(shí)現(xiàn)快速成型技術(shù) 的虛擬集成。這是快速成型技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。(end)