當前我國的機械工業(yè)與發(fā)達國家相比有很大差距，機電產(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)對市場響應能力較差。一般機電產(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)技術則可大大縮短開發(fā)周期。 作為與科學計算可視化、虛擬現(xiàn)實相匹配的新興技術，快速成型技術提供了一種可測量、可觸摸的手段，是設計者、制造者與用戶之間的新媒體。 

1 國外RPM技術的發(fā)展現(xiàn)狀

至 1999年，全球共有334家RPM服務機構，27家設備制造商，12家材料供應商，23家咨詢機構，14家專門的軟件供應商。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設備ZUI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，許多大學和公司都推出了各自的成型系統(tǒng)。 

日本以東京大學為首的一批學術機構及企業(yè)單位主要集中于SLA工藝(因為該工藝成型精度ZUI高)、樹脂材料研究開發(fā)和RPM技術的應用方面。 

澳大利亞建立了主要由RPM領域的工業(yè)企業(yè)和學術機構參與的“歐洲快速原型制造行動(EARP)”項目。研究的主要內(nèi)容有:創(chuàng)造性設計和產(chǎn)品開發(fā)、建模和原型制造、CAD軟件、醫(yī)療應用等。 

2 國內(nèi)RPM技術的發(fā)展

為了加快RPM技術在我國的發(fā)展，國家已組織實施了快速成型技術應用研究和推廣服務工作。經(jīng)過國內(nèi)多所大學及公司幾年的努力，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備。這些設備都是多種技術的集成，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)、精密機械傳動等硬軟件方面。 

但RPM技術在國內(nèi)的應用還不十分廣泛，設備安裝臺數(shù)不多，目前僅限于大型企業(yè)。為改變此落后局面，西安交通大學已建立了中國RPM網(wǎng)絡站點，為我國RPM制造商、RPM技術應用服務中心、科研院校及廣大用戶提供信息服務。南方也已成立多家采用國外設備的RPM服務中心，一些公司開始應用RPM技術開發(fā)新產(chǎn)品。 

香港較內(nèi)地RPM技術起步較早，香港生產(chǎn)力促進局和亞洲殷發(fā)公司、香港科技大學、香港理工大學和香港大學都擁有RPM設備。 

與國外和香港地區(qū)相比，我們的RPM技術沒有得到充分的發(fā)展與應用，主要表現(xiàn)在三個方面: 

1. RPM技術本身發(fā)展不夠成熟 該領域研究隊伍比較薄弱，資金投入有限，設備尚未完全達到商品化，成型材料急需國產(chǎn)化，與RPM技術配套的后續(xù)技術尚不完備。 

2. 未能有效地在企業(yè)中得到應用 企業(yè)界對RPM技術重要性認識不足，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，企業(yè)沒有發(fā)揮其主導作用。對于已引進RPM設備的企業(yè)，也未能充分發(fā)揮其作用。由于目前的RPM設備價格太昂貴，因此廣大中小型企業(yè)很少能得到RPM提供的技術服務。 

3. 沒有建立發(fā)展RPM技術的統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理體系 目前存在相當多的“低水平重復”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、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技術的集成制造系統(tǒng)

同傳統(tǒng)制造法相比，RPM技術雖然在制作周期、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，甚至達幾百萬。如全球ZUI大RPM設備生產(chǎn)廠商3D Systems公司99年推出的ZUI新SLA-7000設備，其報價達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)濟效益的角度看，有時是得不償失的。 

為使RPM技術得到更為有效的應用，發(fā)揮其傳統(tǒng)加工技術無法比擬的長處，結(jié)合研制微機械快速成型系統(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的集成制造系統(tǒng)結(jié)構。

1. 集成制造系統(tǒng)結(jié)構 該集成制造系統(tǒng)結(jié)構把RPM技術作為整個產(chǎn)品開發(fā)周期的一個核心環(huán)節(jié)。RPM技術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、其它先進制造技術及企業(yè)內(nèi)外部的網(wǎng)絡組成一個集成的快速響應制造系統(tǒng)，這樣，RPM技術的優(yōu)越性及形成的經(jīng)濟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。 

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技術生產(chǎn)大批零件。如果要快速復制某物品(在雕刻、珍貴文物復制、手術用器官模型等方面有應用)，則可利用RRE采集待復制物體的數(shù)據(jù)，進行物體的三維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備，如三坐標測量機、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在Internet、Intranet支持下，便形成一個快速響應的集成制造系統(tǒng)，企業(yè)也可因此加快開發(fā)產(chǎn)品、開拓市場的步伐。 

2. 集成制造系統(tǒng)特點 與傳統(tǒng)的機械加工方法相比，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: 

1. 反求工程技術的引入使得建造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。 

2. 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，降低了對技術人員或操作人員的技術要求。 

3. 虛擬制造技術的應用提高了開發(fā)合格產(chǎn)品的一次成功率，避免了產(chǎn)品開發(fā)中的多次反復而造成的時間和財力的浪費。 

4. 企業(yè)對市場的響應能力大大提高。該系統(tǒng)以網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)技術為支撐，以計算機技術為實現(xiàn)手段，綜合使用了各種先進的制造技術，充分實現(xiàn)了人、管理及技術三者間的有機結(jié)合。

3. 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，目的是為普及和擴大其應用范圍。 

為此，我們在“863計劃”的支持及有關單位的配合下，在借鑒研制微機械快速成型系統(tǒng)經(jīng)驗的基礎上，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)了計算機的多種自動控制。在材料方面，同有關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、復印機等一同用作辦公設備。系統(tǒng)的造價及運行成本僅為國外同類設備的1/10～1/20。

4 微機械快速成型技術

快速成型技術正向著多種材料復合成型方向發(fā)展，即無需裝配能一次制造具有多種材料、復雜形狀的器件。這種將材料制備與結(jié)構成型一體化的快速成型方法，將為開發(fā)復合結(jié)構成型提供新途徑，在微機械、電子元器件、電子封裝、傳感器等領域有著廣泛的應用前景。我們研制的微機械快速成型系統(tǒng)，初步實現(xiàn)了快速成型與微機械制造兩種高新技術的結(jié)合。該系統(tǒng)已通過“863計劃”專家組驗收。 

微機械快速成型系統(tǒng)主要由建模切片軟件子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、機械傳動子系統(tǒng)(X-Y工作臺、升降臺等)、光學子系統(tǒng)等組成。其工作原理等同一般快速成型技術。 

微機械快速成型系統(tǒng)的特點主要有: 

1. 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構，制作時間有較大縮短。 

由于窗板與樹脂固化物分離性小，需要對窗板表面進行一定的處理。在進行了關于表面處理的分離性評價實驗的基礎上，考慮到透明性、強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。 

2. 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，更適合于微機械制造。 

3. 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)光學子系統(tǒng)調(diào)制后得到極微細的光束，該光束隨著工作臺的運動而逐點、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具有小固化單元的要求。

5 結(jié)論

利用以RPM技術為核心的集成制造系統(tǒng)，企業(yè)可由基于Internet， Intranet的快速反應網(wǎng)絡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、設備等資源。如沒有RPM設備的企業(yè)可以把自己的設計結(jié)果通過網(wǎng)絡傳給諸如RPM服務中心等單位制造原型，從而實現(xiàn)遠程制造。 

這樣一種戰(zhàn)略，可大大縮短我國在機電行業(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，該技術與其它先進制造技術相結(jié)合而構成的集成制造體系，已經(jīng)取得了良好的經(jīng)濟效益。 

RPM技術與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，是個復雜的系統(tǒng)工程，而RPM是一個非常適宜中國國情的先進制造技術，應引起政府部門、高校和企業(yè)的高度重視，并加以研發(fā)及推廣。