金屬材料的快速成型技術
快速成型的工藝過程具體如下：
l）產品三維模型的構建。由於 RP 系統是由三維 CAD 模型直接驅動，因此首先要構建所加工工件的三維CAD 模型。該三維CAD模型可以利用計算機輔助設計軟件（如Pro/E,I-DEAS,Solid Works,UG 等）直接構建，也可以將已有產品的二維圖樣進行轉換而形成三維模型，或對產品實體進行激光掃描、 CT 斷層掃描，得到點雲數據，然後利用反求工程的方法來構造三維模型。
2）三維模型的近似處理。由於產品往往有壹些不規則的自由曲面，加工前要對模型進行近似處理，以方便後續的數據處理工作。由於STL格式文件格式簡單、實用，目前已經成為快速成型領域的準標準接口文件。它是用壹系列的小三角形平面來逼近原來的模型，每個小三角形用 3 個頂點坐標和壹個法向量來描述，三角形的大小可以根據精度要求進行選擇。STL 文件有二進制碼和 ASCll 碼兩種輸出形式，二進制碼輸出形式所占的空間比 ASCⅡ 碼輸出形式的文件所占用的空間小得多，但ASCⅡ碼輸出形式可以閱讀和檢查。典型的CAD 軟件都帶有轉換和輸出 STL 格式文件的功能。
3）三維模型的切片處理。根據被加工模型的特征選擇合適的加工方向，在成型高度方向上用壹系列壹定間隔的平面切割近似後的模型，以便提取截面的輪廓信息。間隔壹般取0.05mm~0.5mm， 常用 0.1mm。間隔越小，成型精度越高，但成型時間也越長，效率就越低，反之則精度低，但效率高。
4）成型加工。根據切片處理的截面輪廓，在計算機控制下，相應的成型頭（激光頭或噴頭）按各截面輪廓信息做掃描運動，在工作臺上壹層壹層地堆積材料，然後將各層相粘結，最終得到原型產品。
5）成型零件的後處理。從成型系統裏取出成型件，進行打磨、拋光、塗掛，或放在高溫爐中進行後燒結，進壹步提高其強度。 快速成型特術具有以下幾個重要特征：
l）可以制造任意復雜的三維幾何實體。由於采用離散/堆積成型的原理．它將壹個十分復雜的三維制造過程簡化為二維過程的疊加，可實現對任意復雜形狀零件的加工。越是復雜的零件越能顯示出 RP 技術的優越性此外， RP 技術特別適合於復雜型腔、復雜型面等傳統方法難以制造甚至無法制造的零件。
2）快速性。通過對壹個 CAD 模型的修改或重組就可獲得壹個新零件的設計和加工信息。從幾個小時到幾十個小時就可制造出零件，具有快速制造的突出特點。
3）高度柔性。無需任何專用夾具或工具即可完成復雜的制造過程，快速制造工模具、原型或零件
4）快速成型技術實現了機械工程學科多年來追求的兩大先進目標．即材料的提取（氣、液固相）過程與制造過程壹體化和設計（CAD）與制造（CAM）壹體化
5）與反求工程（Reverse Engineering）、CAD 技術、網絡技術、虛擬現實等相結合，成為產品決速開發的有力工具。
因此，快速成型技術在制造領域中起著越來越重要的作用，並將對制造業產生重要影響。 快速成型技術的分類：
快速成型技術根據成型方法可分為兩類：基於激光及其他光源的成型技術（Laser Technology），例如：光固化成型（SLA）、分層實體制造（LOM）、選域激光粉末燒結（SLS）、形狀沈積成型（SDM）等；基於噴射的成型技術（Jetting Technoloy），例如：熔融沈積成型（FDM）、三維印刷（3DP）、多相噴射沈積（MJD）。下面對其中比較成熟的工藝作簡單的介紹。
1、SLA（Stereolithogrphy Apparatus）工藝 SLA 工藝也稱光造型或立體光刻，由Charles Hul 於 1984 年獲美國專利。1988 年美國 3D System公司推出商品化樣機SLA-I，這是世界上第壹臺快速成型機。SLA 各型成型機機占據著 RP 設備市場的較大份額。SLA 技術是基於液態光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態材料在壹定波長和強度的紫外光照射下能迅速發生光聚合反應，分子量急劇增大，材料也就從液態轉變成固態。SLA工作原理：液槽中盛滿液態光固化樹脂激光束在偏轉鏡作用下，能在液態表而上掃描，掃描的軌跡及光線的有無均由計算機控制，光點打到的地方，液體就固化。成型開始時，工作平臺在液面下壹個確定的深度．聚焦後的光斑在液面上按計算機的指令逐點掃描，即逐點固化。當壹層掃描完成後．未被照射的地方仍是液態樹脂。然後升降臺帶動平臺下降壹層高度，已成型的層面上又布滿壹層樹脂，刮板將粘度較大的樹脂液面刮平，然後再進行下壹層的掃描，新周化的壹層牢周地粘在前壹層上，如此重復直到整個零件制造完畢，得到壹個三維實體模型。SLA 方法是目前快速成型技術領域中研究得最多的方法．也是技術上最為成熟的方法。SLA 工藝成型的零件精度較高，加工精度壹般可達到 0.1 mm ，原材料利用率近 100 %。但這種方法也有白身的局限性，比如需要支撐、樹脂收縮導致精度下降、光固化樹脂有壹定的毒性等。
2、LOM（Laminated Object Manufacturing，LOM）工藝LOM工藝稱疊層實體制造或分層實體制造，由美國Helisys公司的Michael Feygin於 1986 年研制成功。LOM工藝采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等。片材表面事先塗覆上壹層熱熔膠。加工時，熱壓輥熱壓片材，使之與下面已成型的工件粘接。用CO2激光器在剛粘接的新層上切割出零件截面輪廓和工件外框，並在截面輪廓與外框之間多余的區域內切割出上下對齊的網格。激光切割完成後，工作臺帶動已成型的工件下降，與帶狀片材分離。供料機構轉動收料軸和供料軸，帶動料帶移動，使新層移到加工區域。工作合上升到加工平面，熱壓輥熱壓，工件的層數增加壹層，高度增加壹個料厚。再在新層上切割截面輪廓。如此反復直至零件的所有截面粘接、切割完。最後，去除切碎的多余部分，得到分層制造的實體零件。LOM 工藝只需在片材上切割出零件截面的輪廓，而不用掃描整個截面。因此成型厚壁零件的速度較快，易於制造大型零件。工藝過程中不存在材料相變，因此不易引起翹曲變形。工件外框與截面輪廓之間的多余材料在加工中起到了支撐作用，所以 LOM 工藝無需加支撐。缺點是材料浪費嚴重，表面質量差。
3、SLS（Selective Laser Sintering）工藝 SLS工藝稱為選域激光燒結，由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R.Dechard於 1989 年研制成功。SLS工藝是利用粉末狀材料成型的。將材料粉末鋪灑在已成型零件的上表面，並刮平，用高強度的CO2激光器在剛鋪的新層上掃描出零件截面，材料粉末在高強度的激光照射下被燒結在壹起，得到零件的截面，並與下面已成型的部分連接。當壹層截面燒結完後，鋪上新的壹層材料粉末，有選擇地燒結下層截面。燒結完成後去掉多余的粉末，再進行打磨、烘幹等處理得到零件。SLS工藝的特點是材料適應面廣，不僅能制造塑料零件，還能制造陶瓷、蠟等材料的零件，特別是可以制造金屬零件。這使SLS工藝頗具吸引力。SLS工藝無需加支撐，因為沒有燒結的粉末起到了支撐的作用。
4、3DP (Three Dimension Printing）工藝三維印刷工藝是美國麻省理工學院E-manual Sachs等人研制的。已被美國的Soligen公司以DSPC（Direct Shell Production Casting）名義商品化，用以制造鑄造用的陶瓷殼體和型芯。3DP 工藝與SLS工藝類似，采用粉末材料成型，如陶瓷粉末、金屬粉末。所不同的是材料粉末不是通過燒結連結起來的，而是通過噴頭用粘結劑（如矽膠）將零件的截面“印刷”在材料粉來上面。用粘結劑粘接的零件強度較低，還須後處理。先燒掉粘結劑，然後在高溫下滲人金屬，使零件致密化，提高強度。
5 . FDM （Fused Depostion Modeling）工藝 熔融沈積制造（FDM）工藝由美國學者Scott Crump於 1988 年研制成功。FDM 的材料壹般是熱塑性材料，如蠟、 ABS 、尼龍等。以絲狀供料。材料在噴頭內被加熱熔化。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速凝固，並與周圍的材料凝結。FDM技術是由Stratasys公司所設計與制造，可應用於壹系列的系統中。這些系統為FDM Maxum，FDM Titan，Prodigy Plus以及Dimension。FDM技術利用ABS，polycarbonate(PC），polyphenylsulfone (PPSF）以及其它材料。這些熱塑性材料受到擠壓成為半熔融狀態的細絲，由沈積在層層堆棧基礎上的方式，從3D CAD資料直接建構原型。該技術通常應用於塑型，裝配，功能性測試以及概念設計。此外，FDM技術可以應用於打樣與快速制造。
其它材料： FDM技術還有其它的專用材料。這些包含polyphenylsulfone、橡膠材質以及蠟材。橡膠材質是用來作類似橡膠特性的功能性原型。蠟材是特別設計來建立脫蠟鑄造的樣品。蠟材的屬性讓FDM的樣品可以用來生產類似鑄造廠中的傳統蠟模。Polyphenylsulfone，壹種應用於Titan機型的新工程材料，提供高耐熱性與抗化學性以及強度與硬度，其耐熱度為攝氏207.2度。
Stratasys宣布已經針對FDM快速原型系統Titan發表PPSF材料。在各種快速原型材料之中，PPSF （或是稱為 polyphenylsulfone）有著最高的強韌性、耐熱性、以及抗化學性。航天工業、汽車工業以及醫療產品業的生產制造商是第壹批期待使用這種PPSF材料的用戶。航天業將會喜歡該材料的難燃屬性；汽車制造業也非常想應用其抗化學性以及在400度以上還能持續運作的能力；而醫療產品制造商將對PPSF材質的原型可以進行消毒的能力感到興趣。測試單位，Parker Hannifin安裝了壹個PPSF作的模型到汽車引擎中。該零件是壹個名為crankcase vapor coalescer的過濾器，裝在壹組V8引擎並作40 小時的測試以決定過濾器媒介的效能。該零件收集的燃氣包含有160度的潤滑油，燃料，油煙，以及其它燃燒的化學反應生成物。Parker Hannifin的Russ Jensen說，“該裝配件並沒有產生外漏，並且其展現出與第壹次裝配時相同的強度與屬性。我們相當滿意它的表現。” 測試單位，MSOE (Milwaukee School of Engineering）的操作經理Sheku Kamara，同樣地很滿意該新材料。“當在玻璃熔融的450度時，在各種快速原型材料之中，PPSF材料還擁有著除了金屬之外最高的操作溫度以及堅硬度，”他說。“在粘著劑測試期間，PPSF原型零件遭受於溫度從14度到392度的考驗且依然保持完整。”
顏色包含最常用到的白色，ABS提供六種材料顏色。色彩的選項包含藍色，黃色，紅色，綠色與黑色。醫學等級的ABSi 提供針對於半透明的應用，例如汽車車燈的透明紅色或是黃色。
屬性穩定度不像SLA以及PolyJet的樹脂，FDM材料的材料屬性不會隨著時間與環境曝曬而改變。就像是註塑成型的副本，這些材料幾乎在任何環境下都會保持他們的強度，硬度以及色彩。
精準性快速原型的尺寸精度取決於許多因素，而其結果可能會因為每個工件或是不同日期而有些微小變化。需要考慮的事情必須包含已知的條件，例如量測的時間範圍，工件的拚?約盎肪車鈉厴埂?axum，Titan以及Prodigy Plus精準度資料詳見附表壹。精度測試工件如圖5、6所示，在每壹臺機器中均用層厚0.18 mm所建構以形成目前的精準性資料。
MAXUM TITAN PRODIGY
理論尺寸 實際尺寸 百分比 理論尺寸 百分比 理論尺寸 百分比
A 76.2 76.2 0.00 76.2 0.00 76.1 0.17
B 25.4 25.5 0.30 25.5 0.40 25.6 0.60
C 152.4 152.4 0.00 152.3 0.08 152.4 0.00
D 2.54 2.51 1.00 2.54 0.00 2.54 0.00
E 76.2 76.15 0.07 76.07 0.17 76.12 0.10
F 101.6 101.57 0.02 101.42 0.18 101.50 0.10
G 25.4 25.48 0.30 25.50 0.40 25.55 0.60
H1 12.7 12.62 0.60 12.65 0.40 12.55 1.20H2 12.7 12.62 0.60 12.67 0.20 12.55 1.20
I 12.7 12.67 0.20 12.7 0.00 12.62 0.60
J 6.35 6.43 1.20 6.55 3.05 6.48 2.00
K 12.7 12.67 0.20 12.78 0.60 12.78 0.60
Maxum、Titan以及Prodigy Plus的尺寸精度資料。所有的測試零件均用層厚0.18mm所建構。（單位：mm)
工件建構壹般而言，FDM技術所提供的準確性通常相等或是優於SLA技術以及PolyJet技術，且確定優於SLS技術。然而，由於精準性是取決於許多的因素，所以矛盾的結果便會發生在個別的原型上。FDM技術的精準性受到較少的變量影響。用SLA，SLS以及PolyJet技術，尺寸精準性會受影響的因素有機器的校正，操作的技巧，工件的成型方向與位置，材料的年限以及收縮率。
Z軸這並非壹定都會這樣，Z軸可能是被證明準確性最小的。除了先前所討論的變化之外，原型的高度可能由於層厚整數誤差而改變。對所有的RP系統而言都是這樣的。任何特征的表面頂端或是底端無法對齊成為壹層時，在軟件中的切層算法會將尺寸整數化到最接近的層厚數。在最壞的情形下，壹端的表面往下整數化而另壹端向上，高度可能偏離壹個層厚。對於典型的FDM參數，這可能會產生的誤差至少為0.127mm。
穩定性尺寸的穩定性是FDM原型的關鍵優勢，如同SLS技術，時間與環境的曝曬都不會改變工件的尺寸或其他的特征。壹但原型從FDM系統分離，當它達到室內溫度後，尺寸是固定不變的。如果溫度度數變化，用SLA 或是PolyJet技術則不是這樣的情形。
後處理輸出許多RP件都需要手工完成工件的光滑性。例如，SLA需要從工件表面手動移除支撐結構，且工件表面需要壹些手工打磨。這表示工件的精準性不再只是受到系統精度的作用。它現在是受到後處理技師的技術等級所控制。對於塑型，裝配以及功能性原型，多數的使用者發現FDM工件的表面精度是可以接受的。那麽，當結合了水溶性支撐以及易剝離支撐，表示FDM原型的精準性不會受到手工的改變。當然，如果需要翻矽膠模用或是噴漆用的表面精度，FDM工件將需要後處理，如同其它的技術壹樣。既然這樣，工件後處理技師的技藝在可以做到的原型精度上扮演了壹個關鍵的角色。
表面完工精度受到使用者與Stratasys公司雙方的公認，FDM技術最明顯的限制就是表面完工精度。由於是半熔融狀態塑料擠制成型，表面完工精度比SLA與PolyJet還要粗糙，而與SLS不相上下。當由較小的線材寬度與較薄的層厚來改進表面完工精度時，仍然可以在頂端，底面，以及側墻看出經過擠壓噴嘴的等高線輪廓與建構層厚。表2所列的為Maxum與Titan的表面完工精度。為了改善表面完工精度，Maxum與Titan現在都提供0.127 mm層厚。使用者發現工件的成型方向，可以滿足考慮表面完工精度需求。這些要求較高完工精度的表面通常以垂直方向成型。較不重要的表面通常以水平方向成型，就像是底端或是頂端的表面。如同其它技術，二次加工（後處理輸出）可以用來使之相同。然而，ABS與polycarbonate材料的硬度讓打磨耗費人力。使用者通常使用溶劑或用是粘結劑完成或是預備用打磨。商業上可用的這些介質包含有熔接，ABS快幹膠，Acetone 以及two-part epoxies。要符合足夠的精度，FDM技術與競爭對手的產品都可以提供翻矽膠模用或是噴漆用的表面。這關鍵的差異是要花費多少時間才能達到要求的結果。
特征定義：盡管高階的FDM系統可以生產較小的特征，大多數FDM原型的最小特征尺寸受限於兩倍線材寬度。沒有使用者的介入，FDM技術使用的”closed path”選項會限制最小特征尺寸為兩倍擠壓成型噴組的寬度。對於壹般噴嘴與建造參數而言，最小特征尺寸範圍從0.4到 0.6 mm。盡管大於SLA與PolyJet的最小特征尺寸，但是該範圍是與這些技術的可用最小特征尺寸相同。盡管SLA技術可以建造小到0.08 (Viper si2機種）或0.25 mm （所有機種），以及PolyJet技術可以建造小到0.04mm，幾乎很少原型會用到這些極小值的優勢來作最小的細節。考慮到材料屬性，通常發現SLA技術與PolyJet技術的原型常用最小特征尺寸為0.5mm。FDM技術的最小特征尺寸相等於或是優於SLS技術的0.6到 0.8 mm。由於材料屬性相似於註塑成型的ABS或是polycarbonate，FDM技術可以給予功能性特征尺寸在0.4到 0.6 mm範圍中。
環境抵抗力：FDM原型提供的材料性質相似於熱塑性材料。這包含了環境的與化學的曝曬。對ABS材料而言，使用者可以實驗他們的原型在93度的溫度下以及包含石油，汽油以及甚至某些酸類等的化學媒介。壹關鍵的考慮為水氣的曝曬，包括浸沒與濕氣。SLA技術與PolyJet技術使用的光敏樹脂對於潮濕水氣敏感且會受到傷害。暴曬在水中或是濕氣中不只會影響原型的機械屬性，也會影響尺寸精度。當光敏樹脂的原型吸收了水氣之後，他們將會開始軟化並且變的有點易於彎曲。而且，工件會有翹曲或是膨脹的傾向，這會嚴重影響尺寸的精度。FDM技術的原型，以及SLS技術的原型，都不受濕氣影響，所以他們可以保持原有的機械屬性以及尺寸精度。
機械加工：FDM原型可以進行銑床加工，鉆孔，研磨，車床加工等。為了補償表面精度不足並加強特征細節，當有特殊的品質需求時，使用者通常會進行二次加工來提升原型的細節。在考慮原型的物理屬性之後，註意力應該轉移至操作的參數上。下列領域可以影響到原型在預期應用上的使用。
工件尺寸：不像某些快速原型技術，廣告中FDM技術的建造範圍就是最大的工件尺寸。在家族系列產品中，FDM技術提供了廣泛的建造範圍。Maxum，最超大型，所提供的工件尺寸可達600 x 500 x 600 mm。這樣的建造範圍與最大型的SLA系統相同。Titan，則提供最大的工件尺寸為406 x 355 x 406 mm。這樣的建造範圍稍微大於SLS Sinterstations系統。Prodigy Plus，辦公室桌上型，擁有的建造範圍為203 x 203 x 305 mm，該尺寸稍微大於PolyJet系統以及最小型的SLA系統。當使用具競爭性的技術時，快速原型超過建造範圍的部分通常分段建構然後作粘結。使用商業上可用ABS快幹膠，FDM工件的粘和強度可以滿足功能性測試的應用。此外，FDM工件可以使用超音波熔接，這種選項無法使用在SLA以及PolyJet，因為他們不是使用熱塑性材料。
支撐結構：在FDM技術中，需要支撐結構來形成基底以制作工件並支撐任何超過懸掛的特征。在工件的接口，支撐材料的堅固堆層已經放下。在這堅固堆層下，線材為0.5mm且在間隔為3.8mm下沈積。FDM技術提供兩種類型的支撐--易於剝離支撐結構（BASS）以及水溶性支撐結構（WaterWorks）。BASS支撐是由手工將支撐從工件表面剝離以移除。當他們不想損壞工件表面，考慮的是必須要容易進入與接近細小特征。水溶性支撐（WaterWorks）是使用水溶性材料，可分解於堿性水溶劑的解決方案。不像是易於剝離支撐（BASS），該支撐可以任意坐落於工件深處地嵌壁式的區域，或是接觸於細小特征，因為機械式的移除方式是可以不加考慮的。此外，水溶性支撐可以保護細小特征。在其它的快速原型技術中，他們要如何移除支撐而不造成特征損壞，是壹項極大挑戰。
壹體成型的裝配件隨著水溶性支撐的出現，FDM技術提供了壹項獨特的解決方案--建構可運轉的壹體成型裝配件。因為水溶性支撐可以進行分解，壹個多件的裝配件可以在壹次機械運轉中建構完成。當多件的裝配件可以在SLS或是PolyJet中實行時，要小心地考慮到殘留在原件之間的材料。舉例來說，如圖3所示的FDM技術的腦型齒輪組，可以不用手工勞動就能完成並用壹些時間就能將水溶性支撐進行分解。用SLS技術制作這樣相同的工件，可能需要壹個小時以上的手工勞動來清除齒輪與軸柄之件的粉末。有了水溶性支撐，整個裝配件的CAD資料可以當作壹個工件處理。同樣地，也不需要手工勞動或是時間進行工件的裝配。
快速成型設備最好能放置於電腦設計室內以便於工作，要求設備無煙塵、無震動和噪音並且材料安全無毒。而光敏樹脂（SLA）液態原材料有毒，需特別小心處理，並且需配置抽風系統，以抽除建模過程中產生之毒煙；而粉末材料（SLS）需配備抽風系統、吸塵設備、防塵箱及氮氣發生系統；紙張（LOM）也需要配置抽風系統以抽除建模過程中產生之煙霧；只有美國Stratasys公司的FDM快速成型機只需要在壹般辦公室環境下操作。許多FDM技術的使用者把該技術當作設計的周邊。就本身而言，為了在制程早期就能審核與確認設計概念，該技術已經變得另壹種與CAD系統連結並驅動的工具。由於這樣的應用，FDM技術都是作為概念模型工具以清楚地傳達日益精致與復雜的設計。當FDM技術無法從概念模型中提供預期的速度，它提供了結合概念模型與視覺應用的優勢。這些強處包含精準性，材料屬性，色彩以及免用手動工件後處理。盡管材料強度與硬度並非概念模型的關鍵，但是它通常值得關註，因為脆弱的模型通常在最不適當的時機破裂。FDM技術的模型也應用於銷售與行銷，包含內部與外部。對內，FDM技術的原型是用來給銷售團隊，管理階層以及其它員工在開始制造之前看壹眼產品長相。對外，原型是用來在產品作商品化之前引起預期客戶的興奮與興趣。
塑型，裝配以及功能性模型：對許多技術而言，快速原型的應用在塑型，裝配以及功能性分析方面時需要作某些方面的犧牲。盡管SLA技術與PolyJet技術提供較好的細節，精準度與表面加工精度，但是他們無法提供必要的強度與硬度。同樣地，SLS技術提供強度而犧牲精準性與細節。
修整樣品：快速原型可以用來作為建立模具的樣品。不像其它快速原型技術，FDM技術可以成功地用來制作樣品。然而，必須考慮表面加工精度與工件後處理到可以作為母模所需時間。脫蠟鑄造是樣品的額外用途，樣品必須能在他們自己所建立陶砂殼模之中燃燒消耗掉。FDM技術制程所建構的蠟模與ABS模都被證實適合應用在陶砂殼模之中燃燒消耗的標準鑄造流程。
快速制造（少量多樣）快速原型激起對於短期制造的興趣，對於少到只有壹個單位的訂單都很合算。這樣的應用需要工件在許多領域都符合功能性規格。在FDM技術的精準性與材料屬性都是可用之際，它是少數致力於該應用的技術之壹。當尚未經過最後加工修飾的FDM工件可能受限使用於可視化，裝飾的應用，但不受妨礙它去作為內部組件，或是那些不需要藝術吸引力的用途。對於快速制造的應用，運行時間將會成為壹項重要的考慮。然而，就像幾位使用者的證明，為數不多的工件運行時間是明顯地少於生產模具與成品所需要的總時間。