當前我國的機械工業與發達國家相比有很大差距，機電產品缺乏國際競爭力，主要原因之一就是新產品開發周期過長，企業對市場響應能力較差。一般機電產品的開發周期，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周期。

    作為與科學計算可視化、虛擬現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技術的發展現狀

圖1 快速成型系統銷售情況

    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設備最積極的地區是東亞(尤其是韓國、新加坡及我國的香港)。RPM系統的銷售情況見圖1。

    美國的各種RPM系統基本上都是在美國國家自然科學基金會的資助下研發并實現商品化的。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。

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

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

2 國內RPM技術的發展

    為了加快RPM技術在我國的發展，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。經過國內多所大學及公司幾年的努力，已經研制開發出與國外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、精密機械傳動等硬軟件方面。

    但RPM技術在國內的應用還不十分廣泛，設備安裝臺數不多，目前僅限于大型企業。為改變此落后局面，西安交通大學已建立了中國RPM網絡站點，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技術開發新產品。
香港較內地RPM技術起步較早，香港生產力促進局和亞洲殷發公司、香港科技大學、香港理工大學和香港大學都擁有RPM設備。

    與國外和香港地區相比，我們的RPM技術沒有得到充分的發展與應用，主要表現在三個方面:
RPM技術本身發展不夠成熟 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，成型材料急需國產化，與RPM技術配套的后續技術尚不完備。

    未能有效地在企業中得到應用 企業界對RPM技術重要性認識不足，缺乏企業的有力支持，目前投入的研發資金幾乎都是由國家承擔，企業沒有發揮其主導作用。對于已引進RPM設備的企業，也未能充分發揮其作用。由于目前的RPM設備價格太昂貴，因此廣大中小型企業很少能得到RPM提供的技術服務。

    沒有建立發展RPM技術的統一協調管理體系 目前存在相當多的“低水平重復”現象，使得有限的投入未能發揮更好的作用。尤其是在學、產、研結合方面力度不夠，影響科研成果的商品化，直至產業化。
3 基于RPM技術的集成制造系統

    同傳統制造法相比，RPM技術雖然在制作周期、柔性等方面有較大提高，但因多數RPM系統報價超過100萬人民幣，甚至達幾百萬。如全球最大RPM設備生產廠商3D Systems公司99年推出的最新SLA-7000設備，其報價達80萬美元，因此，如果RPM系統僅僅用來制造產品原型，從經濟效益的角度看，有時是得不償失的。
為使RPM技術得到更為有效的應用，發揮其傳統加工技術無法比擬的長處，結合研制微機械快速成型系統、臺式快速成型系統的經驗，提出一種基于快速成型技術的集成制造系統結構。

圖2 基于RPM的集成制造系統結構

    集成制造系統結構 該集成制造系統結構把RPM技術作為整個產品開發周期的一個核心環節。RPM技術與前期的快速反求工程(RRE: RapidReverse Engineering)、后續的快速模具制造(RT:Rapid Tooling)技術、其它先進制造技術及企業內外部的網絡組成一個集成的快速響應制造系統，這樣，RPM技術的優越性及形成的經濟效益就會得到更為充分的體現。圖2所示是基于RPM的集成制造系統結構。

    對于單件或小批量生產，可直接由RPM系統制造。對于大批量生產，則由RPM系統加工出原型，利用RT技術生產大批零件。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據，進行物體的三維CAD模型重建，模型經處理后，再輸入到RPM系統制作原型。
圖2中的測試系統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、動態測試儀等。產品或原型經檢測分析合格后方能投入生產。企業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，企業也可因此加快開發產品、開拓市場的步伐。

    集成制造系統特點 與傳統的機械加工方法相比，該系統在以下方面大大縮短了產品研發周期，提高了產品質量:
反求工程技術的引入使得建造CAD模型的過程方便且快捷，節省了大量的人工建造CAD模型時間。
CAD模型到加工數據的處理過程自動化。省卻了傳統的CAPP、CAM編程環節，實現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。
虛擬制造技術的應用提高了開發合格產品的一次成功率，避免了產品開發中的多次反復而造成的時間和財力的浪費。

    企業對市場的響應能力大大提高。該系統以網絡和數據技術為支撐，以計算機技術為實現手段，綜合使用了各種先進的制造技術，充分實現了人、管理及技術三者間的有機結合。

    臺式快速成型系統 快速成型裝置是整個集成制造系統的核心，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經驗的基礎上，研制了臺式快速成型系統。

    該系統具有體積小、成本低、材料國產化的特點，尤其適合于國內廣大的中小企業。系統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，開發了一套體積小、成本低的調制及控制裝置，實現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出幾種性能較好的樹脂，樹脂無味、無毒、基本實現了材料的國產化。

    系統噪聲小、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構成型一體化的快速成型方法，將為開發復合結構成型提供新途徑，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，初步實現了快速成型與微機械制造兩種高新技術的結合。該系統已通過“863計劃”專家組驗收。

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

圖3 光造型技術兩種加工方式

    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。
采用CAD直接法 CAD模型建造完以后，直接在CAD系統內對該模型進行切片，而不必轉化為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生的逼近誤差，更適合于微機械制造。

    小固化單元，高加工分辨率 本系統采用光譜極窄(0.1nm)、發散角極小的氮分子激光器，激光經光學子系統調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 結論
    利用以RPM技術為核心的集成制造系統，企業可由基于Internet， Intranet的快速反應網絡獲得訂單或市場信息，通過互連網，可以在一地區、一國之內，甚至全球范圍內共享信息、設備等資源。如沒有RPM設備的企業可以把自己的設計結果通過網絡傳給諸如RPM服務中心等單位制造原型，從而實現遠程制造。

    這樣一種戰略，可大大縮短我國在機電行業特別是在汽車工業研發周期方面的差距，這是以有限投資實現巨大收益的有效途徑，也是我國制造業加入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、金城等在內的不少企業在產品研發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合而構成的集成制造體系，已經取得了良好的經濟效益。

    RPM技術與CIMS不同，CIMS投資巨大，需要較高的企業管理水平及高素質的人才，是個復雜的系統工程，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、高校和企業的高度重視，并加以研發及推廣。