关键字： 概念设计；塑料成形；生物医学；组织工程 摘　要： 快速成形与快速模具技术是近20年来制造领域的突破性进展，它在成形原理上与传统方法迥然不同，可以显著地缩短产品开发周期，降低成本，提高企业的竞争力，因此在许多行业中获得了广泛的应用。按照应用的领域，可将这些应用归纳为工业领域和生物医学领域

快速成形与快速模具技术是近20年来制造领域的突破性进展，它在成形原理上与传统方法迥然不同，可以显著地缩短产品开发周期，降低成本，提高企业的竞争力，因此在许多行业中获得了广泛的应用。按照应用的领域，可将这些应用归纳为工业领域和生物医学领域两大方面（见图1）。

1  快速成形与快速模具技术应用的流程

采用快速成形与快速模具技术，实现上述应用的流程如下（见图2）：

（1）用快速成形机制作原型件

根据正向设计或逆向设计得到的产品三维图形文件，选用适合类型的快速成形机，在很短的时间内制作出产品的原型件。

（2）借助原型件，征求修改意见

向设计人员和用户提供快速成形的产品原型件，使他们能直观地进行观察、测试，并与原始设想和要求进行比对，从而可以及时提出修改意见。

（3）修改有关设计

设计人员根据快速成形的原型件和各方面提出的意见，迅速修改产品的设计，产生新的三维图形文件。

（4）用快速成形机再制作原型件，反复征求意见和修改设计

根据产品的新三维图形文件，用快速成形机再制作原型件，反复征求意见和修改设计，直到满意为止。

（5）将原型件当作母模，制作硅橡胶模

采用快速模具技术，将快速成形的原型件做母模，浇注硅橡胶模，借助这种模具可以试制产品的少量塑料件或金属件。

（6）借助试制产品，再征求意见、修改设计和制作原型件

用硅橡胶模试制的产品不仅在性能上更接近真实产品，而且有一定的数量，因此可以据其进行更全面、更深层次的检验和征求意见，并在此基层上再修改设计和制作原型件。

（7）将原型件当作母模，制作快速过渡模

采用快速模具技术，将快速成形的最新原型件做母模，复制快速过渡模，借助这种模具可以生产几百至上千件的产品。

（8）将原型件当作母模，制作快速批量生产模

采用快速模具技术，将快速成形的最新原型件做母模，复制快速批量生产模，借助这种模具可以大批量生产产品。

2  快速成成形与快速模具技术在工业领域的应用

快速成成形与快速模具技术在工业领域有如下四个方面的主要应用。

2.1 产品外观评价

新产品的研发往往是从外形设计开始的，外形是否美观、实用是现代产品极为重要的一个评价指标。为此，设计师必须首先进行概念设计，画出产品的二维或三维草图，再通过CNC机床和手工加工制作原型件（即样品，俗称手板或首板），并根据这种原型件来评价产品的外观。有些急于投放市场的产品由于时间仓促，或者形状太复杂、缺乏原型件制作手段等原因，甚至只好直接根据初始设计进行批量生产，而无法预先评价外观并进行修改。 

采用快速成形技术能及时、方便地制作原型件，特别是形状复杂的原型件，与CNC机床和手工加工相比，原型件的形状愈复杂，快速成形的优势愈明显，从而为新产品的外观评价能提供十分优越的条件。

图3～图5是一些用快速成形机制作的原型件，从这些例子可见，如果不用快速成形而用其它方法来制作这类复杂原型件，势必相当困难，因此能充分反映快速成形技术的优点。

2.2 产品结构、尺寸与装配关系的验证  

通常，一个产品是由若干个零部件构成的，决定产品性能的因素不仅仅是零部件本身的结构与尺寸，而且还包括他们之间的配合关系，因此，设计者迫切希望在产品正式生产之前，尽早地发现并纠正零部件的结构、尺寸和装配关系上的错误。

用快速成形机制作原型件无需传统的机床与工模具，这些原型件既可用于检验零部件本身的结构与尺寸，也可用来检验彼此的装配关系，从而能在设计初期及时发现与纠正错误，显著缩短研发周期，减少或避免返工，提高产品性能。

图6和图7是用快速成形原型件检验装配关系的两个例子，其中，图7b是用快速成形机制作的汽车空调叶轮的装配件。

2.3 产品的性能分析与测试

许多重要产品在其研发阶段必须进行性能分析与测试，如有限元分析、应力测试、空气动力学测试等。图8是可用于风洞中进行空气动力学试验的快速成形飞机模型。据报道，如果用CNC机床或手工来制作风洞试验的飞机模型，需要几周的时间，而且精度也不如快速成形件理想。图7a中箭头所指的是汽车空调，其中安装了用于测试的快速成形叶轮原型件。

2.4 模具/工具的快速制作

（1）铸造模具的快速制作

在传统的铸造生产中，铸造模具（如模板、芯盒、蜡模压型）等一般是用机加工和手工完成的，不仅加工周期长，费用高，而且精度不易保证。对于一些形状复杂的铸件，模具的制造一直是老大难问题。快速成形与快速模具技术为使铸造工艺缩短周期、降低费用、提高精度提供了一条捷径，例如：

1）快速成形木模的替代模。砂型铸造中广泛采用木模（包括木芯盒），这种模具用木材经干燥防腐处理及切削加工而成。各种快速成形的原型件都可以替代木模，其优点是：无需高水平的木模工和相应的木工机械，根据铸件的设计图纸，就能在很短的时间内，用快速成形机制作出高精度的“木模”，特别是形状复杂、难于加工和需要多块组合的木模，其优势更为突出。用快速成形件做母模浇注而成的铝填充环环氧树脂模，可以替代木模，用于重复制作50～100件砂型。

2）直接成形砂型(无木模铸造)。采用激光烧结快速成形机可以直接烧结树脂砂得到砂型，而无需制作产生砂型的木模(或金属模)。

3）成形失蜡铸造用蜡模。失蜡铸造是一种常见的精密铸造方法，它使用的蜡模通常用机加工的金属压型注射蜡而成。为避免制作金属压型，可以用激光烧结快速成形机烧结蜡粉，直接得到蜡模；或者用快速成形件做母模浇注而成硅橡胶压型，这种压型可以在真空浇注机上浇注蜡模；或者用快速成形件做母模浇注而成铝填充环氧树脂模压型，这种压型可重复注射1000～10000件蜡模。

（2）塑料件与塑料成形模具的快速制作

塑料成形包括注射成形（又称注塑成形）、真空成形与中空成形等几种成形工艺。快速成形与快速模具技术在塑料成形中的应用如下：

1）用快速成形机直接制作塑料件

熔融挤压、激光固化和激光烧结快速成形机能直接制作塑料件。

2）用快速成形件做母模浇注而成的硅橡胶模或环氧树脂模，借助双组分聚氨酯的反应成形得到塑料件。

3）用快速成形件做母模浇注而成的铝填充环氧树脂模，或电铸而成的ExpressTool模，通过热注射成形或中空成形工艺制作塑料件。

4）用快速成形件做母模浇注而成的铝填充环氧树脂模，通过真空成形工艺制作塑料件。

（3）板金成形模具的快速制作

快速模具在板金成形中的典型应用有拉深模与液压成形模，这两种模具都用于金属板材的拉深成形。

可用于板材拉深成形的快速模具有：低熔点合金模、聚氨酯模、电铸镍壳－陶瓷背衬(NCC)模和气相沉积镍壳－背衬(NVD)模。

（4）电火花成形电极的快速制作

电火花成形最适合成形难加工的金属及特征(如不规则的孔)，常用于制作复杂的注射成形模与锻模。其中，电极应有良好的热导率、电导率、机加工性与高熔点，通常用铜及其合金、石墨经机加工而成，其制造周期长，成本高。快速制作电极的方法主要有如下几种：

1）用快速成形母模浇注碳化硅研磨模，再用此模研磨石墨块，逐步切出与其形状相反的精密轮廓，构成所需的石墨电极。

2）用快速成形件做母模，通过电铸得到电极的镍壳，再浇注铜或锡背衬构成电极。

3．烧结金属电极。采用激光烧结快速成形机烧结青铜合金粉，能直接成形电极，用于制作注射成形模或锻模。

3  快速成成形与快速模具技术在生物医学领域的应用

快速成形与快速模具技术的应用起源于工业领域，但是，近年来在生物医学领域的应用发展得非常快，主要有以下四个方面。

3.1 手术策划   

医生诊断病情和确定手术方案的一个重要手段是CT / MRI（磁共振）扫描， 这些扫描的结果是人体器官的一组二维截面（切片）照片。由于病人缺乏人体解剖和病理知识，难于根据器官的二维扫描照片想象出三维实体的形貌，因此，医生要想通过CT / MRI扫描照片向病人解释病情并非易事。对于经验不足的年轻医生，要根据CT / MRI扫描照片准确判断病情也有一些困难。

显然，借助快速成形技术，能将CT / MRI扫描的结果变成实体模型，无疑对于医生判断病情，以及向病人解释病情都有很大的帮助，所以，快速成形是CT / MRI扫描的延伸与发展，一些专家预言，如同X光、CT一样，快速成形机即将成为医院的一种必备设备。

利用快速成形的病人器官的实体模型，医生可以直观地讨论手术方案，并在模型上预先模拟手术的操作过程，从而为完善和最终确定手术方案提供依据。例如，图9a是根据一位盆骨损伤导致严重畸形病人的CT扫描转换而成的STL格式图形，图9b是用熔融挤压快速成形机制作的实体模型，医生借助此模型能准确地判断骨折的类型、部位和严重程度，从而能制定切实可行的手术方案。

3.2 植入性假体的制作

医疗用植入性假体用金属、塑料、陶瓷等材料，经过铸造、锻造、冲压、切削加工或模压、烧结而成，并且，一般为制造厂的标准系列产品，很少有针

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