快速原型制造技术
一、快速原型制造技术内涵、范围及技术地位
快速原型／零件制造(Rapid Prototype／Part Manufacturing,简称RPM)技术就是20世纪后期起源于美国，并很快发展起来的一种先进制造技术，RPM技术是近20年来制造技术领域的一次重大突破。
1、 RPM技术内涵和范围
RPM技术是综合利用CAD技术、数控技术、材料科学、机械工程、电子技术及激光技术的技术集成以实现从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术。 RPM技术采用(软件)离散／(材料)堆积的原理而制造零件通过离散获得堆积的顺序、路径、限制和方式，通过堆积材料“叠加”起来形成三维实体。 离散／堆积的工作过程由CAD模型开始，先将CAD模型离散化，沿某一方向(常取Z向) 切成许多层面，即分层(属信息处理过程)，然后在分层信息控制下顺序加工各片层并层层结合，堆积出三维零件，该零件作为CAD模型的物理体现与之对应，此为物理堆积过程。RPM技术中，物理堆积过程具体是通过采用粘结、熔结、聚合作用或化学反应等手段，逐层可选择地固化树脂、切割薄片、烧结粉末、
材料熔覆或材料喷洒等方式来实现的，从而快速堆积制作出所要求形状的零件(或模型)。各种RPM技术的过程流都包括CAD模型建立、前处理(如生成STL文件格式，将模型分层切片)、快速原型过程(原型制作)和后处理(如去除支架、清理表面固化处理)等四个步骤。
RPM技术的内涵即其成形机理和工艺控制与传统成形(如去除成形和受迫成形)方式有很大差别，主要表现在：RPM不是使用一般意义上的模具或刀具，而是利用光、热、电等物理手段(其中激光是经常应用的)实现材料的转移与堆积；原型是通过堆积不断增大，其力学性能不但取决于成形材料本身，而且与成形中所施加的能量大小及施加方式有密切关系；在成形工艺控制方面，需要对多个坐标进行精确的动态控制。能量在成形物理过程中是一个极为关键因素，在以往的去除成形(切削磨削加工)和受迫成形(铸造锻压)中，能量是被动地供给的，一般无须对加工能量进行精确的预测与控制，而在离散／堆积类型的RPM中，单元体(分层体)制造中能量是主动地供给的，需要准确地预测与控制，对成形中的能量形式、强度、分布、供给方式以及变化等进行有效的控制，从而经由单元体的制造而完成成形。
图 快速成形法原理
随着RPM技术的发展和人们对该项技术认识的深入，其内涵也在逐步扩大。早期的快速成形技术仅指离散／堆积成形的实体自由成形制造(SFF即Solid Freeform Fabrication)，成形过程就是材料的添加过程，SFF技术已成为SL、LOM、SLS、FDM、DSCP等30多种技术的总称。SFF所有的技术方法都有一个共同的几何物理基础，即分层制造原理----RP的成形学原理。任何一种SFF技术都包含了相同的基础的数据处理工作，制造也不受零件形状复杂程度的限制。虽然SFF技术干变万化，任何一种工艺方法总要将每一个具体的物理层面建造起来，都需要完成：X—Y扫描及精确地运动控制：无方向精确的运动控制：每层的轮廓扫描和面内填充扫描：各种物理量的测控：扫描速度与轨迹与某种功率的匹配(如激光功率、材料输送功率)。
目前快速成形技术包括一切由CAD直接驱动的成形过程，主要技术特征即是成形的快捷性，对于材料的转移形成可以是自由添加、去除、添加和去除相结合等形式。在快速成形的发展过程中，其称谓经历了一个混乱期，如自由成形制造、材料添加制造、
分层实体制造等，目前在对这一过程充分认识的基础上，可依据其成形特征称为“分层制造”(Layered Manufacturing)更为恰当。
快速原型法不仅可用于原始设计中快速生成零件的实物，也可用来快速复制实物(包括放大、缩小、修改和复制)。其工作原理是，用三维数字化仪采集三维实物信息，在计算机中还原生成实物的三维模型，必要时用三维CAD软件进行修改和缩放，然后进行二维离散化并送到成型机生成实物。整个过程如下图所示。
快速成形法与反求工程
2、几种典型的RPM技术
目前，国外几种典型和较成熟的商品化RPM技术简介如下：
（1）立体印刷(SLA--Stereolithgraphy apparatus)又称立体光刻、光造型(见图1)。液槽中盛满液态光固化树脂(如Ciba-Geijy公司的XB5149)，它在一定剂量的紫外激光照射下就会在一定区域内固化。成形开始时，工作平台在液面下，聚焦后的激光光点在液面上按计算机的指令逐点扫描，在同一层内则逐点固化。当一层扫描完成后被照射的地方就固化，未被照射的地方仍然是液态树脂。然后升降架带动平台再下降一层高度，上面又布满一层树脂，以便进行第二层扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到三维零件制作完成。立体印刷目前已可达±0．1mm左右的制作精度，较广泛地用来为产品和模型的CAD设计提供样件和试验模型。
SLA方法是最早出现的一种RP工艺，目前是RPM技术领域中研究最多、技术最为成熟方法。但这种方法有其自身的局限性，如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂有一定的毒性而不符合绿色制造发展趋势。
图1 SL法原理图
1—激光束 2—扫描镜 3—Z轴升降 4—树脂槽
5—托盘 6—光敏树脂 7—零件原型
（2）分层实体制造(LOM—Laminated object manufacturing)
见图2根据零件分层几何信息切割箔材和纸等，将所获得的层片粘接成三维实体。首先铺上一层箔材，然后用C02激光在计算机控制下切出本层轮廓，非零件部分全部切碎以便于去除。当本层完成后，再铺上一层箔材，用滚子辗压并加热，以固化粘结剂，使新铺上的一层牢固地粘接在己成形体上，再切割该层的轮廓，如此反复直到加工完毕。最后去除切碎部分以得到完整的零件。LOM的关键技术是控制激光的光强和切割速度，使它们达到最佳配合，以便保证良好的切口质量和切割深度。
美国亥里斯公司开发的纸片层压式快速成形制造工艺，以纸作为制造模具的原材料，它是连续地将背面涂有热溶性粘合剂的纸片逐层叠加，裁切后形成所需的立体模型，具有成本低、造型速度快的特点，适宜办公室环境使用。LOM模具具有与木模同等水平的强度，可与木模一样进行钻削等机械加工，也可以进行刮腻子等修饰加工。
图2 LOM法原理图
1—扫描系统 2—光路系统 3—激光器 4—加热器
5—纸料 6—滚筒 7—工作平台 8—边角 9—零件原形
（3）选择性激光烧结(SLS--Selective laser sintering)。
见图3。SLS采用C02激光器，使用的材料为多种粉末材料。先在工作台上铺上一层粉末，
用激光束在计算机控制下有选择地进行烧结(零件的空心部分不烧结，仍为粉末材料)，被烧结部分便固化在一起构成零件的实心部分。一层完成后再进行下一层，新一层与其上一层被牢牢地烧结在一起。全部烧结完成后，去除多余的粉末，便得到烧结成的零件。常采用的材料为尼龙、塑料、陶瓷和金属粉末。SLS制作精度目前可达到±左右。该方法的优点是由于粉末具有自支撑作用，不需要另外支撑，另外材料广泛，不仅能生产塑料材料，还可能直接生产金属和陶瓷零件。
图3 SLS法原理图
1—扫描镜 2—透镜 3—激光器 4—压平辊子
5—零件原理 6—激光束
（4）熔融沉积成形( FDM—Fused deposition modolling )
它是一种不使用激光器的加工方法(见图4)，技术关键在于喷头，喷头在计算机控制下作X—Y联动扫描以及Z向运动，丝材在喷头中被加热并略高于其熔点。喷头在扫描运动中喷出熔融的材料，快速冷却形成一个加工层并与上一层牢牢连接在一起。这样层层扫描迭加便形成一个空间实体。FDM工艺关键是保护半流动成形材料刚好在凝固温度点，通常控制在比凝固温度高1℃左右。FDM技术最大优点是速度快，此外，整个FDM成形过程是在60～300℃下进行的，并且没有粉尘，也无有毒化学气体、激光或液态聚合物的泄漏，适宜办公室环境使用。
FDM制作生成的原型适合工业上各种各样的应用，如概念成形、原型开发、精铸蜡模和喷镀制模等。
RPM技术发展迅速，新的RPM技术层出不穷，此外，也出现了与CNC相结合、与模具成形相结合的快速成形工艺。
图4 FDM法原理图
1—加热装置 2—丝材 3—z向送丝
4—x-y驱动 5—零件原型
3、 RPM技术的技术地位
RPM技术具有如下特点和优势：适合于形状复杂的、不规则零件的加工；没有或极少下脚料且是一种环保型技术；成功的解决了计算机辅助设计中三维造型“看得见、摸不着”的问题；系统柔性高，只需修改CAD模型就可生成各种不同形状的零件；多技术集成设计制造一体化；具有广泛的材料适应性；不需要专用的工装夹具和模具，大大缩短新产品试制时间；零件的复杂程度与制造成本关系不大。
RPM技术由于具有缩短产品上市时间、提高生产效率、改善产品质量、优化设计等优点，因而从其诞生之日起，就受到了学术界和工业界的极大重视，并迅速在航空航天、汽车、机械、电子、电器、医疗、玩具、建筑和艺术晶等许多领域获得了广泛应用，并已取得了极大进展。
RPM技术是实现并行工程、灵捷制造和可持续发展制造战略的有效途径，应用于产品设计开发及集成制造等方面：产品开发中的设计评价、功能试验、可制造性与可装配性检验、非功能性样品制作、快速模具制造、快速制造金属型零件、微型机械制造研究开发以及快速反求工程等。
总之，RPM技术是一种快速产品开发和制造的技术，作为一种关键的先进制造技术，其对国家制造能力及企业市场竞争力有极大影响，RPM技术的发展也有着巨大的产业化前景。
4快速成形法的特点及适用范围
快速成形法具有下列特点和优点：
——更适合于形状复杂的、不规则零件的加工；
——减少了对熟练技术工人的需求；
——没有或极少下脚料，是一种环保型制造技术；
——成功的解决了计算机辅助设计中三维造型“看得见，摸不着”的问题，
——系统柔性高，只需修改CAD模型就可生成各种不同形状的零件；
——技术集成，设计制造一体化；
——具有广泛的材料适应性；
——不需要专用的工装夹具和模具，大大缩短新产品试制时;
——零件的复杂程度与制造成本关系不大。
以上特点决定了快速成形法主要适合于新产品开发，快速单件及小批量零件制造，复杂形 状零件的制造，模具设计与制造，也适合与难加工材料的制造，外形设计检查，装配检验和快速
反求工程等。
二、快速原型制造技术的国内外技术进展
1、国外RPM技术进展
自从美国的3D Systems公司推出它的第一代商用快速原型制造系统SLA-1以来的十年间，RPM得到异乎寻常的迅猛发展。目前全球范围有超过30种系统，RPM设备总计达千台以上，可以制造各种材料与尺寸的原型和零件。1995年RPM的市场增长率为49％，年销售额为已达2．95亿美元，1998年达到约10亿美元。
RPM技术从一开始就受到了各国政府、企业、高等院校和研究机构的重视。美国在这一领域一直处于领先地位，美国MIT是3D-P技术的发源地，包括金属型和陶瓷型，后者已商业化。美国Dayton University从事包括SLA在内的多种RPM工艺的研究与开发，自1991年以来，Dayton 大学每年主办 Int. Conf. Rapid Prototyping，其是RP
历史最悠久的会议。美国UT(Texas University at Austin)与DTM公司合作，主要研究开发SLS工艺，每年8月世界SFF(Solid Freeform Fabrication)会议在此处召开，其侧重点为RP科学研究，1997年论文重点集中在快速制造模具。美国Carnegie Mellon University主要从事基于RPM的微型机械研究与开发，美国Drexel University、 New Jersey理工学院、斯坦福大学等都在RPM方面进行了研究工作。
澳大利亚政府于1991年也认识到了RPM技术对其工业的重要性，建立了一个有6家教育机构的网络，鼓励研究和传播RPM技术，每个机构配有CAD／CAM工作站和一台SLA-250机器，用于对工程师的继续教育、研究项目和为工业界提供低价的服务。日本政府从1994年开始建立为期4年8亿日元的基金研究项目，集中在数据交换、树脂固化的基础研究和RPM应用方面。欧洲建立了“欧洲快速原型制造行动(EARP)”项目，其由RPM领域的工业企业和学术机构参加，研究内容包括：创造性设计和产品开发、建模和原型制造、CAD与软件、医疗应用，该项目从1993年开始为期3~4年。RPM净成形制造是国际智能制造系统(IMS)计划项目的主要子项。
近年来，由于政府、各大公司(如Genemotor、IBM等)以及军事部门的大力支持下，美国近几年继续保持其在快速原型制造技术领域内的领先地位。许多RP高技术公司直接面向市场，不仅使各类RP设备占领了越来越广泛的市场，而且发展llp技术服务，使RP技术越来越多地进入不同的工业领域。RP技术的市场空前繁荣已对美国制造业的发展起到重要作用，这种良性循环的发展势头可以保证美国继续占据制造业的世界领先地位。
国外RPM技术的进展主要表现在以下一些方面：
(1) 大力改善快速原型制作系统的制作精度、可靠性、生产率和制作大件的能力，并推出了新一代快速成形机。美国 3D Systems公司新推出的SLA-500／40，其制作速度比SLA-500／30快45％。DTM公司的Sinterstation 2500其制作能力比Sinterstation 2000几乎大一倍，其制件范围达330mm×381mm×432mm，它采用在Z方向的动态聚焦技术，使激光光斑在大零件的边缘也能保持较小及圆形，保证整个原型有较高分辨率。 Helisys 公司1996年推出的 LOM-2030，比第一代机制作速度快30％。Stratasys 的 FDM 8000采用改进了的挤出头和软件，速度比FDMl650快1倍，制作面
积为508mm×43lmm×610mm，精度为。日本CEMT公司的树脂光照成形的SOUP — 1000的制件范围最大，为1000mm× 800mm×500mm。目前几乎所有方法的X—Y精度已非常高，甚至可达数控机床水平，但Z方向精度牵涉到材料变形和难于直接精确监控等因素，一般都在0. 1mm以下。RP设备的价格几乎没有大的变化，仍然昂贵。
(2)开发经济型的RP系统(概念制模机)。开发制作速度快、价格低的RP系统的市场潜力将是很大的，它更易真正成为办公室能广泛用得起的三维激光打印机。几家美国公司正在推出能力低于昂贵的RP系统的桌面RP系统，目标是开发像复印机、打印机、传真机一样操作方便、安静、快速和安全的RP系统。典型的系统有：3D Systems公司推出的采用多喷口(96个喷嘴)的制模机ACTUA 2100，其报价为6万美元；Stratasys公司的Genisys的报价为5．55万美元，其成形材料强度高，可以少加支撑。上述这几种产品的工艺都是基于喷射成形，喷粘接剂和喷(挤)热塑料材料，它们的突出优点是可制作复杂的零件，成形材料选择性强，成形速度快。
(3)快速成形方法和工艺的改进和创新。目前比较成熟的SLA、LOM、SLS、FDM方法在不断改进，各种RP方法各具特点，没有一种方法能满足所有的要求，同时各自也在不断改进。目前围绕提高快速成形件的精度、减少制作时间、探索直接制作最终用途零件的工艺，有多种新的快速成形方法或工艺正在实验室中研究。
(4)快速模具制造(RT-- Rapid Tooling)的应用。快速制模可分为在RP系统上直接制模和利用RP原型间接制模，目前主要是快速制造铸模和注塑模。RP+RT的发展是近年来最重要热点，也是最具经济效益前景的一个领域， 目前工业界较关心的RT方法有：当件数较少时(20～50件)，一般可采用硅橡胶模铸造法；100～1000件时，多采用环氧树脂模，为延长模具寿命，通常要在环氧树脂中添加各种添加剂；制造金属模具；RP和熔模铸造等结合实现精密铸造：直接制造高强度的陶瓷和金属件等。
(5)开发性能更好的快速成形材料。材料性能要满足：利于快速精确地加工原型；用RP系统直接制造功能件的材料要接近制件最终用途对强度、刚度、耐潮性、热稳定性等的要求：
利于快速制模的后续处理。许多材料专业公司加入到RP材料的研究之中，3D Systems公司最初的材料性能较差，现在环氧材料已取代早期的丙烯酸，其强度大为提高。FDM使用的ABS具有很强的力学性能。涂有有机粘结剂的塑料带、不锈钢带和陶瓷带可适用于标准的LOM工艺。SLS的材料选择范围最广，如石蜡、聚碳酸脂、尼龙、填有玻璃的尼龙(具有极好的刚度和热阻性)，DTM专有的型芯材料TrueForm和SandForm Zr,TrueForm用于熔模铸造和制作小批量生产的软模具。
复合材料的RP技术是近期新发展，美国俄亥俄州Dayton大学研究所(UDRT)的Allan J．Lghtman教授研究了纤维增强LOM原型制造，他还从软硬件入手，得到了复合材料的曲面分层LOM原型，即为世界上第一曲面分层模型。澳大利亚的Swinburne大学W．Song教授研究了金属／聚合物复合材料的FDM工艺，得到的原型具有一定的强度。
(6)开发快速成形的高性能RP软件。RP技术的核心是信息技术和制造技术相结合，RP软件研究始终是一个热点，主要有：
1)CAD文件转换处理软件，如Solid View，Magics View，STLview，这些软件一般都可对STL的描述体进行图形变换；有些软件可采用适应性切片，提高制作速度和减少阶梯状效应；针对STL产生的一系列的弊端可将大文件分成小文件；通过对物体的原始CAD或STEP文件的几何分析，自动设置优化工艺参数。
2)快速高精度的直接切片软件，这是由于STL的弊端，复杂曲面要求RP使用CAD产生的切片轮廓，另外从医学和激光测量和坐标测量得到的都是大量的点信息，这些可能导致RP系统数据输入格式的多样化。
3)高性能RP系统的工艺数控软件。
4)RP应用中大都使用三维CAD系统，且更多是使用Pr／E (Pro／Engineering)。
近期，美国Arizona大学采用了B Splines或NURB(非均有理数B Splines)表面网格数据，对RP数据的获得进行改善，新加坡国立大学的H．T．Lon等研究了不同的RP工艺采用的表面取向的选择原则。
(7)RPM技术与网络技术的结合。加拿大Quebec大学L．Lapperrire教授和英国Liverpool大学的Z．W．Zhang教授对基于RP技术的远程制造进行研究，RPM技术与网络技术结合可以与快速响应制造、敏捷制造、虚拟制造等新型制造技术一起，成为未来制造业的主要形式。
(8)RP与CAD、CAE、CAPP、CAM、RT以及高精度自动测量的一体化集成。该项技术大大提高新产品第一次投入市场就十分成功的可能性，也可快速实现反求工程。三维数字化仪产生丰富的平面点的信息。日本开发了从MRI、CT重构三维实体的软件。欧洲能将扫描数据在SL设备上复制，美国开发了CT可视化和转成IGES的软件。
(9)RP技术的新应用。几个著名的RP设备开发商都成立了庞大的用户集团。RI>除了主要用于工业设计验证和与铸造等相结合快速制造金属零件和模具外，其新用途不断涌现，范围越来越广。
2、国内RPM技术的研究现状
国内RP研究起步约在1991年，目前北京隆源快速成形公司、清华大学、西安交通大学、华中理工大学、南京航空航天大学等单位在RP设备的硬软件及材料方面做了大量的研究工作，有些单位已经或接近开发出商品化的RP系统并开始少量销售。隆源公司研制出选择性激光烧结系统(RPS)并配备了三维数字化仪，能做出复杂的原型。清华大学研制出多功能快速造型系统(MRPMS)和基于FDM的熔融挤出成形系统(MEM-250)。华中理工大学研制出以纸为成形材料的基于分层物体制造原理的HRP系统。西安交通大学开发了基于SLA的RP系统。南京航空航天大学在选择性激光烧结方面做了大量工作。香港地区的RP技术应用活跃。
国内RPM技术的研究现状可大致归纳为以下几方面。
(1)快速原型制造工艺和设备。经过几年的追踪研究，目前已研制出类似于国外SLA、SLS、LOM、FDM原理的RP设备。这些设备都是多种技术的集成，主要是为了提高RP制作精度和可靠性，
涉及工艺原理、工艺方法、温度控制、激光及冷却系统、精密机械传动等硬软件方面。在SLA方法中提出了新的再涂层技术、变层厚分区固化工艺、减少变形的扫描方式。对SLS的铺粉工艺进行了研究和定量的数学推导。在MEM系统的研制中解决了喷嘴及制作室的温度、走丝轨迹宽度的精确控制，HRP的研制中解决了热辊压制、无拉力叠层材料送进、实时测高等。
(2)CAD数据处理软件。开发了STL文件缺陷的自动诊断及修复软件，对STL文件的自动切片及支撑结构设计软件，探索了基于CSG文件的直接切片。
(3)对RP工艺控制技术进行了大量研究。RP制作中要求激光加工速度快和避免启停频繁，为此，对层片多边形数据进行了光顺处理及开发了相应的自适应插补软件。开发了激光光斑半径补偿、光斑能量与速度及层厚的自动跟踪软件。
(4)材料。RP设备开发单位都对成形材料进行了研究，目前尚无专门的RP材料制造商。
(5)反求与RP的结合。目前这方面研究工作的开发时间还不长，已有单位开发成功激光三维扫描系统，少数单位正在研制断层扫描方法。
(6)快速制造模具。在基于RP原型的快速制造模具研究方面，西安交通大学研制了石墨电极研磨机，隆源公司的RP服务中心已用几种方法为企业制作了精密铸模，上海交通大学开发了基于RP原型的涂层转移铸造技术并为汽车行业制造了多类模具，华中理工大学研究出一种原型复膜技术快速制造铸模，翻制出了铝合金模具和铸铁模块。
(7)宣传推广RP技术。置国外已商品化的RP系统，通过示范、对外加工、技术讲座、人员培训等方式，使国内有关行业了解RP技术及其对产品开发所产生的影响，从而使国内企业尽快了解和采用这项新技术，推动应用。
目前，国内已有十几家大企业引进了快速成形设备如海尔、春兰、海信等，为企业带来了一定的效益。快速成形服务在我国有着很大的潜在市场，目前国内几家生产快速成形设备的公司及
实体己开展了快速成形服务，如北京资源实业股份有限公司、股化快速模具制造有限公司以及深圳生产力促进中心等已经进行了技术应用服务。1995年召开了我国第一届快速原型制造会议。1998年在西安交通大学召开了全国RP与RT技术会议，掀起了国内RPM技术研究及技术服务方面的高潮。1998年7月在清华大学召开了第一届北京国际快速成形及制造会议，这是我国举行的第一次快速成形与制造(肿)技术领域的国际会议，发达的工业国家如美国、日本、德国、英国等都有不少代表与会。目前，国内与世界
先进水平虽有差距，但并不大，某些方面还有领先之处，国外的研究水平只有美国为最高，日本、德国等次之，我国水平大约与日本、德国等其他国家相近。
3、 RPM技术的主要研究方向
综观国内外RPM技术的进展，我国在RPM技术领域的主攻方向及研究方向是：
(1) RP技术的基础性研究与应用性研究并举，加速实现我国自产的RP设备形成产业。
(2)加速RP与RT相结合快速模具制造技术研究开发及有关RT的技术服务。
(3)大力进行以下前沿性研究项目的研究：直接RP金属型新工艺；采用复合材料的不同种类的RP设备与工艺；RP的原理，如能量场理论、生长成形、快速成形的边界模型等的基础性研究；基于RP技术与网络技术结合的软件硬件开发；各种RP工艺过程的模拟研究；具有自主版权的CAD-RP-RT软件的研究与开发；快速模具制造中的共同性问题的基础性研究，开展传统加工工艺与RP／RT技术相结合的工艺的研究与开发；基于快速成形的微细加工技术的研究与开发。
三、基于RPM快速制造模具技术
RPM技术发展到今天，其发展重心已从快速原型制造(RPM)向快速模具(RT)制造及金属零部件快速制造的方向转移，各种各样的后续制造材料及工艺不断出现。
目前RPM的快速制模主要是注塑模、冲压模、铸模等，制模方式分为用RP原型间接制模和RP系统直接制模。
1、 间接制模方法
与数控加工方式相比，将RP原型的样件用于传统的模具制造工艺，一般可使模具制造成本和周期减少1／2，明显提高生产效率，间接制模工艺依零件生产批量大小、模具材料和生产成本主要有以下四种方法：硅橡胶模(批量50件以下)、环氧树脂模(数百件以下)、金属冷喷涂模(3000个以下)、快速制作EDM电极加工钢模(5000以上)等。·前三种方法又称为简易模具(国外称为Soft Tooling或Economical Tooling)，后一种称为钢模具类。
（1）简易模具
零件批量较小(几十到千件)或者用于产品试生产，则可以用非钢铁材料制作成本相对较低的简易模具。一般是依据RP技术制作的零件原型，翻制成硅橡胶模、金属树脂模和石膏模，或对原型进行表面处理，用金属喷镀法(Metal Spraying)或物理蒸发沉积法(PVD)镀上一层熔点较低的合金(如Kirksite锌合金)或镍(Ni)来制作模具。TEKSL高温硅橡胶抗压强度可达～、工作温度可达150～5000C，模具寿命可达200~500件，而用铝基材料制成的模具表面涂覆陶瓷合成材料，其寿命可达数干件。
用化学粘结陶瓷工艺方法(Chemical bonded ceramic-CBC)，依据RP(SL法或LOM法)原型作母模(零件的反型) →浇硅橡胶或聚氨脂软模→移去母模→利用软模浇注成CBC陶瓷型腔→在2050C下固化型腔一抛光，可制成小批量生产用注塑模。
（2）基于RP法快速制作钢模具
方法主要有：陶瓷型精密铸造法、失蜡精密铸造法和电极快速制造法。电极快速制造是利用RP原型制作EDM电极，然后用电火花加工制成钢模，它又可分为喷镀、涂覆法、研磨法、烧注法、粉末治金法及电铸法等方法。
以上方法表明：利用RPM技术结合精密铸造、中间软模过渡法以及电铸、金属粉末烧结整体式研磨等技术，可快速制造各种模具(简易模具、钢模具)。
2、 RP系统直接制棱法
采用LOM法直接制成的模具坚如硬木，并可耐2000C高温，
可用作低熔点合金的模具或试制用注塑模以及精密铸造用的蜡模成形模，还可代替砂型铸造中的木模。
采用选区激光烧结技术，将经过聚合物涂覆处理的金属粉末制成模具，再由渗透作用形成最后的金属模具。
麻省理工学院的E．Sachs教授领导的RP实验室将不锈钢粉末用FDM法制成金属型后，经过烧结、渗铜等工艺制成了具有复杂冷却流道的注塑模。
德国的Electrolux RP公司开发的Eosint M系统则是利用不同熔点的几种金属粉末来烧结成型，由于各种金属收缩量不一致，可相互补偿其体积变化。
3D公司从Keltool公司购得的称之为Keltool的金属粉末烧结工艺对于直接生产小型金属模具特别适合。
四、快速制造金属原型零件
目前，快速制造金属零件的方法主要有RPM与精密铸造技术
相结合法以及直接金属零件快速制造这两种方法。
1．RPM与精密铸造技术结合
RPM与精密铸造技术相结合，是快速制造金属零件的有效途径，尤其适合单件小批量铸件的生产，用RPM技术实现快速精铸的方法有：
(1)基于SLA原型快速制造零件。用SLA原型模代替熔模精密铸造中的蜡模，在SLA模上直接涂挂耐火浆料(分多层)，待耐火浆料固化后，再焙烧除去SLA模，剩下铸造用型壳供铸件浇注(其工艺与熔模铸造工艺相同)，此方法适合于中等复杂程度的中小型铸件。
(2)基于LOM原型快速制造零件。将LOM原型制成所需零件的凹模，经硅橡胶模过渡转换制得石膏型或陶瓷型，再由石膏型或陶瓷型浇注金属零件，当零件具有一定的拨模斜度或LOM原型模表面经过特殊处理后，可将LOM原型制成零件原型代替木模使用，直接制造石膏型或陶瓷型，此方法适于简单或中等复杂程度的金属模具、中大型金属件；当LOM原型模的材料为金属箔时，
可用LOM原型生产实型铸造用EPS气化模，此方法直接制造EPS模具，可批量生产金属铸件。
(3)基于SLS原型生产金属零件。采用陶瓷材料作为SLS的粉末材料，直接烧结铸造用(陶瓷等材料)壳型来生产各类铸件，甚至是复杂的金属零件，此方法适于中小型复杂铸件，当SLS粉末材料为石腊、塑料等时，制出的SLS原型用于制造金属零件方法与基于SLA原型生产零件方法相同。
(4)基于FDM原型生产金属零件。采用石蜡和塑料等低熔点材料的FDM原型，以FDM原型代替熔模精密铸造中的蜡模，用于制造金属零件的方法与用SLA原型生产金属零件的方法相同，此方法适用于中等复杂程度的中小型铸件。
在以上的RPM与精密铸造技术相结合快速制造金属零件的方法中，世界上有名的如Quickcast、DSPC等工艺方法。Quickcast是美国3D-System公司发明的快速精铸技术，是在以SLA工艺制成的原型表面上包裹耐火材料，直接焙烧使原型材料烧蚀气化后得到铸壳，用于金属零件的浇注成型，此技术关键是采用了燃烧充分
且发气量小的光固树脂材料(SL5170或SL5180)，同时原型壳体内部呈烽窝状结构(其后推出的Quickcast 改成空心立方结构)，这种原型有足够强度，原型材料烧蚀时，不会出现胀壳现象，福特汽车公司用该技术制造汽车模具取得满意效果。
DSPC(Direct Shell Producting Casting)方法是美国Soligen公司用3D-P原理在RP系统上将陶瓷粉末成形陶瓷铸造铸壳，粘结处理后可用于浇注结构复杂的各类金属精密铸件。
DTM研制出包覆树脂粘接剂的陶瓷粉末材料锆一矽砂(sandForm Zr)以SLS工艺烧结并经后处理制成陶瓷型壳用于浇注金属件。
2．直接制造金属零件的RPM新工艺
随着对RPM技术研究深入，新材料、新工艺的研究和开发以及制作件精度的进高，使RPM向直接金属零件的快速制造方向发展成为现实。
(1)气相沉积成形(SALD) (Selective arealaser deposition)。这是一种由Connecticut大学的Kevin Jakubeas提出的基于活性气体分解沉淀的成型技术，使用高能量激光的热能或光能分解一种
活性气体，这种活性气体在激光的作用下发生分解，沉积出一个材料的薄层进行逐层制造，通过改变活性气体的成分和温度以及激光束的能量，可以沉积出不同材料的零件，包括成形陶瓷和金属零件。
(2)三维焊接成形(Three-dimensional Welding Shaping)。此方法是英国Nottingham大学的Phil Dickens and J．D．Spencer等人提出的一种基于三维焊接成形的方法，它利用焊接机器人制造金属零件，改变过去制造零件时由于固液态金属的表面张力和流动性、层与层之间连接不牢固会出现裂缝，从而影响物理、力学性能的缺陷，而提出用凸凹结合的方法进行连接，以提高层之间粘接强度，这是一种机械连接方法，可提高金属零件的强度。
(3)SDM形状沉积制造工艺(Shape Deposition Manufacturing)。美国Stanford大学的FritzB．Prinz教授领导的RP实验室研究的SDM工艺，是将离散／堆积法和材料去除法结合在一起来快速成形金属原型件，其成形过程是根据成形零件的分层信息先喷射堆积一层材料，零件和支撑件都是逐层同步生成，且新增加
的材料都是液态金属，在每一层形成后都要在计算机控制下对其进行形状切削加工和应力消除处理，如此重复直到生成整个零件，最后通过酸蚀等手段将支撑体去除。由于制造过程中引入了数控加工处理，使得在分层时可以比较灵活，每一层的厚度可以不同，且某些层面可以较厚，该技术精确度和生产效率都比较高。但由于其使用的设备较多，价格昂贵。目前正在研究将该系统集成在用户已经购买的数控机床上，以降低成本。
(4)多相组织的沉积制造方法 SDMHS (Shape Deposition Manufacturing of Heterogeneous Structures)。SDMHS是美国Carnegie Mellon大学的L．E．Weiss和Stanford大学R．Merz提出的用多个喷头熔积不同材料来制造微机械的方法，其方法原理是：利用等离子放电来加热金属丝材料，熔化的材料熔积到工件逐渐成形。制作一个多种材料的工件时需要多个喷头，各喷头可分别喷出不同材料，在CAD设计中，设计出的一个完整器件，由不同材料组成，分层后的材料信息将在每个层面中体现出来，在每一层面上，依据各部分所需要的材料要求，分别喷上所需材料，这样逐层制造就可成形出一个多种材料和部件的三维实体器件，
这种技术是一种材料与结构一体化的方法，是发展微机械制造的有效途径。
(5)激光工程净成形技术LENS(Laser Engineering Net Shaping)。此技术由美国的Sandia National Lab 提出，其方法是使用聚焦的Nd．YAG激光在金属基体上熔化一个局部区域，同时喷嘴将金属粉末喷射到熔融焊池里，基体置于工作台上，工作台由固定的喷嘴下的X／Y轴控制，在移动工作台时，系统能够挤出一层新金属，一层沉积后，系统抬升喷嘴一个分层厚度，新金属就可沉积，如此层层叠加制作金属原型零件。金属粉末是从一个固定于机器顶部的料仓内送到喷嘴的，成形仓内充满了氩气(Argon)以阻止熔融金属氧化。基于这种技术的第一个商业化的Optomec's成形机DMD-RS-101(direct-metal deposition research station)已经制作出不锈钢、工具钢、钛合金等零件，通过混合粉末供应系统中的各种不同金属粉末，可制作出镍基超合金零件、不锈钢零件等。LENS技术的进展就目前最大的商业应用是成形金属注射模，LENS将使在注射模内部制作冷凝(却)管道成为可能，这种通道符合模腔形状，也能让模腔内预置(埋)传感器监控成型温度和使用时的压强，LENS系统也可用于模具修复。
此外，MIT的J．H．Chun教授采用电场偏转控制金属液微滴直接成形方法制作均匀、圆整的金属粉末，直径从零点几毫米至几十毫米，目前采用锡(Sn)材料已取得成功。
MIT的E．Sachs教授采用3DP工艺得到了冷加工无法制作的复杂形状的金属型，样件有具有复杂内流道的叶片，以及具有复杂冷却流道的注塑模等金属件。
奥斯汀的德克萨斯大学正在致力于研究高温选择激光烧结(HTSLS)，在取消聚合物粘结剂方面进行了偿试，结果表明，可利用Cu-Sn或青铜一镍粉两相粉末，采用激光局部熔化低熔点粉末制造金属零件。
法国Frunhofer研究所正进行多相喷射凝固(MJS)研究，即金属通过预热后从喷嘴射出，在略高于熔点的温度下逐层沉积并凝固，采用这一方法已能生成不锈钢烧结试件。
以SLS工艺烧结金属粉末直接成形零件，LOM工艺中使用金属薄带和不锈钢带制成金属件方法也正在研究中.总之，基于RPM技术的快速制造金属零件是RPM技术发展的目标，必将有更大的应用前景。
