快速成形制造技術(shù)的新進(jìn)展

鐘 山,韋 寧，鄧小林，姚 金

(1.2.3.4.梧州學(xué)院 電子信息工程系，廣西 梧州 543002)

快速成形制造技術(shù)的新進(jìn)展

鐘 山1,韋 寧2，鄧小林3，姚 金4

(1.2.3.4.梧州學(xué)院 電子信息工程系，廣西 梧州 543002)

快速成形制造RPM(Rapid Prototyping and Manufacturing)是集計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、激光加工、材料科學(xué)等多學(xué)科和技術(shù)為一體的新技術(shù)，是繼CAD/CAM之后的為制造業(yè)帶來巨大變革的一項(xiàng)新興的數(shù)字化制造技術(shù)。近幾年來，隨著新的成形能源、性能優(yōu)越的成形材料和新的成形方法與工藝等相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，RPM技術(shù)向著快速模具、納米制造、仿生制造和集成化等方向發(fā)展，并有著廣泛和深遠(yuǎn)的技術(shù)應(yīng)用前景。

快速成形；制造技術(shù)研究；新進(jìn)展

1 引 言

快速成型制造RPM (Rapid Prototyping and Manufacturing)是指在計(jì)算機(jī)管理與控制下，根據(jù)物體的CAD模型，采用材料精確堆積的方法制造原型，是一種基于離散/堆積成形原理的新型制造方法。其成形過程為：首先設(shè)計(jì)出物體的計(jì)算機(jī)三維模型，根據(jù)工藝要求，按照一定的精度要求將該模型切片，再對(duì)切片后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，按照一定的掃描路徑進(jìn)行規(guī)劃得到加工文件，以快速成形系統(tǒng)層疊的形式加工出每層材料并粘接成形。[1]RPM從成形原理上提出了一個(gè)全新的思維模式，是當(dāng)代制造業(yè)的新興技術(shù)，以快速和精確性能自動(dòng)將CAD設(shè)計(jì)直接制造零件或者轉(zhuǎn)化為原型，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，是優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮減產(chǎn)品成本的有力工具，在航空航天、汽車、機(jī)械、電子、電器、醫(yī)學(xué)、玩具、建筑、藝術(shù)品等許多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，取得了大量的成果。[2]

2 快速成形制造的發(fā)展歷史

20世紀(jì)80年代初期，美國3M公司和UVP公司第一次提出了RP的概念，即利用連續(xù)層的選區(qū)固化產(chǎn)生三維實(shí)體的新思想。1986年完成了一個(gè)稱之為Stereo lithography Apparatus的能自動(dòng)建造零件的完整系統(tǒng)SLA-1，并由此組建3D System公司，發(fā)展許多關(guān)于快速成形成熟的概念和技術(shù)。隨后相繼產(chǎn)生了其他的成型原理及相應(yīng)的成型機(jī)。1984年Michael Feigns提出了分層實(shí)體制造LOM (Laminated Object Manufacturing)的技術(shù)并在1990年開發(fā)了首臺(tái)機(jī)型LOM-1015。1986年，美國的C.Deckaed提出了SLS(Selective Laser Sintering)的思想，稍后組建成DTM公司，于1992年開發(fā)了基于SLS的商業(yè)成型機(jī)Sinter station；Scott Crump在1988年提出了FDM (Fused Deposition Modeling)的思想，在1992年開發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)機(jī)型3D-Modeler。從20世紀(jì)80年代SLA光固化成型技術(shù)提出開始到現(xiàn)在，出現(xiàn)了十幾種不同的快速成形技術(shù)，除此以外，典型的還有3DP、SDM、SGC等。[3]

國內(nèi)RPM研究始于90年代初，清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、上海交通大學(xué)等在成型理論、工藝方法、設(shè)備、材料和軟件等方面做了大量卓有成效的研究開發(fā)工作。如西安交通大學(xué)開發(fā)光固化成形系統(tǒng)及樹脂；華中科技大學(xué)研制基于分層物體制造原理的HRP系統(tǒng)；清華大學(xué)研制基于FDM的熔融擠出成形系統(tǒng)等。在快速制造模具方面，上海交通大學(xué)開發(fā)了鑄造模樣計(jì)算機(jī)輔助快速制造系統(tǒng)，已應(yīng)用于汽車行業(yè)的模具制造；華中科技大學(xué)研究出基于覆膜技術(shù)的快速制造鑄模，主要應(yīng)用于鋁合金和鑄鐵模具。此外，國內(nèi)的家電行業(yè)如廣東的美的、華寶、科龍，江蘇的春蘭、小天鵝，青島的海爾等，都先后采用快速成型制造系統(tǒng)來開發(fā)新產(chǎn)品，收到了很好的效果。[4]

3 快速成形制造的研究現(xiàn)狀

綜上所述，RP系統(tǒng)可分為幾種典型的成形工藝：立體印刷成形SLA（Stereo lithography Apparatus）、分層實(shí)體制造LOM （Laminated Object Manufacturing）、激光選區(qū)燒結(jié)SLS（Selected Laser Sintering）、熔融沉積制造FDM （Fused Deposition Modeling）、三維打印制造3DP（Three Dimensional Printing）等。[5]

3.1 立體印刷成形SLA（Stereo lithography Apparatus）

SLA工藝稱為立體印刷成形或光固化，它采用激光照射光固化液態(tài)樹脂并使之固化的方法成形，是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一種高精度成形工藝。該方法采用光敏樹脂為成形材料，紫外激光以分層截面的輪廓對(duì)液態(tài)樹脂進(jìn)行掃描并與樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)，產(chǎn)生一個(gè)固化薄層。然后在固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂進(jìn)行又一層掃描固化，依次循環(huán)進(jìn)行疊加加工。

圖1 立體光固化

據(jù)統(tǒng)計(jì)，SLA設(shè)備占全球銷售的RP設(shè)備總數(shù)的70%左右。這種方法具有精度高、表面質(zhì)量好的特點(diǎn)。原材料利用率很高將近100%，能制造形狀復(fù)雜和精細(xì)的零件。

目前研究SLA方法的有3D System公司、EOS公司、F＆S公司、CMET公司、D-MEC公司、Teijin Seiki公司、Mitsui Zosen公司、西安交通大學(xué)和華中科技大學(xué)等。日本DENKEN ENGINEERING公司和AUTOSTRADE公司打破了SLA技術(shù)使用紫外光源的常規(guī)，率先使用680nm左右波長的半導(dǎo)體激光器作為光源，大大降低了SLA設(shè)備的價(jià)格。

3.2 分層實(shí)體制造LOM（Laminated ObjectManufacturing）

LOM工藝稱為分層實(shí)體制造，它采用箔材為成形材料，以激光按照CAD分層模型所獲數(shù)據(jù)切割箔材，箔材之間在熱熔膠和熱壓輥的壓力和高溫下進(jìn)行熔化粘接，反復(fù)逐層切割-粘接-切割制造原型，直至整個(gè)零件模型制造完成。

目前研究LOM工藝的有Helisys公司、華中科技大學(xué)清華大學(xué)、Kira公司、Sparx公司和Kinergy公司。Helisys公司除原有的LPH、LPS和LPF三個(gè)系列紙材品種以外，還開發(fā)了塑料和復(fù)合材料品種。華中科技大學(xué)推出的HRP系列成型機(jī)和成型材料，具有較高的性能價(jià)格比。清華大學(xué)推出了SSM系列成型機(jī)及成型材料。

圖2 分層實(shí)體制造法

3.3 選擇性激光燒結(jié)SLS（Selected Laser Sintering）

SLS工藝稱為選擇性激光燒結(jié)，它采用粉末材料為成形材料，使用CO2激光器逐點(diǎn)燒結(jié)粉末材料（塑料、蠟、陶瓷、金屬或它們復(fù)合物的粉體、覆膜砂等）。該法在成形前在工作臺(tái)鋪一層粉末材料，激光束在計(jì)算機(jī)控制下，按照零件分層輪廓有選擇性地進(jìn)行燒結(jié)。一層完成，工作臺(tái)下降一個(gè)層厚，再進(jìn)行下一層的鋪粉燒結(jié)。最后再進(jìn)行打磨、烘干等處理以獲得零件。

圖3 選擇性激光燒結(jié)法

此方法翹曲變形較小，但成形時(shí)間較長，其最大優(yōu)點(diǎn)是適用材料很廣，幾乎所有的粉末都可以使用，應(yīng)用范圍很廣。

目前研究SLS的有DTM公司、EOS公司和北京隆源公司等。DTM公司的系列Sinter station成形材料具有耐熱和抗化學(xué)腐蝕，可制造出汽車上的蛇形管、密封墊等柔性零件。EOS公司研制PA3200GF尼龍粉末材料，SLS工藝制作的制品具有高的表面精度和光潔度。

3.4 熔融沉積制造FDM（Fused Deposition Modeling）

圖4 熔融沉積成形法

FDM工藝稱為熔融沉積成形，它采用絲狀熱塑性成形材料 （ABS、人造橡膠、鑄蠟和聚脂熱塑性塑料等），連續(xù)地送入噴頭后在其中加熱熔融并擠出噴嘴，逐步堆積成形。該方法適合成形小塑料件，制品的翹曲變形小。由于是填充式掃描，成形時(shí)間較長，因此可以采用多噴頭同時(shí)進(jìn)行噴射，以提高效率。

目前具有開發(fā)生產(chǎn)成熟FDM工藝的主要有Stratasys公司和Med Modeler公司。Stratasys公司推出FDM系列成形機(jī)，采用兩個(gè)噴頭同時(shí)成形，制作速度較快。

3.5 三維打印制造3DP（Three DimensionalPrinting）

圖5 三維打印法

3DP工藝稱為三維打印，采用粉末材料 （如陶瓷粉末、金屬粉末等）為成形材料，噴頭在計(jì)算機(jī)控制下，按照截面輪廓信息，在鋪好的一層粉末材料上，進(jìn)行有選擇的噴射粘接制造原型，該工藝可以制造彩色模型，在概念型應(yīng)用方面具有競爭力。實(shí)際上3DP工藝通過噴頭用粘接劑 (如硅膠)將零件的截面 “印刷”在材料粉末上面。

2000年美國的ZCorp與日本的Riken Institute公司開發(fā)出基于噴墨打印技術(shù)的、能制作出彩色原型件的RP設(shè)備。該系統(tǒng)采用4種不同的顏色，原型件可顯示表現(xiàn)出三維空間內(nèi)的熱應(yīng)力分布情況，而且切開原型可觀察制品內(nèi)的溫度和應(yīng)力變化情況，可以進(jìn)行可應(yīng)用于原型的有限元分析。

上述快速成形制造技術(shù)和工藝的特點(diǎn)如表1所示。

表1 幾種快速成形制造方法比較

4 快速成形制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

最近隨著新材料技術(shù)、新工藝及信息網(wǎng)絡(luò)化等方面的進(jìn)步，許多新快速成型制造技術(shù)不斷涌現(xiàn)并應(yīng)用在各領(lǐng)域，主要出現(xiàn)在快速模具，納米制造、仿生制造和集成制造等領(lǐng)域。

4.1 快速模具RT（Rapid Tooling）

RT以RPM生成的實(shí)體制品模型作為模芯，結(jié)合精密鑄造精鑄、粉末燒結(jié)等技術(shù)可快速制造出產(chǎn)品所需要的相關(guān)功能模具，其開發(fā)制造周期為傳統(tǒng)的數(shù)控加工切削方法的1／5～1／10。而且模具的制造效益隨零件的幾何復(fù)雜程度提高而顯著增加。

4.1.1 間接制模法IRMT(IndirectRapid Metal Tooling)

目前具有競爭力的RMT技術(shù)主要是粉末燒結(jié)、電鑄、鑄造和熔射等間接制模法。國內(nèi)外這方面的研究非?；钴S，有許多金屬模具間接快速制造技術(shù)的研究及應(yīng)用事例。如3D systems公司的基于SLA原型的粉末成形燒結(jié)+浸滲快速復(fù)制 (Keltool)工藝、CEMCOM公司的鍍鎳+陶瓷復(fù)合 (NCC，Nickel-Ceramic Composite)工藝、Idaho National Engineering and Environmental Lab的快速凝固工藝 (RSP，Rapid Solidification Process)和Soligen Tech公司的基于DSCP金屬薄殼成形系統(tǒng)的鑄造工藝、Badger Pattern公司的鋅合金噴涂+樹脂·金屬復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)工藝和東京大學(xué)的RHT(Rapid Hard Tooling)以及日產(chǎn)汽車公司的熔射快速制造金屬模具法等。

4.1.2 直接制模法DRMT(DirectRapid Metal Tooling)

直接法尤其是直接快速制造金屬模具DRMT方法在縮短制造周期、節(jié)省資源、發(fā)揮材料性能、提高精度、降低成本方面具有很大潛力，受到高度關(guān)注。目前的DRMT技術(shù)研究和應(yīng)用的關(guān)鍵在于如何提高模具的表面精度和制造效率以及保證其綜合性能質(zhì)量，從而直接快速制造耐久、高精度和表面質(zhì)量能滿足工業(yè)化批量生產(chǎn)條件的金屬模具。美國Stanford大學(xué)的Amon.H等人最近開發(fā)出形狀沉積制造 (SDM)工藝，并研制出與CNC加工集成的裝置。其工藝特點(diǎn)是利用焊接原理熔化焊材 (絲狀)，并借助熱噴涂原理使超高溫熔滴逐層沉積成形，實(shí)現(xiàn)層間冶金結(jié)合。但因焊接弧柱的不穩(wěn)定以及可控參數(shù)的協(xié)調(diào)性等問題，很容易出現(xiàn)翹曲和剝離。采用CNC對(duì)外輪廓和表面精整，在解決RPM技術(shù)中共有的、因逐層堆積產(chǎn)生的側(cè)表面階梯效應(yīng)造成的精度和表面質(zhì)量問題方面做了有益的嘗試，但這種工藝目前尚局限于簡單形狀金屬零件制造。

4.2 納米制造Nano-manufacturing

傳統(tǒng)的納米制造工藝難以進(jìn)行小孔、深孔、異形孔和微孔的加工，另外典型的深小孔加工技術(shù)存在很大缺陷，如果結(jié)合RP技術(shù)的特點(diǎn)，將常規(guī)的使用RPM技術(shù)進(jìn)行加材料成形為減材料成形，使激光束有選擇地照射工件以形成異形小孔的一個(gè)層面，完成一層后，工作臺(tái)上升一個(gè)層面，控制X-Y運(yùn)動(dòng)工作平臺(tái)以蝕刻出新層。如此循環(huán)往復(fù)，層層加工，就可得到異形深小孔。另外，納米陶瓷材料及其成型是當(dāng)前工程材料領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。就成型工藝而言，目前納米陶瓷材料的加工方法主要有高溫等靜壓、熱壓、熱鍛壓、高壓制坯與無壓燒結(jié)相結(jié)合等方法。但在成型過程中容易存在晶粒長大、致密度、內(nèi)部缺陷等問題，利用獲得的選擇性激光燒結(jié)工藝，使獲得的燒結(jié)制件材料保持納米結(jié)構(gòu)，材料晶?；静婚L大，可實(shí)現(xiàn)納米材料的快速自由成型。

4.3 仿生制造Bionicmanufacturing

基于仿生結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜性，采用傳統(tǒng)的加工方法制造十分困難，在實(shí)際應(yīng)用中往往難以實(shí)現(xiàn)，且不利于修改，延長了制造周期，相應(yīng)提高了研發(fā)成本。而仿生制造參考制造過程與生命之間存在的相似性，模仿自然界生物的成長方式進(jìn)行制造。傳統(tǒng)的仿生制造一般基于DNA技術(shù)，主要應(yīng)用于微觀仿生制造。目前對(duì)DNA的研究尚存在許多沒有解決的問題，要安全實(shí)現(xiàn)基于DNA的仿生制造還困難重重。而基于快速成形技術(shù)的仿生制造，主要是針對(duì)產(chǎn)品的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行產(chǎn)品CAD造型，利用內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)仿生建模技術(shù)，然后經(jīng)過切片分層、加支撐等技術(shù)的處理和加工，在快速成型機(jī)上制造生成物的三維實(shí)體。

另外仿生制造可以使生成物具有生物活性，在采用生物可降脂材料的快速成型制造過程中，在生成三維實(shí)體模型后，植入生物生長因子，并放入具有特定成份的培養(yǎng)液中，經(jīng)過一段時(shí)間培養(yǎng)，三維實(shí)體模型就具有生物活性?；诳焖俪尚沃圃旒夹g(shù)的仿生制造方法可應(yīng)用用于醫(yī)療修復(fù)工程，如制造人工骨骼和人工器官，甚至可以制造人工肌肉和生物活性結(jié)構(gòu)的機(jī)器零件，并進(jìn)一步制造具有人體結(jié)構(gòu)的機(jī)器人。

4.4 集成化制造Integrationmanufacturing

生物技術(shù)、信息技術(shù)、納米技術(shù)科學(xué)、制造技術(shù)和管理技術(shù)是21世紀(jì)的5大主流技術(shù)，據(jù)預(yù)測(cè)，5大技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)將改變我們未來的生活和世界，制造技術(shù)與其他技術(shù)交叉是其發(fā)展趨勢(shì)。快速成形技術(shù)與生物技術(shù)交叉的生物制造、與信息技術(shù)交叉的遠(yuǎn)程制造、與納米技術(shù)交叉的微機(jī)電制造等都為快速成形技術(shù)提供了發(fā)展空間。并行工程、快速模具、反求工程、快速成形、網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合而組成的快速成形的集成制造系統(tǒng)，將為RP的發(fā)展提供有力的技術(shù)支持。

4.5 基于多噴頭噴射成型的快速成形系統(tǒng)MJM（Multi-JetModeling）

成形系統(tǒng)的噴頭有3-4個(gè)噴嘴，分別噴射成型工件的輪廓壁和支撐，噴射材料可采用復(fù)合蠟、ABS和PVC等多種形式，噴射精度高速度快，廣泛用于寶石首飾等快速成型系統(tǒng)，對(duì)模型材料和軟件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整后可用于工業(yè)、建筑、生物醫(yī)學(xué)和藝術(shù)品等多種領(lǐng)域的快速成型制造。起版是首飾制造過程中最重要的環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的寶石首飾設(shè)計(jì)是通過起版師運(yùn)用鋸、銼、焊接等傳統(tǒng)工藝進(jìn)行手工制作，將設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的作品由圖紙變?yōu)閷?shí)物，起版質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到首飾成品的質(zhì)量。但手工制作的產(chǎn)品研制周期長，投產(chǎn)成功率低。運(yùn)用多噴頭噴射成型的快速成形系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工模型制作能夠更加精確、快速、直觀、完整地傳遞產(chǎn)品的信息，而且快速成形系統(tǒng)價(jià)格低廉、成型速度快。

筆者認(rèn)為，基于多噴頭噴射成型的快速成形技術(shù)是快速成形制造未來發(fā)展的趨勢(shì)，只要不斷發(fā)展并加以改進(jìn)，這種技術(shù)應(yīng)該是生產(chǎn)所需的三維模型的最佳和最簡單的方法。

5 結(jié)語

本文闡述了快速成形制造技術(shù)的新進(jìn)展。快速成形技術(shù)是一種具有廣泛應(yīng)用前景的正在不斷完善的高新技術(shù)，其中制件新材料、成形效率和成形精度是技術(shù)關(guān)鍵，因此應(yīng)不斷探索新的成型工藝，研究制造高性能成形件的方法并與其他技術(shù)的結(jié)合?？焖俪尚沃圃旒夹g(shù)的發(fā)展也將推動(dòng)制造業(yè)和醫(yī)療器械等相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

[1]劉偉軍，等.快速成型技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2]朱林泉,白培康.快速成型與快速制造技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003.

[3]王廣春,趙國群.快速成形與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[4]金杰，張安陽.快速成型技術(shù)及其應(yīng)用[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005,33(5):592-604.

[5]顏永年，等.先進(jìn)制造技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

（責(zé)任編輯：高 堅(jiān)）

TH164

A

1673-8535(2010)03-0023-06

鐘山 （1967-)，男，梧州學(xué)院電子信息工程系副教授，博士研究生，主要研究方向：CAD/CAM先進(jìn)集成技術(shù)、快速成形制造和逆向工程等。

韋寧 （1963-)，男，梧州學(xué)院電子信息工程系副教授，博士研究生，主要研究方向：智能檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制和快速成型制造等。

鄧小林 （1984-），男，湖南永州人，梧州學(xué)院電子信息工程系助教，碩士，主要研究方向：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)。

姚金 （1982-），男，山東平邑人，梧州學(xué)院電子信息工程系講師，碩士，主要研究方向：PSP技術(shù)、智能控制技術(shù)。

2010-01-25

廣西自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（桂科青0832096）