典型快速成型技術(shù)的工藝分析與比較

李曉靜，楊豐翔，劉保軍

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473009；2.河南北方星光機電有限公司，河南 鄧州 474150；3.河南中光學(xué)集團(tuán)有限公司，河南 南陽 473000)

典型快速成型技術(shù)的工藝分析與比較

李曉靜1，楊豐翔2，劉保軍3

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473009；2.河南北方星光機電有限公司，河南 鄧州 474150；3.河南中光學(xué)集團(tuán)有限公司，河南 南陽 473000)

介紹了快速成型技術(shù)在新產(chǎn)品研發(fā)過程中的設(shè)計驗證、工藝性能驗證與裝配性能驗證方面的作用；歸納了快速成型制造工藝的3個步驟，即前處理、分層疊加成型和后處理。選擇目前主流的4種典型快速成型工藝作為研究對象，闡明快速成型過程中的加工原理與工藝特點；對4種快速成型過程的應(yīng)用領(lǐng)域、制造成本和工藝參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析與比較，找出了對原型精度影響較大的工藝因素和設(shè)備因素，有助于指導(dǎo)技術(shù)人員進(jìn)行快速成型加工方案的選擇；分析了4種快速成型制造工藝的優(yōu)點與缺點，指明了快速成型技術(shù)的發(fā)展方向。

快速成型；加工原理；工藝參數(shù)

快速成型(Rapid Prototyping，RP)相對于傳統(tǒng)加工技術(shù)，在制造方法上實現(xiàn)了突破性的進(jìn)展[1]。采用快速成型工藝制造零件，省去了刀具和工裝，而是利用激光、熱熔和疊加等手段，將材料堆積并固化成實體模型。

1 快速成型技術(shù)的應(yīng)用

快速成型技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在如下幾個方面[2-3]。

1)新產(chǎn)品研發(fā)過程中的設(shè)計驗證。RP工藝縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，快速響應(yīng)市場需求。傳統(tǒng)的新品試制過程，用戶往往需要耗時3～5個月新品的首批樣件。引入RP技術(shù)，技術(shù)員能在短周期(幾小時或幾天)內(nèi)加工出產(chǎn)品原型。

2)工藝性能與裝配性能驗證。工藝性能和裝配性能對于產(chǎn)品的最終技術(shù)路線制定至關(guān)重要。對于空間比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，如機車、武器裝備、醫(yī)療器械的加工工藝性和裝配性采用RP技術(shù)制造原型進(jìn)行分析和驗證。

3)單件、小批量和非標(biāo)準(zhǔn)零部件加工。對于單件、小批量和非標(biāo)準(zhǔn)零部件的生產(chǎn)，往往沒有通用的刀具、夾具、輔具和量具，采用熔融快速成型技術(shù)直接制造高強度的工程塑料零部件，滿足工業(yè)場合應(yīng)用要求。這種加工方法對于航空及國防工業(yè)具有重要意義。

4)快速模具制造。采用選擇性激光燒結(jié)(SLS)、熔融沉積制造(FDM)和疊層實體制造(LOM)等工藝能夠直接生產(chǎn)出合金模、樹脂模、陶瓷模和金屬模等模具。主要優(yōu)點是制模的工藝相對簡單、成型精度高且工期短。

2 基本原理與步驟

快速成型的制造工藝是一個基于材料堆積原理的生產(chǎn)過程。該工藝是取得材料堆積的規(guī)劃路徑和限制模式，通過堆積將材料疊加或熔合起來形成三維實體[4-5]?？焖俪尚椭圃旃に嚨娜^程可以歸納為如下3個步驟(見圖1)。

1)前處理。包括三維模型的構(gòu)建、模型的三角化處理和模型的切片處理。三維的CAD造型由計算機軟件建造，二維工程圖向三維模型轉(zhuǎn)化，或來自于實體模型的光學(xué)掃描和CT數(shù)據(jù)等點云數(shù)據(jù)。對于包含不規(guī)則類型的自由曲面，在加工之前應(yīng)對模型做出必要的處理。STL格式是目前快速成型技術(shù)中的通用接口文件。采用大量的三角形小平面去逼近原始模型，并且可以調(diào)整精度。根據(jù)待制造零件的外形特征選取適宜的加工方向，沿著成型的高度方向用大量具有特定間隔的平面去切割模型，完成這些截面的輪廓信息提取。采用的間隔越密實，獲得的加工精度越高。

2)分層疊加成型。包括三維模型的輪廓截面的形成和截面疊合。 該步驟是快速成型技術(shù)的核心。在中央控制單元的控制下，對應(yīng)的材料出口裝置按切片處理后的截面信息，做點到點的掃描運動，在工作臺面上逐層地堆積成型材料，將各層材料相互粘結(jié)成為三維實體。

3)后處理。包括實體的分離、固化及表面處理等。通過快速成型工藝疊層開成三維實體后，應(yīng)完成分離等后處理任務(wù)，目的是除去廢料和支承。對于結(jié)構(gòu)強度較低的光固化成型的零件，還應(yīng)進(jìn)一步采用紫外光固化處理。將成型的實體零件從工作臺里取出，進(jìn)行必要的打磨、拋光或置于高溫爐中燒結(jié)，以提高其硬度與強度。

圖1 快速成型制造工藝的3個步驟

3 典型快速成型工藝方法

目前，業(yè)內(nèi)已經(jīng)獲得了十幾種快速成型工藝方法，如立體光固化法、疊層實體制造法、選擇性激光燒結(jié)法、熔融沉積法、掩模固化法、三維印刷法和噴料法等[6-7]。在這些方法中占據(jù)主流的有4種成型方法。

3.1 立體光固化

立體光固化快速成型(Stereo Lithography Apparatus，SLA)，也被稱為立體光刻成型，該工藝是由Charles Hull于1984年獲得美國專利，是最早發(fā)展起來的快速成型技術(shù)。自從1988年3D Systems公司最早推出SLA商品化快速成型機以來，SLA技術(shù)已經(jīng)成為比較成熟且取得廣泛應(yīng)用的成型技術(shù)之一。它的原材料是光敏樹脂，在紫外激光的照射下凝固成實體。

立體光固化快速成型的加工過程如圖2所示。容器中充滿液態(tài)的光敏樹脂，在計算機的控制下，氦-鎘激光器或氬離子激光器照射出紫外激光，光束在模型的各截面信息指引下開展逐點式掃描，由于光束的聚合反使掃描的液壓區(qū)域固化，并最終形成截面層。在完成一層的固化后，臺面沿Z軸下降單個層厚的距離，液壓材料迅速充滿已經(jīng)固化的表面，刮板將凸起的多余樹脂沿水平的方向運動而帶走，繼續(xù)進(jìn)行掃描固化，新固化的表層會牢固地粘結(jié)在前一固化層表面，經(jīng)過反復(fù)的掃描與固化，最終生成立體原型。

圖2 立體光固化快速成型加工過程

3.2 疊層實體制造

疊層實體制造(Laminated Object Manufacturing，LOM)是一種對薄壁易切材料的激光切割與互相粘合來制備原型零件的技術(shù)[6]。LOM原型系統(tǒng)由計算機、原材料存儲及送進(jìn)機構(gòu)、熱粘壓機構(gòu)、激光切割系統(tǒng)、可升降工作臺、數(shù)控系統(tǒng)和機架等組成，如圖3所示。加工過程中，用激光器在薄層上沿截面的輪廓和模型邊框切割成型，并且在截面輪廓和邊框之間多余的區(qū)域切割出垂直方向一致的網(wǎng)格。完成一層的加工之后，工作臺面下降指定高度。在電動機的作用下，供料軸帶動薄層料帶移動到待加工位置。工作臺面垂直提升，熱壓滾筒滾壓背面涂有熱熔膠的紙材，將當(dāng)前迭層與原來制作好的迭層或基底粘貼在一起，使厚度增加。切片軟件根據(jù)模型當(dāng)前層面的輪廓控制激光器進(jìn)行層面切割，逐層制作。反復(fù)進(jìn)行該步驟，直到所有層面全部粘接在一起。去除廢料后得到一個三維實體部件。

圖3 LOM原型系統(tǒng)

迭層實體制造方法與其他快速成型制造技術(shù)相比，具有制作效率高、速度快和成本低等優(yōu)點；但工件的抗拉強度和彈性不夠好，不能直接制作塑料工件。

3.3 選擇性激光燒結(jié)

選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，SLS )和立體光固化工藝在原材料、激光器和送料方式上區(qū)別較大。其加工過程如圖4所示，首先是將粉末狀原材料均勻鋪灑在工作臺的表面，用刮板將表層刮平，激光器發(fā)射出高強度光束在鋪設(shè)的新層上掃描，高強度的激光將金屬粉末燒融在一起，得到零件的截面，新開成截面與上道截面連接在一起[7]。完成一層的截面燒結(jié)之后，再鋪灑上一層新的金屬粉末，采取有選擇性地?zé)Y(jié)指定區(qū)域。完成燒結(jié)后去除多余的金屬粉末，經(jīng)去毛刺和打磨等處理獲得實體零件。

圖4 選擇性激光燒結(jié)加工過程

選擇性激光燒結(jié)技術(shù)是近年來人們研究的一個熱點。實現(xiàn)使用高熔點金屬直接燒結(jié)成型零件，特別是傳統(tǒng)制造方法不容易加工出來的高強度高硬度零部件，對快速成型技術(shù)的更為廣泛應(yīng)用有著重要意義。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)在金屬加工領(lǐng)域中的幾個新的研究方向是單元體系金屬燒結(jié)、多元合金材料燒結(jié)成型、納米材料金屬和非晶態(tài)金屬合金等。特別適用于硬質(zhì)合金材料加工微型零件。另外，依據(jù)零部件的功能要求和工藝要求來燒結(jié)生成有功能梯度或結(jié)構(gòu)梯度的零部件?？梢灶A(yù)見，伴隨著技術(shù)人員對選擇性燒結(jié)成型機理的研究，對各類金屬合金材料最佳燒結(jié)參數(shù)的獲得，以及新型快速成型原材料的發(fā)現(xiàn)，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的研究推廣會進(jìn)入一個新的局面。

3.4 熔融沉積成型

熔融沉積快速成型(Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM)是繼光固化快速成型和疊層實體快速成型工藝后的另一種應(yīng)用比較廣泛的快速成型工藝。該工藝方法以美國Stratasys公司開發(fā)的FDM制造系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛。該公司自1993年開發(fā)出第1臺FDM1650機型后，先后推出了FDM2000、FDM3000、FDM8000及1998年推出的引人注目的FDM Quantum機型，F(xiàn)DM Quantum機型的最大造型體積達(dá)到600 mm×500 mm×600 mm。國內(nèi)的清華大學(xué)與北京殷華公司也較早地進(jìn)行了FDM工藝商品化系統(tǒng)的研制工作，并推出了熔融擠壓制造設(shè)備MEM 250等。

圖5 熔融沉積加工過程

熔融沉積的加工過程如圖5所示。首先是將實芯絲材原材料纏繞在供料輥上，由電動機驅(qū)動輥子旋轉(zhuǎn)，輥子和絲材之間的摩擦力使絲材向噴頭的出口送進(jìn)。在供料輥與噴頭之間有一導(dǎo)向套，導(dǎo)向套采用低摩擦材料制成，以便絲材能順利、準(zhǔn)確地由供料輥送到噴頭的內(nèi)腔(最大送料速度為10～25 mm/s，推薦速度為5～18 mm/s)。噴頭內(nèi)部纏繞有電熱絲，在電流加熱的作用下，絲狀材料被加熱到熔融態(tài)(熔模鑄造蠟絲的熔融溫度為74 ℃，機械加工蠟絲的熔融溫度為96 ℃，聚烯烴樹脂絲的熔融溫度為106 ℃，聚酰胺絲的熔融溫度為155 ℃，ABS塑料絲的熔融溫度為270 ℃)，從噴口中射出(噴口的內(nèi)徑為0.25～1.32 mm，取決于絲材的種類和進(jìn)料速度)，粘結(jié)在工作臺面，凝結(jié)形成預(yù)定的界面輪廓。由于噴頭結(jié)構(gòu)限制，電流加熱絲的功率不適宜太大，絲材多選取熔點較低的熱塑性塑料或石蠟。熔融沉積快速成型的層厚和噴頭的移動速度(最大速度≤380 mm/s)相關(guān)，通常最大層厚為0.15～0.25 mm。

4 影響精度的工藝因素

本次研究的4種常見快速成型工藝的加工制造精度為±(0.1～0.3) mm，適合對精度要求相對較低的場合，比如制作鑄件毛坯模型。4種加工方法各有優(yōu)點，能夠運用各類材料，適合不同的加工環(huán)境，但也有各自的工藝缺陷。4種常用快速成型工藝的比較見表1。

表1 4種常用快速成型工藝的比較

1)SLA工藝的成型過程利用到了激光束掃描照射液態(tài)光敏樹脂的固化作用。它的主要缺點是：成型過程中有材料的物相變化，因此變形也較大；在加工成型零件過程中還要增設(shè)支承，導(dǎo)致工藝過程比較復(fù)雜；另外光敏樹脂的材料成本也較高。

2)LOM工藝的成型過程中利用到激光束對薄紙或其他箔材的切割作用。這種成型工藝的層間粘結(jié)速度緩慢，降低了成型的效率；切紙過程中容易發(fā)

生燃燒，產(chǎn)生的煙塵會污染并降低加工精度；加工后的廢料難以清除；廢料損失很大。

3)FDM工藝成型過程利用到絲狀材料的熱融成型并固化的原理。成型過程中，噴嘴噴射出融化狀態(tài)的絲材沿設(shè)定路線形成輪廓層面，因而噴嘴的直徑與噴射的發(fā)散角很大程度上影響模型的加工精度，而且噴嘴較小，容易發(fā)生堵塞。

4)SLS工藝成型過程利用激光束高溫熔融粉末狀金屬材料，等待冷卻之后形成實體。金屬粉未的材料廣泛而且價位較低。目前，SLS成型原理均是點掃描的燒結(jié)方式，這種加工方式的效率低，成型精度不高，不適合加工大尺度工件。

快速成型的工藝條件和設(shè)備條件是影響快速成型加工精度的主要因素，具體見表2。

表2 影響成型精度的工藝及設(shè)備因素

5 發(fā)展方向

快速成型技術(shù)的巨大優(yōu)點及其發(fā)展速度已引起各國政府的高度重視，紛紛確立一些重點研究項目進(jìn)行資助。我國于20世紀(jì)90年代初也啟動了快速成型技術(shù)的研究工作，盡管起步較晚，但也取得了豐碩的成果。根據(jù)當(dāng)前快速成型技術(shù)的研究熱點可以預(yù)見，未來快速成型技術(shù)的發(fā)展主要集中在如下幾個方面。

1)由于快速成型技術(shù)屬于一種全新的制造技術(shù)，因此在設(shè)備、工藝和材料各方面都存在很大的發(fā)展空間。上述介紹的各種成型工藝方法各具優(yōu)缺點，加工對象和應(yīng)用方向也各有側(cè)重，使用的材料也不同。因此如何揚長避短，進(jìn)一步完善和改進(jìn)各種成型工藝，提高加工效率和質(zhì)量，降低設(shè)備制造成本和運行成本，是快速成型行業(yè)到了產(chǎn)業(yè)化階段參與激烈的市場競爭必須要面對的問題。

2)直接使用金屬材料和陶瓷成型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件，是全世界快速成型行業(yè)的發(fā)展方向，國外已經(jīng)在從事該方面的研究并取得了重大成果，如美國DTM公司利用SLS工藝成型金屬件。一般可以采取2種途徑：一是使用高功率CO2激光直接燒結(jié)金屬粉，逐層堆積成致密度高的結(jié)構(gòu)件；二是使用中低功率CO2激光燒結(jié)覆膜金屬粉成形，然后通過高溫?zé)Y(jié)和滲金屬處理獲得致密度高的結(jié)構(gòu)件。Helysis公司已經(jīng)成功利用LOM工藝切割金屬薄板并層壓成金屬零件。

6 結(jié)語

快速成型技術(shù)的主要特點是可以在不需要模具和刀具的情況下制造出復(fù)雜的三維實體模型，將復(fù)雜的三維加工過程轉(zhuǎn)化為平面材料的堆積或疊加過程。本文介紹了快速成型在新產(chǎn)品研發(fā)過程中的設(shè)計驗證、工藝性能驗證與裝配性能驗證方面的作用；歸納了快速成型制造工藝的3個步驟，即前處理、分層疊加成型和后處理；選擇目前主流的4種典型的快速成型工藝作為研究對象，論述了原型生成過程中的加工原理與工藝特點；對4種成型過程的應(yīng)用領(lǐng)域、制造成本和工藝參數(shù)進(jìn)行了分析與比較，找到了對原型精度影響較大的工藝因素和設(shè)備因素；分析了4種快速成型制造工藝的優(yōu)點和缺點，指明了快速成型技術(shù)的發(fā)展方向。

[1] 林文俊，錢志勤，王勇，等. 系統(tǒng)快速成型技術(shù)[J]. 機械設(shè)計與研究，2009, 25(4)：7-13.

[2] 翟蕓，羅賢，Lockett H. 添加/快速成型初期的制造成本預(yù)估[J]. 制造業(yè)自動化， 2014, 36(4)：82-86.

[3] 蔡冬根，周天瑞，吳海燕. 基于快速成型的CAD模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換之對比[J]. 制造業(yè)自動化，2011, 33(11)：81-83.

[4] 王雷，欽蘭云，佟明，等. 快速成型制造臺階效應(yīng)及誤差評價方法[J]. 沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008, 30(3)：318-321.

[5] 彭安華，張劍峰，王其兵. 基于層次分析法的快速成型技術(shù)中分層方向決策[J]. 工程設(shè)計學(xué)報，2008, 15(2)：124-127.

[6] 許曉琴. 影響LOM快速成型的加工效率的因素及對策研究[J]. 機械工程師，2008(5)：54-56.

責(zé)任編輯彭光宇

ProcessAnalysisandCompareforTypicalRapidPrototypingManufacturingTechnologies

LI Xiaojing1，YANG Fengxiang2，LIU Baojun3

(1. Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473009, China；2. Henan Northen Star Mechanical & Electrical Co.,LTD.,Dengzhou 474150, China；3. Henan Central Optial Group Co., LTD., Nanyang 473000, China)

Firstly, this paper introduces the application of rapid prototyping in the design in the process of new product test validation, process validation and assembly performance verification. Author summarizes three steps of rapid prototyping manufacturing process, namely, pretreatment, layered overlay molding and post-processing. Four kinds of typical rapid prototyping technology are selected as the research objects, discussing the machining principle and process characteristics in the process of prototyping. Field application of four kinds of forming process, the manufacturing cost and process parameters is analyzed and compared, it is found that the process and equipment factors has a greater influence on the accuracy of prototype, which is beneficial for choosing proper manufacturing scheme for technician. Analysis of these four rapid prototyping manufacturing technology, the advantages and disadvantages are all showed, and indicates the rapid prototyping technology challenges and development direction.

rapid prototyping， manufacturing principle，technical parameter

TH 16

：A

李曉靜(1980-)，女，大學(xué)本科，主要從事機械工程等方面的研究。

2014-12-22