快速原型技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

楊忠鳳

[摘 要]本文簡(jiǎn)要介紹了快速原型技術(shù)的原理、特點(diǎn)及典型工藝方法；概括了快速原型技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀，探討了快速原型技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

[關(guān)鍵詞]快速原型；機(jī)械制造；應(yīng)用；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）19-0113-01

0 前言

近年來(lái)，各種先進(jìn)制造技術(shù)競(jìng)相發(fā)展，使企業(yè)將產(chǎn)品快速、成功地推向市場(chǎng)成為可能，成為企業(yè)占領(lǐng)市場(chǎng)先機(jī)的可靠保障。

快速原型技術(shù)（Rapid Prototyping.RP），也稱為快速成型技術(shù)，產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代后期①，是一項(xiàng)結(jié)合了機(jī)械、計(jì)算機(jī)、數(shù)控、信息化和新材料等的多學(xué)科交叉多技術(shù)集成的先進(jìn)制造技術(shù)?？焖僭椭圃旒夹g(shù)具有高柔性，高集成，高適應(yīng)，低成本等特點(diǎn)，是現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)的典型代表之一。

1 RP的原理及工藝方法

相對(duì)于傳統(tǒng)的“減法”制造，快速原型技術(shù)是“加法”制造。形象地表述快速原型制造系統(tǒng)就像一臺(tái)3D打印機(jī)，根據(jù)三維實(shí)體模型“打印”出實(shí)體零部件?？焖僭图夹g(shù)的基本原理是基于“離散/堆積”思想，把三維實(shí)體模型分散成二維層機(jī)構(gòu)，再用材料按順序準(zhǔn)確地把之前的各層堆積起來(lái)，最終獲得理想的三維實(shí)體零部件。

目前，快速原型制造技術(shù)的主要工藝方法有：

（1）立體光固化成型法（SLA，Stere-lithography Apparatus）是通過控制激光束照射液態(tài)光敏樹脂，使光敏樹脂材料逐層固化，最后將所有層再進(jìn)行固化形成整體零件。

該方法生產(chǎn)的零件精度高、表面質(zhì)量好；原材料利用率高，能制造形狀特別復(fù)雜精細(xì)的零件。

（2）分層實(shí)體制造發(fā)（LOM，Laminated Object Manufacture）是利用熱壓輥將涂有熱熔膠的薄層材料粘結(jié)在一起，再用激光束剪裁成零件形狀。

該方法工藝簡(jiǎn)單，加工成本低，可靠性好，效率高。

（3）選擇性激光燒結(jié)法（SLS Selective Laser Sintering）是激光有選擇地對(duì)粉末材料進(jìn)行逐層燒結(jié)而固化成零件。

該方法可制造多種材料的零件，如塑性金屬陶瓷等，加工精度和強(qiáng)度高。

（4）熔融沉積成型法（FDM，F(xiàn)used Deposition Modeling）是用噴頭將熱塑性材料以絲狀形式噴擠出，逐層固結(jié)，最后堆積成實(shí)體零件。

該方法操作簡(jiǎn)單，成本低，效率高，環(huán)保性好。

（5）三維印刷法（TDP，Three Dimensinal Printing）是反復(fù)地用打印噴頭將粉末材料噴在有粘結(jié)劑的層面上，最后形成整體零件。

2 快速原型技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用

2.1 在模具制造中的應(yīng)用

在模具制造中應(yīng)用快速成型技術(shù)進(jìn)行快速制模，具體分為直接制模和間接制模，與傳統(tǒng)制模相比，應(yīng)用快速原型技術(shù)大大縮短了模具的研發(fā)周期，將模具從設(shè)計(jì)到制造的過程變得更為高效，為模具制造的創(chuàng)新發(fā)展提供了大力支持。

2.2 在新產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用

應(yīng)用快速原型技術(shù)可以使新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程變得簡(jiǎn)單而且高效，既縮短了研發(fā)周期，又降低了研發(fā)成本。而且對(duì)于形狀復(fù)雜零件的開發(fā)效率也大大提高，從而有助于企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。例如，西安交通大學(xué)的西北RPM應(yīng)用服務(wù)中心，運(yùn)用快速原型技術(shù)為TCL公司設(shè)計(jì)了多款手機(jī)樣品，整個(gè)過程僅用了7天。

2.3 小批量復(fù)雜零件的直接生產(chǎn)

在機(jī)械制造中，有時(shí)只需要制造單件或幾十件的很少數(shù)量的零部件，要是仍然使用傳統(tǒng)工藝制造，會(huì)耗用大量的時(shí)間和較高的成本。

因此對(duì)于某些用高分子材料及其復(fù)雜金屬制造的零件，可用相應(yīng)材料進(jìn)行直接快速原型，這樣既節(jié)省時(shí)間有降低成本。

除上述應(yīng)用外，快速原型技術(shù)在機(jī)械制造中還有較多其他應(yīng)用。例如，產(chǎn)品展示，產(chǎn)品檢驗(yàn)及微型機(jī)械等。這些應(yīng)用都對(duì)原有傳統(tǒng)工藝帶來(lái)了質(zhì)的提升。

3 發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)在快速原型技術(shù)已經(jīng)在機(jī)械制造等越來(lái)越多的領(lǐng)域發(fā)揮了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并獲得了充分的認(rèn)可。但同時(shí)對(duì)該技術(shù)的要求也越來(lái)越高，這就要求其不斷完善和發(fā)展，以適應(yīng)更高標(biāo)準(zhǔn)要求的需要。

3.1 新材料的研制

用于快速原型的材料由最初的塑料、樹脂等，發(fā)展到現(xiàn)在的高性能材料（如纖維混紡料，精鑄石蠟?zāi)猃垙?fù)合物等②），已取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。但是目前所使用的這些高性能材料在快速原型過程中仍會(huì)出現(xiàn)翹曲變形和粘結(jié)等問題，必須通過后續(xù)工序進(jìn)行燒結(jié)固化等操作，整個(gè)過程相對(duì)比較復(fù)雜。

因此，研制具有更好性能、適應(yīng)性更廣的原型材料（如，納米材料等復(fù)合材料）改善現(xiàn)有材料的不足，是快速原型技術(shù)持續(xù)發(fā)展的重要保障，也是今后國(guó)內(nèi)外研究人員競(jìng)相突破的難點(diǎn)和研究的熱點(diǎn)。

3.2 新工藝方法的研發(fā)

現(xiàn)有幾種典型快速原型工藝方法，都不同程度地存在有待改進(jìn)的地方。如LOM方法操作相對(duì)復(fù)雜，耗時(shí)長(zhǎng)，只能制造實(shí)心零件；SLA方法需要設(shè)計(jì)支撐，原材料價(jià)格昂貴，加工成本高等。

因此，在改進(jìn)現(xiàn)有工藝方法的同時(shí)，也要研發(fā)新的原型工藝。例如，噴射原型技術(shù)、多材料制造系統(tǒng)、直接金屬原型工藝等。

3.3 提高原型精度

影響快速成型精度的因素主要有兩個(gè)方面，一是“先天”因素——STL文件，該文件具有精度不足和冗余較大等缺點(diǎn)，這就決定了切片后誤差的形成；二是“后天”因素，即在原型過程中由于各種原因造成的零件變形誤差。

針對(duì)以上兩方面，開發(fā)針對(duì)STL文件進(jìn)行高效識(shí)別的軟件系統(tǒng)，從根源上減少誤差，提高原型精度。另外，要研發(fā)新的工藝方法，最大限度地控制零件的變形。

3.4 提高集成化

快速原型技術(shù)從出現(xiàn)之初就與多學(xué)科緊密聯(lián)系交叉發(fā)展，如快速模具、虛擬技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)等，這些學(xué)科與快速原型技術(shù)共同進(jìn)步發(fā)展?，F(xiàn)如今“互聯(lián)網(wǎng)+”和“大數(shù)據(jù)”已被越來(lái)越多的行業(yè)所采納，同樣也為快速原型的持續(xù)快速發(fā)展提供了有力支持，使快速原型技術(shù)發(fā)展成在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的智能遠(yuǎn)程加工。

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，快速原型技術(shù)是一種具有廣泛應(yīng)用前景的先進(jìn)機(jī)械制造技術(shù)之一，其發(fā)展的速度和程度將對(duì)機(jī)械制造領(lǐng)域產(chǎn)生深淵影響，其總的發(fā)展趨勢(shì)是在不斷完善現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，加速探索和研發(fā)新的原型材料及新的原型工藝，加強(qiáng)與其他學(xué)科的交叉融合，并借助互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢(shì)發(fā)展智能化遠(yuǎn)程加工。

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