快速成型技術(shù)發(fā)展方向探討

1、快速成型技術(shù)發(fā)展方向探討李滌塵趙萬華盧秉恒摘自：制造技術(shù)與機(jī)床摘要：通過分析八種快速成型的新方法和新工藝，探討了快速成型的發(fā)展方向。認(rèn)為快速成型將向復(fù)合成型、降低成本、簡化工藝，提高速度和精度的方向發(fā)展。關(guān)鍵詞：快速成型新方法快速成型是制造技術(shù)的一次飛躍，它從成型原理上提出一個全新的思維模式，為制造技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了一個新的機(jī)遇。自80年代初材料累加成型思想產(chǎn)生以來，研究人員開發(fā)出了許多快速成型技術(shù)，如光固化成型（SL）、粉末燒結(jié)成型（SLS）、層疊法成型（LOM）、熔積成型（FDM）等多達(dá)十余種具體的工藝方法。這些工藝方法都是在材料累加成型的原理基礎(chǔ)上，結(jié)合材料的物理化學(xué)特性和先進(jìn)的工藝方法而

2、形成的，它與其他學(xué)科的發(fā)展密切相關(guān)。快速成型制造技術(shù)是一個具生命力的技術(shù)，近年來研究和開發(fā)人員不斷探索新的方法。本文通過分析幾種新的快速成型方法闡明快速成型的發(fā)展方向。1、多種材料組織的熔積成形美國卡內(nèi)基梅倫（CarnegieMellon）大學(xué)的L.E.Weiss和斯坦福（Stanford）大學(xué)的R.Merz在1997年發(fā)表的文章中提出了一種多相組織的沉積型制造方法（ShapeDepositionManufacturingofHeterogeneousStructures）。與此相似，西安交通大學(xué)盧秉恒教授在1995年申請國家自然科學(xué)基金項目一種微機(jī)械制造的新方法中也闡述了用多個噴頭熔積不同材

3、料來制造微機(jī)械的思想，該項目1996年獲國家自然科學(xué)基金資助。這種方法的原理如下：利用等離子放電來加熱金屬絲材料，加熱頭的結(jié)構(gòu)如圖1所示，熔化的材料熔積到工件逐漸成型。制做一個多種材料的工件時需要多個噴頭，各噴頭可分別噴出不同的材料。在CAD設(shè)計中，可以設(shè)計出一個完整的器件，器件中的零件由不同材料組成，分層后的材料信息將在每個層面中體現(xiàn)出來。在每一層面上，根據(jù)各部分所需要的材料要求，分別噴上所需材料，這樣逐層制造就可成形出一個多種材料和部件的三位實體器件。這種技術(shù)可在一些小型復(fù)雜結(jié)構(gòu)器件的一次整體制造中使用，而無需分件加工和裝配，是一個材料與結(jié)構(gòu)一體化的方法，是發(fā)展微機(jī)械制造的一條有效途徑。2

4、、氣相沉積成型（SALD）美國康奈迪格（Connectict）大學(xué)的KevinJakubeas闡述了一種基于活性氣體分解沉淀的成型技術(shù)，它稱之為“Selectivearealaserdeposition”（圖2），即使用高能量激光的熱能或光能分解一種活性氣體。這種活性氣體在激光的作用下發(fā)生分解，沉積出一個材料的薄層進(jìn)行逐層制造。Jakubeas認(rèn)為通過改變活性氣體的成分和溫度以及激光束的能量，可以沉積出不同材料的零件，包括成型陶瓷和金屬零件。此主題相關(guān)圖片如下：匪碉也365此主題相關(guān)圖片如下：圖2氣相沉積成型3、侵入式光成型日本大阪臾：帳秦5Sangyo大學(xué)的YojiMarutani描述了一個

5、新的立體光成形技術(shù)。它是將激光光束通過一個管子直接插入到光敏樹脂槽中（圖3），管子可在水平方向上自由運動。為了在光固化時防止樹脂流入管子而將工件與管子粘到一起，可在管子中充入空氣，控制氣壓，在管口部形成氣泡，將管子端口與工件分離開，激光通過管子中的透鏡聚焦在工件上進(jìn)行逐層加工。這種方法，可以節(jié)省通常的光固化成型的再涂層裝置與工藝，節(jié)約加工時間，提高加工效率。此主題相關(guān)圖片如下：圖3侵入式光成型原理4、層掃描光固化法西安交通大學(xué)在1996年提出了一種高效低成本的光固化快速成型方法（圖4）。以紫外燈為廉價的光源，利用一簇光纖將光引到掃描光條上。光纖在掃描光條上橫向排列，光條運動，各條光纖上的光開關(guān)

6、根據(jù)圖形掃描信息有序開斷，從而在光固化樹脂液面上掃描出一個固化層。掃描條每運動一次就可形成一個層面，從而大大提高了成形效率。本項目獲1997年度國家自然科學(xué)基金資助，目前工作正在進(jìn)行中。此主題相關(guān)圖片如下：5、輪廓成型工藝美國南加州（SouthernCalifornia）大學(xué)的BarokKhoshnevis申請了一個稱為“cotourcrafting”的專利技術(shù)（圖)。它將擠壓的工藝與類似于FDM的成型方法結(jié)合起來，用一個“抹刀”成型零件的上表面和側(cè)表面。這種方法可以光順零件的內(nèi)外表面，消除層層累加制造所產(chǎn)生的臺階效應(yīng)。這樣可允許每一層的厚度在比較厚的情況下仍有光滑的表面，從而提高加工速度。此

7、主題相關(guān)圖片如下：圖5輪廓成型工藝原理圖、直接光成形美國德州儀器公司(TexasInstruments)的SusannaVentura開發(fā)了一種直接光成型系統(tǒng)(Directphoto-shaping)。該系統(tǒng)以光固化樹脂作為粘接劑，采用光照射光固化樹脂與陶瓷的混合物，將陶瓷粘接起來，逐層固化，制造出陶瓷零件，零件經(jīng)過培燒后，將樹脂燒掉，陶瓷燒結(jié)成型。通過這種方法可以進(jìn)行陶瓷或粉末冶金零件的制造，解決難加工零件的成型。、三維焊接成型英國諾丁漢(Nottingham)大學(xué)的P.Dickins等人提出了一種基于三維焊接成形的方法。它利用焊接機(jī)器人制造金屬零件。過去在制造零件時，由于液態(tài)金屬的表面張力

8、和流動性，層與層之間的連接不牢固，會出現(xiàn)裂紋，從而影響物理性能和力學(xué)性能。他們提出用凸凹結(jié)合的方法進(jìn)行連接，以提高層之間的粘接強度(圖6)。這是一種機(jī)械連接法，可提高金屬零件的強度。此主題相關(guān)圖片如下：圖6三維焊接成型連接工藝、光成型表面光順工藝英國諾丁漢（Nottingham）大學(xué)的一個科研小組提出了一種對光固化成型表面修整的方法，可減小制件的表面粗糙度值（圖7）。在掃描完一層后，托板上升一個層厚，在層之間的臺階上還會吸附部分樹脂，由于表面張力的作用，吸附的這部分樹脂把臺階之間的空隙填充了起來，再用激光照射使其固化，就可以填補臺階，將零件表面光順起來，從而減小制件的表面粗糙度值。從以上所述可

9、以看到：（1）快速成型技術(shù)正在向著多種材料復(fù)合成型方向發(fā)展，無需裝配一次制造多種材料、復(fù)雜形狀的零件和器件。這種將材料制備與結(jié)構(gòu)成型一體化的快速成型方法，將為開發(fā)復(fù)合結(jié)構(gòu)成型提供新途徑，在微機(jī)械、電子元器件、電子封裝、傳感器等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。（2）快速成型將向降低成本、提高效率、簡化工藝的方向發(fā)展，其目的是普及快速成型技術(shù)和提高快速成型的應(yīng)用范圍。（3）提高成型件的精度、表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能，為進(jìn)一步進(jìn)行模具加工和功能實驗提供基礎(chǔ)。此主題相關(guān)圖片如下：圖7光成型表面光順工藝參考文獻(xiàn)：1L.E.WeissandR.Merz.ShapeDepositionManufacturingofHeterogeneousStructure.JournalofManufacturingSystems,1997,16(4):2392482SeventhInternationalConferenceonRapidPrototyping.RapidPrototypingRepo