快速成型技術(shù)的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)

1、摘要 成形材料的開發(fā)應用, 可提升成形質(zhì)量、拓寬原型應用的領(lǐng)域、開發(fā)新的成形工藝. 軟件是快速成形技術(shù)的靈魂, 第三方軟件介入是當前快速成形技術(shù)軟件開發(fā)的一個明顯趨勢. 基于快速成形思想的各種新的工藝方法、研究與工藝裝備開發(fā), 以及桌面化設備和功能原型成形設備的開發(fā), 是新的快速成形設備研制的兩大趨勢.關(guān)鍵詞 快速成形, 成形材料 , 軟件技術(shù) , 工藝裝備Abstract By developing and applying material of forming or shaping, forming quality can be promoted, prototype applicati

2、on can be broadened, and new RP process can be developed. Software is the core of rapid prototyping technology. The field of rapidprototyping technologywhere commercialsoftware involved is an obvious trend of software technique development atpresent.The researchon various newtechnological method and

3、 technological equipment based on the principleof rapid prototyping as well as the development of desktop equipment and functionalizing equipment, are two R& D bigtrends in developing new RP equipment.Keywords rapid prototyping, forming material, software technique, process equipment 引言快速成形制造(RPM)是2

4、0世紀 80年代末、 90年代初由美國開發(fā)的高新制造技術(shù), 其重要意義可與數(shù)控(CNC)技術(shù)相比。該技術(shù)采用材料累加的新成形原理, 直接通過CAD數(shù)據(jù)制成三維實體模型。這一技術(shù)不需要傳統(tǒng)的機床、夾具、刀具, 便可快速而精密地制造出任意復雜形狀的零件模型, 從而實現(xiàn)了 “自由制造”。 快速成形出現(xiàn)給工業(yè)產(chǎn)品的造型開發(fā)、工藝品的模型設計提供了最為便捷的制造工具, 使產(chǎn)品的開發(fā)速度數(shù)十倍地提高。而且越是復雜結(jié)構(gòu)的物體, 其制造速度提高越顯著?？焖俪尚渭夹g(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀快速成形技術(shù)（Rapid Prototyping Technology, 以下簡稱RP 技術(shù) ）是 20 世紀 80 年代中后期發(fā)展

5、起來的一項新興的先進制造技術(shù), 其核心思想是基于降維離散的方法, 把任意復雜的三維實體通過切片處理轉(zhuǎn)換為二維平面的制造和沿成形方向做一維的層片疊加, 實現(xiàn)物理原型的快速制造.我國快速成形技術(shù)自20世紀世紀90年代初開始發(fā)展, 西安交通大學、北京隆源公司等院校和企業(yè)在典型的快速成形設備、軟件、 材料等方面的研究和產(chǎn)業(yè)化方面的獲得了重大進展。隨后國內(nèi)許多高校和研究機構(gòu)也開展了相關(guān)研究, 重點在金屬成形方面開展研究。我國快速成形技術(shù)的研究工作基本與國際同步。在快速成形技術(shù)新設備研發(fā)和應用方面我國則落后于國外。由于我國在這方面的投入少, 企業(yè)的應用開發(fā)能力弱, 故相對于歐美國家, 在新技術(shù)的開發(fā)上已顯

6、落后。在應用上 , 我們許多行業(yè)缺少后續(xù)技術(shù)研發(fā),例如在快速制造的原型向模具和功能零件轉(zhuǎn)化方面沒有形成系統(tǒng)技術(shù)體系 , 企業(yè)沒有很好地將此技術(shù)應用在產(chǎn)品開發(fā)方面。國外快速成形技術(shù)在航空領(lǐng)域超過8%的應用量, 而我國在這方面的應用量則非常低。 快速成形尤其適合于航空航天產(chǎn)品中的零部件單件小批量的制造具有成本低和效率高的優(yōu)點。國外在航空航天器的研制中不斷嘗試應用快速成形技術(shù), 顯示出了巨大發(fā)展?jié)摿ΑＴ谖覈卮蟮膶ｍ椦芯亢秃娇蘸教焓聵I(yè)發(fā)展中, 快速成形這一技術(shù)都有廣泛的用途。因此 , 通過“產(chǎn)學研用”結(jié)合 , 通過不斷與企業(yè)合作, 拓展應用領(lǐng)域, 將是快速成形制造技術(shù)發(fā)展的根本方向?？焖俪尚拖到y(tǒng)的構(gòu)

7、成和原理系統(tǒng)構(gòu)成快速成型系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成。其中, 硬件由工業(yè)控制計算機、 激光選區(qū)燒結(jié)器、光路及其掃描系統(tǒng)、成型室及送料室組成;軟件由操作系統(tǒng)、CAD軟件、CAD切層軟件、激光選區(qū)燒結(jié)控制軟件等組成。（一）快速成型技術(shù)的原理快速成型技術(shù)是將計算機技術(shù)、CAD、機械工程、數(shù)控技術(shù)、檢測技術(shù)、激光技術(shù)和材料科學等集合為一體的高新技術(shù)。近年來，該技術(shù)在國內(nèi)外得到了迅速的發(fā)展，并將成為21 世紀制造業(yè)的重要組成部分。 其原理是根據(jù)對三維CAD電子模型進行分層切片處理，得到一系列的二維截面輪廓，然后用激光束或其它方法切割、固化或燒結(jié)某種狀態(tài)材料，得到一層層的產(chǎn)品截面并逐步疊加成三維實體。R

8、P 技術(shù) 摒棄了傳統(tǒng)機械加工的材料“去除”加工法，而采用全新的材料增長加工法， 將復雜的三維加工分解成簡的二維加工的組合，它從成型原理上提出了一個全新的思維模式，是一個從離散到堆積的過程（二）快速成型工藝過程在快速成型工藝過程中，由于系統(tǒng)是由三維CAD模型直接驅(qū)動，因此首先要構(gòu)建所加工件的三維CAD模型。該三維CAD模型可以利用計算機輔助設計軟件直接構(gòu)建，也可以將現(xiàn)有產(chǎn)品的二維圖樣進行轉(zhuǎn)換而形成三維模型，或?qū)Ξa(chǎn)品實體進行激光掃描、斷層掃描，得到點云數(shù)據(jù)， 然后利用反求工程的方法來構(gòu)造三維模型。其次是三維模型的近似處理， 由于產(chǎn)品往往有一些不規(guī)則的自由曲面，加工前要對模型進行近似的處理，以方便后

9、續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作。由于格式文件格式簡單、實用， 目前已經(jīng)成為快速成型領(lǐng)域的標準接口文件。它是用一系列的小三角形平面來逼近原來的模型，每個小三角形用3 個頂點坐標和一個法向量來描述，三角形的大小可以根據(jù)精度要求進行選擇。文件有二進制碼和ASCn碼兩種輸出形式，二進制碼輸出形式所占的空間比ASCn碼輸出形式的文件所占用的空間小得多，但ASCn碼輸出形式可以閱讀和檢查。典型的CAD軟件都帶有轉(zhuǎn)換和輸出STL文件的功能。后是三維模型的切片處理，根據(jù)被加工模型的特征選擇合適的加工方向，在成型高度方向上用一系列一定間隔的平面切割近似后的模型，以便提取截面的輪廓信息。間隔一般常用0.1mm。間隔越小，成型精

10、度越高，但成型時間也越長，效率就越低，反之則精度越低，但效率高。最后成型加工與零件的后處理，根據(jù)切片處理的截面輪廓，在計算機控制下，相應的成型頭按各截面輪廓信息做掃描運動，在工作臺上一層一層地堆積材料，然后將各層相粘結(jié)，最終得到原型產(chǎn)品。成型零件的后處理是從成型系統(tǒng)里取出成型件，進行打磨、拋光、 涂掛，或放在高溫爐中進行后燒結(jié)，進一步提高其強度?？焖俪尚图夹g(shù)的特點快速成型技術(shù)有如下優(yōu)點:與模具的復雜程度無關(guān), 可以實現(xiàn)自由制造。無論多么復雜的模具只要設計出來, 就可以用快速成型技術(shù)制造出來, 這是傳統(tǒng)的模具加工方法無法比擬的。生產(chǎn)模具的單價與批量無關(guān), 特別適合于新模具的開發(fā)和單件小批量模具的

11、生產(chǎn)。對一些直接用成型料生產(chǎn)的模具, 可以實現(xiàn)非接觸加工; 沒有工具的更換和磨損之類的問題 ; 可以實現(xiàn)無人值班; 不需要機加工方面的專門知識就可操作;無切割、噪音和振動等;有利于環(huán)保, 材料無浪費。生產(chǎn)過程數(shù)字化, 與 CAD模型有直接的關(guān)聯(lián), 零件可大可小, 所見即所得 , 可隨時修改、隨時制造。模具生產(chǎn)周期大大縮短, 是模具制造業(yè)甚至是制造業(yè)上的又一次革命。比較見表1。大大節(jié)約模具生產(chǎn)的費用, 有的可減少到傳統(tǒng)生產(chǎn)方法的幾分之一甚至幾十分之一?？焖俪尚渭夹g(shù)發(fā)展趨勢快速成形制造是一種以材料累加為原理的制造方法, 可以制造任意復雜的三維結(jié)構(gòu)?？焖俪尚伟l(fā)展目前最大的難題是材料的物理與化學性能制

12、約了工藝實現(xiàn)。例如 , 在成形材料上, 目前主要是有機高分子材料金屬材料直接成形是近十多年的研究熱點, 難點在于如何提高精度。在成形材料上, 發(fā)展方向是研究陶瓷材料和復合材料的快速成形制造。在制造裝備的發(fā)展上, 三維打印機是國外近年來的發(fā)展熱點。將其作為計算機一個外設在應用?？焖俪尚渭夹g(shù)在工業(yè)造型、產(chǎn)品創(chuàng)意、工藝美術(shù)等方面有著廣泛的應用前景和巨大的商業(yè)價值?？焖俪尚渭夹g(shù)的研究熱點和發(fā)展方向分3 個方面 :快速成形制造技術(shù)本身的發(fā)展。例如三維打印技術(shù), 使快速成形走向信息市場; 金屬直接成形技術(shù)使結(jié)構(gòu)功能零件可直接制造。進一步的發(fā)展是陶瓷零件的快速成形技術(shù)和復合材料的快速成形?？焖俪尚螒妙I(lǐng)域的

13、拓展。例如快速成形在汽車制造領(lǐng)域的應用為新產(chǎn)品的開發(fā)提供了快捷的支持技術(shù)?？焖俪尚卧谏锛袤w與組織工程上的應用, 為人工定制假體制造、三維組織支架制造提供了有效的技術(shù)手段。進一步是向創(chuàng)意設計、航空航天制造和功能結(jié)構(gòu)器件領(lǐng)域發(fā)展。快速成形學術(shù)思想的發(fā)展?？焖俪尚螐倪^去的外形制造向材料組織與外形結(jié)構(gòu)設計制造一體化方向發(fā)展。力圖實現(xiàn)從微觀組織到宏觀結(jié)構(gòu)的可控制造。例如在制造復合材料時, 能否將復合材料組織設計制造與外形結(jié)構(gòu)設計制造同步完成。這樣從更廣泛的意義上實現(xiàn)結(jié)構(gòu)體的“設計材料制造”一體化?？焖俪尚蔚南嚓P(guān)技術(shù)計算機技術(shù)是快速成形產(chǎn)生的根本。CAD技術(shù)的出現(xiàn)使設計出現(xiàn)了一次飛躍 , 它使得人的思維

14、、創(chuàng)新設計能力以數(shù)字的形式記錄于機器之中。這樣對其進行的后處理也變得十分容易。CAD技術(shù)實現(xiàn)了零件的曲面和實體造型, 能夠進行精確的離散運算和繁雜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。數(shù)控技術(shù)是快速成形技術(shù)中的重要使能技術(shù)之一。數(shù)控技術(shù)的發(fā)展使得精確的運動控制、能量傳輸控制、材料轉(zhuǎn)移控制等成為可能。激光技術(shù)是快速成形技術(shù)中的重要使能技術(shù)之一, 激光的極高能量密度和極小光斑直徑的特性是實施切割、燒結(jié)、 聚合反應等工藝的保證。材料科學已經(jīng)能夠設計、制造滿足各種性能要求的材料, 如光敏材料、熱敏材料等。我國需要研發(fā)新的快速成形技術(shù), 向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。加強快速成形后續(xù)應用技術(shù)的研發(fā), 通過 “產(chǎn)學研用”結(jié)合 , 與企業(yè)合作不斷拓

15、展應用領(lǐng)域。參考文獻 :王振林 . 數(shù)控加工技術(shù)是應用發(fā)展現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎J. 機電產(chǎn)品創(chuàng)新與開發(fā),2001,(5): 30-32.鞠華 , 李劍 , 王文 , 等 . 快速原型制造與反求工程集成的幾個關(guān)鍵技術(shù) J. 機械制造,2001,(6): 22-24.李春祥，彭淑慧快速成型技術(shù)原理及應用J 甘肅工業(yè)大學學報，2000， 26( 3) 劉偉軍 快速成型技術(shù)及應用M 北京 : 機械工業(yè)出版社，2004王廣春，趙國群快速成型與快速模具制造技術(shù)及應用M 機械工業(yè)出版社，2003馬承銀，鄭文姬，胡慧萍水性環(huán)氧樹脂的制備和固化機理的探討 J 高分子通報，2006， ( 1) 顏永年 , 郭海濱等

16、 . 多功能快速成形制造系統(tǒng)的研究. 中國先進制造學術(shù)會議 ,1996,9:913920徐 健 , 顏永年 , 盧 偉 , 等 . 快速成形技術(shù)的發(fā)展方向J. 航空制造技術(shù),2002,11:5 27黃樹槐 , 肖躍加 , 莫健華 , 等 . 快速成形技術(shù)的展望J. 中國機械工程,2000,11(2):195 200Jiang K Y, Gu Y H. Study of the shape deposition manufacturing of polymer partsJ. Key Engineering Materials, 2003,(256-260):672 676國家自然科學基金委員會

17、工程與材料科學部, 機械工程科學技術(shù)前沿編委會. 機械工程科學技術(shù)前沿. 北京 : 機械工業(yè)出版社, 1996提高RP系統(tǒng)的速度、控制精度和可靠性優(yōu)化設備結(jié)構(gòu), 選用性能價格比高、壽命長的元器件, 使系統(tǒng)更簡潔,操作更方便, 可靠性更高, 速度更快。開發(fā)不同檔次、不同用途的機亦是 RP系統(tǒng)發(fā)展的一個方面, 例如 : 一方面開發(fā)高精度、高性能的機型,以滿足對制件尺寸、形狀和表面質(zhì)量要求更高、或有特殊要求的用戶。另一方面 , 開發(fā)專門用于檢驗設計、模擬制品可視化, 而對尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度要求不高的概念機。提高數(shù)據(jù)處理速度和精度研究開發(fā)用CAD原始數(shù)據(jù)直接切片方法 , 減少數(shù)據(jù)處理量以及

18、由STL格式轉(zhuǎn)換過程而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)缺陷和輪廓失真。研究開發(fā)成本低、易成形、變形小、強度高、耐久及無污染的成形材料 將現(xiàn)有的材料, 特別是功能材料進行改造或預處理, 使之適合于RP技術(shù)的工藝要求。從 RP的特點出發(fā), 結(jié)合各種應用要求, 發(fā)展全新的RP材料, 特別是復合材料, 例如納米材料、非均質(zhì)材料、其它方法難以制作的復合材料等。降低RP材料的成本, 發(fā)展新的更便宜的材料。開發(fā)新的成形能源前述的主流成形技術(shù)中,SLA、 LOM和 SLS均以激光作為能源, 而激光系統(tǒng)( 包括激光器、冷卻器、電源和外光路)的價格及維護費昂貴而傳輸效率較低, 影響制件的成本。新成形能源方面的研究也是RP技術(shù)的一個重要

19、方向。研究開發(fā)新的成形方法在過去的十年中, 許多研究者開發(fā)出了十幾種成形方法, 基本上都基于立體平面化-離散 -堆積的思路。這種方法還存在著許多不足, 今后有可能研究集“堆積”和“切削”于一體的快速成形方法, 即 RP與 CNC機床和其它傳統(tǒng)的加工方式相結(jié)合,以提高制件的性能和精度, 降低生產(chǎn)成本。還可能從RP原理延伸 , 產(chǎn)生一些新的快速成形方法。繼續(xù)研究快速制模和快速制造技術(shù)一方面研究開發(fā)RP制件的表面處理技術(shù), 提高表面質(zhì)量和耐久性; 另一方面研究開發(fā)與注塑技術(shù)、精密鑄造技術(shù)相結(jié)合的新途徑和新工藝, 快速經(jīng)濟地制造金屬模具、金屬零件和塑料件。應用范圍擴大通過對現(xiàn)有RP系統(tǒng)的改進和新材料的

20、開發(fā), 使之能夠經(jīng)濟地生產(chǎn)出直接可用的模具、工業(yè)產(chǎn)品和民用消費品; 制造出人工器官 , 用于治療疾病?？焖俪尚渭夹g(shù)與眾多技術(shù)密切相關(guān), 其中最主要的支持技術(shù)有以下幾 項。計算機輔助設計與輔助制造技術(shù)（CAD/CAM快速成形技術(shù)制造）零件時 , 必須首先利用CAD系統(tǒng)設計出一個三維零件的模型, 再利用CAD軟件對該模型進行離散化, 然后用CAM軟件對零件模型進行切片并確定每個層片生成制作的最佳掃描路徑?？梢钥闯? 如果沒有已趨成熟的CAD/CAM技術(shù), 也就沒有快速成形技術(shù)。因此,CAD/CAM技術(shù)是快速成形技術(shù)產(chǎn)生和應用的前提技術(shù)和基礎技術(shù)。數(shù)控技術(shù)快速成形技術(shù)的成形過程是通過 “離散” 把三

21、維實體制造問題轉(zhuǎn)化為一系列二維平面分層制造問題的過程, 然后再將二維分層制造的平面層片堆積疊加成三維的空間實體。在這個分解與組合的過程中, 必須由數(shù)控系統(tǒng)按照CAM的分層信息, 控制分層的運動方式和加工參數(shù),并對加工時的光學參數(shù)、溫度、功率和材料進給量等進行實時補償。如果快速成形技術(shù)采用“層堆積”的工藝方法成形零件時 , 數(shù)控系統(tǒng)應提供在X-Y平面內(nèi)的二維兩軸聯(lián)動控制。如果快速成形技術(shù)采用“點堆積”的工藝方法成形零件時 , 數(shù)控系統(tǒng)應提供在X-Y-Z 空間內(nèi)的三軸聯(lián)動控制。由此可見, 如果沒有數(shù)控系統(tǒng)提供的精確運動, 就無法將片材或點材（粉末） “堆積”疊加成空間實體零件。因此 , 數(shù)控技術(shù)是快速成形技術(shù)實現(xiàn)“生長型制造”的保證技術(shù)。激光技術(shù)在基于激光的快速成形技術(shù)工作過程中, 固化、切割或熔化成形材料所采用的能源為激光。激光具有能量集中、方向性好、光斑小、波長恒定等優(yōu)點, 特別適用于快速成形技術(shù)。在基于激光的快速