快速成形/零件制造技术

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快速成形/零件制造技术
! H- V& ?3 X+ I- n, L8 t: D　关键词：快速成形零件制造技术
& J; Z9 l$ Z, Y. ^) V　　RP (Rapid Prototyping)技术是20世纪80年代后期诞生，90年代发展起来的快速成形(原型)技术，被公认为是近年来制造技术领域的一次重大突破，它对制造业的影响可与数控技术的出现相媲美。RP系统综合了机械工程、CAD、数控技术，激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评价、修改及功能试验，有效地缩短了产品的研发周期，可以快速响应市场需求，提高企业的竞争力。
　　快速成形技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法(部分去除大于工件的毛坯上的材料来得到工件)，而采用全新的“增长”堆积法(用一层层的小毛坯逐步叠加成大工件，将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合)，因此，它不必采用传统的加工机床和工模具，只需传统加工方法的10%～30%的工时和20%～35%的成本，就能直接制造出产品样品或模具。由于快速成形具有上述突出的优势，所以近年来发展迅速，已成为现代先进制造技术中的一项支柱技术，是实现并行工程CE(Concurrent Engineering)必不可少的手段。
　　一、RP&M技术产生的背景
　　随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈，产品的开发速度日益成为市场竞争的主要矛盾。在这种情况下，自主快速产品开发(快速设计和快速工模具制造)的能力(成本和周期)，成为制造业全球竞争的实力基础。同时，制造业为满足日益个性化的市场需求，又要求制造技术有较强的灵活性，能够在不增加产品的成本的前提下，以小批量甚至单件组织生产。因此，产品开发的速度和制造技术的柔性就变得十分关键了。
　　半个世纪以来，计算机、CAD/CAM、NC、材料和激光等技术的发展和普及，也在技术层面上为新的制造技术的产生奠定了基础。
$ Z5 L: o5 J% r( _　　正是在这种社会背景下，快速成形/零件制造技术(RP&M-Rapid Prototyping/Parts Manufacturing)于20世纪80年代后期产生于美国，并迅速扩展到欧洲及日本，被认为是近年来制造技术领域的一项重大突破。
　　二、RP&M的原理及主要方法
　　RP&M技术，是指在计算机控制与管理下，由零件的CAD模型直接驱动快速制造任意复杂形状三维实体的技术总称，是现代多种先进技术的集成。快速成形技术采用离散/堆积成形原理，通过离散获得堆积的路径和方式，通过精确堆积将材料“叠加”起来形成复杂三维实体。人们把快速成形系统比喻为“立体打印机”(3DSolid Printer)是非常形象的。
　　离散/堆积的过程是由三维CAD模型开始的：先将CAD模型离散化，将某一方向(常取Z向)切成许多层面，即分层，属信息处理过程；然后在分层信息控制下顺序堆积各片层，并使层层结合，堆积出三维实体零件，这是CAD模型的物理体现过程。每种RP设备及其操作原理都是基于逐层叠加的过程的。
& `0 R  U. G$ U* J8 y, m1 ^$ U　　RP&M技术的具体工艺有30余种，多数是由美国开发的。以下是最为成熟的5种方式。
　　1.立体印刷(SLA，Stereolithgraphy Apparatus)成形技术
/ T/ {7 m9 P9 c　　基本工作原理：用紫外激光在光敏树脂表面扫描，令其有规律地固化，由点到线，再到面，完成一个层面的建造，每次产生零件的一层。在扫描的过程中，只有激光的曝光量超过树脂固化所需的阈值能量的地方，液态树脂才会发生聚合反应形成固态。因此在扫描过程中，对于不同量的固化深度，要自动调整扫描速度，以使产生的曝光量和固化某一深度所需的曝光量相适应。每一层固化完毕之后，升降工作台移动一个层片厚度的距离，然后将树脂涂在前一层上，再建造一个层。如此反复，每形成新的一层均粘附到前一层上，直到制作完零件的最后一层，成为一个三维实体。这样零件就堆积完毕，再对零件进行一些必要的后处理，整个制做过程就完成了。
　　2.熔融沉积成形(FDM，Fused Deposition Modeling)
/ x' i+ ^3 W8 K! N9 E2 ^4 i　　熔融沉积成形是指将热熔性材料(ABS、尼龙或蜡)通过加热器熔化，在移动头的运动过程中挤压喷出细丝，按零件的截面形状沉积成一薄层，这样逐层堆积制成一个零件。在沉积过程中，喷头受水平分层数据的控制沿XY移动，同时半流动融丝从FDM喷头中挤压出来，必须精确控制从挤压头孔流出的材料数量和喷头的移动速度，当它和前一层相粘结时很快就会固化，整个零件是在一个活塞上制作的。该活塞可以上下移动，当制作完一层后活塞下降，为下一层制作留出层厚所需的空间。FDM可以使用很多种材料，任何有热塑特性的材料均可作为其候选材料。
　　3.选择性激光烧结(SLS，Selective Laser Sintering)
　　该工艺是利用红外激光光束所提供的热量熔化热塑性材料以形成三维零件。在制作区域均匀铺上一薄层热塑性粉末材料，然后用激光在粉末表面扫描零件的截面形状，激光扫描到的地方粉末烧结形成固体，激光未扫描到的地方仍是粉末，可以作为下一层的支撑并能在成形完成后去掉，上一层制作完毕后，再铺平一层粉末，继续扫描下一层，不断重复这个铺粉和选区烧结的过程直到最后一层，一个三维实体就选烧出来了。SLS使用的设备是激光器，使用的原料有蜡、聚碳酸酯、尼龙、纤细尼龙、合成尼龙和金属材料等。
　　4.分层实体制造(LOM，Laminated object Manufacturing)
  Z0 O5 u& Y, }) u5 p, i, U　　逐层物体制造技术是通过逐层激光剪切箔材制造零件的一种技术。用激光按该层零件的轮廓剪切，零件轮廓以外的部分用激光剪切成网格状碎片以便零件制作完毕之后移去。每一层箔材之间涂有热溶胶，通过加热和加压粘到前一层上，层层的箔材逐层粘成一个固体块。当所有的层被粘结并进行剪切之后，整个零件就埋置在一大块支撑材料中，去掉支撑碎片，就获得所需的三维实体。这里所说的箔材可以是涂覆纸(涂有粘接剂覆层的纸)、涂覆陶瓷箔、金属箔或其他材质的箔材。
6 L4 A0 r1 ~" ^! E6 j( v0 C　　5.实体磨削固化(SGC，Solid Ground Curing)
　　它采用掩膜版技术使一层光固化树脂整体一次成形,不像SL设备那样逐层逐点照射成形。UV射线通过玻璃罩照射在一薄层液态光敏树脂表面，玻璃罩上透光部分与零件截面形状相同，零件截面形状部分被固化，其余部分仍为液态树脂，将其吸掉，然后用蜡代替它。下一层零件就可以在此基础上进行制做，当零件的所有层均制做完成后，整个零件就被埋置在一大块蜡之中。可以通过熔化将蜡去除掉，剩下的就是由完全固化的树脂形成的零件。
　　此外，还有一些较为成熟的RP技术，例如，3DP(Three-Dimensional Printing)工艺，即三维印刷或三维打印,它采用逐点喷洒粘结剂来粘结粉末材料来制造原型；BPM(Ballistic Particle Manufacturing)工艺，即弹道粒子制造，它采用具有五轴自由度的喷头喷射熔融材料的方法来制造原型；PCM(Patternless Casting Manufacturing)工艺，即无木模铸造，它采用逐点喷洒粘结剂和催化剂的方法来实现铸造沙粒间的粘结，这一技术由清华大学开发成功；MJS(Multiple Jet Solidification)工艺，亦称为多相喷射固化，它采用活塞挤压熔融材料使其连续地挤出喷嘴方法来堆积成形；CC(Contour Craft)工艺，亦称为轮廓成形工艺,它采用堆积轮廓和浇铸熔融材料相结合的方法来制造原型，这种工艺在堆积轮廓时采用了简单的模具等。
( b7 x. @  I: k3 x! \$ O, C　　三、RP&M技术的独有特性
. R$ {" n/ X* H% c& B　　RP&M技术，异于传统的去除成形(如车、铣、刨、磨等)，拼合成形(如焊接)，或受迫成形(如铸、锻，粉末冶金)等加工方法，而是采用材料累加法制造零件原型，快速成形技术较之传统的诸多加工方法展示了以下几方面的优越性。(1)由CAD模型直接驱动，能自动、快速、精确地将设计思想转变成一定功能的产品原型甚至直接制造零件，对缩短产品开发周期、减少开发费用、提高企业市场竞争力具有重要意义。
& ?# V' T% @. \' R' @' M. ?' k　　(2)可以在没有任何刀具、模具及工装卡具的情况下，快速直接地制成几何形状任意复杂的零件，而不受传统机械加工方法中刀具无法达到某些型面的限制。
　　(3)曲面制造过程中，CAD数据的转化(分层)可百分之百地全自动完成，而不像数控切削加工中需要高级工程技术人员复杂的人工辅助劳动才能转化为完全的工艺数控代码。
4 {/ S# Z. k9 H9 O5 u3 Y% p, L　　(4)任意复杂零件的加工只需在一台设备上完成，不需要传统的刀具或工装等生产准备工作。大大缩短了新产品的开发成本和周期，加工效率远胜于数控加工。
+ a% X; ~& V$ v# Z9 ^2 g- Y　　(5)设备投资低于数控机床。
5 t9 Q3 P5 ]9 v6 D　　(6)在成形过程中无人干预或较少干预。
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四、RP&M技术的应用

　　RP&M技术应用发展很快，一个显著的指标是RP&M服务机构的数量和收入的快速递增。90年代中后期，国外RP&M服务的数量以每年59%的速度递增，可以说，国外已经从对RP&M工艺的熟悉、观望、尝试性应用阶段进入了将RP&M真正作为产品开发的重要环节，提高产品开发质量、加快产品开发速度的阶段。快速成形技术大大降低新产品开发风险，缩短新产品开发周期。

: j9 G" }8 ^  Q　　RP&M在国民经济各个领域得到了广泛应用。在RP工业的早期，汽车和航空工业主宰着RP市场，其占据了超过一半的市场份额，但RP迅速传入其他行业。目前已可应用于一般制造业、家用电器、航空航天、工程结构模型制造、美学及其相关工程、医学康复和考古等领域，并且还在向新的领域发展。
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/ Q9 V) T4 W5 k　　在制造业中以RP系统为基础发展起来并已成熟的快速模具工装制造(Quick Tooling)技术，快速精铸技术(Quick Casting)和快速金属粉末烧结技术(Quick Powder Sintering)，可实现零件的快速制造。以下是RP&M应用的几个主要方面。1.产品设计中的应用——快速产品开发RPDRP&M在RPD方面的应用如图1所示。
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　　RP&M在产品开发中的关键作用和重要意义是很明显的。我们利用CAD技术、快速原形技术和快速制模等先进技术来完成设计定型工作，节省时间，效益突出。它不受复杂形状的任何限制，可迅速地将计算机上的设计变为可进一步评估的实物原型。RP&M系列设备为用户提供的不仅是一个概念模型，在很大程度上，它提供的就是产品，可以从配合、组装及性能测试上全面验证设计。
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+ O9 C7 b: {1 Y5 f. H! z  h　　RP生成的模型亦是设计部门与非技术部门交流的更好中介物。能显著地提高新产品投产的一次成功率。有鉴于此，国外常把快速成形系统作为CAD系统的外围设备。

　　一般来说，采用QRP&M快速产品开发技术，可减少产品开发成本30%～70%，减少开发时间50%以上。如某汽车公司为满足国家新的排放标准，开发进气岐管采用了RP&M技术，使开发周期由传统方法的4个月缩短为1个月，大大缩短了其新产品的上市周期。又如，光学照相机体采用RP&M技术仅需3～5天(从CAD建模到原型制作)，花费5000马克，而传统的方法则至少需1个月，耗需30000马克。

, H+ y) Q. t/ D2 C9 p　　目前，激光快速成形技术已成熟地应用于产品设计评估与校审、产品工程功能试验等，已成为厂家与客户的交流手段。

1 ]+ f& g5 W5 P9 Y) ]3 c+ P/ W　　2.快速工具(RT，Rapid Tooling)
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/ }2 ]' E) i" J6 x( T3 x　　模具是快速工具制造技术应用的重要方面，原型的快速设计和自动制造也保证了工具的快速制造。

　　用硅橡胶、金属粉、环氧树脂粉和低熔点合金等方法将RP原形准确地复制成模具，这些简易模具的寿命是50～1000件，适宜产品试制阶段。对制造长寿命的钢制模具，它是由原形翻制三维研具，用研具研磨整体石墨电极，再用电极在电火花机床上加工钢模具。这一工艺的特点是快速高效，耗时仅为传统制造的1/5，精度也有所提高。

- Z, y' c% b3 p　　运用RP/RT技术比传统的数控加工方法制造模具，周期缩短了1/3～1/10，费用降低了1/3～1/5。
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　　以RP生成的实体模型作模芯或模套，结合精铸、粉末烧结或电极研磨等技术可以快速制造出企业生产所需要的功能模具或工装设备，其制造周期较之传统的数控切削方法可缩短30%～40%以上，而成本却下降35%～70%。模具的几何复杂程度愈高，这种效益愈显著。
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　　3.快速直接制造
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　　快速成形技术利用材料累加法亦可用来制造塑料、陶瓷、金属及各种复合材料零件。

　　五、RP&M与相关技术的关系
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　　RP&M集成了机械工程、计算机控制、CAD、数控技术、检测技术、激光材料等各种学科的前沿技术，是一种典型的高新技术。

　　1. RP&M与CAD技术的关系
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　　CAD技术的产生和发展不仅为人们迅速地进行显示和修改设计提供了简便易行的手段，更重要的是，这种方法可以使人们得到完整的数据，便于修改和进一步的处理，如生成加工数据或形成RP&M所需要的数据格式文件等。显然，CAD是实现RP&M的前提和基础，在应用上往往是RP&M的瓶颈。同时，RP&M技术的发展，又促进CAD技术的发展，比如数据交换接口和分层软件等。
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) {9 u. g+ R: t( t1 ~( x/ w  X　　2. RP&M技术与材料科学的关系

% j6 G. L( n3 q+ g8 t　　材料是实现RP&M的关键，每一种RP&M工艺都对其材料有独特的要求，例如，SLA工艺采用特种光固化树脂，LOM工艺采用涂有粘接剂的纸张，FDM工艺采用腊、ABS以及尼龙等，SLS采用各种金属和非金属粉末为材料。材料的性质不但影响原型件的质量，对原型件的应用产生决定性影响，更为重要的是它是成形工艺可行性的保证。材料科学的发展，尤其是新材料的出现，将会对RP&M技术的发展产生重大的影响，同时，RP&M技术的发展，又会向材料科学提出新的要求，促进材料设计技术的发展。
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2 e) ]- d/ l+ a7 _4 m　　3. RP&M与数控技术的关系
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　　目前这四种比较成熟的工艺，SLA、LOM、SLS、FDM等都必须采用数控技术以实现其成形运动控制。此外，数控技术在RP&M技术中的应用还包括了对加工参数的控制。如SLA工艺中的补偿系统，LOM、FDM工艺中温度补偿、功率控制和材料送给控制等。与切削加工数控技术相比，RP&M要求扫描速度快，停位精度高而负荷小，数控技术是RP&M技术的基础，RP&M技术也向数控技术提出新的研究课题。
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　　4. RP&M与激光技术的关系

4 U9 O  p" d- j" r% }　　激光技术的发展和应用是RP&M技术产生的前提之一，同时也是RP&M技术进一步发展的保证。RP&M技术主要有两类成形方法：一类是基于激光的光固化、切割或熔化的方法；另一类是非激光直接堆积成形的方法。激光具有能量集中、易于控制、光斑小和波长恒定等特点，尤其适用于RP&M技术。目前发展得比较完善，应用较多的RP&M工艺，如SLA、LOM、SLS都采用激光为能源。
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7 v  d  ]7 L; q4 e& H　　5. RP&M与其他相关技术的关系
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7 w; }8 ]6 }/ L　　RP&M技术除与上述学科密切相关外，还与机械科学、现代设计理论、电子技术和检测技术等息息相关。机械科学奠定了RP&M的工艺基础，确定了RP&M技术的主体框架与应用目标；现代设计理论为原型的设计提供了科学的理论指导；电子和信息技术使RP&M技术的各子系统集成起来，形成协调的整体；检测技术确保了成形质量。
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　　总之，RP&M技术是多学科的技术集成，它是各门学科协调发展的结果，同时，又为各门学科的发展增添了新的研究内容。