快速成形技術(shù)的新進(jìn)展

1、本文信息來源于中國注塑財(cái)富網(wǎng)：快速成形技術(shù)的新進(jìn)展快速成形技術(shù)是集機(jī)械、電子、光學(xué)、材料等學(xué)科為一體的先進(jìn)制造技術(shù)之一。本文論述了快速成形技術(shù)的起源，介紹了快速成形技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及其市場分布情況。在闡述了各成形工藝在國內(nèi)外新進(jìn)展的基礎(chǔ)上，討論了該技術(shù)的發(fā)展趨勢。20世紀(jì)80年代末、90年代初發(fā)展起來的快速成形(Rapid Prototyping&Manu facturing：RP)技術(shù)，突破了傳統(tǒng)的加工模式，是近20年制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破。它與科學(xué)計(jì)算可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)相結(jié)合，為設(shè)計(jì)者、制造者與用戶之間提供了一種可測量、可觸摸的新手段。快速成形技術(shù)可以自動、快速、直接、精確地

2、將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)化為具有一定功能的原型或直接制造零件(模具)，有效地縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，是提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮減產(chǎn)品成本的有力工具。它的核心是基于數(shù)字化的新型成形技術(shù)?？焖俪尚渭夹g(shù)對制造企業(yè)的模型、原型及成形件制造方式正產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。RP系統(tǒng)可分為兩大類：基于激光或其它光源的成形技術(shù)，如：立體光造型(Stereo lithography：SL)、迭層實(shí)體制造(Laminated Object Manufacturing：LOM)、選擇性激光燒結(jié)(Selected Laser Sintering：SLS)、形狀沉積制造(Shape Deposition Manufacturing：SDM)等;基于噴

3、射的成形技術(shù)，如：熔融沉積制造(Fused Deposition Modeling：FDM)、三維打印制造(Three Dimensional Printing：3DP)等。1、RP起源1979年，東京大學(xué)的中川威雄教授利用分層技術(shù)制造了金屬沖裁模、成形模和注塑模。20世紀(jì)70年代末到80年代初，美國3M公司的AlanJ. Hebert(1978年)、日本的小玉秀男(1980年)、美國UVP公司的Charles W. Hull(1982年)和日本的丸谷洋二(1983年)，各自獨(dú)立地首次提出了RP的概念，即利用連續(xù)層的選區(qū)固化制作三維實(shí)體的新思想。 Charles W. Hull在UVP的資助下

4、，完成了第1個RP系統(tǒng)Stereo lithography Apparatus(SLA)，并于1986年獲得專利，這是RP發(fā)展的一個里程碑。隨后許多快速成形概念、技術(shù)及相應(yīng)的成形機(jī)也相繼出現(xiàn)。2、RP技術(shù)應(yīng)用及其市場快速成形術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于家電、汽車、航空航天、船舶、工業(yè)設(shè)計(jì)、醫(yī)療等領(lǐng)域。藝術(shù)、建筑等領(lǐng)域的工作者也已開始使用RP設(shè)備。根據(jù)14個RP設(shè)備供應(yīng)商和43個RP服務(wù)商的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，所有RP模型的近41%用于裝配和功能型零件;約27%用于工程、工具制造、報(bào)價(jià)和投標(biāo);約23%用于原型模具、金屬鑄造及模芯制造。隨著RP技術(shù)本身的發(fā)展和完善，其應(yīng)用領(lǐng)域在不斷拓展。截至2001年7月，全球共有35

5、5家RP服務(wù)機(jī)構(gòu)，30家設(shè)備制造商，12家材料供應(yīng)商，35家咨詢機(jī)構(gòu)，14家專門的軟件供應(yīng)商，67個教育及研究機(jī)構(gòu)。分布于全球58個國家的RP系統(tǒng)有6755臺套。根據(jù)其中6521個系統(tǒng)的分布情況統(tǒng)計(jì)出：北美(主要是美國)占45.3%，亞洲/環(huán)太平洋地區(qū)占28.6%，歐洲占24.6%，其它地區(qū)只占1.5%。近年來，采用RP設(shè)備最積極的地區(qū)是東亞(尤其是韓國、香港、新加坡)。RP市場2001年增速較慢，但在2002年有較大幅度的恢復(fù)性增長。3、快速成形技術(shù)的國外發(fā)展現(xiàn)狀美國是世界上最重要的RP設(shè)備生產(chǎn)國，1999年美國生產(chǎn)的RP設(shè)備占全世界的8l.5%，美國的RP發(fā)展水平及其趨勢基本代表了世界的R

6、P發(fā)展水平及趨勢。3.1 立體光造型1999年3DSystems公司推出SLA27000機(jī)型，掃描速度可達(dá)9.52m/s，層厚最小可達(dá)0.025mm。AUTOSTRADE公司(日本)開發(fā)了以680nm左右波長半導(dǎo)體激光器為光源的RP系統(tǒng)，及針對該波長的可見光樹脂。提供光固化樹脂的有瑞士Ciba公司、日本旭電化公司、美國Dupont公司等。3.2 迭層實(shí)體制造Helisys公司研制出多種LOM工藝用的成形材料，可制造用金屬薄板制作的成形件。該公司還與Dayton大學(xué)合作開發(fā)基于陶瓷復(fù)合材料的LOM工藝。蘇格蘭的Dundee大學(xué)使用CO2激光器切割薄鋼板，使用焊料或粘接劑制作成形。日本Kira公司

7、PLT2A4成形機(jī)采用超硬質(zhì)刀具切割和選擇性粘接的方法制作成形件。澳大利亞的Swinburn工業(yè)大學(xué)開發(fā)了用于LOM工藝的金屬2塑料復(fù)合材料。3.3 選擇性激光燒結(jié)DTM公司推出了系列Sinterstation成形及多種成形材料，其中Somos材料具有橡膠特性，耐熱、抗化學(xué)腐蝕，用該材料制造出了汽車上的蛇形管、密封墊等柔性零件。EOS公司研制了PA3200GF尼龍粉末材料，用其制作的零件具有較高的精度和表面光潔度。3.4 熔融沉積制造Stratasys公司推出FDM系列成形機(jī)，可使用兩個噴頭同時(shí)造形，制作速度快。1999年推出使用熱塑性塑料的Genisys成形，并開發(fā)出水溶性支撐材料，解決了復(fù)

8、雜及小型孔洞中的支撐材料難以去除的問題。3.5 三維打印美國的Z Corp與日本的Riken Institute于2000年研制出基于噴墨打印技術(shù)的、能制作出彩色原型件的RP設(shè)備。該系統(tǒng)采用4種不同的顏色能產(chǎn)生8種不同的色調(diào)，原型件可表現(xiàn)出三維空間內(nèi)的熱應(yīng)力分布情況，切割開原型，即可發(fā)現(xiàn)原型內(nèi)的溫度和應(yīng)力變化情況，這對于原型的有限元分析尤其實(shí)用。荷蘭的TNO和德國的BMT也在研究RP彩色制造技術(shù)。美國Sanders Prototype Inc的基于熱熔金屬噴射技術(shù)的Pattern Master是制作速度最快的RP設(shè)備之一。制作范圍為300mm×150mm×220mm，用戶可

9、實(shí)時(shí)制作原型、驗(yàn)證設(shè)計(jì)，隨后即可得到成形件。成形件的表面精度為0.08mm0.16mm。德國的Generis Generative Systeme于2001年推出基于噴墨打印的設(shè)備，先在每層沙(或蠟)上噴射粘接劑(平鋪)，再選擇性噴射反應(yīng)物，該設(shè)備的制作速度比其它選擇性激光燒結(jié)設(shè)備快10倍以上。設(shè)備制作零件的范圍為1.5m×0.75m×0.75m，制作速度為0.008m3/h。以色列的Object Geometries 公司2000年底推出3維打印機(jī)系列的RP設(shè)備2Quadra建造零件尺寸為270mm×320mm×200mm。Quadra用了1536個噴

10、頭選擇性沉積樹脂，安裝在噴頭前后的紫外燈固化噴射出的液態(tài)樹脂。3.6 其它RP技術(shù)美國Michigan 的Precision Optical Manufacturing(POM)公司正在研制直接金屬成形(Direct Metal Deposition：DMD)技術(shù)，用激光融化金屬粉末，能一次制作出質(zhì)地均勻、強(qiáng)度高的金屬零件。由美國國家航空航天局(NASA)資助而開發(fā)的精密RP設(shè)備可用來加工航空、醫(yī)療等領(lǐng)域用的精密零件，制造尺寸范圍為450mm×300mm×300mm，零件的微細(xì)特征可小于12m，表面精度小于1m，售價(jià)為150000美元左右。德國的研究機(jī)構(gòu)則利用SL與真空注塑

11、相結(jié)合制造微陶瓷零件，精度為0.1mm。Oxford大學(xué)和Ford Motor公司正研制通過在低成本的陶瓷模具上噴射熔融的合金鋼而制作大型零件的RP設(shè)備，F(xiàn)ord公司宣稱該新型噴射成形工藝將縮短產(chǎn)品研發(fā)的工序(從12個工序到5個工序)和時(shí)間(從1525周到35周)。3.7 RP軟件RP軟件主要具備CAD模型數(shù)據(jù)處理及成形機(jī)控制功能，它對成形零件的精度、系統(tǒng)的性能等方面都有很大影響。幾乎每一套商用RP系統(tǒng)都有自己的RP軟件。因此，市場上的RP軟件多種多樣。表1中列出了功能較強(qiáng)、較為常用的幾種RP軟件。但目前RP軟件系統(tǒng)還存在以下問題：(1)RP軟件無標(biāo)準(zhǔn)化。絕大多數(shù)的RP系統(tǒng)開發(fā)商都開發(fā)與自己的

12、RP系統(tǒng)相匹配的軟件系統(tǒng)，市場上RP軟件互不兼容，不同RP系統(tǒng)間相互交換數(shù)據(jù)非常困難。(2)RP軟件二次開發(fā)難。目前的RP軟件都隨機(jī)安裝，用戶無法按照自己的具體要求進(jìn)行二次開發(fā)。(3)價(jià)格昂貴，功能單一。RP軟件的專業(yè)開發(fā)商提供的RP軟件價(jià)格都十分昂貴，多在1萬美元左右，而且僅限于數(shù)據(jù)處理模塊，大多只具備模型顯示、加支撐、切片、糾錯等基本功能，后續(xù)的成形機(jī)控制模塊則需用戶自行解決。4、國內(nèi)RP技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)有多所高校自20世紀(jì)90年代初開始進(jìn)行RP技術(shù)的研究開發(fā)。清華大學(xué)主要研究RP方面的現(xiàn)代成型學(xué)理論、SSM(Slicing Solid Manufacturing)、FDM工藝，并開展了

13、基于SL工藝的金屬模具的研究;華中科技大學(xué)研究LOM工藝，推出了HRP系列成形機(jī)和成形材料;西安交通大學(xué)開發(fā)出LPS和CPS系列的光固化成形系統(tǒng)及相應(yīng)樹脂，CPS系統(tǒng)采用紫外燈為光源，成形精度0.2mm。但RP技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用還不十分廣泛，目前僅限于大型企業(yè)和少部分科研院所。國內(nèi)已成立多家RP服務(wù)中心，開始應(yīng)用RP技術(shù)開發(fā)新產(chǎn)品。香港較內(nèi)地RP技術(shù)起步較早，香港生產(chǎn)力促進(jìn)局和香港科技大學(xué)、香港理工大學(xué)、香港城市大學(xué)等都擁有RP設(shè)備，但其重點(diǎn)是RP技術(shù)應(yīng)用與推廣而不是研制RP設(shè)備。臺灣大學(xué)擁有LOM設(shè)備，臺灣各單位及軍方安裝多臺進(jìn)口SL系列設(shè)備。目前國內(nèi)在RP技術(shù)的研究應(yīng)用上存在著研究隊(duì)伍比較薄

14、弱，資金投入有限，應(yīng)用普及范圍不夠，沒有統(tǒng)一協(xié)調(diào)的管理機(jī)制等缺陷。5、快速成形技術(shù)的發(fā)展趨勢長期以來，不斷有一些學(xué)者和專家對RP的發(fā)展持觀望和懷疑態(tài)度，尤其是在1998年受全球經(jīng)濟(jì)的不景氣所影響，RP工業(yè)出現(xiàn)緩慢增長甚至某些方面為負(fù)增長。對此，Terry Wohlers在其著述的2000年度全球快速成形及快速模具制造工業(yè)進(jìn)展報(bào)告中指出，RP工業(yè)將會在未來幾年發(fā)生巨大的變化，主要體現(xiàn)在新技術(shù)、新工藝及信息網(wǎng)絡(luò)化等方面。5.1 開發(fā)概念模型機(jī)或臺式機(jī)目前，RP技術(shù)向兩個方向發(fā)展：工業(yè)化大型系統(tǒng)，用于制造高精度、高性能零件;自動化的桌面小型系統(tǒng)，此類系統(tǒng)稱為概念模型機(jī)或臺式機(jī)，主要用于制造概念原型。

15、發(fā)達(dá)國家許多科研機(jī)構(gòu)(如IBM公司)及教育單位(中等職業(yè)學(xué)校甚至中小學(xué))已經(jīng)開始購買此種小型RP設(shè)備，并極有可能進(jìn)入家庭。美國通用汽車公司也計(jì)劃為其每位工程師配備一臺此類設(shè)備。采用桌面RP系統(tǒng)制造的概念原型，可用于展示產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整體概念、立體形態(tài)布局安排，進(jìn)行產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的宣傳，作為產(chǎn)品的展示模型、投標(biāo)模型等使用。5.2 開發(fā)新的成形能源SL、LOM、SLS等快速成形技術(shù)大多以激光作為能源，而激光系統(tǒng)(包括激光器、冷卻器、電源和外光路)的價(jià)格及維護(hù)費(fèi)用昂貴，致使成形件的成本較高，于是許多RP研究集中于新成形能源的開發(fā)。目前已有采用半導(dǎo)體激光器、紫外燈等低廉能源代替昂貴激光器的RP系統(tǒng)，也有相當(dāng)

16、多的系統(tǒng)不采用激光器而通過加熱成形材料堆積出成形件。5.3 開發(fā)性能優(yōu)越的成形材料RP技術(shù)的進(jìn)步依賴于新型快速成形材料的開發(fā)和新設(shè)備的研制。發(fā)展全新的RP材料，特別是復(fù)合材料，如納米材料、非均質(zhì)材料、其它傳統(tǒng)方法難以制作的復(fù)合材料已是當(dāng)前RP成形材料研究的熱點(diǎn)。目前國外RP技術(shù)的研究重點(diǎn)是RP成形材料的研究開發(fā)及其應(yīng)用，美國許多大學(xué)里進(jìn)行RP技術(shù)研究的科技人員多數(shù)來自材料和化工專業(yè)。5.4 研究新的成形方法與工藝在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，拓寬RP技術(shù)的應(yīng)用，開展新的成形技術(shù)的探索。新的成形方法層出不窮，如三維微結(jié)構(gòu)制造、生物活性組織的工程化制造、激光三維內(nèi)割技術(shù)、層片曝光方式等。對于RP微型制造的研究主要集中于：RP微成形機(jī)理與方法、RP系統(tǒng)的精度控制、激光光斑尺寸的控制以及材料的成形特性等方面。目前制作的微零件僅是概念模型，并不能稱之為功能零件，更談不上微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)。要達(dá)到MEMS還需克服很多的問題，如：隨著尺寸的減小，表面積與體積之比相對增大，表面力學(xué)、表面物理效應(yīng)將起主導(dǎo)作用;微摩