快速成形工藝應(yīng)用前景看好

1、早在二十年前，首次以材料堆積成形的快速成形工藝投放市場(chǎng)時(shí)，這種快速成形工藝的應(yīng)用前景已非常被看好了。當(dāng)時(shí)，這種工藝幾乎都屬于立體印刷成形，而且差不多只是應(yīng)用于設(shè)計(jì)領(lǐng)域和原型制造。因此，快速成形（Rapid Prototyping，也稱(chēng)快速原型制造）這一概念很快便被確定作為工作原理是從材料逐層疊加到形成三維實(shí)體的所有制造工藝的綜合名稱(chēng)。 隨著時(shí)間的推移，快速成形工藝已發(fā)展成多種高效制造技術(shù)，因此，在某種程度上可以說(shuō)，借助于計(jì)算機(jī)直接制造成形模（是指那些通過(guò)材料彈性變形實(shí)現(xiàn)零件成形加工的模具譯注）的這一技術(shù)，同樣也可以用來(lái)制造諸如塑料或金屬材質(zhì)的單個(gè)復(fù)雜零件或小批量零件。因?yàn)檫@沒(méi)有原型制造，所以可

2、以稱(chēng)之為快速模具制造（Rapid Tooling）和快速制造。在德國(guó)舉行的“快速制造”學(xué)術(shù)討論會(huì)上，慕尼黑工業(yè)大學(xué)機(jī)床和企業(yè)管理研究所所長(zhǎng)Michael Z奾教授就給與對(duì)個(gè)別概念（術(shù)語(yǔ)）以太多的重視提出了告誡，因?yàn)樵谛纬僧a(chǎn)品的過(guò)程鏈范圍內(nèi)，其工藝方法也許是重疊的。在這次會(huì)議上他還是持這樣的觀點(diǎn)，同時(shí)提醒大家，快速制造并不意味著必須無(wú)條件采用逐層疊加的工藝方法：“其實(shí)銑削也可以實(shí)現(xiàn)快速制造。” 盡管銑削工藝也是快速制造工藝中的一部分。然而，對(duì)于快速制造技術(shù)來(lái)說(shuō)，幾乎仍是以分層工藝過(guò)程為基礎(chǔ)的成形工藝占主導(dǎo)地位。在這里，生產(chǎn)工藝的起點(diǎn)始終是CAD三維實(shí)體模型，接著以STL格式文件（在這里是通過(guò)表面

3、的三角處理所形成的幾何信息）傳送到機(jī)床。與此同時(shí)，STL幾何模型切成厚度相等的薄層，在設(shè)備進(jìn)行制造的過(guò)程中，這些薄層切片被制成物理實(shí)體。薄片的厚度以及由薄片所制成的構(gòu)件的精度既同工藝方法本身有關(guān)，也同所采用的材料（例如材料的顆粒大?。┯嘘P(guān)。影響尺寸精度的其他因素是形狀的熱變化，例如在通過(guò)激光或電子束進(jìn)行直接和間接燒結(jié)時(shí)，熱量會(huì)影響到構(gòu)件的形狀變化。人們利用精湛的仿真方法對(duì)燒結(jié)過(guò)程進(jìn)行深入研究，機(jī)床研究所的Gerhard Strar先生曾對(duì)這種仿真進(jìn)行過(guò)研究。此外，Augsburg的研究所還采用了有限元方法（FEM），以便能在試驗(yàn)所獲得的過(guò)程參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用Ansys軟件分析來(lái)說(shuō)明在每一個(gè)燒結(jié)

4、階段構(gòu)件的特性。另一個(gè)問(wèn)題是，在堆積成形金屬物體時(shí)大多數(shù)所采用的是不均勻的粉末金屬材料，常常缺少對(duì)每種成分?jǐn)?shù)量百分比的說(shuō)明。目前可以利用反應(yīng)動(dòng)力學(xué)材料模塊以擴(kuò)大有限元方法的應(yīng)用范圍，進(jìn)行膨脹測(cè)量和熱解重量測(cè)量（即采用膨脹測(cè)量?jī)x和熱解重量分析儀），以便用數(shù)字計(jì)算的方式來(lái)描述材料的技術(shù)結(jié)構(gòu)。這樣，就有可能在制造過(guò)程開(kāi)始之前，既可確定構(gòu)件的變化情況，也可以確定構(gòu)件在結(jié)構(gòu)上是否接近失靈，而不需詳細(xì)掌握所采用的粉末系統(tǒng)的每一種成分的情況。 注塑模制造可從中得到好處 目前，在生產(chǎn)實(shí)踐中情況如何呢？雖然快速制造技術(shù)早就有能力應(yīng)用于批量生產(chǎn)，然而大部分的應(yīng)用仍然集中在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、批量試生產(chǎn)或在模具制造等領(lǐng)域。就

5、模具制造來(lái)說(shuō)，對(duì)于注塑和對(duì)于許多金屬的壓鑄工藝，快速制造起到了重要作用。然而，對(duì)于通過(guò)材料彈性變形的成形技術(shù)領(lǐng)域除了來(lái)源于日本的疊層實(shí)體制造技術(shù)（LOM）以外只是起次要的作用。對(duì)于快速制造技術(shù)的重要價(jià)值在于：構(gòu)件的成本取決于其體積，而與構(gòu)件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度無(wú)關(guān)。這給注塑模制造提供了新的可能性。因?yàn)椋谧⑺苣Ｉ?，現(xiàn)在可以對(duì)特別貼近的輪廓進(jìn)行冷卻，注塑時(shí)，在較理想的情況下工作循環(huán)時(shí)間由此可以縮短三分之二。此外，利用貼近輪廓的冷卻通道可以更好地來(lái)調(diào)節(jié)工藝過(guò)程。激光加工中心（LBC）有限公司的Ralph Mayer先生在Augsburg的學(xué)術(shù)研討會(huì)上，展示了在EOS成形機(jī)上由激光燒結(jié)的（在LBC公司里，

6、人們更喜歡用激光成形這一名稱(chēng)）材質(zhì)為1.2709（系鋼材：X3NiCrMoTi18.9.5譯注）材料編號(hào)的模芯和冷卻型芯以及冷卻系統(tǒng)，這樣的構(gòu)件用傳統(tǒng)的方法肯定是無(wú)法制造出來(lái)的。在Kornwestheim的銷(xiāo)售服務(wù)人員從激光成形工藝中也看出要比傳統(tǒng)制造工藝具有明顯的時(shí)間和成本上的優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)實(shí)例是由LBC公司幾乎可以說(shuō)是在“一次裝夾下”用激光成形的12個(gè)設(shè)有冷卻通道的模芯。其中8個(gè)模芯由客戶(hù)將其裝到他們的注塑模里，其余4個(gè)作為備件。Ralph Mayer先生說(shuō)：“對(duì)于這種模芯，由于是一起制造成形的，客戶(hù)可以節(jié)省幾個(gè)星期的時(shí)間?！贝送?，按常規(guī)來(lái)制造，即使沒(méi)有冷卻通道，成本也許還是會(huì)較高。Mayer

7、先生指出，采用這種工藝方法具有極大的自由度，然而，對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，也需要有一些也許是始終難以實(shí)現(xiàn)的其它設(shè)想。 圖1 優(yōu)化：由位于Kornwestheim的激光加工中心（LBC）有限公司， 在EOS公司的設(shè)備上用激光燒結(jié)成形的這種冷卻嵌件（即指：設(shè)有冷卻通道的模芯譯注）， 有利于公共衛(wèi)生工業(yè)的用戶(hù)顯著縮短注塑零件時(shí)的工作循環(huán)時(shí)間。 同時(shí)，可很好控制其工藝過(guò)程，因此工作更為可靠。激光燒結(jié)工藝的應(yīng)用 在位于Tuttlingen的Hettich離心機(jī)制造公司，設(shè)計(jì)人員們?cè)缫言趶氖逻@方面的準(zhǔn)備工作。在這里，開(kāi)發(fā)了用于Rotolavit型清洗液離心分離機(jī)的清洗液分配器，按照其設(shè)計(jì)只能是采用激光燒結(jié)工藝來(lái)

8、制造。這樣制造生產(chǎn)出的分配器，就能實(shí)現(xiàn)均勻并精確地注滿(mǎn)各個(gè)試管，而這點(diǎn)在以往是無(wú)法做到的。當(dāng)產(chǎn)品變化時(shí)，這種燒結(jié)工藝所產(chǎn)生的費(fèi)用也是比較低的，因而，只需儲(chǔ)存很少量的備件。多年來(lái)，在Tuttlingen的Hettich離心機(jī)制造公司已把激光燒結(jié)的塑料零件裝到離心機(jī)上。后續(xù)加工僅僅是進(jìn)行沖洗和光整加工。典型的生產(chǎn)批量在50和200件之間變動(dòng)。像轉(zhuǎn)速達(dá)3500 r/min轉(zhuǎn)子的旋架就屬于此類(lèi)零件。富有成效的經(jīng)驗(yàn)，促使在5年內(nèi)購(gòu)置了其他的EOS設(shè)備。目前，有兩臺(tái)用于塑料件的激光燒結(jié)設(shè)備，一臺(tái)用于金屬件的激光燒結(jié)設(shè)備。 設(shè)備供應(yīng)廠家EOS公司把Hettich公司稱(chēng)之為參考客戶(hù)這并不奇怪。然而要指出的是在

9、醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域，激光燒結(jié)的構(gòu)件要符合較高的要求。這樣的情況也適用于飛機(jī)制造，在飛機(jī)制造業(yè)有著嚴(yán)格的條件，生產(chǎn)的構(gòu)件數(shù)量也較少，正如EOS公司的工程師Udo Behrendt先生所透露的，在EOS公司內(nèi)正在同波音公司合作進(jìn)行一個(gè)項(xiàng)目。在這個(gè)項(xiàng)目中，要對(duì)六架飛機(jī)進(jìn)行改裝，其中一個(gè)任務(wù)是重新制作駕駛艙的裝飾件，這種塑料件是在EOS公司的設(shè)備上制造的。Behrendt先生列舉了制造假齒冠作為“電子制造（EManufacturing）”的另一個(gè)實(shí)例（EOS公司喜歡用Electronic電子這個(gè)詞的E字來(lái)替代Rapid快速這個(gè)詞），在激光燒結(jié)設(shè)備上每天制造達(dá)500個(gè)齒冠。在測(cè)試階段甚至使用了作為粉末材料的黃

10、金。 在輔件制造中也獲得了較好的應(yīng)用 令人振奮的是，在此次學(xué)術(shù)研討會(huì)上還聽(tīng)到了有關(guān)安裝熔融沉積成形工藝（FDM）設(shè)備數(shù)量的情況，這種工藝方法在全球得到了廣泛的推廣。FDM工藝是不使用激光的，在這里是用熱塑性料絲（不同強(qiáng)度等級(jí)的ABS工程塑料，聚碳酸酯）通過(guò)一個(gè)噴頭來(lái)實(shí)現(xiàn)成形。美國(guó)的Stratasys公司在全球因已安裝7013臺(tái)設(shè)備（2006年，數(shù)據(jù)來(lái)源：Wohlers咨詢(xún)公司）而成為全球最大的FDM設(shè)備的供應(yīng)廠家，同時(shí)，該公司也是快速制造系統(tǒng)的供應(yīng)廠家。駐地在Schorndorf的Alphacam公司是代銷(xiāo)Stratasys公司FDM設(shè)備的一家公司，該公司的Norbert Boidol先生指出

11、，通過(guò)FDM也可以很好地制造復(fù)雜的零件。在Alphacam公司的客戶(hù)中，Loewe公司是通過(guò)“直接數(shù)字制造（Direct Digital Manufacturing）”來(lái)疊層制造電視機(jī)的功能樣件和復(fù)雜幾何形狀的樣件。還有引人注目的是這一工藝在德國(guó)寶馬（BMW）汽車(chē)廠的應(yīng)用?，F(xiàn)在，在寶馬汽車(chē)廠，應(yīng)用FDM成形工藝在輔件制造中已積累了很好的經(jīng)驗(yàn)。其中，他們目前的FDM工藝采用一種可以同尼龍6相比較的材質(zhì)，制造了供裝配汽車(chē)尾部上車(chē)型字標(biāo)用的裝置。此外，例如制造了作為樣板、用來(lái)校整汽車(chē)行李艙蓋的檢驗(yàn)工具，目前也在寶馬汽車(chē)廠使用。 圖2 比較經(jīng)濟(jì)：Hettich公司Rotomat結(jié)構(gòu)系列離心機(jī)上的這個(gè)構(gòu)

12、件是在Eosint P 380 （系EOS公司的塑料激光燒結(jié)系統(tǒng)）設(shè)備上制成的。開(kāi)發(fā)這種新的結(jié)構(gòu)系列的目的 是能在一臺(tái)設(shè)備上對(duì)血液成分進(jìn)行沉積和分離。每臺(tái)離心機(jī)總共需要6個(gè)箱盒。 這種箱盒由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以采用激光燒結(jié)的方法來(lái)制造。由材料分層堆積制成的電極對(duì)模芯進(jìn)行電火花成形加工 如果優(yōu)質(zhì)合金鋼的模芯和其他構(gòu)件可以通過(guò)快速制造工藝來(lái)制造，那么還有必要用銑削工藝來(lái)制造這些構(gòu)件嗎？駐地在上巴伐利亞州Parsberg的Fruth創(chuàng)新技術(shù)公司（FIT公司）的人們就有著這種類(lèi)似的看法，并且在從事這方面的工作。FIT的子公司Diecorps最重要的工藝技術(shù)是稱(chēng)之為EDGE（即用材料分層堆積制成的電極進(jìn)行電

13、火花成形加工 譯注）的技術(shù)。最引人注目的是：在一臺(tái)采用特殊工作液的電火花加工機(jī)床上，構(gòu)件獲得由電極賦予的結(jié)構(gòu)。電極本身則是由激光燒結(jié)成形的。Diecorps公司認(rèn)為，通過(guò)采用材料分層堆積制成的電極進(jìn)行電火花加工（EDGE）而成的模芯和類(lèi)似的其他零件，與直接用激光燒結(jié)成形的這些構(gòu)件相比，其優(yōu)點(diǎn)在于構(gòu)件粗糙度很小，具有非常光滑的表面。然而，由于工藝方法上的原因，采用EDGE是不可能再現(xiàn)工件的內(nèi)部構(gòu)造的（這句話(huà)是與采用材料分層堆積直接成形工藝進(jìn)行比較而說(shuō)的，因?yàn)椴牧戏謱佣逊e成形工藝是不受構(gòu)件形狀復(fù)雜程度的限制 譯注）。Diecorps公司是直接利用由客戶(hù)提供的CAD模型來(lái)進(jìn)行工作。在Diecorps公司里（半自動(dòng)）制作的電極，不僅可加工各種不同的工具鋼構(gòu)件，而且還可加工鈷鉻合金、優(yōu)質(zhì)鋼或鈦合金構(gòu)件。Fruth公司認(rèn)為，與傳統(tǒng)工藝相比，采用新工藝在時(shí)間上可節(jié)省80%,制造模芯的成本可節(jié)省30%。 結(jié)論 此次的快速制造學(xué)術(shù)研討會(huì)通過(guò)九個(gè)場(chǎng)次的報(bào)告再次為業(yè)界提供