快速成型技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

1、快速成型技術(shù)的現(xiàn)狀和開展趨勢(shì)1快速成型技術(shù)的根本成型原理近十幾年來(lái)，隨著全球市場(chǎng)一體化的形成，制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)十分劇烈。尤其是 電腦技術(shù)的迅速普遍和CAD/CAMfe術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得快速成型技術(shù) (Rapid Prototyping簡(jiǎn)稱RP)得到了異乎尋常的高速開展，表現(xiàn)出很強(qiáng)的生命力和廣闊 的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的加工技術(shù)是采用去材料的加工方式，在毛坯上把多余的材料去除，得到我們想要的產(chǎn)品。而快速成型技術(shù)根本原理是：借助電腦或三維掃描系統(tǒng)構(gòu)建 目標(biāo)零件的三維數(shù)字化模型，之后將該信息傳輸?shù)诫娔X控制的機(jī)電控制系統(tǒng)，電 腦將模型按一定厚度進(jìn)行“切片處理，即將零件的3D數(shù)據(jù)信息離散成一系列 2D輪廓信息，通

2、過(guò)逐點(diǎn)逐面的增材制造方法將材料逐層堆積，獲得實(shí)體零件，最 后進(jìn)行必要的少量加工和熱處理，使零件性能、尺寸等滿足設(shè)計(jì)要求。它集機(jī) 械工程、CAD逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、激光技術(shù) 于一身，可以自動(dòng)、直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑?或直接制造零件，從而為零件原型制作、新設(shè)計(jì)思想的校驗(yàn)等方面提供了一種高 效低本錢的實(shí)現(xiàn)手段。目前，快速成形的工藝方法已有幾十種之多，大致可分為7大類，包括立體印刷、疊層實(shí)體制造、選擇性激光燒結(jié)、熔融沉積成型、三維焊接、三維打印、圖1快速成型原理示意圖2快速成型技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用不斷提高RP技術(shù)的應(yīng)用水平是推動(dòng)RP技術(shù)開展的

3、重要方面。目前，西安交 通大學(xué)機(jī)械學(xué)院，快速成型國(guó)家工程研究中心，教育部快速成型工程研究中心快速成型技術(shù)已在工業(yè)造型、機(jī)械制造、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕 工、醫(yī)學(xué)、考古、文化藝術(shù)、雕刻、首飾等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。并且隨著這 一技術(shù)本身的開展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣?。RP技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面：2.1用于新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與試制。1CAID應(yīng)用：工業(yè)設(shè)計(jì)師在短時(shí)間內(nèi)得到精確的原型與業(yè)者作造形研討。2機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用：進(jìn)行干預(yù)驗(yàn)證，及提早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤以減少后面模具 修改工作。3CAE成效：快速模具技術(shù)以功能性材料制作功能性模具，以進(jìn)行產(chǎn)品功 能性測(cè)試與研討。4視覺(jué)效果：設(shè)計(jì)人員能在

4、短時(shí)間之內(nèi)便能看到設(shè)計(jì)的雛型，可作為進(jìn) 一步研發(fā)的基石。5設(shè)計(jì)確認(rèn):可在短時(shí)間內(nèi)即可完成原型的制作， 使設(shè)計(jì)人員有充分的時(shí) 間對(duì)于設(shè)計(jì)的產(chǎn)品做詳細(xì)的檢證。6復(fù)制于最正確化設(shè)計(jì)：可一次制作多個(gè)元件，可使每個(gè)元件針對(duì)不同 的設(shè)計(jì)要求同時(shí)進(jìn)行測(cè)試的工作，以在最短時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)的最正確化。7直接生產(chǎn)：直接生產(chǎn)小型工具，或作為翻模工具2.2 快速制模及快速鑄造快速模具制造傳統(tǒng)的模具生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)， 本錢高。將快速成型技術(shù)與傳統(tǒng)的模 具制造技術(shù)相結(jié)合，可以大大縮短模具制造的開發(fā)周期， 提高生產(chǎn)率，是解決模 具設(shè)計(jì)與制造薄弱環(huán)節(jié)的有效途徑?？焖俪尚渭夹g(shù)在模具制造方面的應(yīng)用可分為 直接制模和間接制模兩種，直接制模

5、是指采用 RP技術(shù)直接堆積制造出模具，間 接制模是先制出快速成型零件，再由零件復(fù)制得到所需要的模具2.3 機(jī)械制造由于RP技術(shù)自身的特點(diǎn)，使得其在機(jī)械制造領(lǐng)域內(nèi)，獲得廣泛的應(yīng)用，多 用于制造單件、小批量金屬零件的制造。有些特殊復(fù)雜制件，由于只需單件生產(chǎn)， 或少于50件的小批量，一般均可用 RP技術(shù)直接進(jìn)行成型，本錢低，周期短。2.4 醫(yī)療中的快速成形技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用近幾年來(lái)，人們對(duì) RP技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究較多。 以醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)為根底，利用 RP技術(shù)制作人體器官模型，對(duì)外科手術(shù)有極大的 應(yīng)用價(jià)值。2.5 三維復(fù)制快速成形制造技術(shù)多用于藝術(shù)創(chuàng)作、文物復(fù)制、數(shù)字雕塑等。2.6 航空航天技術(shù)

6、領(lǐng)域航空航天產(chǎn)品具有形狀復(fù)雜、批量小、零件規(guī)格差異大、可靠性要求高等特 點(diǎn)，產(chǎn)品的定型是一個(gè)復(fù)雜而精密的過(guò)程，往往需要屢次的設(shè)計(jì)、測(cè)試和改進(jìn)， 耗資大、耗時(shí)長(zhǎng)，而快速成型技術(shù)以其靈活多樣的工藝方法和技術(shù)優(yōu)勢(shì)而在現(xiàn)代 航空航天產(chǎn)品的研制與開發(fā)中具有獨(dú)特的應(yīng)用前景。2.7 家電行業(yè)快速成形系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的家電行業(yè)上得到了很大程度的普及與應(yīng)用，使許多家電企業(yè)走在了國(guó)內(nèi)前列。 口：廣東的美的、華寶、科龍；江蘇的春蘭、小天鵝； 青島的海爾等，都先后采用快速成形系統(tǒng)來(lái)開發(fā)新產(chǎn)品，收到了很好的效果?？焖俪尚渭夹g(shù)的應(yīng)用很廣泛，可以相信，隨著快速成形制造技術(shù)的不斷成熟和完善， 它將會(huì)在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到推廣和應(yīng)用。

7、3舉例說(shuō)明快速成型技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的開展探究快速成型技術(shù)中的3D打印技術(shù)是一種新型的增材制造，是全球制造領(lǐng)域興 起的一種制造技術(shù)，集合了光控、數(shù)控和新材料的應(yīng)用。在航空制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)能夠在復(fù)雜部件生產(chǎn)制造上發(fā)揮重要的作用，能夠創(chuàng)新材料類型，將新 技術(shù)與新方法有機(jī)融合，形成適合航空產(chǎn)業(yè)開展的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品創(chuàng)新。3.1 3D打印技術(shù)的開展在全球范圍內(nèi)，美國(guó)是推動(dòng)3D打印技術(shù)快速開展的先鋒，勇于嘗試3D打印 技術(shù)在新領(lǐng)域的開展，例如在電子產(chǎn)品、軍事、汽車工業(yè)上開始使用3D打印技術(shù)。隨著優(yōu)勢(shì)不斷表達(dá)，3D打印技術(shù)逐漸開始應(yīng)用在地理信息、藝術(shù)設(shè)計(jì)、航 空航天、醫(yī)療等各領(lǐng)域。在一些歐美國(guó)家，3D

8、打印技術(shù)已經(jīng)形成了初步的商業(yè)運(yùn)行模式，美國(guó)將3D打印技術(shù)應(yīng)用在軍事領(lǐng)域和航空航天制造領(lǐng)域取得了良好 效果，日本佳能是全球第一家將 3D打印技術(shù)應(yīng)用在民用領(lǐng)域的企業(yè)，它將 3D 打印技術(shù)應(yīng)用在單反相機(jī)的殼體制造上， 將美鋁合金制造成曲線面，形成相機(jī)的 頂蓋。我國(guó)的航空工業(yè)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的開展時(shí)期， 在航空技術(shù)出現(xiàn)后，我國(guó)并沒(méi)有 占據(jù)更多優(yōu)勢(shì)，特別在航空制造方面，我國(guó)一直落后于西方國(guó)家，但近年來(lái)，隨 著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，航空制造技術(shù)領(lǐng)域得到了全新的升級(jí)，3D打印技術(shù)應(yīng)用在航空制造上取得了一定成效，目前我國(guó)的 3D打印技術(shù)應(yīng)用水平領(lǐng)先世 界前沿，例如3D打印技術(shù)的凈成型加工技術(shù)，能夠在航空制造過(guò)程

9、中發(fā)揮優(yōu)勢(shì) 作用。3.2 3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)13D打印技術(shù)通過(guò)金屬熔融疊加塑形。從金屬制造和加工的技術(shù)考慮， 3D打印技術(shù)的主要原理就是通過(guò)數(shù)字化處理系統(tǒng)，利用數(shù)字化模型進(jìn)行空間網(wǎng) 格化設(shè)計(jì)，通過(guò)各個(gè)空間點(diǎn)陣，利用金屬微量熔融和燒結(jié)技術(shù)， 將零件一層層堆 積成型。在航空制造業(yè)中，3D打印技術(shù)能夠增加零件的韌度，高分子的操作使 金屬成型更快速，更符合航空材料的需求。23D打印技術(shù)可以使用鈦合金等高強(qiáng)度材料。3D打印技術(shù)使用的材料主 要集中在鈦合金、鋁鋰合金等高強(qiáng)度材料上，生產(chǎn)過(guò)程中運(yùn)用光學(xué)原理，打破材 料本質(zhì)的特性，使熔融金屬絲沉淀，能滿足航空部件化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的要求。33D打印技術(shù)結(jié)合了電子光學(xué)

10、效應(yīng)。該技術(shù)特別是對(duì)復(fù)雜腔體、扭轉(zhuǎn)體 或者薄壁腔體，成型效果優(yōu)勢(shì)明顯。另外，大功率激光器是3D打印技術(shù)中使用的主要設(shè)備，激光數(shù)字成型技術(shù)與電子束相似，但是，比電子束更具實(shí)際操作力， 在掃描點(diǎn)陣精度上更高，并且能夠減少材料的損耗。3.3 在航空領(lǐng)域的應(yīng)用開展1對(duì)產(chǎn)品外形進(jìn)行驗(yàn)證隨著航空工業(yè)的開展，飛機(jī)的內(nèi)部設(shè)計(jì)和外部形態(tài)，都要更加符合飛行的要 求。傳統(tǒng)的工藝是大型設(shè)備或者小的零部件單獨(dú)制造，而且在制造過(guò)程中，產(chǎn)生 了結(jié)構(gòu)、角度和材料的浪費(fèi)。3D打印技術(shù)運(yùn)用數(shù)字化系統(tǒng)，通過(guò)高柔性操作， 將材料進(jìn)行重新組合，突出產(chǎn)品的外形構(gòu)造，能夠有效躲避這樣的矛盾。3D打印技術(shù)就是無(wú)需模具自由成形，在實(shí)際應(yīng)用中，

11、有利于制造出外形奇特的工業(yè)產(chǎn) 品，例如在盤型零件的制造中，材料利用率能夠到達(dá)80%這個(gè)鍛造能力高于傳統(tǒng)的工藝，如表1所示。表1 LSF技術(shù)與鍛造和鑄造技術(shù)的綜合比擬成寵工藝鑄造封斜利用率<U(1/5|設(shè)計(jì)耀改肘間1-2天6個(gè)月3個(gè)月加工循環(huán)周期1-2天4個(gè)月6-12個(gè)月?lián)p耗氛氣模具鑄型鑄模澆英系統(tǒng)低低費(fèi)用低高中2直接參與產(chǎn)品制造由于3D打印出的工件在強(qiáng)度、承載力和其他指標(biāo)上都能滿足航空零件需要， 因此，3D打印技術(shù)具備直接參與產(chǎn)品制造的能力。從當(dāng)前 3D打印技術(shù)在航空領(lǐng) 域的應(yīng)用來(lái)看，3D打印的零件在軍用飛機(jī)的研發(fā)和生產(chǎn)中得到了重要應(yīng)用。無(wú) 論是美國(guó)已經(jīng)服役的F22和正在研發(fā)的F35,還

12、是中國(guó)研發(fā)的殲20和殲31,機(jī) 體中都含有大量的3D打印材料。3D打印技術(shù)作為一種新的材料制造技術(shù)，已經(jīng) 具備了直接參與產(chǎn)品制造的能力，并且打印出的零部件在整體性能和指標(biāo)上都能 滿足實(shí)際需要。3制造出陶瓷基符合材料激光燒結(jié)不僅可以制造目前難以制造的金屬基復(fù)合材料，還能制造難度更大的陶瓷基復(fù)合材料，陶瓷材料一向強(qiáng)度高，耐高溫，但是材質(zhì)脆，彈性差，抗拉 強(qiáng)抗剪弱，利用纖維增強(qiáng)陶瓷可以最大程度地把陶瓷的高強(qiáng)度耐高溫的特性發(fā)揮 出來(lái)又能防止彈性差、抗剪切差的易碎易裂的缺陷，是未來(lái)高溫材料領(lǐng)域和航空 發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域非常具有前瞻性的技術(shù)之一，它是構(gòu)建推重比超過(guò)100的發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)之一，是飛機(jī)實(shí)現(xiàn) 4馬

13、赫以上巡航速度的根底之一。4為航空制造提供更多的復(fù)合材料從上個(gè)世紀(jì)60年代起就有人想利用陶瓷作為耐高溫的渦輪、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸、 活塞等設(shè)備，但這種材料極難熔煉和成形，利用激光燒結(jié)陶瓷粉末可以獲得各種 陶瓷零件，比方普惠與 POM嘗試用激光打印直接制造陶瓷的渦輪葉片，甚至嘗 試一次性直接打印出整級(jí)的帶環(huán)帶冠的陶瓷渦輪來(lái)。美國(guó)GE那么利用納米粉末進(jìn)行陶瓷粉末和金屬粉末混合進(jìn)行激光燒結(jié)，嘗試用來(lái)制造非冷卻或低冷卻的渦輪 葉片，這一技術(shù)有利于制造推重比 2050的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。結(jié)合粉末冶金， 3D打印可以在激光燒結(jié)中進(jìn)行一定的材料復(fù)合，這為目前停止不前的金屬基復(fù) 合材料開展提供了強(qiáng)心針，在激光打印前鋪粉

14、時(shí)，鋪設(shè)纖維在粉層中，可以直接 燒結(jié)出單向纖維增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料， 這可以極大地提高材料的強(qiáng)度，應(yīng)用金 屬基復(fù)合材料，可以在現(xiàn)有金屬構(gòu)件的強(qiáng)度根底上將結(jié)構(gòu)重量降低3050%。4快速成型技術(shù)的難題和開展方向任何新技術(shù)、新方法都有本身的優(yōu)缺點(diǎn)，快速原型制造技術(shù)也不例外，也存在 一些明顯問(wèn)題.因此,目前對(duì)快速原型技術(shù)的研究重點(diǎn)應(yīng)集中在以下四個(gè)方面 ：工藝、方法的改進(jìn)：新的快速制造金屬零件或工具的方法和工藝。新工藝、新方法的出現(xiàn)勢(shì)必對(duì) 未來(lái)的實(shí)際零件制造產(chǎn)生較大影響， 并將迅速成為另一種常規(guī)的生產(chǎn)工藝。 考慮 到我國(guó)的實(shí)際情況，研究、開展快速原型技術(shù)的新工藝、新方法是符合我們國(guó)家 的具體國(guó)情的。雖然

15、從總體上看，由于各種原因，目前國(guó)內(nèi)在快速成型制造簡(jiǎn)寫 RPM技術(shù)的研究水平、RPM應(yīng)用的廣度和深度上,與國(guó)外情況相比差距是很大的. 但是,筆者認(rèn)為：國(guó)內(nèi)應(yīng)把重點(diǎn)放在研制適合我國(guó)國(guó)情的 RP設(shè)備,同時(shí),大力開發(fā) 各種相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)，并注意示范、宣傳推廣工作，使之能在包括制造業(yè)在內(nèi)的各 有關(guān)部門認(rèn)識(shí)、接受并使用.這樣,RPM技術(shù)在國(guó)內(nèi)才會(huì)有廣闊的開展前景。(2) 材料種類的限制：RPM常用的材料有光聚合物(SLA、SGC),塑料(FDM)紙(LOM)及一些低熔點(diǎn) 金屬(或蠟)，這些材料有些機(jī)械性能差，有些價(jià)格昂貴，還有些甚至有毒性.所以， 研究新的造型材料，使它既有利于快速成型，又有利于后繼工序的制作，并把用金 屬直接作為RP原型材料作為RPMK術(shù)的最終(或階段性)目標(biāo)。(3) 零件精度：目前的RPM系統(tǒng)的制造精度大約為？0.1mm精度不夠也在一定程度上限制了 它的使用。導(dǎo)致加工精度不高的原因有許多種，其中系統(tǒng)本身的精度、操作者的 經(jīng)驗(yàn)水平、材料自身的收縮、變形,都對(duì)零件精度有很大影響。除此之