快速制造技術(shù)及其應(yīng)用

一、引言隨著全球市場一體化的形成，制造業(yè)的競爭從過去的單純質(zhì)量競爭，發(fā)展到要求在全生命周期內(nèi)的全方位競爭-T（及時快速）、Q（高質(zhì)量）、C（低成本）、S（優(yōu)質(zhì)售后服務(wù)）缺一不可。產(chǎn)品的開發(fā)制造速度日益成為競爭的主要矛盾，同時制造業(yè)既需要滿足日益變化的用戶需要，又要求制造技術(shù)有較強的靈活性，所以能夠以小批量甚至單件生產(chǎn)而不增加產(chǎn)品成本的制造技術(shù)變得十分關(guān)鍵。目前一頁\總數(shù)六十三頁\編于五點快速制造技術(shù)是一項共性制造技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域廣，其在美國、歐洲、日本已廣泛應(yīng)用于汽車、模具、電子電器、航空航天、造船、醫(yī)療衛(wèi)生等工業(yè)領(lǐng)域，并對這些行業(yè)起到了顯著的推動作用。在快速制造技術(shù)的支持下，國外機電產(chǎn)品已實現(xiàn)“三個三”，即三個星期完成設(shè)計、三個月上市、市場壽命為三年。而我國機電產(chǎn)品的平均開發(fā)周期為12～24個月，大大落后于國外產(chǎn)品，我國必須大力發(fā)展快速制造技術(shù)才能提高國家核心競爭力?？焖僦圃旒夹g(shù)已成為一個爭訂單、搶市場的利器，成為降低產(chǎn)品開發(fā)市場風險的有效手段。目前二頁\總數(shù)六十三頁\編于五點快速制造技術(shù)最明顯的優(yōu)勢是保證質(zhì)量的情況下，成本低、周期短。新產(chǎn)品開發(fā)中的設(shè)計制造問題，可成熟地通過快速制造技術(shù)解決，在縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和節(jié)省大量開發(fā)費用的同時，避免了產(chǎn)品投放市場初期出現(xiàn)質(zhì)量問題而影響新產(chǎn)品聲譽的情況，這就可使企業(yè)集中力量于產(chǎn)品的環(huán)保、節(jié)能和安全等現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計主題研究。有大量應(yīng)用案例表明，快速開發(fā)制造系統(tǒng)技術(shù)將產(chǎn)品開發(fā)周期降為傳統(tǒng)方法的1/5～1/10，開發(fā)費用降為1/3～1/5，它是產(chǎn)品快速開發(fā)的利器。目前三頁\總數(shù)六十三頁\編于五點二、快速制造技術(shù)(RM)（1）RM技術(shù)概念快速制造(RM--RapidManufacturing)是基于離散-堆積成形原理的先進制造技術(shù)的總稱?；径x為：由產(chǎn)品的三維CAD模型數(shù)據(jù)直接驅(qū)動，組裝(堆積)材料單元而制造出任意復(fù)雜且具有使用功能的零件的科學(xué)技術(shù)。（2）RM技術(shù)分類間接快速制造通過RP完成工、模具制造，再采用工、模具進行批量生產(chǎn)直接快速制造通過RM直接完成功能零件目前四頁\總數(shù)六十三頁\編于五點（3）RM技術(shù)主要特點：產(chǎn)品三維CAD設(shè)計是RM的前提；無需任何專用工具，產(chǎn)品的設(shè)計數(shù)據(jù)直接驅(qū)動RM設(shè)備堆積材料而進行成形制造過程；所完成的是具有使用功能的零件；所完成的功能零件的結(jié)構(gòu)與形狀無限制，可以是具有材料梯度、結(jié)構(gòu)梯度和特殊孔隙的復(fù)雜形狀。目前五頁\總數(shù)六十三頁\編于五點三、快速原型技術(shù)快速原型技術(shù)是快速制造大家族中最先產(chǎn)生的制造技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了快速鑄造(RC)、快速模具(RT)和快速生物支架制造等。1.快速成形原理快速成型(RapidPrototyping–RP)技術(shù)是上世紀八十年代后期發(fā)展起來的直接根據(jù)CAD模型快速生產(chǎn)樣件或零件的成套技術(shù)總稱，它集成了CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等現(xiàn)代科技成果，是先進制造技術(shù)的重要組成部分。被認為是近20年來制造領(lǐng)域的一次重大突破。傳統(tǒng)加工切削加工（車、銑、刨、磨）ΔM＜0（材料去除）熱成型加工（鑄造、鍛壓）ΔM＝0（等量材料）快速成形ΔM＞0（材料累加）目前六頁\總數(shù)六十三頁\編于五點2.快速成型工藝過程目前七頁\總數(shù)六十三頁\編于五點3.快速成型技術(shù)的特點直接由CAD數(shù)據(jù)制成三維實體無要傳統(tǒng)的刀具、夾具不受零件結(jié)構(gòu)與形狀復(fù)雜程度的限制高度柔性，高度集成化可進行快速模具制造成本為傳統(tǒng)加工的1/3～1/5周期縮短為1/5～1/10目前八頁\總數(shù)六十三頁\編于五點4.快速成型（RP）已發(fā)展了十幾中工藝方法，其中比較成熟并已商品化的方法主要有：光固法（SL—Stereolithography）疊層法（LOM—LaminatedObjectManufacturing）激光選區(qū)燒結(jié)法（SLS—SelectiveLaserSintering）熔融沉積法（FDM—FusedDepositionModeling）三維印刷法（3DP—ThreeDimensionalPrinting）冰模法（rapidfreezeprototyping）噴粒法（BPM—BallisticParticleManufacturing）掩模固化法（SGC—SolidGroundCuring）目前九頁\總數(shù)六十三頁\編于五點

光固法（SL—Stereolithography）目前十頁\總數(shù)六十三頁\編于五點西安交通大學(xué)SPS系列光固化快速成型機掃描速度：8m/s,制件精度：±0.1mm快速成型（RP）的數(shù)據(jù)處理軟件主要完成STL文件接口輸入、STL文件可視化及編輯、STL文件缺陷修復(fù)、模型分層以及加支撐等五大功能。

設(shè)備控制軟件用以完成設(shè)備的操作和控制，進行成型件的制作。

目前十一頁\總數(shù)六十三頁\編于五點疊層法（LOM—LaminatedObjectManufacturing）目前十二頁\總數(shù)六十三頁\編于五點Z軸激光束激光選區(qū)燒結(jié)法（SLS—SelectiveLaserSintering）刮平輥子掃描鏡零件鋪粉裝置

激光器升降臺透鏡Titaniumalloynozzlemadebyselectivelaserandcapacitordielectrics.119,120sintering(SLS)showingsharpnessofgroovesandsurfacefinish目前十三頁\總數(shù)六十三頁\編于五點熔融沉積法（FDM—FusedDepositionModeling）Z向進給絲材電焊槍成型件Ｘ-Ｙ驅(qū)動目前十四頁\總數(shù)六十三頁\編于五點三維印刷法Schematicdiagramofthree-dimensionalprinting(3DP)method目前十五頁\總數(shù)六十三頁\編于五點冰模法Fabricatedicepatterns目前十六頁\總數(shù)六十三頁\編于五點5.中國RP技術(shù)研究及商業(yè)化概況在RP樣機（87年）商品化6年后，國內(nèi)西安交大(SLA)、清華大學(xué)(FDM)、華中理工大學(xué)(LOM)及相關(guān)研究機構(gòu)（93年）開始RP技術(shù)的研究國內(nèi)各種類型的RP設(shè)備商業(yè)化：西安交大推出了基于SLA工藝的系列機型清華大學(xué)推出了基于FDM工藝的系列機型北京隆源公司推出了基于SLS的系列機型華中理工推出了基于LOM的系列機型中國RP技術(shù)研究包括了RP設(shè)備（激光器、掃描振鏡、控制軟件、支撐軟件等關(guān)鍵技術(shù)）、材料及應(yīng)用領(lǐng)域的諸多方面國內(nèi)市場占用率目前十七頁\總數(shù)六十三頁\編于五點四、基于SL原型快速鑄造技術(shù)（RC）快速鑄造技術(shù)：將快速成型與鑄造工藝的結(jié)合稱為快速鑄造工藝(RC)。在制造業(yè)特別是航空、航天、國防、汽車等重點行業(yè)，其基礎(chǔ)的核心部件一般均為金屬零件，而且相當多的金屬零件是非對稱性的、有不規(guī)則曲面或結(jié)構(gòu)復(fù)雜而內(nèi)部又含有精細結(jié)構(gòu)的零件。這些零件的生產(chǎn)常采用鑄造成型。在鑄造生產(chǎn)中，模板、芯盒、壓蠟型、壓鑄模的制造往往是用機加工的方法來完成的，有時還需要鉗工進行修整，不僅周期長、耗資大，而且從模具設(shè)計到加工制造是一個多環(huán)節(jié)的復(fù)雜過程，稍有失誤就會導(dǎo)致全部返工。特別是對一些形狀復(fù)雜的鑄件，如葉片、葉輪、發(fā)動機缸體、缸蓋等，模具的制造是一個難度更大的問題，即使使用數(shù)控加工中心等昂貴的設(shè)備，在加工技術(shù)與工藝可行性方面仍有很大困難。可以設(shè)想，如果遇到此類零件的試制或小批量生產(chǎn)，其制造周期、成本及風險是相當大的。目前十八頁\總數(shù)六十三頁\編于五點激光快速成型技術(shù)已被證明是解決小批量復(fù)雜零件制造的非常有效的手段，用快速成型方法制出木模、砂模和熔模，原有的鑄造設(shè)備無需改造，工藝變動小。迄今為止，己通過激光快速成型成功地生產(chǎn)了各種金屬材質(zhì)（包括鋁合金、鑄鐵、鎳基高溫合金、不銹鋼等）各種形狀（葉片、發(fā)動機轉(zhuǎn)子、泵體、發(fā)動機缸體、缸蓋等）的鑄造件?？焖勹T造過程無須開模具，因而大大節(jié)省了制造周期和費用。目前十九頁\總數(shù)六十三頁\編于五點激光快速原型和砂型鑄造理想地配合，代替木模，快速和低成本地生產(chǎn)金屬鑄件。SL原型工程應(yīng)用1用于傳統(tǒng)的砂型鑄造砂箱鑄件目前二十頁\總數(shù)六十三頁\編于五點鋁合金鑄件SL芯盒砂芯激光快速原型和砂型鑄造理想地配合，代替芯盒，快速制芯，快速和低成本地生產(chǎn)金屬鑄件。目前二十一頁\總數(shù)六十三頁\編于五點快速砂鑄實例（北航無人機活塞雙缸發(fā)動機）目前二十二頁\總數(shù)六十三頁\編于五點基于SL的快速砂鑄工藝流程目前二十三頁\總數(shù)六十三頁\編于五點定位銷釘定位臺階目前二十四頁\總數(shù)六十三頁\編于五點目前二十五頁\總數(shù)六十三頁\編于五點目前二十六頁\總數(shù)六十三頁\編于五點 工程應(yīng)用2消失法砂型鑄造（保證制造精度）鋁合金鑄件燒蝕及清灰SL原型砂箱造型目前二十七頁\總數(shù)六十三頁\編于五點目前二十八頁\總數(shù)六十三頁\編于五點工程應(yīng)用3蠟型模具的快速制造目前二十九頁\總數(shù)六十三頁\編于五點代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蠟型，保證制造精度，無需開發(fā)金屬模具，節(jié)約生產(chǎn)成本和制造周期。關(guān)鍵技術(shù)：蜂窩結(jié)構(gòu)快速制殼技術(shù)工程應(yīng)用4快速精密鑄造（Rapidinvestmentcasting）目前三十頁\總數(shù)六十三頁\編于五點快速精密鑄造主要工藝流程快速制造“熔模”組樹多次掛漿制殼干燥目前三十一頁\總數(shù)六十三頁\編于五點5.脫蠟（蒸汽脫蠟--電熱一體脫蠟釜）6.焙燒7.金屬液澆注8.后處理快速精密鑄造主要工藝流程目前三十二頁\總數(shù)六十三頁\編于五點實例1基于RC轎車變速箱殼體精密鋁合金鑄件目前三十三頁\總數(shù)六十三頁\編于五點StemoTecGmbH(德國大眾)實例2目前三十四頁\總數(shù)六十三頁\編于五點實例3飛機操作手柄目前三十五頁\總數(shù)六十三頁\編于五點實例4首飾、眼鏡目前三十六頁\總數(shù)六十三頁\編于五點實例5導(dǎo)向器目前三十七頁\總數(shù)六十三頁\編于五點五、快速模具制造技術(shù)基本概念以快速成形技術(shù)（RapidPrototyping-RP）為核心，由快速成形技術(shù)發(fā)展而來的一類快速制造模具的新方法、新工藝。目標是服務(wù)于新產(chǎn)品開發(fā)和試制，以及產(chǎn)品小批量生產(chǎn)。分類直接制模法主要有燒結(jié)浸滲法、薄鋼板層疊法等，受成形材料和工藝的限制直接制模法還基本處于實驗室研究階段，只能用來制造體積較小的試驗?zāi)＞唛g接制模法以RP原型為模型，與傳統(tǒng)模具制造工藝相結(jié)合，通過翻型、噴涂、電鍍、電加工等間接工藝制造模具的方法。比較靈活、應(yīng)用范圍廣，可制造多種材料的模具，是目前實現(xiàn)RT的主要途徑按模具材料分為三大類，即非金屬模具、半金屬模具和金屬模具目前三十八頁\總數(shù)六十三頁\編于五點兩種快速模具制造技術(shù)基于RP的快速模具制造一般有軟模法和硬模法兩種軟模法（真空澆注軟硅膠模）硅橡膠模具是最典型的軟模方法，它利用RP零件作母模，采用硅橡膠澆注，直接制作硅橡膠模具。由于硅橡膠模具有良好的柔性和彈性，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，花紋精細，無拔模斜度或具有倒拔模斜度以及具有深凹槽的零件來說，制件澆注完成后均可直接取出。因此硅橡膠模具在軟模法中工藝最成熟，市場份額占有最大。硬模法（金屬電弧噴涂制模）硬模法中，“金屬電弧噴涂成型快速制模技術(shù)”在模具成本、壽命、制造周期、精度等方面具有綜合比較優(yōu)勢，并且模具工作表面具有較好的強度、硬度和耐磨性，模具表面摩擦學(xué)特性更接近于鋼質(zhì)模具，是一種較為理想的快速制模方法。目前三十九頁\總數(shù)六十三頁\編于五點真空澆注軟硅膠模以SL模型或?qū)嶓w作為母模用于翻模。生產(chǎn)小批量的類似工程塑料、聚氨酯等產(chǎn)件。真空澆注成形機ZK500ZK550目前四十頁\總數(shù)六十三頁\編于五點目前四十一頁\總數(shù)六十三頁\編于五點防毒面具（橡膠件）采用傳統(tǒng)方法需1-2周，采用真空注型機翻硅膠軟模制出類橡膠產(chǎn)品，用時3天。目前四十二頁\總數(shù)六十三頁\編于五點澆注件小批量生產(chǎn)目前四十三頁\總數(shù)六十三頁\編于五點金屬電弧噴涂制模技術(shù)工作原理金屬電弧噴涂快速制模技術(shù)是一種基于“復(fù)制”的制模技術(shù)。它以一個實物模型(或稱為原型)作為母模，以電弧為熱源（溫度高達6000oC），通過高速氣流將熔融狀態(tài)的金屬材料霧化，并使其噴射、沉積在母模表面上，形成一定厚度的致密金屬涂層，即模具型殼。模具型殼精確拷貝了原型的形狀，獲得了所需的模具型腔，在完成補強、脫模、拋光等后處理工藝后，即可完成模具的快速制造。目前四十四頁\總數(shù)六十三頁\編于五點

母模可以是快速原型或過渡模型，以及產(chǎn)品實物或通過高速數(shù)控加工得到的木材、石膏等非金屬模型。

目前四十五頁\總數(shù)六十三頁\編于五點關(guān)鍵設(shè)備－金屬電弧噴涂機器人目前四十六頁\總數(shù)六十三頁\編于五點技術(shù)特色噴涂材料目前西安交通大學(xué)先進制造技術(shù)研究所在利用鋅、鋁、或者鋅鋁合金等低熔點材料制作大尺度、大厚度模具型殼方面的工藝已經(jīng)成熟，已經(jīng)成功應(yīng)用于板料沖壓模具和塑料模具的制造。模具結(jié)構(gòu)—金屬型殼+復(fù)合材料背襯目前四十七頁\總數(shù)六十三頁\編于五點金屬電弧噴涂制模技術(shù)技術(shù)指標：制造周期：相當于數(shù)控加工制造相同零件模具時間的1/3至1/10制造成本：制造費用與數(shù)控加工制造相同模具相比，節(jié)約達到35%以上。模具尺寸：3500mm×1800mm模具精度：±0.3mm，200m以內(nèi)精度為±0.1mm。模具壽命：鋅鋁合金模具表面硬度為HB130?？箟簭姸?0MPa,一般沖壓件可達到數(shù)千件。金屬電弧噴涂制模技術(shù)特點：噴涂效率高、耗能少，成本低，工藝靈活，涂層質(zhì)量好；涂層與基體材料廣泛，基體可以使用陶瓷、石膏、塑料、木材等?；w材料受熱程度低，且可控制。目前四十八頁\總數(shù)六十三頁\編于五點農(nóng)用車模具---為洛陽一拖農(nóng)用車所制造的金屬噴涂拉延模具已經(jīng)在生產(chǎn)線上生產(chǎn)了約3500件合格的沖壓件應(yīng)用實例1目前四十九頁\總數(shù)六十三頁\編于五點、應(yīng)用實例2長安汽車轎車內(nèi)覆蓋件和結(jié)構(gòu)件試制模具---2006年為長安汽車公司某車型3個零件制作樣車快速樣件，CM5車型樣車樣件快速制造，時間1個月。目前五十頁\總數(shù)六十三頁\編于五點

2004年利用金屬噴涂快速制模技術(shù)為國內(nèi)某企業(yè)在90個工