快速成形技術(shù)

快速成形技術(shù)現(xiàn)代成形理論是研究所有產(chǎn)品制造的成形方式，即研究將成形材料有序地組織成具有確定外形和特定功能的三維實(shí)體的科學(xué)，建立起產(chǎn)品制造的理論模型。根據(jù)工藝可以將產(chǎn)品成形的過程分為如下四種：1?受迫成形成形材料受到壓力的作用而成形的方法，如金屬材料成形的冷沖壓成形、鍛壓成形、擠壓成形以及鑄造成形等。2.去除成形這是人類從制作工具到現(xiàn)代化生產(chǎn)一直沿用的主要成形方法，如刀具切削加工、磨削加工、電火花加工等。3?離散/堆積成形與傳統(tǒng)制造不同，離散/堆積成形從零件的CAD實(shí)體模型出發(fā)，通過軟件分層離散和數(shù)控成形系統(tǒng)，用層層加工的方法將成形材料堆積而形成實(shí)體零件。4.生長成形生長成形或稱仿生成形是指模仿自然界中生物生長方式而成形的方法?？焖俪尚渭夹g(shù)是基于離散/堆積思想和數(shù)字化的新型成形技術(shù)，它突破了傳統(tǒng)的加工方式，不需機(jī)械加工設(shè)備即可快速地制造形狀極為復(fù)雜的工件，被認(rèn)為是近20年制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破?？焖俪尚渭夹g(shù)是當(dāng)前世界上先進(jìn)的產(chǎn)品開發(fā)與快速工具制造技術(shù)，對(duì)制造企業(yè)的模型、原型及成型件的制造方式正產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。1.1快速成形技術(shù)1.1.1快速成形技術(shù)原理快速成形（RP，RapidPrototyping）技術(shù)又稱快速原型制造，誕生于20世紀(jì)80年代后期，至今已有20多年的歷史，是基于材料堆積法的新型制造技術(shù)?？焖僦圃旒夹g(shù)集機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)輔助制造（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)等于一身，可以自動(dòng)、直接、快速、精確地將計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)的模型轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?，從而為零件原型制作、新設(shè)計(jì)思想的校驗(yàn)等方面提供一種高效低成本的實(shí)現(xiàn)方法。TerryWohlers和美國制造工程師協(xié)會(huì)（SME）對(duì)RP技術(shù)進(jìn)行了定義□:RP系統(tǒng)依據(jù)三維CAD模型數(shù)據(jù)、CT（計(jì)算機(jī)斷層掃描，computertomography）和MRI（核磁共振成像，magneticresonanceimaging）掃描數(shù)據(jù)和由三維實(shí)物數(shù)字化系統(tǒng)創(chuàng)建的數(shù)據(jù)，把所得數(shù)據(jù)分成一系列二維平面，又按相同序列沉積或固化出物理實(shí)體。顏永年等對(duì)RP的描述為[]:RP技術(shù)是基于離散/堆積成形原理的新型數(shù)字化成形技術(shù)，是在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)零件的CAD模型，通過材料的精確堆積,制造原型或零件的。分別從廣義和狹義兩個(gè)角度作如下分析：針對(duì)工程領(lǐng)域而言，其廣義上的定義為：通過概念性的具備基本功能的模型快速表達(dá)出設(shè)計(jì)者意圖的工程用方法。針對(duì)制造技術(shù)而言，其狹義上的定義為：一種根據(jù)CAD信息數(shù)據(jù)把成形材料層層疊加而制造零件的工藝過程。總而言之，快速成形技術(shù)就是利用三維CAD的數(shù)據(jù)，通過快速成型機(jī)，將一層一層的材料堆積成實(shí)體原型。1.1.2快速成形技術(shù)基本特征快速成形技術(shù)與傳統(tǒng)的加工方法相比較，具有以下的優(yōu)越性。1） 可以制成幾何形狀任意復(fù)雜的零件，而不受傳統(tǒng)機(jī)械加工方法中刀具無法達(dá)到某些型面的限制。2） 曲面制造過程中，CAD數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化（分層）可百分之百地全自動(dòng)完成，而不像數(shù)控切削加工中需要高級(jí)工程人員數(shù)天復(fù)雜的人工輔助勞動(dòng)才能轉(zhuǎn)化為完全的工藝數(shù)控代碼。3） 不需要傳統(tǒng)的刀具或工裝等生產(chǎn)準(zhǔn)備工作。任意復(fù)雜零件的加工只需在一臺(tái)設(shè)備上完成，因而大大縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)成本和周期，其加工效率亦遠(yuǎn)勝于數(shù)控加工。4） 用快速成形方法制造原型的材料廣泛，金屬和非金屬材料均可用于制造。5） 快速制造出來的原型復(fù)制性和互換性高。6） 快速制造是高度技術(shù)集成，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和制造一體化。1.1.3快速成形技術(shù)的典型工藝方法1）光固化成形光固化成形（StereoLithographyApparatus，SLA）工藝也稱光造型、立

體光刻及立體印刷。1987年，由美國3DSystems公司退出了名為StereoLithographyApparatus（SLA或SL）的快速成形裝置，其工藝過程液態(tài)光敏樹脂為材料充滿液槽，由計(jì)算機(jī)控制激光束跟蹤層片狀截面軌跡，并照射到液槽的液態(tài)樹脂，而使這一層的液態(tài)樹脂固化，之后升降臺(tái)下降一層高度，已成型的層面上又鋪滿一層樹脂，然后再進(jìn)行新一層的掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復(fù)知道整個(gè)零件制造完畢，得到一個(gè)三維實(shí)體模型。目前，SL中的光源不再是單一的激光器，還有其他新的光源，如紫外燈等口，但是各種SL使用的成形材料均是對(duì)某特種光束敏感的樹脂，因而，稱SL工藝為光固化成形。光固化成形加工方式分為自由液面式和約束液面式。自由液面式SL的成形過程是：液槽中盛滿液態(tài)光固化樹脂（即光敏樹脂），一定波長的激光光束按計(jì)算機(jī)的控制指令在液面上有選擇地逐點(diǎn)掃描固化（或整層固化），每層掃描固化后的樹脂便形成一個(gè)二維圖形；一層掃描結(jié)束后，升降臺(tái)下降一層厚度，然后進(jìn)行第二層掃描，同時(shí)新固化的一層牢固地粘在遷移層上;如此重復(fù)直至整個(gè)成形過程結(jié)束口。如圖所示。描鏡容器-光敏樹脂「升降工作臺(tái)激光器描鏡容器-光敏樹脂「升降工作臺(tái)約束液面式與自由液面式的方法正好相反：光從下面往上照射，成形件倒置于基板上，即最先成形的層片位于最上方，每層加工完之后，Z軸向上移動(dòng)一層距離，液態(tài)樹脂充盈于剛加工的層片與底板之間，光繼續(xù)從下方照射，最后完成加工過程。如圖所示。

造型平臺(tái)光敏樹脂SL工藝約束液面式工作原理造型平臺(tái)光敏樹脂SL工藝約束液面式工作原理該工藝的優(yōu)點(diǎn)是：原型件精度高，零件強(qiáng)度和硬度好，可制造出形狀特別復(fù)雜的空心零件，生產(chǎn)的模型柔性化程度高，可隨意拆裝，是間接制模的好方法。該工藝的缺點(diǎn)是：整個(gè)制作過程中需要支撐，樹脂收縮會(huì)導(dǎo)致精度下降。此外，光固化樹脂具有一定的毒性，不符合綠色生產(chǎn)的理念。分層實(shí)體制造1984年MichaelFeygin提出了分層實(shí)體制造(LOM，LaminatedObjectManufacturing)工藝或稱為疊層實(shí)體制造，并于1985年組建Helisys公司，1992年推出第一臺(tái)商業(yè)機(jī)型L0M-105。其工藝原理是根據(jù)零件分層幾何信息切割鉑材和紙等，將所獲得的層片粘接成三維實(shí)體。其工藝過程是：首先鋪上一層鉑材，然后用CO2激光在計(jì)算機(jī)的控制下切出本層輪廓，非零件部分全部切碎以便于去除。當(dāng)本層完成后，再鋪上一層鉑材，用滾子碾壓并加熱，以固化粘結(jié)劑，使新鋪上的一層牢固地粘結(jié)在已成形的實(shí)體上，再切割該層的輪廓，如此反復(fù)，知道加工完畢。最后，去除切碎部分以得到完整的零件。

升隆臺(tái)回履卷熱壓滾筒「控制計(jì)算機(jī)Jr鉗材供料軸升隆臺(tái)回履卷熱壓滾筒「控制計(jì)算機(jī)Jr鉗材供料軸LOM工藝的成形原理該工藝的特點(diǎn)是：工作可靠，模型支撐性好，制造成本低，加工效率高。不足之處是前、后處理費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不適合中空結(jié)構(gòu)件的制造。3）選擇性激光燒結(jié)選擇性激光燒結(jié)（SLS，SelectiveLaserSintering）工藝，常采用的材料有金屬、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作為成形材料。其工藝過程是：先在工作臺(tái)上鋪一層粉末，在計(jì)算機(jī)控制下用激光束進(jìn)行有選擇地進(jìn)行燒結(jié)（零件的空心部分不燒結(jié)，仍為粉末材料），被燒結(jié)部分便固化在一起構(gòu)成零件的實(shí)心部分。一層完成后再進(jìn)行下一層，新一層和上一層被牢牢地?zé)Y(jié)在一起。全部燒結(jié)完成后，去除多余的粉末，便得到燒結(jié)后的零件。該工藝的特點(diǎn)：材料來源廣泛，不僅適用于制造塑料零件，還能制造金屬、陶瓷、蠟等材料的零件。造型精度高，原型強(qiáng)度高，所以可用于制作樣件進(jìn)行功能試驗(yàn)測試和裝配模擬。

激光器粉末平整滾筒掃描鏡選擇性激光燒結(jié)原理圖—粉末/升降工作臺(tái)激光器粉末平整滾筒掃描鏡選擇性激光燒結(jié)原理圖—粉末/升降工作臺(tái)熔融沉積成形ScottCrump在1988年提出熔融沉積成形(FusedDepositionManufacturing，F(xiàn)DM)工藝又稱為熔絲沉積制造，1991年開發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)機(jī)型。其工藝過程是以熱塑性成形材料絲為材料，材料絲通過加熱器的擠壓頭融化成液體，由計(jì)算機(jī)控制擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)，使融化的熱塑材料絲通過噴嘴擠出，覆蓋于已經(jīng)建造的零件上，并在短時(shí)間內(nèi)迅速凝固，形成一層材料。隨后，擠壓頭沿軸向運(yùn)動(dòng)一定的距離進(jìn)行下一層材料的建造。這樣逐層由底到頂堆積成三維實(shí)體模型。FDM的成形材料可使用鑄造石蠟、尼龍、ABS塑料，可實(shí)現(xiàn)塑料零件無注塑成形制造。該工藝的特點(diǎn)：使用、維護(hù)簡單，成本較低，速度快，一般復(fù)雜程度原型只需幾個(gè)小時(shí)便能成型，且無污染。材料零件弘噴嘴快速制造注Yi材料零件弘噴嘴快速制造注Yi計(jì)算機(jī)零件圖FDM工藝成形原理圖三維印刷成形三維印刷(ThreeDimensionnalPrinting,3DP)成形工藝是麻省理工學(xué)院(MIT)EmanualSachs等人研制的，后被美國的Soligen公司以DSPC(directshellproductioncasting)名義商品化，用以制造鑄造用的陶瓷殼體和芯子。所不同的是材料粉末不是通過燒結(jié)連接起來的，而是通過噴頭用黏結(jié)劑(如硅膠)將零件的截面“印刷在粉末上面”如圖所示。3DP工藝成形原理3DP工藝的成形原理是將粉末由儲(chǔ)料桶送出，再以滾筒將送出的粉末在加工平臺(tái)上鋪上一層很薄的原料，噴嘴依照3D計(jì)算機(jī)模型切片后定義出來的輪廓噴出黏結(jié)劑，黏著粉末；做完一層，加工平臺(tái)自動(dòng)下降一點(diǎn)，儲(chǔ)料桶上升一點(diǎn)，刮刀由升高了的儲(chǔ)料桶上方把粉末推至工作平臺(tái)并把粉末推平，再噴黏結(jié)劑；如此循環(huán)便可得到所要加工的形狀。如圖3DP工藝制作的連環(huán)鏈，如此無縫的連環(huán)鏈用傳統(tǒng)加工方法是無法制作的，但采用3DP技術(shù)卻很容易，且能一次成形，不需裝配，真正做到“天衣無縫”3DP工藝制作的連環(huán)鏈由于完成原型制作后，原型件完全被埋沒于工作臺(tái)的粉末中，操作員必須小心地把工件從工作臺(tái)中挖出來，再用氣槍等工具吹走原型件表面的粉末。一般剛成形的原型件本身很脆弱，在壓力下會(huì)粉碎,所以原型件完成后需涂上一層蠟、乳膠或環(huán)氧樹脂作為保護(hù)層。6）形狀沉積制造形狀沉積制造（SDM）是CarnegieMellon大學(xué)的專利，該工藝的成形過程是口：把熔融的金屬（即基體材料）層層噴涂到基體上，用數(shù)控（NC）方式銃去多余的材料，每層的支撐材料噴涂到其他區(qū)域，再進(jìn)行銃削，支撐材料可視零件的特征而在基體材料之前或之后噴涂。形狀沉積制造SDM中的多余材料的銃削是由一個(gè)機(jī)械手完成的。1.1.4快速成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀清華大學(xué)主要研究RP方面的現(xiàn)代成形學(xué)理論、SSM(slicingsolidmanufacturing)、FDM工藝，開展了基于SL工藝的金屬模具的研究。華中科技大學(xué)研究LOM工藝,HRP技術(shù)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)的樹脂，CPS系統(tǒng)采用紫外燈為光源，成形精度為0.2mm，體積略同柜式空調(diào)機(jī)。南京航空航天大學(xué)重點(diǎn)研究了SLS工藝的金屬零件的RP制造。南京師范大學(xué)與南京理工大學(xué)主要研究光造形工藝及微結(jié)構(gòu)桌面快速成形系統(tǒng)，同時(shí)還開展了成形材料及新型RP用光學(xué)技術(shù)的研究。但RP技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用還不廣泛，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)起步早。香港生產(chǎn)力促進(jìn)局、香港科技大學(xué)、香港理工大學(xué)和香港城市大學(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。我國臺(tái)灣地區(qū)的臺(tái)灣大學(xué)擁有LOM設(shè)備。不斷提高快速成形的技術(shù)水平是推動(dòng)快速成形技術(shù)發(fā)展的重要方面。目前，快速成形技術(shù)已在工業(yè)造型、機(jī)械制造、航天航空、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)域得到了廣泛應(yīng)用。并且隨著這一技術(shù)本身的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣埂P技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面：1） 在新產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)過程的應(yīng)用快速成形技術(shù)為工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)人員建立了一種嶄新的產(chǎn)品開發(fā)模式。2） 在機(jī)械制造領(lǐng)域的應(yīng)用由于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。3） 在模具制造中的應(yīng)用快速模具制造傳統(tǒng)的模具生產(chǎn)時(shí)間長，成本高。將快速成形技術(shù)與傳統(tǒng)的模具制造技術(shù)相結(jié)合，可以很大程度上縮短模具的開發(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。4） 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用近幾年來，RP技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的研究越來越多。以醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用RP技術(shù)制造出人體器官模型，對(duì)外科手術(shù)有極大的應(yīng)用價(jià)值。5） 在文化藝術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用利用RP技術(shù)進(jìn)行藝術(shù)創(chuàng)作、文物復(fù)制、數(shù)字雕刻。目前新出現(xiàn)的三維照相就是一個(gè)很好的應(yīng)用。6） 在航天航空領(lǐng)域中的應(yīng)用在航天航空領(lǐng)域中，空氣動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)（即風(fēng)洞試驗(yàn)）是設(shè)計(jì)性能先進(jìn)的往返系統(tǒng)（即航天飛機(jī)）所必不可少的重要環(huán)節(jié)。該實(shí)驗(yàn)中所用的模型形狀復(fù)雜、精度要求高、又具有流線型特性，利用RP技術(shù)，根據(jù)CAD模型，由RP設(shè)備自動(dòng)完成實(shí)體模型，能夠很好地保證質(zhì)量。7） 在家電行業(yè)的應(yīng)用目前，快速成形系統(tǒng)在國內(nèi)的家電行業(yè)得到很好的普及和應(yīng)用，使許多家電企業(yè)走在國內(nèi)前列?？焖俪尚渭夹g(shù)的應(yīng)用很廣，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)在越來越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用和拓展。1.1