快速成形制造技术现状及进展

现 状 及 进 展 快速成形制造技术又称为快速原型制造技术 (Rapid Prototyping Manufacturing 简称RPM) 。 其基本原理是利用CAD三维设计的结果和逐层堆积的方式制造零件。 传统零件制造方法有去除法和变形法，而RPM方法是靠添加材料来制造零件，又称为材料添加制造法(Material Additive Manufacturing 或 Material Increase Manufacturing)， 有的文献中将这类技术又称为实体自由成形制造(Solid Freeform Fabrication 简写为SFF)，强调可以成形任意复杂的实体。 新产品设计验证制造样件快速工具制造(Rapid tooling)零件的直接生产制作医学模型制作雕塑艺术品 设计思想验证：检验实物是否体现了造型、结构等方面的设计思想，同时也可检验原设计是否存在缺陷。功能验证：检验零件的某些性能是否满足要求，例如使用的舒适性等。工艺性验证：用实物检验零件的可制造性、可装配性。增强设计部门和制造部门的沟通，促进DFX和CE技术的实施。包装和运输方面，需要通过实体模型分析包装、存贮、运输等各个环节中的情况，优化产品在内包装盒或纸箱中的排列。 在产品开发研制过程的不同阶段中，设计修改对产品成本的影响以指数级数上升。如果设计方案在早期修改得越完善，在修改代价越来越昂贵的后期阶段，不得已的反复就会越少，产品的研发总成本就越低。 向用户提供样件，有利于用户对设计进行评价，有利于对用户订货的快速反应。向销售部门提供样件，进行市场宣传。为工程投标提供样件，为竞标创造有利条件。实物模型使得设计思想更易理解，因而具有更好的说服力，有利于促销、竞标。 图 3 传 真 机 BABS 塑 料 组 装 样 件 复杂板金模具精密铸造模具注塑模具粉末冶金模具 根据CT或核磁测量的患者骨骼断层数据，利用CAD建模技术得到病人的骨骼三维模型，用RPM技术做出样件，作为确定手术方案的依据。 雕塑包括艺术创作过程和加工制作的过程。制作过程的失误可能使最终的作品无法体现原有的创作思想。RPM技术可以使制作过程避免失真，真实体现雕塑家的创作思想。 当前成熟的RPM技术有：光固化立体造型(Stereo lithography apparatus, SLA)选区激光烧结技术(Selective laser sintering, SLS)熔融沉积技术(Fused deposition modeling, FDM)分层物体制造(Laminated object manufacturing, LOM)三维打印技术(3D printing, 3DP)激光敷层技术(Laser clading, LC) .光固化立体造型(Stereo lithography apparatus, SLA)分为逐点和逐层二种固化方式 第一种逐点固化方式是利用紫外激光在计算机控制下对液态感光树脂进行逐点扫描，使被扫描区液态树脂表层发生光聚合而固化，形成一个薄层的二维图形。然后工作台下降一层高度，激光器对覆盖在表层的液态树脂再次扫描，形成另一个薄层的二维图形，最终形成三维实体模型。 美国3D SYSTEM的SLA激光快速成型机 第二种逐点固化方式是采用紫外光源光笔对光敏树脂扫描，完成逐点固化。这种设备不采用激光器，所以设备价格低，运行费用低。但其扫描精度和扫描速度均低于前者。西交大研制的紫外光笔扫描CPS快速成形机 第三种逐点固化方式是采用两个频率不同的激光器，激光束相互垂直，在光敏树脂中相交。其中一束激光将树脂激活到可逆的亚稳状态，另一束激光使树脂发生聚合。逐层固化方式是采用一系列掩模逐个遮盖液态感光树脂，掩模图案是根据零件每层的截面形状制做的，透光部分代表零件截面形状，UV射线通过掩模照射在树脂表面，零件截面形状部分被固化，其余部分仍为液态树脂，逐层固化后成为树脂零件。这种方式的成型速度高于逐点固化方式，不需要激光器，设备成本低。 耗材为光敏树脂，价格高，原料种类少；材料利用率高，接近100；成形过程分辨率高，零件精度高，表面质量好；适于成型复杂形状的中小零件；成形过程中需要有支撑结构；设备投资大，生产率高。 .选区激光烧结技术(Selective laser sintering SLS) 在工作台上均匀的铺一层热敏粉末，厚约0.10.2 mm。辅助加热装置将其加热到熔点以下温度。利用激光在计算机控制下对粉末层进行有选择的照射，使被照射粉末达到其烧结温度，粉末颗粒间发生表层粘接，从而烧结在一起。然后工作台下降一层高度，在已烧结层上再铺一层粉末。这样逐层烧结形成三维实体。成型材料为各种可烧结粉末，如石蜡、塑料、低熔点金属粉末，或它们的混合粉末。 北京隆源公司的AFS320快速成形机 原材料来源广泛，如石蜡、塑料、金属、陶瓷粉末等，材料利用率高，约100；除陶瓷外，其它材料成形后不再需要烧结；不需要设计支撑结构，未烧结的粉末对悬伸部位可起支撑作用；零件精度及表面质量中等；可成型中小尺寸的复杂零件；某些材料(如PVC)烧结中产生有害气体，需要有可靠的通风设备；设备投资高，生产成本较低，生产率较高。 .熔融沉积技术(Fused deposition modeling FDM) 将热塑性材料加热到半流动状态后经喷嘴挤出，加热温度一般控制在比凝固温度高1度左右，这使得热塑材料挤出喷嘴后经自然冷却很快固化。计算机控制喷嘴的二维轨迹使塑料固化形成二维层，在工作台逐层下降过程中最终形成三维实体。成型材料为塑料（如ABS）、低熔点金属、金属粉末与粘接相混合物、陶瓷粉末与粘接相混合物等。 美国Stratasys公司Quantum-1 FDM设备 成型材料种类有石蜡、塑料、低熔点金属等；采用线材，价格较贵，材料利用率高，约100；可以快速更换材料；零件精度较低，表面质量较差；复杂程度中等，可成型中小零件；设备投资较低，运行费用高，生产率较低。 .分层物体制造(Laminated object manufacturing LOM) 将单面涂有热熔胶的纸用加热辊加压粘接在一起，用激光或其它切割方式在计算机控制下将纸切割成零件的二维层图形，控制激光束的聚焦和移动速度来控制切纸厚度，使得激光束只切当前层，不伤下一层。然后逐层热压粘接，逐层切割，形成三维实体。 美国Dayton大学的LOM设备 原料来源广泛，几乎任何薄层材料均可作为原料，如塑料、金属、纺织物等，材料价格较便宜；原料利用率低，切下的边角料不能再用；XY方向精度较高，Z方向精度低，表面质量较差；成形件各向异性，层间粘接强度影响使用性能；可成型零件的尺寸较大但形状不能过于复杂；零件在Z方向壁厚不能太薄；设备运行成本低，生产率高。 .三维打印技术(3D printing 3DP) 三维打印技术是由MIT在90年代初开发的。它是用滚筒在工作台上均匀的铺一层粉末，喷嘴在计算机控制下沿一定轨迹向粉末上喷射粘结剂。逐层铺粉末后逐层喷射粘接剂，最终形成三维实体。 ,制造铸造用陶瓷模具，将成型的实体再加热保温进行固化，清除多余粉末，再加热到10001500C进一步固化。,制造陶瓷金属复合材料零件，对成型的多孔隙毛坯进行渗金属处理，得到成型零件。,制造金属零件，主要是注塑模具。利用3DP技术将不锈钢或工具钢粉末粘接制作毛坯，加温固化后再渗入铜合金，得到金属金属复合材料零件。,制造聚合物零件，采用聚合物粉末和淀粉的混合物，喷射水基溶液粘接在一起形成实体毛坯，经渗蜡再浸入环氧树脂达到最终强度，适于制造概念模型。 .另外一种3DP技术又称为喷涂打印技术(Ink jet printing, IJP)。其工作原理类似于喷墨打印机，用压电晶体控制喷嘴，喷出熔化的热塑材料液滴，在工作台上形成二维图形。逐层降低工作台，使喷出的热塑材料逐层堆积、最终形成三维实体。 Stratasys公司的3DP设备 原材料来源广泛，材料利用率高，约100；真正的桌面系统，可以在办公室使用。不使用有害物质，无异味。分层厚度薄，尺寸精度和表面质量良好。成形尺寸小，成形速度低。设备成本低，运行成本低。 激光敷层技术(Laser clading, LC) 将金属粉末材料通过一个喷嘴喷在激光束的聚焦点上，激光束将粉末熔化后逐层涂敷堆积，形成三维实体。悬伸部位用铜粉末烧结支撑，零件制成后再将支撑物腐蚀去除。 .有时为了提高精度，在完成每一层涂敷后，对轮廓和顶面进行一次铣削加工，再进行下一层涂敷，这种方法称为形状沉积制造(Shape deposition manufacturing, SDM)。 由于LC方法是将粉末熔化后涂敷，而不是像SLS过程中在粉末颗粒间只发生表层烧结，所以制成品的密度更高。烧结过程达到金属熔点，容易氧化，需要惰性气体保护。烧结温度高，容易产生应力、变形、开裂等缺陷。需要大功率激光器，设备投资及运行费用均很高。 方便了设计过程和制造过程的集成，大大简化了工艺设计，缓解了复杂结构零件CAD/CAM过程中CAPP的瓶颈问题。不再需要过多考虑复杂零件的工艺性问题，可以制造出传统加工方法无法加工的外形和内腔。可以制造出传统方法难以制造的零件材质，如梯度材质零件、多材质零件等，有利于进行新材料设计。制造复杂零件毛坯模具的周期和成本大大降低，用工程材料直接成形机械零件时，不再需要设计制造毛坯成形模具； 实现了毛坯的近净型成形，机械加工余量大大减小，减少了机械加工工序，节省了工时和加工费用。由于不再需要大余量粗加工，节省了材料浪费，节省了能源消耗，减少了冷却液污染，有利于环保和可持续发展。由于工艺准备的时间和费用大大减少，使得单件试制、小批量生产的周期和成本大大降低。 工艺SLA LOM SLS FDM零件精度较高中等中等较低 表面质量优良较差中等较差复杂程度复杂简单复杂中等 零件大小中小中大中小中小材料价格较贵较便宜中等较贵 材料种类光敏树脂纸、塑料、金属薄膜石蜡、塑料、金属、陶瓷粉末石蜡、塑料丝 材料利用率100较差100100 生产率高高中等较低 .成形速度、成形质量不断提高，制造成本不断下降。.新材料的快速成型走向工程化。.直接制造功能构件的技术不断成熟。.快速成型新方法不断出现。 零件的制造速度不断提高，如用FDM技术制造某零件在95年需要34小时，96年13小时，97年9小时，98年只需4.5小时。利用Internet和国际快递业务，一些RP公司推出在欧洲范围内“ 一天供货 ” 的技术服务。即通过Internet收取订单和CAD模型，通过软件自动规划工艺和计算成本，通过Internet向用户报价，进行CAD模型的分层处理和SLA快速成型制造，通过快递公司向用户供货，所有过程在24小时内完成。 陶瓷：SiC，Al2O3，Si3N4，高级电子陶瓷。金属：镍基合金，钛合金，不锈钢，铝合金，结构钢，铜。复合材料：陶瓷基复合材料，树脂基复合材料，高低熔点金属复合材料，金属基陶瓷增强复合材料。功能材料：压电陶瓷。梯度材料：外硬内韧的零件。生物材料：人造骨用于骨移植手术。 .用带铸法（tape casting）制成薄陶瓷板，再利用LOM工艺制成坯件（green ceramic parts），最后经过烧结过程制成陶瓷件。.将陶瓷粉末制成浆液，通过喷墨打印系统或特种画笔逐层沉积制作陶瓷坯料，再经过烧结过程制成陶瓷零件。.液态单体细流在计算机控制下沉积在热盘上发生聚合，逐层堆积聚合物零件。.用计算机控制电解液喷嘴的喷射位置，进行选择性电沉积（selective electrodeposition），逐层制作金属零件。 .用激光束在被反应气体包围的基体上局部加热，使加热区内反应气体分解，形成固态沉积，激光束的扫描形成三维形状零件。.采用液晶显示屏作为可编程的动态掩模，或者采用光电二极管面阵作为可编程光源，遮盖在液态感光树脂上进行逐层光聚合。.曲面分层快速成型技术(Curved LOM)是先用普通LOM技术制造成型模具，然后将待成型材料铺在模具上，逐层用激光切出边缘轮廓，并逐层堆积制成三维零件。 曲面LOM技术 用生物陶瓷制作骨骼，用于骨植入手术。制作微型零件，零件尺寸50m至50mm，特征尺寸5m。用SLS/HIP技术直接制作航空发动机金属叶片和箱体金属零件。制造集成无源电气元件如电容、电阻、RC滤波器、电感器和变压器。制造压电传感器、致动器。 不锈钢和铜组合的注塑模具零件 小型发动机转子 采用LOM技术制造的陶瓷微型齿轮 采用SLA技术制造的电致伸缩致动器 近20年来RPM技术发生了飞速发展，已成熟的成形方法向着提高效率、提高质量、降低成本的方向发展，研究中的各项技术和各种成形材料不断成熟，走向工程化，新的成形方法仍在不断出现，RPM技术正呈现出强劲的发展势头。 RPM技术的高速发展将促进数字化设计制造技术的发展，促进新产品的快速研制和企业对市场的快速反应，从而加强企业在国际市场上的竞争能力。