快速原型制造技术的发展和应用

快速原型制造技术的发展和应用发展概况十几年前兴起的快速原型制造（RP，Rapid Prototyping）技术，与传统的去除型加工不同，乃是一种基于离散/堆积原理的“生长型”加工，也称为分层叠加成形。所谓离散/堆积原理，是指在计算机的管理与控制下，先将CAD模型离散成一层层截面轮廓信息，然後在RP成形设备上依次制造出各个片层并逐层粘结成一体，从而堆积出三维实体制件。显而易见，RP是在零件CAD模型的驱动下快速制造出任意复杂形状实体的技术。它不需要传统的多坐标数控机床、刀具和夹具，一般只需传统加工方法30%50%的工时和20%35%的成本，就能把体现设计思想的CAD模型转化为物理实体，从而可以有效地缩短开发周期，提高企业的竞争力。 不过，RP工艺极大地依赖于材料本身的特性，所处理的材料既要首先能够满足离散/堆积成形的特殊要求，又要能进行後处理和成形後具有必要功能，因此RP工艺所擅长处理的材料目前只限于树脂、蜡、某些工程塑料和纸等几类，与制造领域广泛使用的金属等高强度材料尚有距离，故以往多用于产品开发过程制造物理原型件，也就是说RP最初是作为复杂形状构件原型的成形方法出现的，故称之为“快速原型制造”。如果进一步细分，物理原型件（图1）又可分为概念原型和功能原型两类。概念原型主要是展示制品的立体形态和结构，供人多角度观察和用手触摸，比计算机上的虚拟原型具有更强的真实感。它不仅有助于激发设计者的创新火花，还能促进设计部门与其它部门和客户进行深入交流。功能原型则不仅要给人提供视觉和触觉反馈，而且还可以进行装配检查（现在有的概念原型也有此要求）以及承受传热、流体力学等性能实验。 事实上，RP技术并没有仅仅停留在制作原型上，经过十几年的发展，国外相继推出了一些直接成形金属材料的RP系统，并开始实际用于快速制作金属模具乃至金属零件。与此同时，RP技术也已能快速制作在实际产品中使用的功能性塑料（比如聚碳酸脂）零件。由此可见，RP技术已经具有了制造最终产品的功能，从而表明它的内涵正从快速原型制造向快速制造（RM，Rapid Manufacturing）方向发展。 以母模为基础来制造各种模具，速度快、成本低，但母模特别是形状复杂的母模获取不易，而RP技术很易将体现设计构思的CAD模型变为非金属材料的母模，为快速制模（RT，Rapid Tooling）技术注入了新的活力，RP与RT的结合（RP+RT）是快速原型技术应用领域最重要的扩展。除此之外，人们也正将RP技术应用于微纳米制造领域。 RP技术不只在制造业的应用方兴未艾，在生物医学领域的应用也充满生机。不仅根据CT扫描或MRI磁共振数据快速制作的人体器官实体模型可以帮助医生进行诊断和确定治疗方案，而且借助RP技术制作的人体假肢还能与结合部位实现最大程度的吻合。近几年国内外更是热衷于研究将生物材料快速成形为人工器官的课题，其中人工骨的研究已取得可喜的成果。例如中国清华大学采用喷射方法，将生物材料在低温环境下堆积成形，制成多孔大段人工骨的细胞载体框架，经动物实验证明该框架能有效降解。有专家甚至说，虽然RP技术最初出现在制造行业，但它最激动人心的应用将是在生物医学领域。 最近几年，RP设备的拥有量快速增长。据Wohlers Associates, Inc发布的全球RP设备拥有量数据：1999年为5449台、2000年为6755台、2001年略多于8000台（在2001年的拥有量中，美国占42.8%、日本占18.7%、德国占9.3%、中国占4.7%名列世界第四）、2002年为9000多台，2003年的拥有量数据虽然尚未获得，但估计有可能接近或达到11,000台，最近四年全球RP设备的拥有量增加了约一倍。另一方面，与因特网结合的专业化RP服务机构正蓬勃发展，通过网络为客户进行离线或交互式在线服务，深受中小企业的欢迎，其业务量不断增加。所有这些，都表明RP技术正进入加速发展阶段，其应用将越来越普及。RP的工作流程及主要工艺方法图2RP工作流程示意如图2所示，RP的工作流程大致分为三个阶段： 前处理。这个阶段除通过造型软件或反求工程构造三维CAD模型外，通常还需对三维模型进行近似处理。常用的近似处理方法是用一系列的小三角形平面来逼近自由曲面，生成所谓STL格式文件。目前正研究开发与使用不经近似处理直接对三维CAD模型切片的软件，以消除由于STL格式的转换过程而产生的数据缺陷和轮廓失真。 在RP设备上快速成形。首先用配置在RP设备上的切片软件沿成形制件的高度方向每隔一定距离（多为0.1mm）从CAD模型上依次截取平面轮廓信息，随後RP设备上的激光头或喷射头在数控装置的控制下按截面轮廓信息相对于X-Y平面工作台运动，进行选择性激光扫描（实现固化、切割或烧结）或者进行选择性喷射（喷射热熔材料或粘结剂），以物理或化学方法逐层成形并相互粘结（每成形一层工作台便下移一个切片厚度），这样一层层堆积便构成三维实体制件。 後处理。为改善制件的性能，往往需要进行後处理，比如在纸质制件的表面涂覆一层金属、陶瓷或高分子材料，以提高制件表面的机械强度、耐磨性和防潮性等。 RP的成形工艺方法据报道有几十种之多，但大体可以分为如图2所示的基于激光和基于喷射的两大类，现简介其中几种常用的工艺方法： 激光立体造型（SLA，Stereolithgraphy Apparatus）。它是用紫外激光按切片软件截取的层面轮廓信息对液态光敏树脂逐点扫描，被扫描区的液态树脂发生聚合反应形成一薄层的固态实体。一层固化完毕後工作台下移一个切片厚度再固化新的一层树脂，并层层相互粘结堆积出一个三维固体制件。SLA法成形精度较高，制件结构清晰且表面光滑，但韧性较差，设备投资较多，更适合制作结构复杂和精细的制件。其中光固化树脂材料是研究热点之一，DMS Somos能提供成形件强度很高的新型光固化树脂。 分层实体制造（LOM，Laminated Object Manufacturing）。它常以单面涂有热溶胶的纸为原料，激光按切片软件截取的分层轮廓信息切割工作台上的纸，成形一层平面轮廓（轮廓以外部分也用激光切成网格状以便制件成形後清除）。当一层平面轮廓成形後工作台便下降一个纸厚，其後新送到工作台的一层纸通过热压装置与下一层已成形的纸粘合在一起，再次进行激光切割，如此反覆便叠加出三维实体制件。这种方法成形速度较快也较经济，但精度特别是细微结构精度不高，比较适合成形实体制件。现正将LOM工艺扩展用于金属箔材和陶瓷箔材。选择性激光烧结（SLS，Selective Laser Sintering）。如图3所示，它是控制红外激光按分层轮廓信息以一定速度和能量密度对已均匀地铺在加工平面上的粉末（塑料、蜡、覆膜陶瓷或金属及其复合物粉末）材料进行扫描，激光扫描所到之处粉末被烧结成固体片层（未扫描到的地方仍是可对後一层进行支撑的松散粉末）。其後，确定加工平面高度的成形活塞下移一个片层厚度，而供粉活塞则相应上移，铺粉滚筒再次将加工平面上的粉末铺平，激光再烧结出新一层轮廓并粘结于前一层上，如此反覆便堆积出三维实体制件。 SLS是当今RP直接成形金属零件和模具的主要方法，其中较为成熟的工艺有美国DTM公司的Rapid Tool和德国EOS公司的Direct Tool。Rapid Tool工艺是烧结包覆有粘结剂的钢粉，粉末被激光扫描到的地方包覆的粘结剂受热融化将钢粉粘结在一起形成片层，随後再形成新的固体片层并一层层叠加成形出约有45%孔隙率的制件，最後放入真空炉中使青铜渗入45%的孔隙中而制成结构密实的金属零件或模具。Direct Tool工艺所烧结的是内中混入了低熔点金属的基体金属（钢等）粉末，烧结过程中低熔点金属向基体金属粉末中渗透使其间隙增大，所产生的体积膨胀恰好等于基体金属粉末烧结时的收缩，使最终收缩率几乎为零，从而解决了金属粉末烧结凝固收缩难题。 熔融沉积成形（FDM，Fused Deposition Modeling）。它是将热熔性丝材（ABS丝等）由供丝机构送至喷头，并在喷头中被加热至临界半流动状态，而喷头则按截面轮廓信息移动，喷头在移动过程中所喷出的半流动材料沉积固化为一个薄层。其後工作台下降一个切片厚度再沉积固化出另一新的薄层，如此一层层成形且相互粘结便堆积出三维实体制件。FDM设备价格较低，成形件韧性也较好，适合制作薄壁壳体原型件。如用性能更好的PC和PPSF代替ABS，可制作最终塑料产品。 基于喷射的RP技术，除了FDM外，常用的还有用喷头选择性喷射粘结剂使粉末材料粘结成形的三维打印（3DP或TDP），或者让喷头选择性喷洒热塑性材料的喷墨式等多种类型。基于喷射的RP工艺装备，目前常采用多喷嘴阵列扫描手段，这样不仅可提高成形效率，而且可以用不同的喷嘴喷出不同的颜色甚至不同的材料，从而有可能制作出由多种材料构成的复杂器件。此外，基于喷射的RP工艺装备，价格相对便宜，噪声低、污染小，很适合放在办公室内使用，甚至可以做成与微机相连的桌面系统，近期市场上也推出了以制造概念原型为目标的、基于喷射的RP设备，比如美国Z-Corp推出的采用3DP工艺的Z400单色机和Z406彩色机。 当今的RP设备除了按工艺方法分类外，也可按制作目标进行分类。除上述以制作原型特别是概念原型件为目标的概念型RP设备外，还正在发展以生产最终功能零件（模具）为目标的生产型RP设备。此外，尚有专门应用于生物医学领域的专用型RP设备。基于RP的快速制模技术 模具是现代工业生产最重要的工艺装备，而且模具形状复杂又属单件生产，最好能借助RP技术由模具（零件反型）的CAD模型直接制作金属模具，但其工艺目前尚不十分成熟。因此当前更多的还是以RP制作的非金属原型件为母模，结合传统的制造方法来间接快速制作模具。 图4以RP技术为基础快速制作的模具（图为高尔夫球头模具）用RP技术直接制作金属模具是当前研究开发的热点，现仅介绍其中两类工艺： 金属粉末烧结成形。这就是用SLS法将金属粉末直接烧结成模具，比较成熟的工艺仍是上文所说的DTM公司的Rapid Tool和EOS公司的Direct Tool。德国EOS公司在Direct Tool工艺的基础上推出所谓直接金属激光烧结（DMLS，Direct Metal Laser Sintering）系统，所使用的材料为新型钢基粉末，这种粉末的颗粒很细，烧结的叠层厚度可小至20m，因而烧结出的制件精度和表面质量都较好，制件密度为钢的95%99%，现已实际用于制造注塑模和压铸模等模具，经过短时间的微粒喷丸处理便可使用。如果模具精度要求很高，可在烧结成形後再进行高速精铣。 金属薄（箔）材叠层成形。这是LOM法的进一步发展，其材料不是纸而是金属（钢、铝等）薄材。它是用激光切割或高速铣削的方法制造出层面轮廓，再经由焊接或粘结叠加为三维金属制件，比如日本先用激光将两面涂敷低熔点合金之0.2mm厚度的薄钢板切割成层面轮廓，再逐层互焊成为钢模具。金属薄材毕竟厚度不会太小，台阶效应明显，如材料为薄膜便可使成形精度得到改进。一种缩写为CAM-LEM的RP工艺，就是用粘结剂粘结金属或陶瓷薄膜，再用激光切割轮廓或分割块，制出的半成品还需放在炉中烧结，使其达到理论密度的99%，同时引起18%的收缩。 基于RP技术的间接快速制模法，可以根据所要求模具寿命的不同，结合不同的传统制造方法来实现。对于寿命要求不超过500件的模具，可使用以RP原型作母模、再浇注液态环氧树脂与其它材料（如金属粉）的复合物而快速制成的环氧树脂模。若是仅仅生产20件50件的注塑模，还可以使用由硅胶铸模法（以RP原型件为母模）制作的硅橡胶模具。 对于寿命要求在几百件至几千件（上限为3000件5000件）的模具，则常使用由金属喷涂法或电铸法制成的金属模壳。金属喷涂法是在RP原型上喷涂低熔点金属或合金（如用电弧喷涂Zn-Al伪合金），待沉积到一定厚度形成金属薄壳後，再背衬别的材料并去掉原型便得到所需的型腔模具。电铸法与此类似，不过它不是用喷涂而是用电化学方法通过电解液将金属（镍、铜）沉积到RP原型上形成金属壳，所制成的模具寿命比金属喷涂法更长，但其成形速度慢，且非金属原型表面尚需经过导电预处理才能电铸。对于寿命要求为成千上万件（3000件以上）的硬质模具，主要是钢模具，常用RP技术快速制作石墨电极或铜电极，再通过电火花加工法制造出钢模具。比如以RP原型件作母模，翻制由环氧树脂与碳化硅混合物构成整体研磨模（研磨轮），再在专用的研磨机上研磨出整体石墨电极。 实践表明，RP技术与精密铸造相结合，是快速生产单件小批金属零件的有效方法。最常见的是RP技术与熔模精铸相结合，即用RP制作的原型件作母模，或者由原型件翻制的软质模具所生产的蜡模作母模，再借助传统的熔模铸造工艺来生产金属零件。此外，以覆膜砂为原料，用SLS法按模具（零件反型）CAD模型也可直接烧结出铸造用的砂型型壳，再通过铸造工艺生产出结构复杂的金属零件。 结语 正如上文所说，由于RP技术独特和高度柔性的制造原理及其在产品开发过程中所起的作用，已越来越受到制造厂商和科技界人士的重视。其应用也正从原型制造向最终产品制造方向发展，特别是RP与RT技术的结合，已取得较明显的成果。但是，RP技术本身目前的发展水平，也还存在一些局限性。比如： 成形精度不高。影响RP成形精度的因素很多，它既包括前处理（数据格式转换）与後处理（含与环境和时间相关的制件尺寸变化）所引起的误差，更因为成形过程自身伴随着材料的相变和温度变化，是一个复杂的热力学过程，其尺寸控制远比机械加工困难，所以目前RP技术所能达到的最佳尺寸精度大概在0.1mm左右。而且成形速度与成形精度之间还存在矛盾，为提高成形精度而减少切片层厚会降低成形效率。由于精度不够，目前RP技术尚难于制造精度较高的最终产品，一般只能作为一种准净成形（Near Net Shape）技术。 处理工艺成熟的材料范围有限。前文已经提到，目前比较成熟的RP工艺所处理的材料大概只限于树脂、蜡、某些工程塑料和纸等几种。用这些材料制成的零件，即使经过後处理也大多不能作为真正的机械零件使用。而以金属材料作为RP的处理对象来直接生产金属零件和模具的工艺尚不十分成熟，如何提高直接金属成形件的尺寸精度、表面质量和机械性能并降低成本，尚有许多工作要做。 设备投资大、材料费用高。RP工艺的研发成本高，这种研发成本必定转移到相应的工艺装备上去，加之RP设备属小批生产，因而其价格居高不下，即使是相对便宜的概念型RP设备，其价格也不太低（五、六万美元）。此外，RP工艺对材料有特殊要求，其专用成形材料价格相对偏高。设备和材料的价格也影响了RP技术的普及应用。 尽管现阶段RP所擅长处理的材料、成形精度与速度、价格等方面还存在一些问题，但随着其理论研究和实际应用不断向纵深发展，这些问题将得到不同程度的解决。可以预期，未来的RP技术将会更加充满活力