快速成形技术——制造业的新兴技术

1、前 言
90年代开始，随着冷战时代的结束，市场环境发生了巨大的变化。一方面表现为消费者需求日趋主体化、个性化和多样化；另一方面则是产品制造商们都着眼于全球市场的激烈竞争。面对市场，产品制造商们不但要很快地设计出符合人们消费需求的产品，而且必须很快地生产制造出来，抢占市场。因此，面对一个迅速变化且无法预料的买方市场，以往传统的大批量生产模式对市场的响应就显得越来越迟缓与被动。快速响应市场需求，已成为制造业发展的重要走向。为此，这些年来工业化国家一直在不遗余力地开发先进制造技术，以提高制造工业发展水平，以便在激烈的全球竞争中占有一席之地。与此同时，计算机、微电子、信息、自动化、新材料、和现代企业管理技术的发展日新月异，这些技术、产业的发展与进步，给产品创意、研究开发、设计、工艺设计、加工准备、制造工艺、装备、装配、质量保证、生产管理和企业经营都有带来了重大变革，产生了一批新的制造技术和制造模式，制造工程与科学取得了前所未有的成就。快速成形技术就是在这种背景下逐步形成并得以发展。快速成形技术的发展，使得产品设计、制造的周期大大缩短，提高了产品设计、制造的一次成品率，降低产品开发成本，从而给制造业带来了根本性的变化。2、技术原理及特点
快速成形技术(快速原型技术，RP技术)是计算机辅助设计及制造技术、逆向工程技术、分层制造技术(SFF)、材料去除成形(MPR)材料增加成形(MAP)技术以及它们的集成。通俗地说，快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。快速成形技术系统的工作流程，如图1示。
快速成形技术有以下特点：
(1) 制造原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用；
(2) 原型的复制性、互换性高；
(3) 制造工艺与制造原型的几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优越；
(4) 加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低50%，加工周期节约70%以上；
(5) 高度技术集成，可实现了设计制造一体化；
3、快速成形工艺
迄今为止，国外、国内已开发成功了10多种成熟的快速成形工艺，其中比较常用的有以下几种：
3.1纸层叠法——薄形材料选择性切割(LOM法)
计算机控制的CO2激光束按三维实体模型每个截面轮廓线对薄形材料(如底面涂胶的卷状纸、或正在研制的金属薄形材料等)进行切割，逐步得到各个轮廓，并将其粘结形成快速原型。用此法可以制作铸造母模或用于“失纸精密铸造”。
3.2激光立体制模法——液态光敏树脂选择性固化(SLA法)
液槽盛满液态光敏树脂，它在计算机控制的激光束(按照三维模型每个截面的轮廓线)照射下会很快固化形成一层轮廓，新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复直至成形完毕，即形成快速原型。而新推出的光照成形机(如3D Systems公司出产的SLA-300 成形机)采用了Zephyr再涂层技术，最上面待成形树脂用真空吸附式刮板结构涂布供给，不需要沉入液态树脂中，提高了速度，在制作的原型中不再困有液态树脂。用来制作消失模、在熔模精密铸造中替代蜡模。
3.3烧结法——粉末材料选择性激光烧结(SLS法)
粉末材料可以是塑料、蜡、陶瓷、金属或它们复合物的粉体、覆膜砂等。粉末材料薄薄地铺一层在工作台上，按截面轮廓的信息，CO2激光束扫过之处，粉末烧结成一定厚度的实体片层，逐层扫描烧结最终形成快速原型。用此法可以直接制作精铸蜡模、实型铸造用消失模、用陶瓷制作铸造型壳和型芯、用覆膜砂制作铸型[1]、以及铸造用母模等。
此外还有粉末材料选择性粘结法(TDP法)、直接壳型铸造法(DSPC法)[2]以及实体生长成形法(SGC法)[2]等方法。
上述快速成形的工艺方法都是基于计算机三维实体造型。在对三维模型进行处理后，形成截面轮廓信息，随后将各种材料按三维模型的截面轮廓信息进行扫描，使材料粘结、固化、烧结，逐层堆积成为快速原型，这就是所谓的分层制造技术。4、国内外研究、应用情况
1986年，Charles Hull开发了世界上第一套快速原型装置，第二年第一代商业化快速原型制造系统在3D Systems公司问世[2]。此后的10年间，快速原型制造技术的研究和开发工作开展得如火如荼。1998年RP的直接收入(销售RP系统和进行原型制造及原型后续加工收入)预计可达10亿美元[4]。美国、日本及欧洲发达国家已将快速成形技术应用于航空、宇航、汽车、通讯、医疗、电子、家电、玩具、军事装备、工业造型(雕刻)、建筑模型、机械行业等。国内RP研究起步在1991年左右，北京隆源自动成形系统有限公司、清华大学、西安交通大学、南京航天大学、华中理工大学、上海交通大学、华北工学院等在成型理论、工艺方法、设备、材料、软件等方面做了大量的研究、开发工作。有些单位已开发出商品化、能做出复杂原型的RP系统。例如北京隆源公司开发的AFS——300激光快速成形机(选择性激光烧结系统)[5]、华中理工大学研制的以纸为成形材料的基于分层物体制造原理的HRP系统、清华大学研制的多功能快速造型系统MRPMS和基于FDM的熔融挤出成形系统(MEM——250)等。在基于快速成形技术的快速制造模具方面，上海交通大学开发了具有我国自主知识产权的铸造模样计算机辅助快速制造系统，为汽车行业制造了多种模具[6]；隆源公司的RP服务中心也为企业制作了多种精密铸模；华中理工大学研究出了一种复膜技术快速制造铸模，翻制出了铝合金模具和铸铁模块。此外，国内的家电行业在快速成形系统的应用上，走在了国内前列。如广东的美的、华宝、科龙，江苏的春兰、小天鹅，青岛的海尔等，都先后采用快速成形系统来开发新产品，收到了很好的效果。目前，国内由政府资助，正在深圳、天津等地建立一批向企业提供快速成型技术的服务机构[7]。我们有理由相信：快速成形技术在我国将得到很好的应用。
在模具制造业，可以利用快速成形技术制得的快速原型，结合硅胶模、金属冷喷涂、精密铸造、电铸、离心铸造等方法生产模具；快速成形件也可以直接或间接制得EDM电极，用于电火花加生产模具；快速成形技术制得的快速原型也可以直接作为模具。快速成形技术的进一步研究和开发工作主要在以下几方面[5]：
(1) 改善快速成形系统的可靠性、生产率和制作大件能力，尤其是提高快速成形系统的制作精度；
(2) 开发经济型的快速成形系统；
(3) 快速成形方法和工艺的改进和创新；
(4) 快速模具制造的应用；
(5) 开发性能好的快速成形材料；
(6) 开发快速成形的高性能软件；
(7) 快速成形技术与CAD、CAE、CAPP、CAM以及高精度自动测量、逆向工程的一体化集成 6、结语
快速成形技术是一种具有广泛应用前景的正在不断完善的高新技术。随着市场竞争的日趋激烈，该技术将会被越来越多的企业所采用，对企业的发展，发挥越来越重要的作用，并将给企业带来巨大的经济效益。同时，快速成形技术作为一门多学科交叉的专业技术，其本身的发展，也将推动相关技术、产业的发展。