快速成型技术的发展及关键技术

摘要 成形材料的开发应用,可提升成形质量、拓宽原型应用的领域、开发新的成形工艺.软件是快速成形技术的灵魂,第三方软件介入是当前快速成形技术软件开发的一个明显趋势.基于快速成形思想的各种新的工艺方法、研究与工艺装备开发,以及桌面化设备和功能原型成形设备的开发,是新的快速成形设备研制的两大趋势.

关键词 快速成形,成形材料,软件技术,工艺装备

Abstract By developing and applying material of forming or shaping, forming quality can be promoted, prototype appli- cation can be broadened, and new RP process can be developed. Software is the core of rapid prototyping technology. The field of rapid prototyping technology where commercial software involved is an obvious trend of software technique development at present. The research on various new technological method and technological equipment based on the principleof rapid prototyping as well as the development of desktop equipment and functionalizing equipment, are two R& D bigtrends in developing new RP equipment.

Keywords rapid prototyping, forming material, software technique, process equipment

引言

快速成形制造(RPM)是20世纪80年代末、90年代初由美国开发的高新制造技术,其重要意义可与数控(CNC)技术相比。该技术采用材料累

加的新成形原理,直接通过CAD数据制成三维实体模型。这一技术不需要传统的机床、夹具、刀具,便可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件模型,从而实现了“自由制造”。快速成形出现给工业产品的造型开发、工艺品的模型设计提供了最为便捷的制造工具,使产品的开发速度数十倍地提高。而且越是复杂结构的物体,其制造速度提高越显著。

1快速成形技术的国内外研究现状

快速成形技术(Rapid Prototyping Technology,以下简称RP技术)是20世纪80年代中后期发展起来的一项新兴的先进制造技术,其核心思想是基于降维离散的方法,把任意复杂的三维实体通过切片处理,转换为二维平面的制造和沿成形方向做一维的层片叠加,实现物理原型的快速制造.

我国快速成形技术自20世纪世纪90年代初开始发展,西安交通大学、北京隆源公司等院校和企业在典型的快速成形设备、软件、材料等方面的研究和产业化方面的获得了重大进展。随后国内许多高校和研究机构也开展了相关研究,重点在金属成形方面开展研究。我国快速成形技术的研究工作基本与国际同步。

在快速成形技术新设备研发和应用方面我国则落后于国外。由于我国在这方面的投入少,企业的应用开发能力弱,故相对于欧美国家,在新技术的开发上已显落后。在应用上,我们许多行业缺少后续技术研发,例如在快速制造的原型向模具和功能零件转化方面没有形成系统技术体系,企业没有很好地将此技术应用在产品开发方面。国外快速成

形技术在航空领域超过8%的应用量,而我国在这方面的应用量则非常低。快速成形尤其适合于航空航天产品中的零部件单件小批量的制造,具有成本低和效率高的优点。国外在航空航天器的研制中不断尝试应用快速成形技术,显示出了巨大发展潜力。在我国重大的专项研究和航空航天事业发展中,快速成形这一技术都有广泛的用途。因此,通过“产学研用”结合,通过不断与企业合作,拓展应用领域,将是快速成形制造技术发展的根本方向。

2快速成型系统的构成和原理

2.1 系统构成

快速成型系统主要由硬件和软件两部分组成。其中,硬件由工业控制计算机、激光选区烧结器、光路及其扫描系统、成型室及送料室组成;软件由操作系统、CAD软件、CAD切层软件、激光选区烧结控制软件等组成。

（一）快速成型技术的原理

快速成型技术是将计算机技术、CAD、机械工程、数控技术、检测技术、激光技术和材料科学等集合为一体的高新技术。近年来，该技术在国内外得到了迅速的发展，并将成为21世纪制造业的重要组成部分。其原理是根据对三维CAD电子模型进行分层切片处理，得到一系列的二维截面轮廓，然后用激光束或其它方法切割、固化或烧结某种状态材料，得到一层层的产品截面并逐步叠加成三维实体。RP技术摒弃了传统机械加工的材料“去除”加工法，而采用全新的材料增长

加工法，将复杂的三维加工分解成简的二维加工的组合，它从成型原理上提出了一个全新的思维模式，是一个从离散到堆积的过程

（二）快速成型工艺过程

在快速成型工艺过程中，由于系统是由三维CAD模型直接驱动，因此首先要构建所加工件的三维CAD模型。该三维CAD模型可以利用计算机辅助设计软件直接构建，也可以将现有产品的二维图样进行转换而形成三维模型，或对产品实体进行激光扫描、断层扫描，得到点云数据，然后利用反求工程的方法来构造三维模型。其次是三维模型的近似处理，由于产品往往有一些不规则的自由曲面，加工前要对模型进行近似的处理，以方便后续的数据处理工作。由于格式文件格式简单、实用，目前已经成为快速成型领域的标准接口文件。它是用一系列的小三角形平面来逼近原来的模型，每个小三角形用3个顶点坐标和一个法向量来描述，三角形的大小可以根据精度要求进行选择。文件有二进制码和ASCn码两种输出形式，二进制码输出形式所占的空间比ASCn码输出形式的文件所占用的空间小得多，但ASCn码输出形式可以阅读和检查。典型的CAD软件都带有转换和输出STL文件的功能。后是三维模型的切片处理，根据被加工模型的特征选择合适的加工方向，在成型高度方向上用一系列一定间隔的平面切割近似后的模型，以便提取截面的轮廓信息。间隔一般常用0.1mm。间隔越小，成型精度越高，但成型时间也越长，效率就越低，反之则精度越低，但效率高。最后成型加工与零件的后处理，根据切片处理的截面轮廓，在计算机控制下，相应的成型头按各截面轮廓信息做扫描运动，在工作台

上一层一层地堆积材料，然后将各层相粘结，最终得到原型产品。成型零件的后处理是从成型系统里取出成型件，进行打磨、抛光、涂挂，或放在高温炉中进行后烧结，进一步提高其强度。

3 快速成型技术的特点

快速成型技术有如下优点:

(1)与模具的复杂程度无关,可以实现自由制造。无论多么复杂的模具,只要设计出来,就

可以用快速成型技术制造出来,这是传统的模具加工方法无法比拟的。

(2)生产模具的单价与批量无关,特别适合于新模具的开发和单件小批量模具的生产。

(3)对一些直接用成型料生产的模具,可以实现非接触加工;没有工具的更换和磨损之类

的问题;可以实现无人值班;不需要机加工方面的专门知识就可操作;无切割、噪音和振动等;

有利于环保,材料无浪费。

(4)生产过程数字化,与CAD模型有直接的关联,零件可大可小,所见即所得,可随时修

改、随时制造。

(5)模具生产周期大大缩短,是模具制造业甚至是制造业上的又一次革命。比较见表1。

(6)大大节约模具生产的费用,有的可减少到传统生产方法的几分之一甚至几十分之一。

4快速成形技术发展趋势

快速成形制造是一种以材料累加为原理的制造方法,可以制造任意复杂的三维结构。快速成形发展目前最大的难题是材料的物理与化学性能制约了工艺实现。例如,在成形材料上,目前主要是有机高分子材料;金属材料直接成形是近十多年的研究热点,难点在于如何提高精度。在成形材料上,发展方向是研究陶瓷材料和复合材料的快速成形制造。在制造装备的发展上,三维打印机是国外近年来的发展热点。将其作为计算机一个外设在应用。快速成形技术在工业造型、产品创意、工艺美术等方面有着广泛的应用前景和巨大的商业价值。快速成形技术的研究热点和发展方向分3个方面:

(1)快速成形制造技术本身的发展。例如三维打印技术,使快速成形走向信息市场;金属直接成形技术使结构功能零件可直接制造。进一步的发展是陶瓷零件的快速成形技术和复合材料的快速成形。

(2)快速成形应用领域的拓展。例如快速成形在汽车制造领域的应用为新产品的开发提供了快捷的支持技术。快速成形在生物假体与组织工程上的应用,为人工定制假体制造、三维组织支架制造提供了有效的技术手段。进一步是向创意设计、航空航天制造和功能结构器件领域发展。

(3)快速成形学术思想的发展。快速成形从过去的外形制造向材料组织与外形结构设计制造一体化方向发展。力图实现从微观组织到宏观结构的可控制造。例如在制造复合材料时,能否将复合材料组织设计制造与外形结构设计制造同步完成。这样从更广泛的意义上实现结构

体的“设计—材料—制造”一体化。

5快速成形的相关技术

1.计算机技术是快速成形产生的根本。CAD技术的出现使设计出现了一次飞跃,它使得人的思维、创新设计能力以数字的形式记录于机器之中。这样对其进行的后处理也变得十分容易。CAD技术实现了零件的曲面和实体造型,能够进行精确的离散运算和繁杂的数据转换。

2.数控技术是快速成形技术中的重要使能技术之一。数控技术的发展使得精确的运动控制、能量传输控制、材料转移控制等成为可能。

3.激光技术是快速成形技术中的重要使能技术之一,激光的极高能量密度和极小光斑直径的特性是实施切割、烧结、聚合反应等工艺的保证。

4.材料科学已经能够设计、制造满足各种性能要求的材料,如光敏材料、热敏材料等。

我国需要研发新的快速成形技术,向产业化发展。加强快速成形后续应用技术的研发,通过“产学研用”结合,与企业合作不断拓展应用领域。

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学技术前沿编委会.机械工程科学技术前沿.北京:机械

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(1)提高RP系统的速度、控制精度和可靠性

优化设备结构,选用性能价格比高、寿命长的元器件,使系统更简洁,操作更方便,可靠性更高,速度更快。开发不同档次、不同用途的机亦是RP系统发展的一个方面,例如:一方面开发高精度、高性能的机型,以满足对制件尺寸、形状和表面质量要求更高、或有特殊要求的用户。另一方面,开发专门用于检验设计、模拟制品可视化,而对尺寸精度、形状精度和表面粗糙度要求不高的概念机。

(2)提高数据处理速度和精度 研究开发用CAD原始数据直接切片方法,减少数据处理量以及由STL格式转换过程而产生的数据缺陷和轮廓失真。

(3)研究开发成本低、易成形、变形小、强度高、耐久及无污染的成形材料 将现有的材料,特别是功能材料进行改造或预处理,使之适合于RP技术的工艺要求。从RP的特点出发,结合各种应用要求,发展全新的RP材料,特别是复合材料,例如纳米材料、非均质材料、其它方法难以制作的复合材料等。降低RP材料的成本,发展新的 更便宜的材料。

(4)开发新的成形能源 前述的主流成形技术中,SLA、LOM和SLS均以激光作为能源,而激光系统(包括激光器、冷却器、电源和外光路)的价格及维护费昂贵而传输效率较低,影响制件的成本。新成形能源方面的研究也是RP技术的一个重要方向。

(5)研究开发新的成形方法 在过去的十年中,许多研究者开发出了十几种成形方法,基本上都基于立体平面化-离散-堆积的思路。这种方法还存在着许多不足,今后有可能研究集“堆积”和“切削”于一

体的快速成形方法,即RP与CNC机床和其它传统的加工方式相结合,以提高制件的性能和精度,降低生产成本。还可能从RP原理 延伸,产生一些新的快速成形方法。

(6)继续研究快速制模和快速制造技术 一方面研究开发RP制件的表面处理技术,提高表面质量和耐久性;另一方面研究开发与注塑技术、精密铸造技术相结合的新途径和新工艺,快速经济地制造金属模具、金属零件和塑料件。

(7)应用范围扩大 通过对现有RP系统的改进和新材料的开发,使之能够经济地生产出直接可用的模具、工业产品和民用消费品;制造出人工器官,用于治疗疾病。

快速成形技术与众多技术密切相关,其中最主要的支持技术有以下几项。

2.1 计算机辅助设计与辅助制造技术(CAD/CAM)快速成形技术制造零件时,必须首先利用CAD系统设计出一个三维零件的模型,再利用CAD软件对该模型进行离散化,然后用CAM软件对零件模型进行切片并确定每个层片生成制作的最佳扫描路径。可以看出,如果没有已趋成熟的CAD/CAM技术,也就没有快速成形技术。因此,CAD/CAM技术是快速成形技术产生和应用的前提技术和基础技术。

2.2 数控技术

快速成形技术的成形过程是通过“离散”把三维实体制造问题转化为一系列二维平面分层制造问题的过程,然后再将二维分层制造的平面层片堆积叠加成三维的空间实体。在这个分解与组合的过程中,必须 由数控系统按照CAM的分层信息,控制分层的运动方式和加工参数,并对加工时的光学参数、温度、功率和材料进给量等进行实时补偿。如果快速成形技术采用“层堆积”的工艺方法成形零件时,数控系统应提供在X-Y平面内的二维两轴联动控制。如果快速成形技术采用“点堆积”的工艺方法成形零件时,数控系统应提供在X-Y-Z空间内的三轴联动控制。由此可见,如果没有数控系统提供的精确运动,就 无法将片材或点材(粉末)“堆积”叠加成空间实体零件。因此,数控技术是快速成形技术实现“生长型制造”的保证技术。

2.3 激光技术

在基于激光的快速成形技术工作过程中,固化、切割或熔化成形材料所采用的能源为激光。激光具有能量集中、方向性好、光斑小、波长恒定等优点,特别适用于快速成形技术。在基于激光的快速成形技术中应用的激光器有以下几种:氦-镉(He-Cd)激光器、氩(Ar)离子激光器和二氧化碳(CO2)激光器。根据加工要求的不同,各种激光器采用的功率范围也比较大,从几十毫瓦的激光器到上千瓦的激光器均可使用。可见激光技术的发展和应用是快速成形技术产生的前提之一,同时也是快速成形技术进一步发展的保证。

2.4 材料技术

没有性能优良的成形材料,快速成形技术将成为“无米之炊”。快速成形技术对成形材料有二个方面的基本要求,第一要求成形材料应具有可成形性,第二要求是必须保证成形件的质量和使用性能。快速成形 技术中使用的材料种类很多,常用的材料有液态光固化树脂、涂有粘结剂的纸张、工业石蜡、尼龙、陶瓷粉末和金属粉末等。目前成形材料已成为阻碍快速成形技术发展的重要因素之一。不断开发出性能优良的快速成形材料,将会极大地促进快速成形技术的发展。可见材料技术也是快速成形技术产生和发展的重要基础技术之一。快速成形技术除了与上述技术紧密相关以外,还与检测技术、机械科学、现代设计理论、电子和信息技术等息息相关。检测技术可以对成形过程进行监控,对成形件加工信息及时反馈、实时补偿,以保证成形件自动成形,精确成形。因此检测技术是快速成形技术必备的基础技术之一。机械科学奠定了快速成形技术的工艺基础,确定了快速成形技术的主体框

架与应用目标。现代设计理论则为成形件的设计提供科学的理论指导。电子和信息技术则使快速成形技术的各个子系统集成起来,形成协调的整体。

综上所述可以看出,快速成形技术是多种技术的集成,是各种技术协调发展的结果。同时,快速成形技术又不断地提出新的要求,为其他技术的发展增添新的研究内容。