快速成型技術及在我國的發展 --中國期刊網

羅庚 （貴陽生產力促進中心快速成型服務中心）摘要：快速成型技術興起於20世紀80年代，是現代工業發展不可或缺的一個重要環節。本文介紹了快速成型技術的產生、技術原理、工藝特點、設備特點等方面，同時簡述快速成型技術在國內的發展歷程。關鍵詞：快速成型 燒結 固化 疊加 發展 服務 0 引言 在現代市場經濟全球一體化背景下的今天，企業要在競爭日益激烈的市場經濟中掌握先機，佔據有利地位，需要有技術和產品上的創新，把握並引導市場的發展方向。與此同時，對於市場的需求，企業需要做出快速的響應，切合當前需求，而現有的常規技術手段已經不能對市場的需求做出最快的反應。與此同時快速製造技術的快速發展，體現了現代先進位造技術對全球製造業的支撐，通過應用快速成型技術企業能迅速響應市場需求，最快速度的搶佔新興市場。企業需要通過採用快速成型技術來降低開發、生產成本、縮短研發周期、提高市場快速響應能力，保持強大的市場競爭力。 1 快速成形技術的產生 快速原型（Rapid Prototyping，RP）技術，又稱快速成形技術，是當今世界上飛速發展的製造技術之一。快速成形技術最早產生於二十世紀70年代末到80年代初，美國3M公司的阿倫赫伯特於1978年、日本的小玉秀男於1980年、美國UVP公司的查爾斯胡爾1982年和日本的丸谷洋二1983年，在不同的地點各自獨立地提出了RP的概念，即用分層製造產生三維實體的思想。查爾斯胡爾在UVP的繼續支持下，完成了一個能自動建造零件的稱之為Stereolithography Apparatus (SLA)的完整系統SLA-1，1986年該系統獲得專利，這是RP發展的一個里程碑。同年，查爾斯胡爾和UVP的股東們一起建立了3D System公司。與此同時，其它的成形原理及相應的成形系統也相繼開發成功。1984年米歇爾法伊傑提出了薄材疊層（Laminated Object Manufacturing，以下簡稱LOM）的方法，並於1985年組建Helisys公司，1992年推出第一台商業成形系統LOM-1015。1986年，美國Texas大學的研究生戴考德提出了選擇性激光燒結(Selective Laser Sintering，簡稱SLS)的思想，稍後組建了DTM公司，於1992年開發了基於SLS的商業成形系統Sinterstation。斯科特科瑞普在1988年提出了熔融成形(Fused Deposition Modeling，簡稱FDM)的思想，1992年開發了第一台商業機型3D-Modeler。 自從80年代中期SLA光成形技術發展以來到90年代後期，出現了幾十種不同的RP技術，但是SLA、SLS和FDM幾種技術，目前仍然是RP技術的主流，最近幾年LJP（立體噴墨列印）技術發展迅速，以色列、美國、日本等國的RP設備公司都力推此類技術設備。 2 快速成型技術特點 RP技術與傳統製造方法（即機械加工）有著本質的區別，它採用逐漸增加材料的方法（如凝固、焊接、膠結、燒結、聚合等）來形成所需的部件外型，由於RP技術在製造產品的過程中不會產生廢棄物造成環境的污染，（傳統機械加工的冷卻液等是污染環境的），因此在當代講究生態環境的今天，這也是一項綠色製造技術。 RP技術集成了CAD、CAM、激光技術、數控技術、化工、材料工程等多項技術，解決了傳統加工製造中的許多難題。 RP技術的基本工作原理是離散與堆積，在使用該技術時，首先設計者藉助三維CAD或者通過逆向工程所採集的幾何數據，建立數字化模型，這是完成快速成型製造的一項基本條件，藉助現有的主流三維設計軟體建立三維模型，再經過三維CAD導出相應的文件格式輸入快速成型機當中，通過逐點、逐面進行三維的立體堆積，部件完成後，再經過必要的後續處理，使完成的部件在性能、形狀尺寸、外觀上等方面達到設計要求。 RP技術的特點 從原理上說，應用RP技術來進行產品製造，可以忽略產品部件的外形複雜程度(這也是與傳統機械加工方式製造產品的最大區別之一)，原材料的利用率接近100%，製造精度最高可達0.01mm。 RP技術的主要特點有： 2.1 製造快速 RP技術是並行工程中進行複雜原型或者零件製造的有效手段，能使產品設計和模具生產同步進行，從而提高企業研發效率，縮短產品設計周期，極大的降低了新品開發的成本及風險，對於外形尺寸較小，異形的產品尤其適用。 2.2 CAD/CAM技術的集成 設計製造一體化一直來說是現在的一個難點，計算機輔助工藝（CAPP）在現階段由於還無法與CAD、CAM完全的無縫對接，這也是制約製造業信息化一直以來的難點之一，而快速成型技術集成CAD、CAM、激光技術、數控技術、化工、材料工程等多項技術，使得設計製造一體化的概念完美實現。 2.3 完全再現三維數據 經過快速成型製造完成的零部件，完全真實的再現三維造型，無論外表面的異形曲面還是內腔的異形孔，都可以真實準確的完成造型，基本上不再需要再藉助外部設備進行修復。 2.4 成型材料種類繁多 到目前為止，各類RP設備上所使用的材料種類有很多，樹脂、尼龍、塑料、石蠟、紙以及金屬或陶瓷的粉末，基本上滿足了絕大多數產品對材料的機械性能需求。 2.5 創造顯著的經濟效益 與傳統機械加工方式比較，開發成本上節約10倍以上，同樣，快速成型技術縮短了企業的產品開發周期，使的在新品開發過程中出現反覆修改設計方案的問題大大減少，也基本上消除了修改模具的問題，創造的經濟效益是顯而易見的。 2.6 應用行業領域廣 RP技術經過這些年的發展，技術上已基本上形成了一套體系，同樣，可應用的行業也逐漸擴大，從產品設計到模具設計與製造，材料工程、醫學研究、文化藝術、建築工程等等都逐漸的使用RP技術，使得RP技術有著廣闊的前景。 3 現階段主流的RP工藝方法介紹 3.1 SLA（立體光造型技術） 立體光造型技術是典型的逐層製造法，採用光敏樹脂（聚丙烯酸脂）為原料，紫外激光在工控機的控制下根據零件的分層截面信息，在光敏樹脂等相應材料的液面進行逐點掃描，被掃描區域的樹脂經過光聚合反應而固化，形成零件的一個分層截面，一層固化好後工作平台下降一個分層厚的距離，以便在先前固化好的零件分層截面是重新塗抹一層新的液態樹脂，然後工控機控制激光再掃描下一分層截面，層與層之間也因此而緊密連接在一起沒有縫隙。如此反覆直至整個零件成型。 國外的SLA技術以美國的3D SYSTEM公司為代表，設備技術都較為成熟，同時日本德國以色列都也有各自具有特色比較成熟的SLA快速成型技術。國內是以西安交大的設備較為成熟，現已開發出一整套SLA快速成型機，成型速度、零件精度都已接近國外先進技術。 總體來說SLA技術的優勢是成型零件精度高，表面質量好，原材料利用率高，而且可以製作形狀複雜的零件。但SLA技術也有一定的局限性就是不能選用多種材料，只能固定用光敏感材料。 3.2 SLS（選擇激光燒結技術） SLS與SLA有相似之處，都是在激光的選擇下對材料進行燒結，區別在於SLS的材料不是液態的光聚合物，而是粉末材料，金屬、尼龍、塑料、陶瓷等粉末材料均可，這樣就使得SLS的適用範圍更廣，航空、航天、汽車、家電等行業中去，因此在這裡的行業 在工藝上，SLS控制激光，選擇性的燒結粉末，使粉末燒結固化形成一個層面，經過電機的驅動，使粉末固化層下降一個層厚的高度，重新塗鋪一層粉末再進行激光掃描重複之前的步驟，直到完成整個三維數模的實體造型。 目前世界範圍內進行SLS技術研究的主要是美國的DTM公司，德國隊EOS公司以及中國北京隆源公司。其中DTM公司的SLS設備在市場使用率上佔據領先地位，而EOS公司在金屬粉末燒結方面有著自己的特點。 3.3 FDM(熔融沉積成型技術) FDM與之前的SLA、SLS有一些區別，它採用熱熔噴頭，使熔融的材料，比如尼龍、塑料等，根據CAD數據信息的將材料擠壓在制定位置凝固成型，逐層堆積，最後形成完整的零件。現在世界上FDM技術較為領先的是美國的Stratasys公司和Dimension公司，佔據了市場大多數的份額。 3.4 LJP（立體噴墨列印技術） LJP技術在早些年就已經產生，在美國麻省理工學院開發成功，但並沒有完全推向市場，大多應用於內部研究，而近來立體列印技術經過技術改進，逐步在市場上佔據一定的地位。從技術特點以及工藝上來看，LJP與FDM有相似之處，都採用的是將材料加熱到熔融狀態，再將材料噴出，堆積形成實體三維模型，但LJP的成型速度更快，表明質量更高，而且吸取了FDM可以隨意更換製造原料的特性，一種材料裝在一個墨盒裡，每次製作前根據需要選擇原料，方便快捷，同時又排除了FDM的缺點，比如成型速度慢，表面光潔度較低，模型精度不理想等，LJP製作出樣品的外觀質量基本上可以與SLA相媲美，因此近幾年採用LJP工藝的快速成型設備逐漸佔據了主流市場。 還有一種是LOM（紙張疊層造型技術）由於製作出的三維模型精度低，表明光潔度差，經常無法準確再現三維數字模型，現在已經逐漸走向沒落。 4 我國RP技術的發展及應用 快速原型是世界製造業的一次重大創新，是先進位造技術群中的重要組成部分。它集中了計算機輔助設計和製造技術、激光技術和材料科學技術，在沒有傳統模具和夾具的情況下，快速製造出任意複雜形狀而又具有一定功能的三維實體模型或零件。快速原型與製造技術的推廣應用將明顯縮短新產品的上市時間，節約新產品開發和模具製造、修復的費用。美國、日本及歐洲發達國家已將快速成形技術應用於航空、航天、汽車、通訊、醫療、電子、家電、玩具、軍事裝備、工業造型（雕刻）、建築模型、機械行業等領域。 而我國RP研究工作起步於90年代初。剛開始時技術引進較多，1994年以來，我國已有20餘家企業或機構從國外引進RP機器，加快了企業的新產品開發、取得了巨大的經濟效益。但由於引進價格昂貴，如美國3Dsystem公司生產的SLA250系統售價20萬美元，SLA500價格高達40萬美元，加之材料也依靠進口，使生產成本過高，往往是國內大多製造型企業無法承受的。 為了解決中國製造業對RP的迫切需求，1991年以來，在中國政府資助和支持下，一些高等院校和研究機構積極開展RP研究，並取得較大的進展。 我國最早在快速成型技術方面開展研究的科研機構主要有清華大學、西安交通大學、華中理工大學。這些科研機構早期在開發系統設備方面各有側重。1992年，清華大學引進了當時先進的SLA-250光固化成形設備，成立了激光快速成形中心，開展快速成形技術的研究。研製出世界上最大的LOM雙掃描成形機，已提供給國內的汽車製造企業，研製成功的多功能快速造型系統MRPMS已打入國際市場，自主開發的大型擠壓噴射成形RP設備SSM1600SSM成形尺寸已達1600×800×750mm3，也居世界之首。 西安交通大學多年來一直致力於SLA的成型材料和設備的國產化，在盧秉恆院士的帶領下，西交大自主研發出一套國內領先水平的快速成型系統，同時在成型材料等方面同樣取得了重大突破，並已形成產業化生產，因此獲1998年度國家科技進步一等獎、2000年教育部科技進步二等獎。華中理工大學從1991年開始，在政府的支持下開始進行RP技術研究，1994年開發成功LOM樣機，到1997年就向市場推出商品化的LOM成型設備。目前，該單位已對LOM設備進行了系列化的開發，同時還成功地推出商品化的SLS設備。華中理工大學還利用復膜技術快速製造鑄模，翻制出了鋁合金模具和鑄鐵模塊。 此外，南京航天大學、上海交通大學、華北工學院、浙江大學等知名高校在該領域也做了許多工作。例如在基於快速成形技術的快速製造模具方面，上海交通大學開發了具有我國自主知識產權的鑄造模樣計算機輔助快速製造系統，為汽車行業製造了多種模具。 目前，部分國產RP設備已接近或達到美國公司同類產品的水平，價格卻便宜得多，自主研發應用於快速成型的材料也逐步趨於完善，材料的價格更加便宜，等待投放市場後可以改善過於依賴進口材料的狀況。我國已初步形成了RP設備和材料的製造體系。 國內的家電行業在快速成形系統的應用上，走在了國內製造型企業前列。如廣東美的、科龍、江蘇的春蘭、小天鵝，青島的海爾等，都先後採用快速成形系統來開發新產品，收到了很好的效果。近些年隨著通訊事業在我國的高速發展，一些國內通訊巨頭企業例如華為、中興等公司也逐漸將快速成型技術引入到產品設計開發環節，使得公司對市場的響應效率、產品的競爭力提升了一個等級。 在模具製造業，快速成型技術同樣起到了重要作用。利用快速成形技術製得的快速原型，結合硅膠模、金屬冷噴塗、精密鑄造、電鑄、離心鑄造等方法生產模具；快速成形件也可以直接或間接製得EDM電極，用於電火花加生產模具；快速成形技術製得的快速原型也可以直接作為模具。 近年來，在國家科學技術部的支持下，我國已經在深圳、天津、上海、西安、南京、重慶等地建立一批向企業提供快速成形技術的服務機構，並開始起到了積極的作用，推動了快速成形技術在我國的廣泛應用，使我國RP技術的發展走上了專業化、市場化的軌道，為我國製造型企業的發展起到了支撐作用，提升了企業對市場的快速響應能力，提高了企業的競爭力，同時也為國民經濟增長做出了重大貢獻。 快速成形技術是一種具有廣泛應用前景的正在不斷完善的高新技術。隨著市場競爭的日趨激烈，該技術將會被越來越多的企業所採用，對企業的發展，發揮越來越重要的作用，並將給企業帶來直接的巨大經濟效益。同時，快速成形技術作為一門多學科交叉的專業技術，其本身的發展，也將推動相關技術、產業的發展，因此大力推行發展我國快速成型技術，建立創新技術自我知識產權，對提升我國企業的民族品牌效應，矗立世界企業之林打下堅實的基礎，同時對於拉動內需，降低現今全球金融風暴對我國實體經濟的影響也會起到一部分積極的作用。參考文獻:[1]榮烈潤.製造技術新的突破——快速成型技術.機電一體化.2004（3）.[2]王秀峰.快速原型技術.中國輕工業出版社.2001.[3]孫大涌.先進位造技術.機械工業出版社.2000.