快速成型--持续发展现代制造业的重大创造力 - 文章

快速成型--持续发展现代制造业的重大创造力

作者：上海交通大学洪慎章

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在现代化工业生产中，60％～90％的工业产品需要使用模具加工，模具工业已经成为制造业中的一项基础工业，是技术成果转化的手段，同时又是高新技术产业的重要领域，在欧美等工业发达国家被成为“点铁成金”的“磁力工业”。我国模具权威人士称之为“模具是印钞机”。可见模具工业在世界各国经济发展中具有重要的显著地位。

当前，产品制造业呈现如下发展趋势：1生产、经营及市场全球化；2用户需求个性化、多样化；3产品生命周期短，更新换代加速；4产品技术高科技化；5市场竞争激烈化。据统计，我国新产品的平均开发周期为18个月，产品的生命周期为10.5年。而美国1990年已实现“3个3”，即产品的生命周期为3年，产品的试制周期为3个月，产品的设计周期为3周。因此，制造企业要想在21世纪求得生存和发展，就必须面对这一新的形势，不断研究或引进新的技术。

过去，传统的零件成型方法是采用多种机械加工机床，以及刀具和模具，还要有高水平的技工，成本高，制造周期往往长达几星期，甚至几个月，不能适应新产品的更新。为克服上述问题，近几年来开发成功了快速成型制造技术和相应的快速成型机。它是利用激光等物理方法，向用户提供物理模型和快速修改设计方案，从而大大减少了新产品开发前期的时间和费用。快速成型技术不受零件几何形状的限制，能够制造出常规加工技术无法实现的复杂几何形状零件的建模。它能帮助设计者快速实现设计方案并寻找出原设计方案的不足或疏漏之处，及时修改使之完善，节省了大量的试模时间；同时，它还能使生产销售与用户之间的距离缩短，这是因为快速成型技术能及时按用户的要求建立产品模型，使设计出的产品更直观更具有可加工性和更能为客户所接受，从而提升了企业的市场竞争能力。因此，快速成型技术广泛应用于航空航天、汽车、电子、通讯、医疗、建筑、家电、玩具、家具、日用五金及工艺品制作等众多领域。

近期发展的快速成型技术主要有：熔融堆积成型、叠层实体成型、光固化立体成型、选择性激光烧结成型等。

1 新旧两种成型方法

快速成型（Rapid Prototyping，简称RP）是80年代末期出现的一种高新技术。它以增材制造法一次成型复杂的零部件或模具，堪称制造领域人类思维的一次飞跃，也被称为自数控技术以来的又一次革命，尤其对模具工业的发展起到了极大的推动作用。快速成型是汇集了计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机数字控制、精密伺服驱动和新材料等诸多工程领域的先进成果，根据计算机上构成的产品三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓。按照这些轮廓，激光束选择地切割一层层的纸，形成各截面轮廓并逐步叠加成三维产品。解决了传统加工方法中的许多问题，它的出现代表着生产工程的又一突破。

快速成型制造技术彻底摆脱了传统的“去除”加工方法（部分去除大于工件的毛坯上的材料，而得到工件），采用全新的“增大”加工方法（用一层层的小毛坯逐步叠加成大工件），将复杂的三维加工分解成简单二维加工的组合。因此，它不必采用传统的加工机床和工模具，只需传统加工方法30％～50％的工时和25％～35％的成本，就能直接制造产品样品或模具。图1表示新旧两种成型方法的流程图。

2 常用的四种方法

随着CAD建模和光、机、电一体化技术的发展，快速成型技术的工艺方法发展很快，已商品化的快速成型系统主要有以下四种。

2.1 熔融堆积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）

将CAD模型分为一层层极薄的截面，生成控制熔融堆积成型喷嘴移动轨迹的二维几何信息。加热头把热熔性材料（ABS、尼龙、石蜡等材料）加热到临界半流动状态，在计算机控制下，喷嘴头沿CAD确定的二维几何信息运动轨迹挤出半流动的材料，沉积固化成精确的零件薄层，通过垂直升降系统降下新形成层，进行固化。这样层层堆积粘结，自下而上形成一个零件的三维实体。

2.2 叠层实体制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）

它是将单面涂有热溶胶的箔材（涂覆纸－涂有粘接剂覆层的纸、涂覆陶瓷箔、金属箔等）通过热辊加热粘接在一起，使激光束在片材平面内沿确定轨迹扫描而形成平面模型。平面模型逐层堆叠在并在滚压辊的滚压下粘接逐步形成整体物理模型，去除废料后即成型。废料部分切成网络是为了便于消除。

2.3 立体光固化成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA）

它是利用激光束在液态光敏树脂内沿确定的平面运动轨迹扫描，由点到线到面，使被扫描区的树脂薄层产生聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面。当一层固化完毕，升降工作台移动一个层片厚度的距离，在原先固化好的树脂表面再覆盖一层新的液态树脂以便进行新一层扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上，如此重复直到整个零件原型制造完毕。

立体光固化成型是第一个投入工业应用的快速成型技术，其特点是精度高、表面质量好、原材料利用率将接近100％，可以制造形状特别的复杂（如空心零件）、外观特别精细（如首饰、工艺品等）的零件。

2.4 选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）

该技术以CO2激光器为能量源，通过红外激光束使塑料、石蜡、陶瓷和金属（或复合物）的粉末材料均匀地烧结在加工面上。激光束在计算机的控制下，通过扫描器以一定的速度和能量密度按分层面的二维数据扫描。激光束扫描之处，粉末烧结成一定厚度的实体分层，未扫描的地方仍然保持松散的粉末状。根据物体截层厚度而升降工作台，铺粉滚筒再次将粉末铺平台，开始新一层的扫描。如此反复，直至扫描完所有层面。去除多余粉末，经修磨、烘干等处理后获得零件。表1列出四种快速成型方法的特点及常用材料。

四种快速成型方法的特点及常用材料

成型方法	零件			成型速度	制造成本	常用材料
成型方法	大小	复杂程度	精度	成型速度	制造成本	常用材料
熔融堆积成型	中小件	中等	较低0.1～0.2mm	较慢	较低	石蜡、塑料、低熔点金属等
叠层实体成型	中大件	简单或中等	较高0.02～0.2mm	快	低	纸、金属箔、塑料薄膜等
立体光固化成型	中小件	中等	较高0.02～0.2mm	较快	较高	热固性光敏树脂等
选择性激光烧结成型	中小件	复杂	较低0.1～0.2mm	较慢	较低	石蜡、塑料、金属、陶瓷等粉末

3 四方面受益

快速成型与传统加工有着本质上的区别，因此可使设计者、制造者、推销者和用户四方面都得到很大的效益。

3.1 设计者

在设计产品时，通常分为概念设计及详细设计。由于设计者的能力有限，不可能在短时间内，仅凭图纸上的思维，就把结构、形状及尺寸等问题考虑得很周全并使结果优化，不但费时费力，往往难免有所疏漏，从而造成返工。为解决上述问题，在现代制造技术领域中，提出了并行工程的方法，它以小组协同工作为基础，通过网络共享数据等信息资源，来同步考虑产品设计、制造的有关技术问题，从而实现并行设计的思想。然而，仅仅依靠计算机及数字模拟，没有必要的物理模拟手段，也难于完美地进行并行设计。

采用快速成型技术之后，设计者在设计的最初阶段，就能拿到实在的产品样品，并可在不同阶段快速地修改、重做样品，甚至做出试制用工模具及少量的产品，据此判断有关的各种问题。这给设计者创造了一个优良的设计环境，无需多次反复思考、修改，即可尽快得到优化结果。因此，快速成型技术是真正实现并行设计的强有力手段。

3.2 制造者

制造者在产品设计的最初阶段，也能拿到实在的产品样品、甚至试制用的工模具及少量产品，这使得他们能及早地对产品设计提出意见，做好原材料、标准件、外协加工件、加工工艺和批量生产用工模具等准备，最大限度地减少失误和返工，大大节省工时、降低加工成本和提高产品质量。

3.3 推销者

推销者在产品设计的最初阶段，也可拿到产品样品、甚至少量产品，这使得他们能据此及早、实在地向用户宣传，征求意见，并进行比较准确的市场需求预测，而不是仅凭抽象的产品描述或一张图纸、一份样本来推销。所以，快速成型技术的应用可以显著地降低新产品的销售风险和成本，大大缩短其投放市场的时间和提高竞争能力。

3.4 用户

用户在产品设计的最初阶段，也能见到产品样品，甚至少量产品，这使得他们及早、深刻地认识产品，进行必要的测试，并且提出有关的意见，从而可以在尽可能短的时间内，以合理的价格得到性能最符合要求的产品。

4 结束语

产品创新是我国制造行业可持续发展的基础，而快速成型技术对新产品的开发速度和质量将起到十分重要作用。快速成型制造开创了一个崭新的设计、制造概念。它以相对低的成本、高速造型、可修改性强的特点，独特的工艺过程，为提高产品的设计质量、降低成本、缩短设计及制造周期，为将产品尽快推向市场提供了有效的方法，尤其对于具有复杂形状的零件则更为有利。快速成型技术给二十一世纪模具制造业领域注入了新的生命力和创造力。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/29/2006)


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