快速成形工艺应用前景看好 - 文章

快速成形工艺应用前景看好

作者：德国FORM+Werkzeug杂志来源：国际模具制造商情

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早在二十年前，首次以材料堆积成形的快速成形工艺投放市场时，这种快速成形工艺的应用前景已非常被看好了。当时，这种工艺几乎都属于立体印刷成形，而且差不多只是应用于设计领域和原型制造。因此，快速成形（Rapid Prototyping，也称快速原型制造）这一概念很快便被确定作为工作原理是从材料逐层叠加到形成三维实体的所有制造工艺的综合名称。

随着时间的推移，快速成形工艺已发展成多种高效制造技术，因此，在某种程度上可以说，借助于计算机直接制造成形模（是指那些通过材料弹性变形实现零件成形加工的模具——译注）的这一技术，同样也可以用来制造诸如塑料或金属材质的单个复杂零件或小批量零件。因为这没有原型制造，所以可以称之为快速模具制造（Rapid Tooling）和快速制造。在德国举行的“快速制造”学术讨论会上，慕尼黑工业大学机床和企业管理研究所所长Michael Z奾教授就给与对个别概念（术语）以太多的重视提出了告诫，因为在形成产品的过程链范围内，其工艺方法也许是重叠的。在这次会议上他还是持这样的观点，同时提醒大家，快速制造并不意味着必须无条件采用逐层叠加的工艺方法：“其实铣削也可以实现快速制造。”

尽管铣削工艺也是快速制造工艺中的一部分。然而，对于快速制造技术来说，几乎仍是以分层工艺过程为基础的成形工艺占主导地位。在这里，生产工艺的起点始终是CAD三维实体模型，接着以STL格式文件（在这里是通过表面的三角处理所形成的几何信息）传送到机床。与此同时，STL几何模型切成厚度相等的薄层，在设备进行制造的过程中，这些薄层切片被制成物理实体。薄片的厚度以及由薄片所制成的构件的精度既同工艺方法本身有关，也同所采用的材料（例如材料的颗粒大小）有关。影响尺寸精度的其他因素是形状的热变化，例如在通过激光或电子束进行直接和间接烧结时，热量会影响到构件的形状变化。人们利用精湛的仿真方法对烧结过程进行深入研究，机床研究所的Gerhard Strar先生曾对这种仿真进行过研究。此外，Augsburg的研究所还采用了有限元方法（FEM），以便能在试验所获得的过程参数的基础上，利用Ansys软件分析来说明在每一个烧结阶段构件的特性。另一个问题是，在堆积成形金属物体时大多数所采用的是不均匀的粉末金属材料，常常缺少对每种成分数量百分比的说明。目前可以利用反应动力学材料模块以扩大有限元方法的应用范围，进行膨胀测量和热解重量测量（即采用膨胀测量仪和热解重量分析仪），以便用数字计算的方式来描述材料的技术结构。这样，就有可能在制造过程开始之前，既可确定构件的变化情况，也可以确定构件在结构上是否接近失灵，而不需详细掌握所采用的粉末系统的每一种成分的情况。

注塑模制造可从中得到好处

目前，在生产实践中情况如何呢？虽然快速制造技术早就有能力应用于批量生产，然而大部分的应用仍然集中在产品开发、批量试生产或在模具制造等领域。就模具制造来说，对于注塑和对于许多金属的压铸工艺，快速制造起到了重要作用。然而，对于通过材料弹性变形的成形技术领域——除了来源于日本的叠层实体制造技术（LOM）以外——只是起次要的作用。对于快速制造技术的重要价值在于：构件的成本取决于其体积，而与构件的结构复杂程度无关。这给注塑模制造提供了新的可能性。因为，在注塑模上，现在可以对特别贴近的轮廓进行冷却，注塑时，在较理想的情况下工作循环时间由此可以缩短三分之二。此外，利用贴近轮廓的冷却通道可以更好地来调节工艺过程。激光加工中心（LBC）有限公司的Ralph Mayer先生在Augsburg的学术研讨会上，展示了在EOS成形机上由激光烧结的（在LBC公司里，人们更喜欢用激光成形这一名称）材质为1.2709（系钢材：X3NiCrMoTi18.9.5——译注）材料编号的模芯和冷却型芯以及冷却系统，这样的构件用传统的方法肯定是无法制造出来的。在Kornwestheim的销售服务人员从激光成形工艺中也看出要比传统制造工艺具有明显的时间和成本上的优点。一个实例是由LBC公司几乎可以说是在“一次装夹下”用激光成形的12个设有冷却通道的模芯。其中8个模芯由客户将其装到他们的注塑模里，其余4个作为备件。Ralph Mayer先生说：“对于这种模芯，由于是一起制造成形的，客户可以节省几个星期的时间。”此外，按常规来制造，即使没有冷却通道，成本也许还是会较高。Mayer先生指出，采用这种工艺方法具有极大的自由度，然而，对于设计人员来说，也需要有一些也许是始终难以实现的其它设想。

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图1 优化：由位于Kornwestheim的激光加工中心（LBC）有限公司，
在EOS公司的设备上用激光烧结成形的这种冷却嵌件（即指：设有冷却通道的模芯——译注），
有利于公共卫生工业的用户显著缩短注塑零件时的工作循环时间。
同时，可很好控制其工艺过程，因此工作更为可靠。

激光烧结工艺的应用

在位于Tuttlingen的Hettich离心机制造公司，设计人员们早已在从事这方面的准备工作。在这里，开发了用于Rotolavit型清洗液离心分离机的清洗液分配器，按照其设计只能是采用激光烧结工艺来制造。这样制造生产出的分配器，就能实现均匀并精确地注满各个试管，而这点在以往是无法做到的。当产品变化时，这种烧结工艺所产生的费用也是比较低的，因而，只需储存很少量的备件。多年来，在Tuttlingen的Hettich离心机制造公司已把激光烧结的塑料零件装到离心机上。后续加工仅仅是进行冲洗和光整加工。典型的生产批量在50和200件之间变动。像转速达3500 r/min转子的旋架就属于此类零件。富有成效的经验，促使在5年内购置了其他的EOS设备。目前，有两台用于塑料件的激光烧结设备，一台用于金属件的激光烧结设备。

设备供应厂家EOS公司把Hettich公司称之为参考客户这并不奇怪。然而要指出的是在医疗技术领域，激光烧结的构件要符合较高的要求。这样的情况也适用于飞机制造，在飞机制造业有着严格的条件，生产的构件数量也较少，正如EOS公司的工程师Udo Behrendt先生所透露的，在EOS公司内正在同波音公司合作进行一个项目。在这个项目中，要对六架飞机进行改装，其中一个任务是重新制作驾驶舱的装饰件，这种塑料件是在EOS公司的设备上制造的。Behrendt先生列举了制造假齿冠作为“电子制造（E—Manufacturing）”的另一个实例（EOS公司喜欢用Electronic电子这个词的E字来替代Rapid快速这个词），在激光烧结设备上每天制造达500个齿冠。在测试阶段甚至使用了作为粉末材料的黄金。

在辅件制造中也获得了较好的应用

令人振奋的是，在此次学术研讨会上还听到了有关安装熔融沉积成形工艺（FDM）设备数量的情况，这种工艺方法在全球得到了广泛的推广。FDM工艺是不使用激光的，在这里是用热塑性料丝（不同强度等级的ABS工程塑料，聚碳酸酯）通过一个喷头来实现成形。美国的Stratasys公司在全球因已安装7013台设备（2006年，数据来源：Wohlers咨询公司）而成为全球最大的FDM设备的供应厂家，同时，该公司也是快速制造系统的供应厂家。驻地在Schorndorf的Alphacam公司是代销Stratasys公司FDM设备的一家公司，该公司的Norbert Boidol先生指出，通过FDM也可以很好地制造复杂的零件。在Alphacam公司的客户中，Loewe公司是通过“直接数字制造（Direct Digital Manufacturing）”来叠层制造电视机的功能样件和复杂几何形状的样件。还有引人注目的是这一工艺在德国宝马（BMW）汽车厂的应用。现在，在宝马汽车厂，应用FDM成形工艺在辅件制造中已积累了很好的经验。其中，他们目前的FDM工艺采用一种可以同尼龙6相比较的材质，制造了供装配汽车尾部上车型字标用的装置。此外，例如制造了作为样板、用来校整汽车行李舱盖的检验工具，目前也在宝马汽车厂使用。

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图2 比较经济：Hettich公司Rotomat结构系列离心机上的这个构件是在Eosint P 380
（系EOS公司的塑料激光烧结系统）设备上制成的。开发这种新的结构系列的目的
是能在一台设备上对血液成分进行沉积和分离。每台离心机总共需要6个箱盒。
这种箱盒由于结构复杂，所以采用激光烧结的方法来制造。

由材料分层堆积制成的电极对模芯进行电火花成形加工

如果优质合金钢的模芯和其他构件可以通过快速制造工艺来制造，那么还有必要用铣削工艺来制造这些构件吗？驻地在上巴伐利亚州Parsberg的Fruth创新技术公司（FIT公司）的人们就有着这种类似的看法，并且在从事这方面的工作。FIT的子公司Diecorps最重要的工艺技术是称之为EDGE（即用材料分层堆积制成的电极进行电火花成形加工译注）的技术。最引人注目的是：在一台采用特殊工作液的电火花加工机床上，构件获得由电极赋予的结构。电极本身则是由激光烧结成形的。Diecorps公司认为，通过采用材料分层堆积制成的电极进行电火花加工（EDGE）而成的模芯和类似的其他零件，与直接用激光烧结成形的这些构件相比，其优点在于构件粗糙度很小，具有非常光滑的表面。然而，由于工艺方法上的原因，采用EDGE是不可能再现工件的内部构造的（这句话是与采用材料分层堆积直接成形工艺进行比较而说的，因为材料分层堆积成形工艺是不受构件形状复杂程度的限制译注）。Diecorps公司是直接利用由客户提供的CAD模型来进行工作。在Diecorps公司里（半自动）制作的电极，不仅可加工各种不同的工具钢构件，而且还可加工钴铬合金、优质钢或钛合金构件。Fruth公司认为，与传统工艺相比，采用新工艺在时间上可节省80%,制造模芯的成本可节省30%。

结论

此次的快速制造学术研讨会通过九个场次的报告再次为业界提供了大量信息。在报告里，同样也有不少篇幅讲述了设置在工艺流程前后的重要工序——例如由GOM公司的Andreas Zilker先生阐述的在光学三维测量和数字化方面所遇到的挑战。而在Augsburg会上也清楚表明，在不久的将来，能直接生产出销售产品的、基于快速制造工艺的即插即用生产系统（On-Demand-Fertigungs system），可能是难以指望的。然而，快速制造工艺作为传统加工工艺的补充，这无疑是有益的。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (8/14/2008)


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