快速成形制造技术与国际发展潮流合拍

作者：清华大学机械工程系 颜永年

欢迎访问e展厅 展厅 5 三维打印机展厅 三维打印机, 快速成型机, 3D打印材料/光固化材料, 快速成型制造软件, ... 我国快速成形制造技术能迅速、健康、有序发展的重要原因之一是自始至终充分注意进行国际交流，这种发展模式可以给诸多领域的专家学者以启迪。 快速成型的发展现状 快速原型（Rapid Prototyping, 简称RP）技术是1987年出现的应用于制造业的高新技术。它采用离散/堆积的概念制造零件，可以制造任意复杂形状的三维实体，而不需要特殊的模具、工具或人工干涉，具有高度的柔性。RP技术首先对零件的三维CAD模型进行分层处理，得到零件的二维截面数据信息，然后根据每层的截面数据，以特定的方法生成与该层截面形状一致的薄片，这一过程反复进行，逐层堆积，直至完成实体模型。 RPM正在向零件直接制造的方向发展，则被称之为快速制造（RM）技术。新型喷射技术、直写技术和微单元的制造、装配技术以及各种先进成形制造技术集成到RPM工艺中，使得RM展现出广阔的发展前景。同时，与这些新技术、新工艺相结合，也为RPM开辟了新的应用领域，例如生物制造（BM），就是与RPM学术思想极其相近、发展非常突出的新兴科技领域。 随着快速成形制造（RPM）技术的不断发展，其在国内外的研究越来越深入、应用也越来越广泛，尤其在经济较发达的地区和经济发展迅速的地区，该技术正发挥着真正生产力的作用。我国目前拥有RPM设备占全球的比例越来越高，发展势头远远高于国际平均水平。国产RPM设备在国内市场份额进一步提高，并且已经有出口记录，表明我国民族RPM产业已基本形成气候。国产RPM设备按照台数计算，已经超过全球的10%。快速成形制造技术的研究和应用正如火如荼。 由RP向RM的发展 RP技术发展早期主要应用于产品设计和测试过程，因此有人提出了RP与虚拟现实（VR）技术之间的竞争问题。但是随着RPM技术的发展和广泛应用，人们意识到物理原型在产品开发过程中是不可替代的。随后，高速切削技术的发展又对RP的“快速”提出挑战，但是由于RP的“离散－堆积”的特殊成形思想，它拥有能同时处理多种材料和复杂结构的功能，使得其成为制造领域的一个独特分支。 由于RM工艺能制造复杂结构和同时处理多种材料，因此在特殊材料的成形和材料梯度与结构梯度成形方面RM亦具有强大的优势，被广泛应用于航天航空、生物医学和微细加工等领域的特殊成形场合，RM的高度的个性化成形水平和工艺柔性得到充分发挥。 RM的最重要的获益是∶①直接快速制造可以避免繁复的工、模具制造；②产品制造的耗时可有实质性的降低；③从而使产品的制造成本有较大的下降。其它方面的获益也是不可忽视的，例如，可增加产品设计的自由度，可采用非均质材料，可采用客户定制以及及时制造的生产方式，易于实行异地制造等等。由图1可见，越是对于形状复杂且批量小的零件，越应当采用快速制造技术，RM与传统加工互为补充。 RM是基于离散－堆积成形原理的先进制造技术的总称。基于RM概念，可以构成现代成形制造科学与技术的发展链（图2）。快速原型（RP）技术是制造大家族中最先产生的制成形造技术，在此基础上，又出现了快速工具、快速模具和快速生物支架制造等等。RM的主要特点有：①产品的三维CAD设计是RM的前提；②无需任何专用工具，产品的设计数据直接驱动RM设备堆积材料而进行成形制造过程；③所完成的是具有使用功能的零件（Functional Parts）；④所完成的功能零件之结构与形状无限制，可以是具有材料梯度、结构梯度和特殊孔隙的复杂形状。快速制造的内涵主要体现为：制造过程中信息过程与物理过程相统一、材料制备与材料成形相统一、结构梯度与材料梯度相统一。由于这些统一，使得RM具有非常光明的应用前景。 快速制造技术的类型繁多，许多还处于研究阶段，已经或即将在工业实际中得到应用的相关的主要工艺有：高能束流（激光束、电子束）金属直接熔敷/烧结成形、基于电沉积的纳米结构金属零件制造、基于激光的化学沉积的金属零件制造等。近年来国内外RM的发展非常迅速，在新材料、新工艺、新应用等方面都得到了开拓和发展，可以说,快速制造正逐渐成为一种新的生产方式。如德国EOS公司的Direct Steel 20-V1、美国密西根大学的DMD (Direct Metal Deposition)的POM (Precision Optical Manufacturing)、AeroMet的MIS System Corp开发的LAM(laser Additive Manufacturing)、我国清华大学激光加工中心、有色金属研究总院、625研究所均在金属直接熔敷/烧结成形取得大量成果，成形件的内部质量及精度均超过传统铸、锻的水平。美国斯坦福大学的Prinz等采用形状沉积制造（SDM）工艺直接制造出含复杂内流道的多组元材料注射模，经过一定的后处理之后，模具的尺寸精度与表面光洁度均达到要求，而这种注射模由于包含其它方法所不能做到的内流道，注射时的冷却效果非常好，因此受到人们的重视。 由RP向BM的发展 世纪之交，在制造科学和生命科学的交叉领域产生了生物制造的新的方向，它基于快速成形制造的理念，在宏观尺度、细胞尺度和分子尺度的科学层次上，通过受控组装完成组织、器官与仿生产品的组装制造和组织工程培养，与此相关涉及了从设计、制造、材料、工艺和设备到信息化等各项技术。目前已经开始用于辅助诊断和手术规划的体外人体器官、组织模型设计与制造；人体器官和组织的再生修复；以及在生理环境下组装成生物活体、组织等广泛的领域。具体可以将它分为狭义和宽泛的两种定义。狭义的定义为：主要指生物体制造，是运用现代制造科学和生命科学的原理和方法，通过单个细胞或细胞团簇的直接和间接受控组装，完成具有新陈代谢特征的生命体成形和制造，经培养和训练，完成用以修复或替代人体病损组织和器官。宽泛的定义为：包括仿生制造、生物质和生物体制造，涉及到生物学和医学的制造科学和技术均可视为生物制造。 组装技术是生物制造的核心。细胞需要在计算机的直接操纵或间接控制下，根据设计装配成活的“零件”。从本质上说，生物制造就是用包括活的单元在内的各种单元来实现制造。现在人们可以在体外大量培养增殖各种细胞，但是将各种细胞按其特定的结构和功能进行装配，形成一定形态的结构，从而实现其生理学功能，还有一些困难，是一项极具挑战性的任务。然而，完成此任务并没有不可逾越的鸿沟。细胞可以通过各种操纵手段直接组装起来，也可以通过支架中所包含的生物信息的诱导作用间接组装起来。具体的组装工艺和相关的设备研发是生物制造的重要内容。 RP在组织工程支架成形中的应用 目前组织工程支架的成形大都采用手工方式，只能成形长方体、圆柱体、球体等简单几何形状的孔隙体，还没有专用的管网结构支架的成形设备。手工方式效率低下，不同批次之间质量差异大，无法完成复杂形状的精密成形，成形效果主要依赖于操作者的熟练程度。而采用计算机控制的机械加工方式可以使支架的成形更为稳定高效，特别是当组织工程进入临床后，大批量的临床需求使机械加工方式的采用更显迫切。 由于组织工程支架的复杂性，特别是管网结构支架的空间内腔的成形，传统的成形加工无法满足需要，基于离散/堆积原理的RP技术是组织工程支架理想的成形方式。所谓离散/堆积是将原料制成小尺度的加工单元，然后将加工单元以一定的方式堆积粘连成三维结构，得到成形件。计算机控制的RP设备不存在加工死角。RP加工更大的优势在于它适用的材料广泛。组织工程支架所使用的材料种类繁多，按材料的成分和性质可将其分为医用金属和合金、高分子生物材料、生物陶瓷、生物复合材料等，其形态又有固体、液体、凝胶等。对RP而言，只要材料能分离成一定尺度的加工单元，又能以一定的方式粘连起来，它就可以用RP技术来加工。 结论 当前，我国在快速制造和生物制造方面与国际先进水平并无很大的差距，在某些方面还保持着自己鲜明的特点，有一定的优势。通过国际学术交流，可望取得更大的进步，主要表现在： （1）进一步促进我国RPM技术的应用，提高我国RPM设备的国际竞争力，RP设备展示会将起到此作用； （2）提高我国高等院校、研究院所在RM方面的科研水平，特别是金属零件的直接制造，而新型喷射技术、直写技术和微单元的制造、装配技术等与RP工艺的集成，可促进RPM产业发展； （3）RPM技术用于生物材料甚至直接应用于细胞，拓宽了RPM 的领域，发展成为生物制造，可保持我国的先进及在某些方向上的领先地位。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/26/2008)