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快速成型与制造技术发展现状与趋势
作者:北京化工大学 李鑫 邵茂官 张冰    来源:雅式工业专网
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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, ...
20世纪70年代末到80年代初期,美国3M公司的Alan J.Herbert (1978年)、日本名古屋市工业研究所的小玉秀男(1980年)、美国UVP公司的Charles W. Hull(1982年)和日本大阪工业技术研究所的丸谷洋二(1993年),各自独立地提出了快速成型(Rapid Prototyping-RP)的技术设想,即利用连续层的选区固化生产三维实体。在1984年Charles W. Hull申请了世界上第一台SLA设备(SLA-1)的专利,并且于1986年获得通过(美国专利号US4,575,330),这标志着RP技术从研究阶段进入了使用阶段。

快速成型技术的分类

快速成型技术有许多实现方式,其不同实现方式和通用技术如图1所示。

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图1 快速成型技术分类

如图2所示,快速成型技术的一般步骤是:首先利用三维造型软件设计出产品的三维实体模型(通常为如STL、DXF、IGES、STEP等资料格式),再利用RP处理软件将设计出的三维实体模型离散、分层,然后将离散后的数据输入RP设备进行制造。

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图2 分层资料生成示意图

尽管各种快速成型技术的一般步骤都是相同的,但不同的工艺过程其生产制品的方法都不同,RP工艺可以分为以下几种类型。

立体光成型技术(SLA)

自1984年第一台立体光成型RP设备问世以来,SLA已经成为了RP技术中发展最成熟、研究最深入、应用最广泛的一种成型技术。图3是 SLA成型原理的示意图。

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图3 SLA的成型原理示意图。(来源:美国专利4,575,330)

立体光成型技术的基本原理是利用光敏树脂的特性,利用紫外光照使液体树脂分层固化,每层固化树脂的形状由RP软件确定,由计算机控制激光柱在X-Y方向上移动。每层固化完毕后,升降台(图中部件29)向Z方向移动,以便激光柱成型下一层树脂。若制品是实体件,根据制品的形状仅成型制品外部,再将制品移至紫外线箱进行照射,使制品内部可以固化。

分层实体制造技术(LOM)

分层实体制造技术的基本原理是利用在一定条件下(如加热等)可以粘结的带状材料(通常使用纸或者陶瓷基材料或者金属材料),利用激光,切割出按照RP软件离散出的各层形状。再使各层粘合成为一个整体。

如图4所示,设备工作时,热压辊滚过料带,使之与上一层已加工料带或者升降台粘合。然后激光射器在料带的工作平面上切割出工作外框,并在工作外框内切割出制品在该层的形状。切割完成后,升降台下降同时供料以完成下一次切割。如此重复后,取出多余物料即可得到所需形状的制品。

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图4 LOM工作原理示意图(资源来源http://www.rpyinhua.com)

熔丝沉积制造(FDM)

1993年美国Stratasys公司开发出了第一台基于熔丝沉积制造的设备FDM-1650。FDM设备用丝状的高聚物(也可以用蜡等其它材料)作为原料,用一个熔融头将高聚物熔融至略微大于其熔点的温度。喷头在将熔融物料挤出的同时在X-Y方向上运动使熔融的物料能够堆积在上一个已经成型的片层上形成所需要的形状。物料堆积成型后,由于温度仅仅略高于其熔点,物料可以很快固化以便下一个片层成型。

选择性激光烧结(SLS)

首台选择性激光烧结设备由美国得克萨斯大学奥斯丁分校的C.R. Dechard于1989研制成功。与立体光成型(SLA)工艺不同,选择性激光烧结工艺成型时物料经历的是物理变化,而非SLA的化学变化。而且其激光发生器和材料的选择也与SLA不同,SLS工艺所需要的激光功率较SLA大,材料也比较宽泛,几乎任何能在激光下粘结的材料均可以作为选择性激光烧结的材料。SLS所用材料为粉末状,将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面,并刮平;用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面;材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起,得到零件的截面,并与下面已成形的部分粘接;当一层截面烧结完后,铺上新的一层材料粉末,选择地烧结下层截面。

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图5 SLS原理示意图

三维印刷工艺(3DP)

1989年,美国麻省理工学院的Emanuel M. Sachs和John S. Haggerty等在美国申请了三维印刷技术的专利,这一专利成为日后该领域的核心专利之一。此后,Emanuel M. Sachs和John S. Haggerty又多次对该技术进行修改和完善,形成了今天的三维印刷快速成型工艺。

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图6 3DP工艺原理简图

3DP工艺与选择性激光烧结工艺(SLS)有很多相似之处:都是将粉末材料选择性地粘结成为一个整体。其最大的不同之处在于3DP不用将粉末材料熔融,而是通过喷嘴喷出的粘合剂粘合在一起的。其工艺过程通常是:上一层粘结完毕后,成型缸(图中14)下降一个距离(等于层厚),供粉缸(图中18)上升一段高度,推出若余粉末,并被铺粉辊推到成型缸,铺平并被压实。喷头(图中15)在计算机控制下,按照下一个建造截面的成形资料有选择地喷射粘结剂建造层面。铺粉辊(图中13)铺粉时多余的粉末被粉末收集装置(图中未标出)收集。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂,最终完成一个三维粉体的粘结,从而生产制品。

RP制造的几个问题分析

由于快速成型制造是将制品离散成为相互独立的层并将各层独立制造,这就使快速成型工艺具有其它传统制造工艺所不具备的特点。

复杂的几何外形

快速成型制品最具有诱惑力的特点就在于制品几何外形几乎没有任何限制,具有极大的独立性和自由度,比如倒凹形的、外伸形的、自由形式以及基本的几何形状都可以用快速成型技术实现。例如使用SLS工艺,由于不需要支架,同时零件也不需要夹具而可以在加工位置上摆放成任意位置,这样SLS就可以向被加工件提供近乎无限的几何可能性。

另一方面,利用快速成型技术可以制造从微型尺寸到较大尺寸的各种制品。制品的尺寸大小取决于工艺的选择:SLS、SLA、FDM通常用于中型部件的制造,考虑到工艺的执行和经济方面的原因和大尺寸件的使用性能,用这些工艺制作尺寸非常大的制品则会有所限制。现在,使用SLS方法或者激光烧结层增加工的金属部件,其典型尺寸通常限制在200-300mm。三维立体印刷(3DP)方面则可以成功制作尺寸在1000×500×250mm的部件。使用SLS方法(粉末烧结法)制作的高聚物部件尺寸可在700-800mm之间。使用光聚合物进行制造的SLA原型法可制造尺寸达2200mm的单个制品。LOM方法在制作尺寸比较大的零件方面有其独特的优势。在制作微型零件方面,快速成型工艺有其独特的发展方向。比如SLS工艺,如果使用直径很小的激光光束则有可能制出尺寸很小的制品。

由于高聚物快速成型技术不需要和传统加工方法相类似的模具,这就令使用快速成型制造客户定制制品比传统工艺有明显的经济性。这一特色与制品的复杂几何结构一起,为快速成型在医疗领域的应用指明了道路。这种几何上的高柔度也为RP与传统加工方法的结合提供了可能。这也是目前RP技术的发展方向之一。以前制造薄壁狭长型零件只能用EMD(电火花成型)工艺,而现在RP可以为这种零件的制造提供完整的解决方案。

RP工艺的新特性就必然带来设计制造的新理念。这就是层加工设计(DLM)。

层加工设计(DLM)、反求工程(逆向工程)

快速成型工艺为制造几何形状复杂的零件提供了一个全新的解决方案,这也就需要设计者按照新的方法思考产品的设计和加工。

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图7 用于RP工艺的高分子材料性能

由于快速成型工艺加工的制品其外形几乎是不受限制的,这样一来一些传统加工方法无法加工或者很难加工的零件特征(比如说内凹、内尖角、狭长薄壁等)可以很容易地制造出来。为了能够令RP技术发挥其所有的优点,设计人员必须重新考虑设计零件的方法,从而使这些工艺的自由设计特性能够全部发挥出来。RP工艺可以为制造轻型或者不活动件(例如使用SLS技术制造多孔制品)、制造几何形状复杂的制品(应用于所有LM工艺)提供更多的机会。这种自由设计的特点可以对用户定制产品、医学设备仪器、航空航天设备和微电子机械系统(MEMS)等等领域提供更广泛的应用空间。上述所有关于自由设计的问题都要求专门的面对RP技术的CAD软件有进一步的发展。设计工具的改良和设计人员设计理念的改变都有助于发挥RP技术的特性。

除了直接设计所需要制品的模型外,工程人员还常根据已有实物设计,这就是反求工程(逆向工程)。快速检测及三维CAD重构技术提供了由实物直接获得CAD模型的途径。检测的方法一种是CMM(三坐标测量机)方法,CMM法检测精度高,但较慢,有时还必须事先知道曲面形状,以编制CNC检测程序。一种是激光扫描法,它采用光刀法或振镜法实现每个截面的扫描,用CCD传感器摄像,获得密集的资料。这种方法的精度稍差,目前可达0.05mm。另一缺点是有光学上的死点,对零件的内表面无能为力。第三种方法是层切法。这是RP生长成型的逆过程。它用充填剂将零件内外封装起来,用铣刀一层层铣出截面来,CCD摄象获得截层资料,精度可达到0.02mm,可以满足工程所需的精度要求。

材料

不同RP工艺间最大的区别之一就是材料的选择,材料与RP工艺过程间有很强的联系。对于LOM,其所选择的材料应该是在一定条件下能够互相展合的薄层材料——比如说涂有热熔胶的纸材和陶瓷基材料。而SLS所选材料的范围就较其它工艺宽,几乎所有在激光作用下可粘结的粉末材料都可以作为SLS的材料。常用的有热塑性高分子粉末、铸造用粉末蜡、金属粉末和表面涂覆有热熔胶的陶瓷粉末等。3DP适用的材料和SLS基本相同。SLA选择的材料和其它工艺都有所不同,相比其它工艺,SLA生产过程是化学变化而不是物理变化,因此SLA选择材料的原则是:固化速度快,对激光有较快的吸收和响应速度;固化时收缩小;一次固化程度高;固化产物耐溶剂性能好。

尽管可供LM工艺选择的材料范围很宽泛,但为了使RP基本材料(粉末材料和液体高聚物)能够达到与使用传统加工方法加工的材料具有相同的强度和其它性能(如热性能和化学性能),则需要进一步的研究。希望有一天,由于RP工艺所具有的材料复合与粉末冶金材料特性,材料的性能能够超过传统加工方法。目前在RP材料方面,有两个研究方向:金属、高分子材料和陶瓷、复合材料。目的都是使RP制品的性能可以和传统加工方法相比,甚至利用RP的优势(材料复合)使制品性能得到很高的提升(相比传统工艺)。

快速成型工艺的应用

RP技术经过20年的发展,从设备、工艺到材料等各个环节都取得了长足的进步,在工程和教学研究等应用领域也有其独特的地位。图8所示为RP技术在不同行业中的应用分布。

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图8 RP技术在不同行业中的应用

从图中可以看到,RP技术在制造工业中应用最多,达到67%,说明RP技术对改善产品的设计和制造水平的巨大作用。下面列举几个应用实例。

医学应用

快速成型技术独特的制造方法和个性化定制等特性,使其在医学上有很大的发挥空间。比如牙齿、骨骼、医学器械和植入管的定制等。

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使用SLS技术生产用户定制助听器

图9为文献中介绍的使用SLS技术制造助听器的一个应用实例。显然,应用上的一些特殊性使设计者应该更多考虑材料的性能。在这个例子里,色后的PA-12材料能够符合包括机械性能与皮肤的兼容性等在内的一系列要求。这种加工方式使得助听器能够更好地适应不同病人对助听器外形的要求。另外,快速成型技术在牙科方面也有广泛的应用。

制造领域

如前所述,快速成型技术在制造领域应用最多,达到了67%,一方面显示出了RP技术在生产制造业独特的优势,另一方面也显示出了制造行业对新技术、新工艺的需求。严格来说,目前RP技术应用在制造领域中的方式并不是前文所定义的快速制造(RM),即并不是利用RP设备直接制造不经过再加工即可使用的制品。通常RP技术在制造业的应用主要在产品试制和试验阶段(57%),比如功能检测和装配检测等。同时,也有利用RP技术直接制造的例子。波音公司建立了一整套的“定制生产(Production On Demand-POD)”生产流程,可以在很短时间内制造传统加工方法很难加工的航空航天工业中的导风管道。

RP技术的发展

就目前RP技术的发展来说,其生产的制品在表面粗糙度、精度、可重复性和制品质量方面与传统制造方法均存在差距。这也是现在RP技术发展的一个重要的方面。

现存的RP工艺以及工艺链条都必须经历一段发展以实现一个可靠、安全的技术,来达到工艺所要求的精度和质量。上文提到的RP工艺都有几乎相同的精度(0.1-0.2mm/100mm)和粗糙度(Ra 5-20μm)和较低的可重复性。进一步的改进应该从机械设计方面开始手,可以通过技术回馈系统来实现。为了提高制品的质量,将出现RP工艺和传统工艺相结合的复合工艺设备。

在设备本身和材料方面,目前研究的主要方向大多集中于加工方法、加工设备、激光发生器和材料等方面,目的在于提高制品的强度、耐久性和精度,同时也力于提高生产制品的周期方面。

这些研究,终究会为快速成型到快速制造的过渡提供强大的动力。

快速成型技术经过20余年的发展目前已经在加工方法、材料等方面取得了研究方面的突破。在市场推广方面,也取得了一定成绩。但是就从快速成型(RP)到快速制造(RM)的过程来看,进展仍不理想。

在市场方面,2001年快速成型技术已经生产了近350万套模具和产品原型,并在此后以每年20%的速度稳定增长。每年均有1,000-1,500套快速成型设备出售。同时,全球有400家RP服务机构提供RP服务。但快速成型的市场容量仍然远远低于10亿美元,这和电火花加工设备(EDM)每年15-20亿美元的销售额相比仍然很低。而市场的扩大,则在很大程度上与设备技术研发以及适用材料的开发密不可分。

在研究方面,由快速成型技术演变而来的快速制造技术仍显稚嫩,但这一转换的潜力显然相当大,而且该技术现在正处于研究发展和市场开发相结合的阶段,通过其它制造技术的经验来看,RP/RM技术的前景很广阔。RP/RM技术的突破,如前所述,应该是在保持现有技术优势的情况下,不断降低生产制造成本和提高生产率。这就需要在材料性能上,尤其是制品精度、可靠性以及制品的可重复性方面取得突破。 (end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (10/20/2008)
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