快速成型与制造技术之历史、现在和未来 - 文章

快速成型与制造技术之历史、现在和未来

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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快速成型（RP）技术距今已有超过20年历史，关於这一技术的各种工艺过程以及相关概念的发展已日臻成熟。本文娓娓道来这一技术工艺的发展历程，并结合应用实例予以说明，探讨了快速成型如何才能达成向快速制造（RM）的过渡。

3D System公司的Alan Herbert在上世纪70年代提出快速成型（Rapid Prototyping-RP）的思想。1986年，Charles Hull发明了用于直接制造三维零件的设备（美国专利号4575330），这成为现在立体激光烧结（SLA）设备的雏形，也标志了快速成型技术从理论设想跨入实际应用。此后20余年间，快速成型技术迈入快速发展期（如表1）。

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表1所示的快速成型技术有一个共同特点，即用RP软件将使用CAD实体造型软件（如UG等）设计的产品三维模型分层，并用RP设备将产品分层制造出来。这也是RP技术通常被称作增层制造（Layer Manufacturing-LM）的原因。通常，这些设备使用相同的虚拟数字数据库，如基于实体造型的3D CAD模型，而且这些模型都采用通用数据格式（如STL、DXF、IGES、STEP等），目前更先进的方法正在研究中。

Rudgley M将快速制造定义为：“用加成制造方法制造最终实用产品的制造技术”，即利用快速成型技术制造所需的适合生产要求的产品。快速制造是目前快速成型技术的一个发展方向，但其本身现在还有很多尚待改进之处。

快速成型技术及其分类

20世纪70年代末到80年代初期，美国和日本的四位研究人员各自独立地提出了快速成型（RP）的技术设想，即利用连续层的选区固化生产三维实体。

在图1中，快速成型技术的一般步骤得以展示：首先利用三维造型软件设计出产品的三维实体模型，再利用RP处理软件将该三维实体模型进行离散、分层，然后将离散后的数据登录RP设备进行制造。

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图1 分层资料生成示意图（*引自日语文献）

尽管各种快速成型技术的一般步骤都相同，但不同的工艺过程其生产制品的方法则有所不同，以下列出RP工艺的几种类型。

1. 立体光成型技术（SLA）
自1984年首台立体光成型RP设备问世以来，SLA已发展为RP技术中最成熟、研究最深入、应用也最广的一种成型技术。

其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紫外线照射，以使制品内部能够固化。

2. 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）可以黏结的带状材料（通常使用纸或陶瓷基或金属材料），运用激光切割出按照RP软件离散出的各层形状，随后再使各层黏合为一个整体。图2为该项技术的原理示意图。

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图2 LOM工作原理示意图

如图2，设备工作时热压辊滚过料带，使之与上一层已加工料带或升降台黏合。然后激光器在料带的工作平面上切割出工作外框，并在该外框内切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。如此重复多次，取出多余物料即可得到所需形状的制品。

3. 熔丝沉积制造（FDM）

1993年美国Stratasys公司开发出了首台基于熔沉积制造的设备，该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，从而形成所需形状。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。

4. 选择性激光烧结（SLS）

首台选择性激光烧结设备由美国于1989年研制成功。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化学变化。而且，其激光生成器和材料的选择也与SLA不同，SLS工艺需要更大的激光功率，在材料选用范畴上也较为宽泛——几乎任何能在激光下黏结的材料均可。

SLS所用材料为粉末状，将材料粉末铺洒在已成型零件的上表面，并刮平；用高强度CO2激光器在刚铺就的新层上扫描零件截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件截面，并与下面已成型的部分黏接；当一层截面烧结完后，铺上新一层材料粉末，选择地烧结下层截面。图3为SLS工艺的原理。

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图3 SLS原理示意图（*引自日语文献）

5. 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等申请了三维印刷技术的专利，这也成为日后该领域的核心专利之一。此后，这两位研究人员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（3DP）工艺。图4为3DP工艺的原理简图。

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黏结成为一个整体。但最大的不同在于3DP无需将粉末材料熔融，而是通过喷咀喷出的黏合剂使其黏合在一起。

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，推出若干粉末，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，按下一个建造截面的成型数据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。

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图4 3DP工艺原理简图

如此周而复始地送粉、铺粉和喷射黏结剂，最终完成一个三维粉体的黏结，从而生产制品。

6. 其它快速成型工艺

以上5种快速成型方式都是目前普遍使用的工艺，但事实上，在快速成型技术出现至今的20年里，还有其它一些成型工艺，如逐层固化法（SGC）、发泡造形装置及发泡分层技术、多材料复合成型方法等。

快速成型制造的主要特点

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，造就了快速成型工艺与其它工艺所不同的特色。

1. 复杂的几何外形

快速成型制品最具诱惑力的特点就在于在制品几何外形方面几乎是不受限制。利用这一工艺可制造出几何形状具有极大独立性和自由度的制品，比如倒凹形、外伸形、自由形式以及各种基本的几何形状等。例如使用SLS工艺加工时无需支架，同时零件也不需要夹具而可在加工位置上摆放成任意位置，这意味，SLS能够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制造出从微型直至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通常用于中型部件制造，因为考虑到工艺执行和经济成本方面的原因，以及大尺寸件的使用性能，用这几种工艺制作尺寸非常大的制品时会有限制。

现在，使用SLS方法或激光烧结成型加工的金属部件，其典型尺寸通常限制在200~300mm。三维立体印刷则可以成功制作尺寸在1000×500×250mm的部件。使用SLS方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方法在制作尺寸较大的零件方面有其独特优势。事实上，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与传统加工方法相类似的模具，这就令通过快速成型制造的客户定制品比传统工艺有明显的经济性。这一特色再加上制品可能实现的复杂几何结构，为快速成型在医疗领域的应用指明了道路。同时，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，并迅速发展为当今RP技术的发展方向之一。比如，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也能为这种零件的制造提供完整的解决方案。

RP工艺的新特性必然会带来设计制造的新理念，层加工设计（DLM）便是其中之一。

2. 层加工设计（DLM）、反求工程（逆向工程）

借助快速成型工艺，一些传统加工方法无法加工或很难加工的零件特征（比如说内凹、内尖角、狭长薄壁等）可以很容易地被制造出来。与此同时，为使RP技术发挥所长，设计人员必须重新考虑设计零件的方法以展现这些工艺的自由设计特性。

值得注意的是，上述所有关于自由设计的问题都要求面向RP技术的专业CAD软件获得进一步发展。设计工具的改良与设计人员设计理念的改变联合作用，方能挖掘RP技术的潜能。

除了直接设计所需制品的模型外，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，它检测精度高但比较慢，有时还必须事先知道曲面形状，以编制CNC检测程序。另一种是激光扫描法，它采用光刀法或振镜法实现每个截面的扫描，用CCD传感器摄像获取密集的数据。这种方法的精度稍差，目前可达0.05mm，还有一个缺点是有光学上的死点，因而对零件的内表面测量无能为力。第三种方法则是层切法——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，通过CCD摄像获得截层数据，精度可达0.02mm，可满足工程所需的精度要求。

3. 快速性

RP技术之所以被称作“快速成型技术”，就在于它生产制品的周期较传统加工工艺短。RP对设计的敏感性很低，即生产的柔性化程度高，制造时几乎不用考虑制品的外形问题，由此可节约大量时间。鉴于此，许多企业运用RP技术制造产品的试验件，以尽快了解产品的性能等参数。

4. 经济性及其它限制因素

尽管多种RP工艺的生产率都有所提高，仍不能满足生产对RP生产率的要求。另外，由于RP工艺所能提供的与它所消耗的极不对等，也导致了颇为夸张的设备和材料损耗。

目前看来，虽然RP技术在产品原型制造和产品试制方面有很大优势，但设备的高昂价格和材料损耗以及与传统工艺在生产率上的差别等因素，都限制了利用RP工艺大规模制造长效制品[也就是上文所提到的快速制造（RM）]的进程。当然，经济性只是很少利用RP工艺制造长效部件的一个原因，其它的主要影响因素还有制品强度、材料、工艺可重复性等等。

5. 材料的选择

不同RP工艺间最大的区别之一就是材料的选择，材料与RP工艺过程之间有很强的联系。比如对于LOM，其所选择的材料应是在一定条件下能互相黏合的薄层材料——例如涂有热熔胶的纸材和陶瓷基材料。而SLS的选材范围就较宽，几乎所有在激光作用下可以黏结的粉末材料都能满足条件。

3DP的适用材料和SLS基本相同。SLA的选材原则是：1）固化速度快，对激光有较快的吸收和响应速度；2）固化时收缩小；3）一次固化程度高；4）固化产物耐溶剂性能好。

为使RP工艺的基本材料（粉末材料和液体高聚物）能与使用传统加工方法加工的材料具备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工艺的材料复合与粉末冶金材料特性，其材料的性能能够反超传统加工方法中的用材。

当前在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制品的性能可与传统加工方法媲美，甚至利用RP的优势（材料复合）使制品性能得到提升。

快速成型工艺的应用

现今RP技术在各个环节都取得了长足进步，在工程和教学研究等应用领域也占有了独特地位，并在不同行业中得到广泛应用，对改善制造业的产品设计和制造水平起到了巨大作用。

1. 医学应用

快速成型技术独特的制造方法和个人定制等特性，使其在医学上找到用武之地，比如牙齿、骨骼、医学器械和植入管的定制等。另外，快速成型技术在牙科方面也应用颇广。

2. 制造领域

快速成型技术在制造领域的应用在其总体应用中占比最大，高达67%，这显示出RP技术在生产制造业中的独特优势，也体现了生产制造对新技术、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设备直接制造出无需再加工便可使用的制品。通常应用在产品试制和试验阶段，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“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。此外，在间接制造（比如制造注射模具等）方面也有广泛应用。

3. 其它

利用RP技术制造的复杂管道可用来测试流体参数，特别对发动机和泵的设计有特殊意义。此外，RP技术在制作艺术雕像、造型等方面也有广阔应用前景。

快速成型技术的发展

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尚存在差距。可以说，现存的RP工艺以及工艺链都还须经历一段时期的发展以实现一个可靠、安全的技术，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），可重复性相对也较低。进一步的改进应该从机械设计方面手，可通过技术回馈系统来实现。可以预见，瞄准提高制品质量的目标，将出现RP工艺和传统工艺相结合的复合工艺设备。

从设备本身和材料方面来看，目前研究的主要方向多集中于加工方法、加工设备、激光发生器和材料等方面，旨在提高制品的强度、耐久性和精度，并改良生产制品的周期。这些研究，终究会为快速成型过渡到快速制造提供强大动力。

结论

快速成型技术已在加工方法、材料等方面取得研究上的突破，在市场推广方面也取得了一定成绩。但仅就从快速成型（RP）到快速制造（RM）的过程来看，进展仍不理想。

目前全球有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，但显而易见，这一转换的潜力相当大，而且该技术正处于研究发展和市场开发相结合的阶段，RP/RM技术的广阔前景值得期待。而RP/RM技术的突破，应该是在保持现有技术优势的情况下，不断谋求降低生产制造成本和提高生产率。这就需要在材料性能上，尤其是制品精度和可靠性以及制品的可重复性方面取得突破。

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/27/2008)


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