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加成法制造可用原材料的变革与新型主流制造系统 |
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作者：上海富奇凡机电科技 王运赣 来源：雅式工业专网 |
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加成法制造（Additive Fabrication）基於添加式自由成形原理，是制造业近二十年来最重要的一种成形方法新发展，但是由於可用原材料的局限性导致了这种方法致命的弱点。开发可用多种多样原材料的新型加成法制造系统，实现功能器件的自由成形，是创造加成法自由成形工艺新辉煌的方向。
加成法制造是快速成形（Rapid Prototyping）和快速模具（Rapid Tooling）制造的总称，它们都是基於添加式自由成形原理。加成法制造常用的原材料与所用制造系统（即快速成形机）的类型有密切的关系，目前，典型商品化的快速成形机有激光固化(SLA) 、熔融挤压（FDM）、三维打印(TDP)、激光烧结(SLS)和激光切纸(LOM)等5种。
最常见的快速模具是矽橡胶模，它可以用快速成形机制作的工件作为母模，然後借助母模和真空浇注机成形矽橡胶模，这种矽橡胶模可以用於浇注双组分聚氨酯材料并经反应成形塑料件。
可用原材料的局限性是现有加成法制造的致命弱点
加成法制造的过程中所用原材料往往有较大的温度变化、相变（固相-液相或液相-固相）或化学反应，因此工件不可避免地会有翘曲变形；同时，由於加成法的基础是逐层添加成形，所以必然存在“台阶效应”，即使选取尽可能小的层高，在工件表面上的“阶梯”仍无法消除。
上述两个因素使得快速成形工件的精度不可能达到切削加工的水平，通常尺寸精度只有±0.1mm左右。
典型商品化的快速成形机可用的原材料基本上是由制造商专门制作的，其品种、型号和性能十分有限；矽橡胶模可以用於浇注成形的塑料的品种与性能也是非常有限。因此，快速成形工件的性能也难於有显着的提高，无法与切削加工竞争。
现有加成法制造可用原材料的局限性可归纳为以下两方面：
（1）可用原材料的成分并非用户工件真正所需材料的成分，性能往往有较大的差别，通常快速成形工件只能是“形似”的样品，不可能是“神似”的功能器件。
（2）可用原材料的形态、尺寸有很大的限制，例如，激光固化快速成形机(SLA)只能用某些液态光敏树脂，熔融挤压快速成形机（FDM）只能用一定直径的某些塑料丝，三维打印 (TDP) 和激光烧结 (SLS) 快速成形机只能用某些粉材，激光切纸快速成形机 (LOM)只能用某些涂覆黏结剂的纸。矽橡胶模可以用於浇注成形的原材料只能是某些液态双组分聚氨酯。
开创新辉煌：开发可用原材料广泛的新型加成法制造系统
变革加成法制造可用原材料和创造新型加成法制造系统的目标是，使基於加成法制造的系统能广泛、方便、有效地成形各种新型功能器件（functional device）。
用加成法自由成形工艺直接制作新型功能器件的首要关键是：实现成形工艺的系统必须能采用成分、形态和规格广泛的多种成形原材料。其中，成分涉及有机、无机、金属、非金属等类材料中的诸多成分，形态涉及固态、液态、流体、胶体、悬浮液等，规格涉及不同尺寸和不同黏度范围等。
为实现上述目标，通过以下几种途径使原材料变成流体，以便能顺利地从喷头中微小的喷嘴射至基材上，然後借助不同的措施使流体材料固化成形：
将可溶化原材料配成溶液，喷射後借助溶剂挥发而固化成形，或者借助冷冻而固化成形。
将可熔化原材料加热成熔融状，喷射後借助降低至室温而固化成形。
将可实现化学反应的两种原材料配成液体，喷射後借助化学反应而固化成形。
将不能溶化的金属或非金属（如陶瓷）微粒用分散剂配成胶体或悬浮液，喷射後借助加热使分散剂挥发、金属或非金属微粒烧结而固化成形。微粒最好呈纳米状，以便能在较低温度下烧结。
新型加成法制造功能器件的主流系统
为实现上述4项措施，目前新型加成法制造功能器件的主流系统有以下两种：
1.以多喷嘴压电式喷头为核心的加成法制造系统
压电式喷头（piezoelectric jet，见图1）广泛用於喷墨打印机，随着个人计算机的普及与发展，这种喷头的性能有了显着的提高，其喷嘴直径和相邻间距可缩小至微米级，有非常高的打印分辨率，喷射的液滴容积可以小至皮升级（pL,1pL=10-12L）。
图1 压电式喷头
为适应工业领域高生产率的需求，一个70mm长的压电式喷头上已经可以制作出1000个微细喷嘴（见图2），并且可以组成喷嘴阵列，实现无需扫描运动的单程打印，其打印速度可达25m/min以上。
图2 多喷嘴压电式喷头
与上述喷头配套的各种各样“墨水”也正在商品化。采用这些“墨水”可以直接成形功能机电器件、功能陶瓷器件、功能梯度材料构件和功能生物医学器件等，例如打印形成PCB板上的字符、阻焊层、电路图形或元器件（电阻、电容、电感、传感器、显示器、RFID电子标签等），以及功能生物医学器件中的组织工程支架等。
2.以电机助推微注射器式喷头为核心的加成法制造系统
上海富奇凡机电科技有限公司经过多年的努力，研制了以MAM（Motor Assisted Microsyringe，电机助推微注射器）为核心的加成法制造系统（见图3）。
图3 以电机助推微注射器式喷头为核心的加成法制造系统
这种系统可以配置1～3个喷头，喷头为全不锈钢结构，喷射推力大；能喷射用户自行设计或选择的由聚合物、金属或陶瓷等构成的溶液（水溶液或溶剂溶液）、胶体、悬浮液、浆料或熔体；喷头中设有加热装置（最高可达250℃），能根据需要通过加热改变原材料的黏度，以便获得所需喷射性能的流体；喷嘴不易堵塞，可快速、方便地进行拆卸、清洗和安装；料筒易於清洗，可方便地更换其中的成形原材料；系统运行时，可实时在线调整喷头的加热温度、喷射流量和移动速度，以及工作台的移动速度，以便优化成形工艺；工作台上还可设置附加中空冷却/加热台，能通入循环冷却介质或加热介质，以便冷却/加热正在成形的工件。因此系统有很强的通用性和适应性，能广泛用於各种工件的自由成形（快速成形），特别是组织工程支架、功能梯度材料构件、功能机电器件和功能陶瓷器件等的自由成形。
随着新型加成法制造系统的迅速发展，这种工艺必然可以突破可用原材料的局限，为成形新型功能器件创造极为有力的手段。(end)
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(5/18/2010) |
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