快速成形技術的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

快速成形技術的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢快速成形(RapidPrototyping簡稱RP)技術是采用逐點或逐層成型方法制造物理模型、模具和零件的一種先進制造技術。它是計算機輔助設計及制造技術、逆向工程技術、分層制造技術(SFF)、材料去除成形(MPR)、材料增加成形(MAP)技術以及它們的集成。通俗地說，快速成形技術就是利用三維CAD的數(shù)據(jù)，通過快速成型機，將一層層的材料堆積成實體原型。一、快速成形技術的原理及特點快速成型的過程是首先生成一個產(chǎn)品的三維CAD實體模型或曲面模型文件，將其轉(zhuǎn)換成STL文件格式，再用軟件從STL文件“切”出設定厚度的一系列的片層，或者直接從CAD文件切出一系列的片層，這些片層按次序累積起來仍是所設計零件的形狀。然后，將上述每一片層的資料傳到快速自動成型機中去，類似于計算機向打印機傳遞打印信息，用材料添加法依次將每一層做出來并同時連結各層，直到完成整個零件。因此快速自動成型可定義為一種將計算機中儲存的任意三維型體信息通過材料逐層添加法直接制造出來，而不需要特殊的模具、工具或人工干涉的新型制造技術?？焖俪尚图夹g徹底擺脫了傳統(tǒng)的“去除”加工法，部分去除大于工件的毛坯上的材料來得到工件。而采用全新的“增長”加工法“用一層層的小毛坯逐步疊加成大工件，將復雜的三維加工分解成簡單的二維加工合成，因此，它不必采用傳統(tǒng)的加工機床和工模具，只需傳統(tǒng)加工方法的10%~30%的工時和20%~35%的成本，就能直接制造出產(chǎn)品樣品或模具。由于快速成型具有上述突出的優(yōu)勢，所以近年來發(fā)展迅速，以成為現(xiàn)代先進制造技術中的一項支柱技術，實現(xiàn)并行工程的必不可少的手段。它具有以下特點：制造成形所用的材料不限，各種金屬和非金屬材料均可使用；成形的復制性、互換性高；制造工藝與制造原型的幾何形狀無關，在加工復雜曲面時更顯優(yōu)越；加工周期短，成本低，成本與產(chǎn)品復雜程度無關，一般制造費用降低50%，加工周期節(jié)約70%以上；高度技術集成，實現(xiàn)了設計制造一體化。二、快速成形技術的分類（一）光固化立體造型。該技術以光敏樹脂為原料，計算機控制下的紫外激光按預定零件各分層截面的輪廓為軌跡逐點掃描，使被掃描區(qū)的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應，從而形成零件的一個薄層截面。當一層固化完畢，移動工作臺，在原先固化了的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂以便進行下層掃描固化。新固化的一層牢固地黏合地層上，如此重復至整個零件原型制造完畢。（二）分層物件制造。LOM工藝將單面涂有熱溶膠的紙片通過加熱輥加熱粘接在一起。位于上方的激光器按照CAD分層模型所獲數(shù)據(jù)，用激光束將紙切割成所制零件的內(nèi)外輪廓，然后新的一層紙再疊加在上面通過熱壓裝置和下面已切割層粘合在一起，激光束再次切割，這樣反復逐層切割、黏合、切割……直至整個零件模型制作完成。（三）選擇性激光燒結。在工作臺上均勻鋪上一層很薄的粉末，在計算機控制下按照零件分層輪廓有選擇性地進行燒結，一層完成后再進行下一層燒結。全部燒結后去掉多余的粉末，再進行打磨、烘干等處理便獲得零件。目前成熟的工藝材料為蠟粉及塑料粉，用金屬粉或陶瓷粉進行粘結或燒結的工藝還正在實驗階段。（四）熔融沉積造型。FDM噴頭受CAD分層數(shù)據(jù)控制使半流動狀態(tài)的材料中擠壓出來，凝固形成輪廓形狀的薄層每層厚度范圍在0.025?0.762mm，一層疊一層最后形成整個零件模型。三、快速成形技術的應用及發(fā)展趨勢（一）快速成形技術的應用?？焖僭图夹g適應制造業(yè)制造模式向多品種、小批量、柔性生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展的要求。橡塑材料的注塑成型是制作橡塑制品的典型方法之一，其中注塑模具是決定產(chǎn)品質(zhì)量和成本的關鍵因素，該類模具在種類繁多的模具中具有一定的代表性，利用快速原型技術制作注塑模具，可視生產(chǎn)需要，采用不同的工藝路線?？焖俪尚渭夹g還可應用于計算分析與試驗模型，例如，對有限元分析的結果可以做出實物模型，從而幫助了解分析對象的實際變形情況。同時模型設計和制造是建筑設計中必不可少的環(huán)節(jié)，采用快速原型技術可快速準確地將模型制造出來。在醫(yī)學領域，數(shù)字成像技術在臨床診斷中得到了越來越廣泛的應用。如采用計算機輔助斷層成像、磁共振成像、三維B超等技術對人體局部進行掃描，可獲得器官的截面形狀，還可對器官進行計算機三維重建。（二）快速成形技術的發(fā)展趨勢。（1）產(chǎn)品設計：根據(jù)RP的基本概念，它是由產(chǎn)品的CAD模型數(shù)據(jù)直接驅(qū)動，可完成任意復雜程度的產(chǎn)品或原型。從過程的前半部看，它是一種典型的虛擬制造。（2）非均質(zhì)材料：傳統(tǒng)的機械零件通常是用均質(zhì)材料制造的，由于零件在接觸表面區(qū)會有更大的磨損或破壞，因此人們采用表面處理或表面層技術，此時實際上已經(jīng)不是均勻材料了。但是這里談的是具有成分梯度和（或）性能梯度的非均質(zhì)材料。采用RM技術，非常容易實現(xiàn)在不同區(qū)域使用不同種類、不同成分的材料，亦可以在基材上沉積其他材料的固溶體。（3）客戶定制：由于RM無需在開發(fā)新產(chǎn)品時首先進行設計、制造工、模具，因此大大增強了設計、制造過程的靈活性，使得客戶定制的理念得以實現(xiàn)。不僅能夠達到小批量、多品種，而且可以靈活地按照客戶的具體要求對產(chǎn)品作各種各樣的修改。（4）及時制造的生產(chǎn)模式：傳統(tǒng)的及時制造與快速制造，這兩者有著本質(zhì)上的不同，對于傳統(tǒng)的制造模式，以前所談論的及時制造實際上只是一種管理層提出的概念，其實并不能做到真正及時?，F(xiàn)在，基于RM，一方面由于從設計到制造的環(huán)節(jié)大為減少，另一方面是減少工、模具的設計與制造而大大節(jié)省了時間，因此可以真正采用及時制造這種先進的生產(chǎn)模式。（5）通過網(wǎng)絡的制造：互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，使得異地制造真正成為可能，RM為通過網(wǎng)絡的制造提供了廣闊的道路。（6）直接快速制造：由RP堆積金屬（黑色金屬、有色金屬及其他耐高溫合金等）的難度決定了直接快速制造在未來的3~4年內(nèi)無法在快速模具領域中占據(jù)統(tǒng)治地位。這一期間內(nèi)，主要還是間接快速模具技術占統(tǒng)治地位。但是，隨著大功率激光燒結、激光同軸送粉等技術的完善，直接快速制