快速成型技术论文

快速成型技术及其向产品化生产发展所面临的技术问题

作者：梁江波 葛正浩 厉成龙

前言 在新产品的开发过程中，总是需要在投入大量资金组织加工或装配之前对所设计的零件或整个系统加工一个简单的例子或原型。这样做主要是因为生产成本昂贵，而且模具的生产需要花费大量的时间准备，因此，在准备制造和销售一个复杂的产品系统之前，工作原型可以对产品设计进行评价、修改和功能验证。 一个产品的典型开发过程是从前一代的原型中发现错误，或从进一步研究中发现更有效和更好的设计方案，而一件原型的生产极其费时，模具的准备需要几个月，因此一个复杂的零件用传统方法加工非常困难。 快速成型(Rapid Prototyping)技术是近年来发展起来的直接根据CAD模型快速生产样件或零件的成组技术总称，它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其它方法将材料堆积而形成实体零件。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加。因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任何复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。 一个更为人们关注的问题是一个产品从概念到可销售成品的流程速度。众所周知，在市场竞争中，产品在竞争对手之前进入市场更为有利可图并能享有更大的市场氛围。同时，还有一个更为令人关心的问题是产品的高质量。由于这些原因，努力使高质量的产品快速进人市场就显得极为重要。 快速成型技术问世以来，已实现了相当大的市场，发展非常迅速。人们对材料逐层添加法这种新的制造方法已逐步适应。该技术通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段结合，已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了广泛应用。 1快速成型技术的优点 1)快速成型作为一种使设计概念可视化的重要手段，计算机辅助设计零件的实物模型可以在很短时间内被加工出来，从而可以很快对加工能力和设计结果进行评估。
2)由于快速成型技术是将复杂的三维型体转化为两维截面来解决，因此，它能制造任意复杂型体的高精度零件，而无须任何工装模具。
3)快速成型作为一种重要的制造技术，采用适当的材料，这种原型可以被用在后续生产操作中以获得最终产品。
4)快速成型操作可以应用于模具制造，可以快速、经济地获得模具。
5)产品制造过程几乎与零件的复杂性无关，可实现自由制造,这是传统制造方法无法比拟的。 2快速成型的基本原理 基于材料累加原理的快速成型操作过程实际上是一层一层地离散制造零件。为了形象化这种操作，可以想象一整条面包的结构是一片面包落在另一片面包之上一层层累积而成的。快速成型有很多种工艺方法，但所有的快速成型工艺方法都是一层一层地制造零件，区别是制造每一层的方法和材料不同而已。 2. 1快速成型的一般工艺过程原理 2.1.1三维模型的构造 在三维CAD设计软件(如Pro/EUGSolidWorksSolidEdge等)中获得描述该零件的CAD文件，如图1(a)中所示的三维零件。目前一般快速成型支持的文件输出格式为5TL模型，即对实体曲面近似处理，即所谓面型化(Tessallation)处理，是用平面三角面片近似模型表面。这样处理的优点是大大地简化了GAD模型的数据格式，从而便于后续的分层处理。由于它在数据处理上较简单，而且与CAD系统无关，所以很快发展为快速成型制造领域中CAD系统与快速成型机之间数据交换的准标准，每个三角面片用4个数据项表示，即3个顶点坐标和法向矢量，而整个CAD模型就是这样一组矢量的集合。 在三维CAD设计软件对C.AD模型进行面型化处理时，一般软件系统中有输出精度控制参数，通过控制该参数，可减小曲面近似处理误差。如Pro/E软件是通过选定弦高值(eh-chord height)作为逼近的精度参数，如图1为一球体，给定的两种ch值所转化的情况。对于一个模型，软件中给定一个选取范围，一般情况下这个范围可以满足工程要求。但是，如果该值选的太小，要牺牲处理时间及存贮空间，中等复杂的零件都要数兆甚至数十兆左右的存贮空间。并且这种数据转换过程中无法避免地产生错误，如某个三角形的顶点在另一三角形边的中间、三角形不封闭等问题是实践中经常遇到的，这给后续数据处理带来麻烦，需要进一步检查修补。

图1 不同ch值时的效果
(a) ch=0.05 (b) ch=0.22.1.2三维模型的离散处理 通过专用的分层程序将三维实体模型(一般为5TL模型)分层，分层切片是在选定了制作(堆积)方向后，需对CAD模型进行一维离散，获取每一薄层片截面轮廓及实体信息。通过一簇平行平面沿制作方向与CAD模型相截，所得到的截面交线就是薄层的轮廓信息，而实体信息是通过一些判别准则来获取的。平行平面之间的距离就是分层的厚度，也就是成型时堆积的单层厚度。在这一过程中，由于分层，破坏了切片方向CAD模型表面的连续性，不可避免地丢失了模型的一些信息，导致零件尺寸及形状误差的产生。切片层的厚度直接影响零件的表面粗糙度和整个零件的型面精度，分层切片后所获得的每一层信息就是该层片上下轮廓信息及实体信息，而轮廓信息由于是用平面与CAD模型的STL文件(面型化后的CAD模型)求交获得的，所以轮廓是由求交后的一系列交点顺序连成的折线段构成，所以，分层后所得到的模型轮廓已经是近似的，而层层之间的轮廓信息已经丢失，层厚大，丢失的信息多，导致在成型过程中产生了型面误差。 3快速成型的工艺方法 目前快速成型主要工艺方法及其分类见图2所示。文章仅介绍目前工业领域较为常用的工艺方法。

图2 目前快速成型主要工艺方法及其分类3.1熔积成型法(Fused Deposition Modeling) 如图4所示，在熔积成型法( FDM)的过程中，龙门架式的机械控制喷头可以在工作台的两个主要方向移动，工作台可以根据需要向上或向下移动。热塑性塑料或蜡制的熔丝从加热小口处挤出。最初的一层是按照预定的轨迹以固定的速率将熔丝挤出在泡沫塑料基体上形成的。当第一层完成后，工作台下降一个层厚并开始迭加制造一层。FDM工艺的关键是保持半流动成型材料刚好在熔点之上，通常控制在比熔点高1℃左右。

1，热塑性塑料或蜡制熔丝；2，可在x-y平面移动的FDM喷头；3，塑料模型；4，不固定基座；5，提供熔丝FDM制作复杂的零件时，必须添加工艺支撑。如图5(a)的高度，下一层熔丝将铺在没有材料支撑的空间。解决的方法是独立于模型材料单独挤出一个支撑材料，支撑材料可以用低密度的熔丝，比模型材料强度低，在零件加工完成后可以将它拆除。 在FDA4机器中层的厚度由挤出丝的直径决定，通常是从0. 50mm到0. 25mm(从0. 02in到0. O1 in)这个值代表了在垂直方向所能达到的最好的公差范围。在x-y平面，只要熔丝能够挤出到特征上，尺寸的精确度可以达到0. 025mm(O.OO1in)。 FDM的优点是材料的利用率高，材料的成本低，可选用的材料种类多，工艺干净、简单、易于操作且对环境的影响小。缺点是精度低，结构复杂的零件不易制造，表面质量差，成型效率低，不适合制造大型零件。该工艺适合于产品的概念建模以及它的形状和功能测试，中等复杂程度的中小成型，由于甲基丙烯酸ABS材料具有较好的化学稳定型，可采用伽马射线消毒，特别适于医用。

图5 快速成型支撑结构图
(a)有一个突出截面需要支撑材料的零件；(b)在快速成型机器中常用的支撑结构3. 2光固化法(Stereolithography ) 光固化法是目前应用最为广泛的一种快速成型制造工艺，它实际上比熔积法发展的还早。光固化采用的是将液态光敏树脂固化(硬化)到特定形状的原理。以光敏树脂为原料，在计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面。 成型开始时工作台在它的最高位置(深度a)，此时液面高于工作台一个层厚，零件第一层的截面轮廓进行扫描，使扫描区域的液态光敏树脂固化，形成零件第一个截面的固化层。然后工作台下降一个层厚，使先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂然后重复扫描固化，与此同时新固化的一层牢固地粘接在前一层上，该过程一直重复操作到达到b高度。此时已经产生了一个有固定壁厚的圆柱体环形零件。这时可以注意到工作台在垂直方向下降了距离ab。到达b高度后，光束在x-y面的移动范围加大从而在前面成型的零件部分上生成凸缘形状，一般此处应添加类似于FDM的支撑。当一定厚度的液体被固化后，该过程重复进行产生出另一个从高度b到c的圆柱环形截面。但周围的液态树脂仍然是可流动的，因为它并没有在紫外线光束范围内。零件就这样由下及上一层层产生。而没有用到的那部分液态树脂可以在制造别的零件或成型时被再次利用。可以注意到光固化成型也像FDM成型法一样需要一个微弱的支撑材料，在光固化成型法中，这种支撑采用的是网状结构。零件制造结束后从工作台上取下，去掉支撑结构，即可获得三维零件。 光固化成型所能达到的最小公差取决于激光的聚焦程度，通常是0.0125mm(O.OOO5in)。倾斜的表面也可以有很好的表面质量。光固化法是第一个投人商业应用的RF(快速成型)技术。目前全球销售的SL(光固化成型)设备约占Rl"设备总数的70%左右。SL(光固化成型)工艺优点是精度较高，一般尺寸精度控制在10. 1 mm;表面质量好，原材料的利用率接近100%，能制造形状特别复杂、特别精细的零件，设备的市场占有率很高。缺点是需要设计支撑，可以选择的材料种类有限，容易发生翘曲变形，材料价格较贵。该工艺适合成型制造比较复杂的中小件。 3. 3激光选区烧结(Selective Laser Sinering) 激光选区烧结(Selective Laser Sintering，简称SLS)是一种将非金属(或普通金属)粉末有选择地烧结成单独物体的工艺。该法采用CO:激光器作为能源，目前使用的在加工室的底部装备了两个圆筒： 1)一个是粉末补给筒，它内部的活塞被逐渐地提升通过一个滚动机构给零件造型筒供给粉末;
2)另一个是零件造形筒，它内部的活塞(工作台)被逐渐地降低到熔结部分形成的地方。
首先在工作台上均匀铺上一层很薄(l00~200μm)的粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，从而使粉末固化成截面形状，一层完成后工作台下降一个层厚，滚动铺粉机构在已烧结的表面再铺上一层粉末进行下一层烧结。未烧结的粉末仍然是松散的保留在原来的位置，支撑着被烧结的部分，它辅助限制变形，无需设计专门的支撑结构。这个过程重复进行直到制造出整个三维模型。全部烧结完后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理后便获得需要的零件。目前，成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉，用金属粉或陶瓷粉进行直接烧结的工艺正在实验研究阶段。它可以直接制造工程材料的零件，具有诱人的前景。
SLS工艺的优点是原型件的机械性能好，强度高;无须设计和构建支撑;可选用的材料种类多;原材料的利用率接近100% ,缺点是原型表面粗糙;原型件疏松多孔，需要进行后处理;能量消耗高;加工前需要对材料预热2h，成型后需要5~lOh的冷却，生产效率低;成型过程需要不断充氮气，以确保烧结过程的安全性，成本较高;成型过程产生有毒气体，对环境有一定的污染。SLS工艺特别适合制作功能测试零件。由于它可以采用各种不同成分的金属粉末进行烧结，进行渗铜等后处理，因而其制造的原型件可具有与金属零件相近的机械性能，故可用于直接制造金属模具。由于，该工艺能够直接烧结蜡粉，与熔模铸造工艺相接特别适合进行小批量比较复杂的中小零件的生产。 3.4叠层制造(Lamited Object Manufacturing) LOM(叠层制造)工艺将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起，位于上方的激光器按照CAD分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓，然后新的一层纸再叠加在上面，通过热压装置和下面已切割层粘合在一起，激光束再次切判，这样反复逐层切割一粘合一切割，直到整个零件模型制作完成。该法只需切割轮廓，特别适合制造实心零件。一旦零件完成.多余的材料必须手动去除，此过程可以通过用激光在三维零件周围切割一些方格形小孔而简单化。 L0M工艺优点是无须设计和构建支撑;激光束只是沿着物体的轮廓扫描，无需填充扫描，成型效率高;成型件的内应力和翘曲变形小;制造成本低。缺点是材料利用率低;表面质量差;后处理难度大，尤其是中空零件的内部残余废料不易去除;可以选择的材料种类有限，目前常用的主要是纸;对环境有一定的污染。LOM工艺适合制作大中型成型件，翘曲变形小和形状简单的实体类零件。通常用于产品设计的概念建模和功能测试零件，且由于制成的零件具有木质属性，特别适用于直接制作砂型铸造模。 4 快速成型技术在向产品生产化发展中所存在的主要问题 在制造业日趋国际化的状况下，缩短产品开发周期和减少开发新产品投资风险，成为企业赖以生存的关键。因此，快速成型、快速制模、快速制造技术将会得到进一步发展。 4. 1快速成型技术研究中存在的问题。 1)材料问题.目前快速成型技术中成型材料的成型性能大多不太理想，成型件的物理性能不能满足功能性、半功能性零件的要求，必须借助于后处理或二次开发刁"能生产出令人满意的产品。由于材料技术开发的专门性，一般快速成型材料的价格都比较贵，造成生产成本提高。 2)高昂的设备价格.快速成型技术是综合计算机、激光、新材料、CAD/CAM集成等技术而形成的一种全新的制造技术，是高科技的产物，技术含量较高，所以，目前快速成型设备的价格较贵，限制了快速成型技术的推广应用。 3)功能单一.现有快速成型机的成型系统都只能进行一种工艺成型，而且大多数只能用一种或少数几种材料成型。这主要是因为快速成型技术的专利保护问题，各厂家只能生产自己开发的快速成型工艺成型设备，随着技术的进步，这种保护体制已成为快速成型技术集成的障碍。 4)成型精度和质量问题.由于快速成型的成型工艺发展还不完善，特别是对快速成型软件技术的研究还不成熟，目前快速成型零件的精度及表面质量大多不能满足工程直接使用的需要，不能作为功能性零件，只能作原型使用。为提高成型件的精度和表面质量，必须改进成型工艺和快速成型软件。 5)应用问题.虽然快速成型技术在航空航天、汽车、机械、电子、电器、医学、玩具、建筑、艺术品等许多领域都已获得了广泛应用，但大多仅作为原型件进行新产品开发及功能测试等，如何生产出能直接使用的零件是快速成型技术面临的一个重要问题。随着快速成型技的进一步推广应用，直接零件制造是快速成型技术发展的必然趋势。 6)软件问题。随着快速成型技术的不断发展，快速成型技术的软件问题越来越突出，快速成型软件系统不但是实现离散/堆积成型的重要环节，对成型速度，成型精度，零件表面质量等方面都有很大影响，软件问题已成为快速成型技术发展的关键问题。 4. 2快速成型技术软件系统存在的问题 1)快速成型软件大多是随机安装，无法进行二次开发;
2)各公司的软件都是自行开发，没有统一的数据接口;
3)随机携带的快速成型软件都只能完成一种工艺的数据处理和控制成型;
4)已商品化的通用性软件价格较贵，功能单一，只能进行模型显示、加支撑、错误检验与修正等中的一种或几种功能，而且也存在数据接口问题，不易集成;
5）商品化的软件还不完善，不能满足当前快速成型技术对成型速度、成型精度和质量的要求;
6)当前的数据转换模型缺陷较多，对CAD模型的描述不够精确，从而影响了快速成型的成型精度和质里。 5快速成型技术的发展方向 目前国内外快速成型的研究、开发的重点是快速成型技术的基本理论、新的快速成型方法、新材料的开发、模具制作技术、金属零件的直接制造、生物技术与工程的开发与应用等。另外，还要追求RPM(快速成型制造)的更快的制造速度、更高的制造精度、更高的可靠性，使RPM设备的安装使用外设化，操作智能化;使RPM设备的安装和使用变得非常简单，不需专门的操作人员。具体说来，有以下几点: 1）采用金属材料和高强度材料直接成型是RPM重要发展方向，采用金属材料和高强度材料直接制成功能零件是RPM(快速成型制造)一个重要发展方向。美国Michigan大学的Manzumd采用大功率激光器进行金属熔焊直接成型钢模具;Stanford大学的Print。用逐层累加与五座标数控加工结合方法，用激光将金属直接烧结成型，可获得与数控加工相近的精度。 2)不同制造目标相对独立发展。从制造目标来说RPM(快速成型制造)主要用于快速概念设计成型制造、快速模具成型制造、快速功能测试成型制造及快速功能零件制造。由于快速概念型制造和快速模具型制造的巨大市场和技术可行性，将来这两个方面将是研究和商品化的重点。由于彼此特点有较大差距，两者将是相对独立发展的态势，快速测试型制造将附属于快速概念型制造。快速功能零件制造将是发展的一个重要方向，但技术难度很大，在今后的很长一段时间内，仍将局限于研究领域。 3)向大型制造与微型制造进军。由于大型模具的制造难度和RPM(快速成型制造)在模具制造方面的优势，可以预测，将来的RPM市场将有一定比例为大型原型制造所占据。与此成鲜明对比的将是RPM(快速成型制造)向微型制造领域的进军。SL技术的一个重要发展方向是微米印刷(Microlithography) ,用来制造微米零件( Microseale Parts)。而针对我国的具体国情，快速成型技术今后的主要发展方向有:1)成型工艺、成型设备和成型材料的研发与改进;2)直接快速成型的金属模具制造技术;3)基于因特网的分散化快速原型、快速模具的网络制造技术研究;4)与生物技术相结合;5)进一步完善软件的功能. 6 结束语 快速成型的出现把传统的加工带入全新的数字化领域，要让快速成型与制造技术得到越来越广泛、深人的应用，应从各个方面着手完善和发展该系统，进一步拓宽该技术的应用范围。
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