快速成形制造技術的新進展

鐘 山,韋 寧，鄧小林，姚 金

(1.2.3.4.梧州學院 電子信息工程系，廣西 梧州 543002)

快速成形制造技術的新進展

鐘 山1,韋 寧2，鄧小林3，姚 金4

(1.2.3.4.梧州學院 電子信息工程系，廣西 梧州 543002)

快速成形制造RPM(Rapid Prototyping and Manufacturing)是集計算機輔助技術、自動控制技術、激光加工、材料科學等多學科和技術為一體的新技術，是繼CAD/CAM之后的為制造業帶來巨大變革的一項新興的數字化制造技術。近幾年來，隨著新的成形能源、性能優越的成形材料和新的成形方法與工藝等相關技術的進步，RPM技術向著快速模具、納米制造、仿生制造和集成化等方向發展，并有著廣泛和深遠的技術應用前景。

快速成形；制造技術研究；新進展

1 引 言

快速成型制造RPM (Rapid Prototyping and Manufacturing)是指在計算機管理與控制下，根據物體的CAD模型，采用材料精確堆積的方法制造原型，是一種基于離散/堆積成形原理的新型制造方法。其成形過程為：首先設計出物體的計算機三維模型，根據工藝要求，按照一定的精度要求將該模型切片，再對切片后的數據進行處理，按照一定的掃描路徑進行規劃得到加工文件，以快速成形系統層疊的形式加工出每層材料并粘接成形。[1]RPM從成形原理上提出了一個全新的思維模式，是當代制造業的新興技術，以快速和精確性能自動將CAD設計直接制造零件或者轉化為原型，縮短產品的研發周期，是優化產品設計、提高產品質量、縮減產品成本的有力工具，在航空航天、汽車、機械、電子、電器、醫學、玩具、建筑、藝術品等許多領域獲得了廣泛應用，取得了大量的成果。[2]

2 快速成形制造的發展歷史

20世紀80年代初期，美國3M公司和UVP公司第一次提出了RP的概念，即利用連續層的選區固化產生三維實體的新思想。1986年完成了一個稱之為Stereo lithography Apparatus的能自動建造零件的完整系統SLA-1，并由此組建3D System公司，發展許多關于快速成形成熟的概念和技術。隨后相繼產生了其他的成型原理及相應的成型機。1984年Michael Feigns提出了分層實體制造LOM (Laminated Object Manufacturing)的技術并在1990年開發了首臺機型LOM-1015。1986年，美國的C.Deckaed提出了SLS(Selective Laser Sintering)的思想，稍后組建成DTM公司，于1992年開發了基于SLS的商業成型機Sinter station；Scott Crump在1988年提出了FDM (Fused Deposition Modeling)的思想，在1992年開發了第一臺商業機型3D-Modeler。從20世紀80年代SLA光固化成型技術提出開始到現在，出現了十幾種不同的快速成形技術，除此以外，典型的還有3DP、SDM、SGC等。[3]

國內RPM研究始于90年代初，清華大學、西安交通大學、華中科技大學、上海交通大學等在成型理論、工藝方法、設備、材料和軟件等方面做了大量卓有成效的研究開發工作。如西安交通大學開發光固化成形系統及樹脂；華中科技大學研制基于分層物體制造原理的HRP系統；清華大學研制基于FDM的熔融擠出成形系統等。在快速制造模具方面，上海交通大學開發了鑄造模樣計算機輔助快速制造系統，已應用于汽車行業的模具制造；華中科技大學研究出基于覆膜技術的快速制造鑄模，主要應用于鋁合金和鑄鐵模具。此外，國內的家電行業如廣東的美的、華寶、科龍，江蘇的春蘭、小天鵝，青島的海爾等，都先后采用快速成型制造系統來開發新產品，收到了很好的效果。[4]

3 快速成形制造的研究現狀

綜上所述，RP系統可分為幾種典型的成形工藝：立體印刷成形SLA（Stereo lithography Apparatus）、分層實體制造LOM （Laminated Object Manufacturing）、激光選區燒結SLS（Selected Laser Sintering）、熔融沉積制造FDM （Fused Deposition Modeling）、三維打印制造3DP（Three Dimensional Printing）等。[5]

3.1 立體印刷成形SLA（Stereo lithography Apparatus）

SLA工藝稱為立體印刷成形或光固化，它采用激光照射光固化液態樹脂并使之固化的方法成形，是當前應用最廣泛的一種高精度成形工藝。該方法采用光敏樹脂為成形材料，紫外激光以分層截面的輪廓對液態樹脂進行掃描并與樹脂薄層產生光聚合反應，產生一個固化薄層。然后在固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態樹脂進行又一層掃描固化，依次循環進行疊加加工。

圖1 立體光固化

據統計，SLA設備占全球銷售的RP設備總數的70%左右。這種方法具有精度高、表面質量好的特點。原材料利用率很高將近100%，能制造形狀復雜和精細的零件。

目前研究SLA方法的有3D System公司、EOS公司、F＆S公司、CMET公司、D-MEC公司、Teijin Seiki公司、Mitsui Zosen公司、西安交通大學和華中科技大學等。日本DENKEN ENGINEERING公司和AUTOSTRADE公司打破了SLA技術使用紫外光源的常規，率先使用680nm左右波長的半導體激光器作為光源，大大降低了SLA設備的價格。

3.2 分層實體制造LOM（Laminated ObjectManufacturing）

LOM工藝稱為分層實體制造，它采用箔材為成形材料，以激光按照CAD分層模型所獲數據切割箔材，箔材之間在熱熔膠和熱壓輥的壓力和高溫下進行熔化粘接，反復逐層切割-粘接-切割制造原型，直至整個零件模型制造完成。

目前研究LOM工藝的有Helisys公司、華中科技大學清華大學、Kira公司、Sparx公司和Kinergy公司。Helisys公司除原有的LPH、LPS和LPF三個系列紙材品種以外，還開發了塑料和復合材料品種。華中科技大學推出的HRP系列成型機和成型材料，具有較高的性能價格比。清華大學推出了SSM系列成型機及成型材料。

圖2 分層實體制造法

3.3 選擇性激光燒結SLS（Selected Laser Sintering）

SLS工藝稱為選擇性激光燒結，它采用粉末材料為成形材料，使用CO2激光器逐點燒結粉末材料（塑料、蠟、陶瓷、金屬或它們復合物的粉體、覆膜砂等）。該法在成形前在工作臺鋪一層粉末材料，激光束在計算機控制下，按照零件分層輪廓有選擇性地進行燒結。一層完成，工作臺下降一個層厚，再進行下一層的鋪粉燒結。最后再進行打磨、烘干等處理以獲得零件。

圖3 選擇性激光燒結法

此方法翹曲變形較小，但成形時間較長，其最大優點是適用材料很廣，幾乎所有的粉末都可以使用，應用范圍很廣。

目前研究SLS的有DTM公司、EOS公司和北京隆源公司等。DTM公司的系列Sinter station成形材料具有耐熱和抗化學腐蝕，可制造出汽車上的蛇形管、密封墊等柔性零件。EOS公司研制PA3200GF尼龍粉末材料，SLS工藝制作的制品具有高的表面精度和光潔度。

3.4 熔融沉積制造FDM（Fused Deposition Modeling）

圖4 熔融沉積成形法

FDM工藝稱為熔融沉積成形，它采用絲狀熱塑性成形材料 （ABS、人造橡膠、鑄蠟和聚脂熱塑性塑料等），連續地送入噴頭后在其中加熱熔融并擠出噴嘴，逐步堆積成形。該方法適合成形小塑料件，制品的翹曲變形小。由于是填充式掃描，成形時間較長，因此可以采用多噴頭同時進行噴射，以提高效率。

目前具有開發生產成熟FDM工藝的主要有Stratasys公司和Med Modeler公司。Stratasys公司推出FDM系列成形機，采用兩個噴頭同時成形，制作速度較快。

3.5 三維打印制造3DP（Three DimensionalPrinting）

圖5 三維打印法

3DP工藝稱為三維打印，采用粉末材料 （如陶瓷粉末、金屬粉末等）為成形材料，噴頭在計算機控制下，按照截面輪廓信息，在鋪好的一層粉末材料上，進行有選擇的噴射粘接制造原型，該工藝可以制造彩色模型，在概念型應用方面具有競爭力。實際上3DP工藝通過噴頭用粘接劑 (如硅膠)將零件的截面 “印刷”在材料粉末上面。

2000年美國的ZCorp與日本的Riken Institute公司開發出基于噴墨打印技術的、能制作出彩色原型件的RP設備。該系統采用4種不同的顏色，原型件可顯示表現出三維空間內的熱應力分布情況，而且切開原型可觀察制品內的溫度和應力變化情況，可以進行可應用于原型的有限元分析。

上述快速成形制造技術和工藝的特點如表1所示。

表1 幾種快速成形制造方法比較

4 快速成形制造技術的發展趨勢

最近隨著新材料技術、新工藝及信息網絡化等方面的進步，許多新快速成型制造技術不斷涌現并應用在各領域，主要出現在快速模具，納米制造、仿生制造和集成制造等領域。

4.1 快速模具RT（Rapid Tooling）

RT以RPM生成的實體制品模型作為模芯，結合精密鑄造精鑄、粉末燒結等技術可快速制造出產品所需要的相關功能模具，其開發制造周期為傳統的數控加工切削方法的1／5～1／10。而且模具的制造效益隨零件的幾何復雜程度提高而顯著增加。

4.1.1 間接制模法IRMT(IndirectRapid Metal Tooling)

目前具有競爭力的RMT技術主要是粉末燒結、電鑄、鑄造和熔射等間接制模法。國內外這方面的研究非常活躍，有許多金屬模具間接快速制造技術的研究及應用事例。如3D systems公司的基于SLA原型的粉末成形燒結+浸滲快速復制 (Keltool)工藝、CEMCOM公司的鍍鎳+陶瓷復合 (NCC，Nickel-Ceramic Composite)工藝、Idaho National Engineering and Environmental Lab的快速凝固工藝 (RSP，Rapid Solidification Process)和Soligen Tech公司的基于DSCP金屬薄殼成形系統的鑄造工藝、Badger Pattern公司的鋅合金噴涂+樹脂·金屬復合材料補強工藝和東京大學的RHT(Rapid Hard Tooling)以及日產汽車公司的熔射快速制造金屬模具法等。

4.1.2 直接制模法DRMT(DirectRapid Metal Tooling)

直接法尤其是直接快速制造金屬模具DRMT方法在縮短制造周期、節省資源、發揮材料性能、提高精度、降低成本方面具有很大潛力，受到高度關注。目前的DRMT技術研究和應用的關鍵在于如何提高模具的表面精度和制造效率以及保證其綜合性能質量，從而直接快速制造耐久、高精度和表面質量能滿足工業化批量生產條件的金屬模具。美國Stanford大學的Amon.H等人最近開發出形狀沉積制造 (SDM)工藝，并研制出與CNC加工集成的裝置。其工藝特點是利用焊接原理熔化焊材 (絲狀)，并借助熱噴涂原理使超高溫熔滴逐層沉積成形，實現層間冶金結合。但因焊接弧柱的不穩定以及可控參數的協調性等問題，很容易出現翹曲和剝離。采用CNC對外輪廓和表面精整，在解決RPM技術中共有的、因逐層堆積產生的側表面階梯效應造成的精度和表面質量問題方面做了有益的嘗試，但這種工藝目前尚局限于簡單形狀金屬零件制造。

4.2 納米制造Nano-manufacturing

傳統的納米制造工藝難以進行小孔、深孔、異形孔和微孔的加工，另外典型的深小孔加工技術存在很大缺陷，如果結合RP技術的特點，將常規的使用RPM技術進行加材料成形為減材料成形，使激光束有選擇地照射工件以形成異形小孔的一個層面，完成一層后，工作臺上升一個層面，控制X-Y運動工作平臺以蝕刻出新層。如此循環往復，層層加工，就可得到異形深小孔。另外，納米陶瓷材料及其成型是當前工程材料領域的一大研究熱點。就成型工藝而言，目前納米陶瓷材料的加工方法主要有高溫等靜壓、熱壓、熱鍛壓、高壓制坯與無壓燒結相結合等方法。但在成型過程中容易存在晶粒長大、致密度、內部缺陷等問題，利用獲得的選擇性激光燒結工藝，使獲得的燒結制件材料保持納米結構，材料晶粒基本不長大，可實現納米材料的快速自由成型。

4.3 仿生制造Bionicmanufacturing

基于仿生結構形狀復雜性，采用傳統的加工方法制造十分困難，在實際應用中往往難以實現，且不利于修改，延長了制造周期，相應提高了研發成本。而仿生制造參考制造過程與生命之間存在的相似性，模仿自然界生物的成長方式進行制造。傳統的仿生制造一般基于DNA技術，主要應用于微觀仿生制造。目前對DNA的研究尚存在許多沒有解決的問題，要安全實現基于DNA的仿生制造還困難重重。而基于快速成形技術的仿生制造，主要是針對產品的具體結構進行產品CAD造型，利用內部細微結構仿生建模技術，然后經過切片分層、加支撐等技術的處理和加工，在快速成型機上制造生成物的三維實體。

另外仿生制造可以使生成物具有生物活性，在采用生物可降脂材料的快速成型制造過程中，在生成三維實體模型后，植入生物生長因子，并放入具有特定成份的培養液中，經過一段時間培養，三維實體模型就具有生物活性。基于快速成形制造技術的仿生制造方法可應用用于醫療修復工程，如制造人工骨骼和人工器官，甚至可以制造人工肌肉和生物活性結構的機器零件，并進一步制造具有人體結構的機器人。

4.4 集成化制造Integrationmanufacturing

生物技術、信息技術、納米技術科學、制造技術和管理技術是21世紀的5大主流技術，據預測，5大技術及其產業將改變我們未來的生活和世界，制造技術與其他技術交叉是其發展趨勢。快速成形技術與生物技術交叉的生物制造、與信息技術交叉的遠程制造、與納米技術交叉的微機電制造等都為快速成形技術提供了發展空間。并行工程、快速模具、反求工程、快速成形、網絡相結合而組成的快速成形的集成制造系統，將為RP的發展提供有力的技術支持。

4.5 基于多噴頭噴射成型的快速成形系統MJM（Multi-JetModeling）

成形系統的噴頭有3-4個噴嘴，分別噴射成型工件的輪廓壁和支撐，噴射材料可采用復合蠟、ABS和PVC等多種形式，噴射精度高速度快，廣泛用于寶石首飾等快速成型系統，對模型材料和軟件進行適當調整后可用于工業、建筑、生物醫學和藝術品等多種領域的快速成型制造。起版是首飾制造過程中最重要的環節，傳統的寶石首飾設計是通過起版師運用鋸、銼、焊接等傳統工藝進行手工制作，將設計師設計的作品由圖紙變為實物，起版質量的好壞直接關系到首飾成品的質量。但手工制作的產品研制周期長，投產成功率低。運用多噴頭噴射成型的快速成形系統代替傳統手工模型制作能夠更加精確、快速、直觀、完整地傳遞產品的信息，而且快速成形系統價格低廉、成型速度快。

筆者認為，基于多噴頭噴射成型的快速成形技術是快速成形制造未來發展的趨勢，只要不斷發展并加以改進，這種技術應該是生產所需的三維模型的最佳和最簡單的方法。

5 結語

本文闡述了快速成形制造技術的新進展。快速成形技術是一種具有廣泛應用前景的正在不斷完善的高新技術，其中制件新材料、成形效率和成形精度是技術關鍵，因此應不斷探索新的成型工藝，研究制造高性能成形件的方法并與其他技術的結合。快速成形制造技術的發展也將推動制造業和醫療器械等相關技術、產業的發展。

[1]劉偉軍，等.快速成型技術及應用[M].北京:機械工業出版社,2005.

[2]朱林泉,白培康.快速成型與快速制造技術[M].北京:國防工業出版社,2003.

[3]王廣春,趙國群.快速成形與快速模具制造技術及其應用[M].北京:機械工業出版社,2004.

[4]金杰，張安陽.快速成型技術及其應用[J].浙江工業大學學報，2005,33(5):592-604.

[5]顏永年，等.先進制造技術[M].北京：化學工業出版社,2002.

（責任編輯：高 堅）

TH164

A

1673-8535(2010)03-0023-06

鐘山 （1967-)，男，梧州學院電子信息工程系副教授，博士研究生，主要研究方向：CAD/CAM先進集成技術、快速成形制造和逆向工程等。

韋寧 （1963-)，男，梧州學院電子信息工程系副教授，博士研究生，主要研究方向：智能檢測技術、自動控制和快速成型制造等。

鄧小林 （1984-），男，湖南永州人，梧州學院電子信息工程系助教，碩士，主要研究方向：計算機輔助設計、產品變型設計。

姚金 （1982-），男，山東平邑人，梧州學院電子信息工程系講師，碩士，主要研究方向：PSP技術、智能控制技術。

2010-01-25

廣西自然科學基金資助項目（桂科青0832096）