快速成型技術研究

柳文清

梧州學院，廣西 梧州 543002

快速成型技術研究

柳文清

梧州學院，廣西 梧州 543002

本文以快速成型原理為基礎，論述了快速成型的制作過程，分析了快速成型工藝，綜述快速成型技術在寶石首飾、航空航天、醫學、模具等領域的應用，對熔融沉積快速成型系統進行研究，先在寶石首飾行業試點，然后推廣到工業、建筑、醫學等其它領域。

快速成型；首飾； 人工寶石

快速成型技術是先進制造的核心技術，能由CAD模型直接驅動快速制造任意復雜的三維實體。它把三維制造轉化為二維制造的疊加，可以不用模具直接生成復雜的零件。

1、快速成型概況

快速成型技術集成了CAD技術、數控技術、激光技術、材料技術[1]的成果，它從零件的CAD模型開始，經過軟件分層離散和數控成型系統，用激光束將材料堆積形成零件。在寶石首飾、模具、航空航天、醫學、藝術品等領域得到廣泛的應用。它能提高新產品的設計質量、縮短開發時間。是現代制造發展的趨勢。

2、快速成型的原理

快速成型技術采用離散與堆積成型原理[2]，按照三維CAD模型，把模型按一定厚度進行分層，把三維模型變成一層一層很薄的二維模型。再加入加工參數如光學參數、溫度、功率和材料進給量。在數控系統控制下加工出每個薄層，使之黏結成形。也就是基于添加材料的原理一層一層地疊加，從底至上完成整個零件的制作全過程。

3、快速成型制作過程

快速成型工藝分為三個步驟。

3.1 前處理。包括零件的三維模型的構造即CAD三維模型的設計[3]、成型方向選擇、切片處理。

3.2 分層疊加成型。包括光固化快速成型、疊層實體制造、選擇性激光燒結、熔融積制造等 。

3.3 后處理。包括工件剝離或去支撐、表面處理、表面強化處理。

4、快速成型應用前景

4.1 光固化成型工藝 ，即立體光刻成型。它是最早的快速成型技術。以光敏樹脂為原料，通過計算機控制激光使其凝固成形。這種方法能全自動地制造出復雜的零件。光固化成型工藝需要支撐結構。應用于單件小批量精密鑄造、快速沖壓模具、產品模型的制造。

4.2 疊層實體制造 。疊層實體快速成型方法是采用薄層材料整體粘接后，再根據實體輪廓進行切割。逐層累計完成原型的制作，制作后需要除去余料。它應用在機床操作手柄的制造效果非常好。由于機床操作手柄的材料為鑄鐵件，而且具有復雜的曲面形狀。用手工方法制作鑄造用的木模非常困難，況且精度得不到保證。隨著CAD/ CAM技術的迅速發展，機床操作手柄的設計可直接在CAD/CAM軟件上如prO/E軟件上完成。通過疊層實體快速成型制造技術，機床操作手柄直接由CAD模型快速制作成鑄造用的木模。從而大大縮短了產品的生產周期。產品的質量也有了明顯的提高。

4.3 選擇性激光燒結。該工藝是利用粉末材料（金屬或非金屬）在激光照射下燒結的原理，在計算機控制下層層堆積成形。使用的材料有石蠟、陶瓷粉末、高分子材料、金屬材料。通過選擇性激光燒結可直接燒結制作金屬的原型。如直接制造金屬注塑模。它無需設計支撐結構，因為有未燒結的粉末可以用來實現支撐。將選擇性激光燒結快速成型技術與精密鑄造工藝結合起來，特別適合形狀復雜的金屬零件的制造。在新產品試制中，不需要工裝設備及模具，就可生產新產品中的零件。大大提高生產效率，縮短了產品的設計及生產周期，降低生產成本。能用選擇性激光燒結制作的產品有葉片、各種齒輪、各種箱體、泵體、泵蓋等。

4.4 三維印刷。三維印刷工藝是使用粉末材料成形，包括金屬粉末和陶瓷粉末。通過噴頭用黏結劑將零件的截面“印刷”在材料粉末上面。因為用黏結劑粘接的零件強度低。達不到設計要求，因此還需要進行后處理。首先燒掉黏結劑，然后在高溫下滲入金屬，提高零件的強度。使它達到設計的要求。

4.5 熔融沉積快速成型。該工藝是將絲狀的熱熔性材料，如石蠟、ABS、尼龍等加熱溶化，通過噴嘴擠噴出來。噴嘴沿X軸進行移動，工作臺沿Y軸進行移動。熱熔性材料擠噴出噴嘴后，與前一層材料熔結在一起。一個層面沉積完成以后，工作臺就下降一個層的高度，再繼續熔噴沉積，一直到完成整個零件。熔融沉積快速成型應用于汽車、機械、電子、玩具等產品的設計開發。用傳統工藝方法必須幾個月才能制造完成的產品原型，用熔融沉積快速成型工藝無需工裝設備和刀具，幾個小時便可完成制造。豐田公司采用該成型法制作右側鏡支架和四個門把手的母模，使得制造成本大大降低。右側鏡支架模具成本降低20萬美元，四個門把手模具成本降低30萬美元。熔融沉積快速成型工藝為豐田公司在橋車制造方面節約了200萬美元。而且熔融沉積快速成型系統無毒性，不產生粉塵、噪音。特別適合于辦公室環境下進行設計制造新產品。并且該系統運行成本很低，設備操作簡單容易學習。可把它看作3D打印機。用熔融沉積快速成型系統可制作車燈、空調部件、電動工具、耐高溫構件、汽車保險杠、小齒輪等零件。用熔融沉積快速成型系統制造的零件原型的尺寸穩定性很好。因此特別適合裝配件的設計制造。該零件原型還可以進行二次加工如車床、鉆床、銑床的加工。通過二次加工來補償零件尺寸精度的不足。使設計的零件能達到很高的尺寸精度。

4.6 其它快速成型工藝有：三維噴涂黏結、數碼累積成型、立體光刻、直接殼法等、在以上的幾種工藝中，熔融沉積快速成型工藝應用最為廣泛。

熔融沉積快速成型工藝與光固化成型工藝、疊層實體制造工藝比較，其優點突出，如設備價格低、操作成本低、維修成本低，操作容易，材料強度大、材料抗剪性好、材料抗拉性好。

5、對熔融沉積快速成型系統提出改進

為了在人工寶石首飾領域取得更大成就，特對熔融沉積快速成型系統提出如下改進：

5.1 設計寶石首飾的立體圖在計算機上用三維繪圖軟件繪制[4],如prO/E.AutoCAD等。或由用戶提供的實物樣品.通過逆向工程,在計算機中生成三維立體圖形。

5.2 數據轉換：對CAD模型近似處理，生成STL格式的數據文件。STL數據處理采用若干小三角片逼近模型的外表面。設計快速成型處理軟件接受CAD模型的數據。

5.3 構建高速高精運動控制器對運動路徑進行處理,對運動過程進行控制。運動機構中XY軸的運動速度高、有運動的慣性,要保證有良好的隨動性。加強Z軸的承載能力。

5.4 根據首飾幾何特征，對設計的CAD模型進行直接切片，采用非等厚的適應性分層處理軟件，解決運行速度慢，精度差等問題。

6、結語

快速成型工藝可以使工程師在短時間內得到精確的原型。在機構設計方面,進行干涉驗證。能快速制作模具。一次制作多個零件,對每個零件針對不同的設計要求進行測試。能在最短的時間內完成最好的設計。人工寶石首飾方面特別適合熔融沉積快速成型系統制作，極大提高寶石首飾的成型質量。在經濟效益方面縮短產品的設計時間、降低原型的生產周期，有很好的經濟效益。

[1] 張彥華. 工程材料與成型技術[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2005.

[2] 陳雪芳 , 孫春華. 逆向工程與快速成型技術應用[M].北京: 機械工業出版社，2009.

[3]賈振元，劉侃，劉順福. 遠程控制快速成型加工技術研究[J].大連理工大學學報,41卷第4期,2001(7)

[4] 邱志惠, 盧秉恒. Pro/ENGINEER建模實例及快速成型技術[M]. 西安: 西安電子科技大學出版社, 2005.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.071

廣西壯族自治區級技術研究與開發項目“人工寶石首飾快速成型系統的研究與開發”階段性研究成果（項目編號：桂科攻1010022-31）