快速成型技術(shù)在集成制造及微機(jī)械制造中的應(yīng)用

張 鈞

（廣東省高級技工學(xué)校，廣東 博羅 516100）

快速成型技術(shù)，也稱作快速原型制造技術(shù)，產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代后期，是一種集精密機(jī)械、CNC、CAD、激光以及材料學(xué)與一體的新型技術(shù)[1]。它能夠在幾個小時或者是幾十個小時內(nèi)制造出原型，突破了傳統(tǒng)的加工模式，而且不需要機(jī)械加工設(shè)備就能快速制造出形狀復(fù)雜的工件。目前，快速成型技術(shù)被廣泛運(yùn)用于集成制造以及微機(jī)械制造中。因此，筆者就快速成型技術(shù)的基本原理、特點(diǎn)以及在集成制造和微機(jī)械制造中的應(yīng)用來探討本課題。

1 快速成型技術(shù)的基本原理及特點(diǎn)

1.1 快速成型技術(shù)的基本原理

快速成型技術(shù)是在現(xiàn)代CAM/CAD技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)以及新材料技術(shù)的基礎(chǔ)上，形成并發(fā)展起來的。而不同種類的快速成型系統(tǒng)，由于所用的成型材料不同，成型原理與特點(diǎn)是不同的。但是，快速成型的基本原理是一樣的，就是“分層制造，逐層疊加”[1]。因此有人形象的把快速成型系統(tǒng)比作一臺“立體打印機(jī)”。

快速成型技術(shù)的基本原理就是，基于“離散-堆積”的成型方法，借助CAD軟件來建立數(shù)字化描述CAD模型，然后經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)換或者是修改，將三維虛擬實(shí)體的表面轉(zhuǎn)換為用一系列三角面片逼近的表面，生成一個面片文件。然后再按虛擬三維實(shí)體某一方向?qū)δＰ碗x散化，分解為具備一定厚度的層片文件。然后對層片穩(wěn)健進(jìn)行修正、檢驗(yàn)，生成正確的數(shù)控加工代碼，最后通過CAM系統(tǒng)來控制材料準(zhǔn)確得疊加起來，從而形成一個三維實(shí)體[2]。如圖1所示。

圖1 快速成型技術(shù)的基本原理

1.2 快速成型技術(shù)的特點(diǎn)

快速成型技術(shù)與傳統(tǒng)的制造工藝不同，具備以下特點(diǎn)：

（1）大大縮短了產(chǎn)品的研制周期。由于CAD模型與快速成型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無縫連接，一般從CAD模型到原型完成，只需要幾個或者幾十個小時，比傳統(tǒng)加工方法節(jié)省了一半多的工時，大大縮短了產(chǎn)品的研制周期，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)率。

（2）產(chǎn)品成型無需使用專門的模具和工裝夾具，因此也大大降低了制造成本。而且由于不需要工裝夾具就能完成不同類型零件的制作，可以運(yùn)用軟件進(jìn)行改進(jìn)，顯著提高產(chǎn)品的一次成功率。

（3）隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，可以實(shí)現(xiàn)異地的操作和數(shù)據(jù)交換，用戶能夠通過網(wǎng)絡(luò)將產(chǎn)品的CAD數(shù)據(jù)傳給制造商，制造商可以迅速為用戶制造出制品，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程制造。

2 快速成型集成制造系統(tǒng)的應(yīng)用

快速成型技術(shù)在集成制造中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在快速成型集成制造系統(tǒng)的開發(fā)。快速成型集成制造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計(jì)到批量生產(chǎn)的整個過程。它的核心技術(shù)就是快速成型技術(shù)，前端則是三維CAD和三維測量技術(shù)，后端是快速制造模具技術(shù)。通過這些設(shè)備和技術(shù)的組織，構(gòu)成了一個快速的集成制造系統(tǒng)。

快速成型集成制造系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)中的運(yùn)用也很多，比如由西安交通大學(xué)研究開發(fā)的快速成型集成制造系統(tǒng)及設(shè)備，為我國很多企業(yè)提供了服務(wù)，包括重慶長安汽車廠、TCL、重慶宗申摩托車廠等單位。再比如長安汽車工業(yè)集團(tuán)的汽車鈑金件。快速成型集成制造系統(tǒng)的應(yīng)用為奇特的產(chǎn)品開發(fā)提供了強(qiáng)大的支持。這是快速成型技術(shù)在集成制造的最初發(fā)展，隨著市場經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)越來越廣泛運(yùn)用于集成制造中。比如說快速成型技術(shù)在模具的制造上的應(yīng)用，包括直接制模和間接制模。

直接制模，指的是根據(jù)實(shí)際需要，運(yùn)用快速成型技術(shù)來直接制造不同材料的模具。由于快速成型技術(shù)的發(fā)展，可以用來制造原型的材料增多，性能也在改進(jìn)，一些非金屬材料也有較好的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，可以直接用作模具。比如，用LOM工藝成型的紙基原型，硬度強(qiáng)，可承受200攝氏度的高溫。經(jīng)過對表面進(jìn)行處理后，可以用砂型鑄造的木模、試制用注塑模、低熔點(diǎn)合金鑄模以及熔模鑄造用臘模的成型模[5]。然后利用選擇性激光來燒結(jié)聚合物包覆的金屬粉末，就能得到含有金屬的實(shí)體。最后將聚合物在一定的溫度下分解，并在高溫下燒結(jié)，這樣可以滲入熔點(diǎn)較低的金屬，直接得到金屬模具。用這種方法制作的模具，使用壽命長，可以用于大批量的生產(chǎn)。

間接制模，指的就是利用快速成型技術(shù)，首先制作模芯，在用模芯結(jié)合精密鑄造、硅橡膠、金屬噴涂制模、電極研磨以及粉末燒結(jié)等技術(shù)來復(fù)制硬模具，或者制作母模、復(fù)制軟模具等。以快速成型技術(shù)得到的原型表面進(jìn)行特殊的處理代替木模，并直接制造陶瓷性或者石膏，最后澆筑出金屬模具。

3 快速成型技術(shù)在微機(jī)械制造中的應(yīng)用

對于微機(jī)械的定義有很多種。筆者主要采用的微機(jī)械定義為：總體尺寸約在1cm3以下，零件的最小長度在10μm左右、結(jié)構(gòu)高度集成化，并且是由計(jì)算機(jī)進(jìn)行智能控制的機(jī)械。那么與普通的機(jī)械相比，微機(jī)械在加工上的特點(diǎn)是：尺寸小、加工分辨率要求高、加工自由度大，可見微機(jī)械加工的難度[3]。微機(jī)械加工的一個重要指標(biāo)就是分辨率，在快速成型過程中，我們把這里的分辨率區(qū)分為掃描分辨率和成型分辨率。掃描分辨率指的是掃描機(jī)構(gòu)移動的最小距離，而成型分辨率指的是成型的最小單位。根據(jù)微機(jī)械制造中的一些工藝問題的研究，我們提出了適用于微機(jī)械制造的工藝系統(tǒng)。

這里，著重討論一下液態(tài)樹脂光固化快速成型工藝在微機(jī)械制造中的運(yùn)用，具體的是采用微機(jī)械光成型技術(shù)。它與傳統(tǒng)的快速成型系統(tǒng)相比，具有以下特點(diǎn)：

微機(jī)械光成型工藝的特點(diǎn)可以從點(diǎn)固化單元、約束液面式、直接切片、改進(jìn)的光柵掃描、BMP數(shù)據(jù)格式等方面來闡述。第一，點(diǎn)固化單元，常用的工藝是線固化，微機(jī)械光成型工藝的點(diǎn)固化單元是直接與加工分辨率對應(yīng)的，易于加工分辨率的研究；第二，約束液面式，常用的工藝是自由液面式，微機(jī)械光成型技術(shù)采用約束液面式，可省去刮平裝置，避免了液態(tài)樹脂表面張力以及塵埃的影響，還能節(jié)省樹脂。第三，直接切片，常用的工藝是間接切片，微機(jī)械光成型技術(shù)的直接切片避免了類似STL法的誤差的產(chǎn)生，切片過程靈活；第四，改進(jìn)的光柵掃面，常見的工藝采用的是矢量掃描，而微機(jī)械光成型工藝的掃描路徑按加工件內(nèi)部掃描的設(shè)計(jì)，可消除掃描器的空回；第五，BMP數(shù)據(jù)格式常用的工藝采用的是STL數(shù)據(jù)格式，微機(jī)械光成型技術(shù)采用BMP數(shù)據(jù)格式能夠避免一些描述缺陷的產(chǎn)生，有利于提高固化單元的精度。

4 快速成型技術(shù)今后的研究重點(diǎn)

隨著快速成型技術(shù)的不斷發(fā)展，此項(xiàng)工藝的越來越成熟。為了促進(jìn)各類產(chǎn)品的快速、高精度、低成本的成型制造，快速成型技術(shù)今后的研究重點(diǎn)應(yīng)該放在：

（1）快速成型新材料。當(dāng)前快速成型發(fā)展的最大難題就在于材料。材料的性能、成本等都是制約快速成型技術(shù)發(fā)展的因素。目前使用的材料主要有液體聚合、固化類材料、粉末燒結(jié)和粘結(jié)材料等。而這些材料多數(shù)要從國外引進(jìn)，價格昂貴，一定程度上提高了生產(chǎn)成本，很多中小型企業(yè)難以接受。因此，開發(fā)新材料是快速成型技術(shù)在今后發(fā)展要解決的最主要問題。

（2）快速成型新工藝。隨著對快速成型工藝的不斷探索，新的成型方法層出不窮。對于新工藝的研究已成為快速成型技術(shù)今后發(fā)展的重要趨勢。

（3）快速成型精讀。影響快速成型的精讀的因素主要有：數(shù)據(jù)處理引起的誤差、工藝過程引起的誤差以及噴頭尺寸、數(shù)控代碼引起的誤差[6]。就目前而言，快速成型件的精讀在0.1mm的水平左右，而就影響快速成型件的精讀的因素最為明顯的還是工藝的參數(shù)，因此，優(yōu)化工藝參數(shù)，就能提高快速成型件的精度。

5 結(jié)束語

快速成型技術(shù)是當(dāng)今世界上的一項(xiàng)發(fā)展最為迅速的制造技術(shù)之一，它為產(chǎn)品開發(fā)提供了一個全新的流程，對于傳統(tǒng)制造業(yè)的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生了沖擊。由以上可以看到，快速成型技術(shù)被廣泛應(yīng)用于集成制造以及微機(jī)械制造當(dāng)中，并且效果良好。可以說，這是繼數(shù)控技術(shù)之后，制造業(yè)的又一次革命。快速成型技術(shù)的應(yīng)用，將大大提高企業(yè)的市場競爭力，為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]徐 儉.快速成型技術(shù)的應(yīng)用研究[D].大連：大連理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文，2009.

[2]朱季平.快速成型技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)的應(yīng)用研究[J].裝備制造技術(shù)，2011(08)：208-210.

[3]常楨.新時期快速成型技術(shù)的研究及其在機(jī)械鑄造中的應(yīng)用[J].科技向?qū)В?013(20)：25-27.