快速成型技術在集成制造及數控機械制造中的實踐探索

江蘇省常州市技師學院 吳丹 魏小燕

隨著科學技術的不斷發展和進步，當前市場中各類產品的更新換代非常快速，這就對產品制造、新產品設計和研發工作，提出了更加嚴格的要求，需要保證產品能夠滿足市場實際要求的基礎上，更加快速地制造出產品原型。傳統的原型制造工作中，不僅有成本高、周期長等特點，同時制造出來的原型也無法滿足市場的實際需求，在這種背景下，快速成型技術出現，解決了傳統技術中的諸多不足。因此，當前有必要通過對該項技術的原理以及特點進行分析，了解其在集成制造、數控機械制造中的實際應用情況，進一步促使該項技術能夠大力發展以及應用。

1 快速成型技術概述

1.1 原理

快速成型技術在實際的應用中，需要使用計算機進行輔助，輔助的方面主要涉及設計和制造，同時需要數控技術、激光技術的支持，應用該技術能夠保證智能制造、生產管控的水平實現明顯的提升。由于成型材料的實際差異性，造成成型系統的類型、特征在差異上比較大，但是技術的核心流程基本上一致。即逐層疊加以及分層制造與3D打印技術比較類似。簡單來說，就是將計算機作為一種載體，在離散、堆積的作用下，使用不同的方式對材料進行堆積，最終將整個產品的成型、制造工作完成[1]。基于快速成型技術，實施的零件生產工作，其原理可以從兩個方面分析：首先，從成型的角度分析，對零件的參數設計，可以看作是點和面的疊加，即將數據導入到模型中后，利用離散獲得零件的相關信息，然后再將實際參數與規定參數結合在一起，從點到面對零件進行堆積。其次，從制造的角度分析，CAD具備的超強造型能力，可以完全獲取零件的三維生產信息，使用快速成型對多維系統進行控制，并且在激光束的實際輔助下，將材料堆積成具體的產品。

1.2 特點

快速成型技術主要有以下幾個方面的特點：一、該項技術對于材料的適應能力比較強，各種金屬材料或者是非金屬材料，都能夠投入到實際的使用中。二、快速成型技術，可以通過應用復制功能，實現對產品的原型還原，具備比較強的互換性。三、制造工藝具備比較強的可塑性，對于各種復雜的曲面，也能夠實現非常準確的加工[2]。四、加工使用的周期比較短，即使面對一些比較復雜的產品，也可以在規定的時間內將其加工完成，同時還可以節省大概一半的制造費用。五、技術的集成度相對比較高，能夠與一些其他的制造核技術結合在一起應用，實現一體化的制造效果。

2 快速成型技術在集成制造及數控機械制造中的實踐

2.1 集成制造中的實際應用

在集成制造中，可以利用快速成型技術，建立起快速集成制造相關系統，該系統不僅可以快速地將產品設計工作完成，同時還可以解決集成制造中，批量生產的實際問題。該系統的核心技術就是快速成型相關技術，其主要將CAD、三維測量，以及快速制模技術結合在了一起，建立起與集成制造相關的全新制造系統。由于市場對于制造的實際需求，當前制造的標準也在不斷地發生變化，而快速成型相關的技術，在集成制造行業應用范圍也越來越廣泛，在制造模具的時候可以用直接、間接制模開展制造工作[3]。首先，采用直接制模方式實施制造工作，是按照制造的實際需要，直接對不同模具材料開展制備工作。但是由于快速成型發展比較迅速，能夠被應用在原型制造中的材料，逐漸變得更加多元化，很多金屬材料具備穩定性好、機械程度高等優勢，能夠直接在模具制造中應用。如LOM成型技術，其使用的紙基原型，有非常好的耐高溫、高硬度等特點，在對表面進行處理之后，可以應用成型模。成型模主要包括木模、蠟膜或者是合金模等多種不同的模板。材料制備完成后，接著就可以將成型模具實施燒結和分解工作，再次進行高溫的燒結，在這一系列過程完成之后，就能夠制造出符合實際要求的金屬模具。這類模具的優勢是能夠實現批量化的生產，能夠提升效率，通過提升大批量的生產效率，減少人力和物力資源的應用。其次，如果是在間接制模的前提下，使用快速成型相關技術，最先要做的就是制作出膜芯，接著利用粉末燒結的技術、硅橡膠制模的技術以及金屬噴涂制模相關技術等，對模具進行復制。在整個過程中，可以快速地利用快速成型技術，對原型的表面實施特殊處理，用來代替木模。在所有步驟完成之后，就可以通過金屬模具澆筑工作，完成整個制造工作[4]。

2.2 數控機械制造中的實際應用

數控機械制造是應用數控技術完成的一個制造過程，其核心內容是數控技術，在該制造系統中，對于零件的加工工作，可以直接在數控機床中完成。數控機械制造是利用計算機，實現對道具、零件的控制，通過自動化的技術手段將零件批量地制造出來。數控系統的指令格式，是數控技術程度按照零件的不同材質，針對性地實施具體動作來保證機械制造能夠實現自動化的控制。在數控機械的制造中，快速成型技術也實現了比較廣泛的應用，應用該技術能夠保證數控加工碼更加準確、順利地生成，因此，為了能夠連接快速成型、數控加工兩種技術，實現技術上的融合，編制數控加工碼是非常重要的一項內容。首先，當前可以應用的快速成型技術雖然非常多，如SLS、SLM技術等，這些技術都能夠制造出各類的金屬零件，但是在制造精確度以及光潔度方面，還存在一定的不足，并且機械性能也比較差[5]。因此，將快速成型技術融入之后，就能夠體現出該技術的實際優勢，如在研發方面花費的時間比較短、控制精確度能力比較強、保證零件能夠快速準確地制造、零件表面光滑等。以技術零件的實際制造過程為例，由于快速成型技術自身已經包含了分層制造、數控技術，其在編制加工代碼方面，能夠實現與數控制造系統的相輔相成，在工作人員將快速成型處理過程中的代碼，導入到數控制造系統中后，可以融合入電子束融成型等工藝，使其能夠應用在產品的實際加工過程中，進而保證能夠在快速成型的輔助下，完成對技術產品的實際加工過程，對零件的機械性能、表面光潔度進行有效改善，這也是傳統工藝無法企及的。

2.3 快速成型技術的發展方向

快速成型實現了非常廣泛的應用，在各個領域均體現出了非常大的作用。因此，為了能夠保證在應用該項技術過程中，真正滿足產品生產低成本、高質量、高精度、周期短等具體的要求，在未來，技術的實際發展情況，可以從三個方向考慮：首先新材料的研究、開發方面，首先需要將現有的材料，尤其是功能型材料實施改造以及預處理，保證其能夠適應該項技術的實際工藝要求。同時，需要從該項技術的特點出發，與實際應用的要求相結合，研發出全新的材料，尤其是復合型材料，如納米材料、非均質材料以及其他方式難以完成制作的全新復合型材料等。發現全新的低成本材料，以此保證能夠降低材料的成本。其次，在初始階段，快速成型機成型的大部分材料都為樹脂、塑料、紙等，其與產品的真實材料，在性質上存在一定的差別，因此，需要通過二次復制工作，完成成型工作。而隨著SLS這類可以直接對金屬材料、陶瓷材料進行制造機械設備的出現，其他成型機也開始不斷地探索直接成型高性能材料的方式，促使成型制作、真實產品能夠完全相符。然而在這個過程中，為了解決粘結、翹曲等問題，應用的材料大部分是金屬或者陶瓷，與高分子材料的一種混合物[6]。因此，在成型之后需要進一步進行燒結固化，將粘結劑燒掉，并且在縫隙中加入金屬，在這種情況下，后續的工序處理上相對比較麻煩，并且對于翹曲的情況也難以控制，這些都是需要積極克服的問題。二，對現有的成型設備進行優化，選擇性價比好、使用壽命長的部件，能夠保證操作變得更加快速和簡潔，操作更加方便，并且速度更快。因此，在未來一段時間內，開發出不同用途、不同檔次的設備，是快速成型的一個重要發展方向[7]。同時，由于快速成型對于數據的處理過程，需要將CAD模型數據按照一定的方向離散，形成層片模型相關數據，為加工層片變成實體提供一定便利。當前分層方式開始從傳統的二維發展成為空間分層，具體來說，在分層方面的演變，主要有兩種，即平面變成曲面、二維發展成三維。

3 結語

快速成型的技術，自身具備減少產品制造周期、降低制造成本、實現數據的異地交換等特點，已經成為集成制造、數控制造系統中不可缺少的一項基礎技術。雖然在融合后的制造系統，在水平上實現了比較大的提升，但是在實際應用該技術過程中，仍然需要注重實際的操作過程。對快速成型的精度等各個方面可能出現的各種問題。以此保證能夠真正發揮出該技術在制造系統中的優勢，生產出更多的低成本、高精度產品，為該技術以及制造業實現更好地發展，起到積極的促進作用。