快速成形與快速制模技術(shù)的發(fā)展

1、快速成形與快速制模技術(shù)的發(fā)展    摘要:本文綜述了快速成形技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，特別是這兩年在快速成形系統(tǒng)、材料和快速制模方面的最新成就，并分析了快速成形與快速制模技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞:快速成形，快速制模，技術(shù)發(fā)展 1、引言 21世紀(jì)是以知識(shí)經(jīng)濟(jì)和信息社會(huì)為特征的時(shí)代，制造業(yè)面臨信息社會(huì)中瞬息萬變的市場(chǎng)對(duì)小批量多種產(chǎn)品要求的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在制造業(yè)日趨國(guó)際化的狀況下，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和減少開發(fā)新產(chǎn)品投資風(fēng)險(xiǎn)，成為企業(yè)賴以生存的關(guān)鍵。直接從計(jì)算機(jī)模型產(chǎn)生三維物體的快速成形技術(shù)，是由現(xiàn)代設(shè)計(jì)和現(xiàn)代制造技術(shù)迅速發(fā)展的需求應(yīng)運(yùn)而生的，它涉及機(jī)械工程、自動(dòng)控制、激光、計(jì)

2、算機(jī)、材料等多個(gè)學(xué)科，近年來，該技術(shù)迅速在工業(yè)造型、制造、建筑、藝術(shù)、醫(yī)學(xué)、航空、航天、考古和影視等領(lǐng)域得到良好的應(yīng)用?？焖俪尚?快速制模/快速制造技術(shù)為企業(yè)提高競(jìng)爭(zhēng)力提供了一種先進(jìn)的手段。 快速成形技術(shù)(Papid prototyping，以下簡(jiǎn)稱RP)自80年代問世以來，在成形系統(tǒng)、材料方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，同時(shí)推動(dòng)了快速制模(Rapid Tooling，以下簡(jiǎn)稱RT)和快速制造(Rapid Manufacturing，以下簡(jiǎn)稱RM)的發(fā)展，90年代中末期是RP技術(shù)蓬勃發(fā)展的階段。我國(guó)的華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、北京隆源公司和南京航空航天大學(xué)等單位，于90年代初率先開發(fā)RP及相關(guān)

3、技術(shù)的研究、開發(fā)、推廣和應(yīng)用。到1999年，國(guó)內(nèi)已有數(shù)十臺(tái)引進(jìn)或國(guó)產(chǎn)RP系統(tǒng)在企業(yè)、高校、研究機(jī)構(gòu)和快速成形服務(wù)中心運(yùn)行。在國(guó)家科技部的領(lǐng)導(dǎo)和支持下，先后成立了近十家旨在推廣應(yīng)用RP技術(shù)的“快速原型制造技術(shù)生產(chǎn)力促進(jìn)中心”，863/CIMS主題專家組還將快速成形技術(shù)納入目標(biāo)產(chǎn)品發(fā)展項(xiàng)目。此外，有相當(dāng)一部分高校將RP技術(shù)列入了“211”規(guī)劃。國(guó)內(nèi)投入RP研究的單位逐年增加，RP市場(chǎng)初步形成。 2、快速成形技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史 RP技術(shù)是一種用材料逐層或逐點(diǎn)堆積出制件的制造方法。分層制造三維物體的思想雛形，最早出現(xiàn)在制造技術(shù)并不發(fā)達(dá)的19世紀(jì)。早在1892年，Blanthre主張用分層方法制作三維地圖模型

4、。1979年?yáng)|京大學(xué)的中川威雄教授，利用分層技術(shù)制造了金屬?zèng)_裁模、成型模和注塑模。 光刻技術(shù)的發(fā)展對(duì)現(xiàn)代RP技術(shù)的出現(xiàn)起到了催化作用。 20世紀(jì)70年代末到80年代初期，美國(guó)3M公司的Alanj.Hebert(1978)、日本的小玉秀男(1980)、美國(guó)UVP公司的Charles W.Hull(1982)和日本的丸谷洋二(1983)，在不同的地點(diǎn)各自獨(dú)立地提出了RP概念，即利用連續(xù)層的選區(qū)固化產(chǎn)生三維實(shí)體的新思想。Charles W.Hull在UVP的繼續(xù)支持下，完成了一個(gè)能自動(dòng)建造零件的稱之為SterolithographyApparatus(SLA)的完整系統(tǒng)SLA-1，1986年該系統(tǒng)獲

5、得專利，這是RP發(fā)展的一個(gè)里程碑。 同年，Charles W.Hull和UVP的股東們一起建立了3D System公司；隨后許多關(guān)于快速成形的概念和技術(shù)在3D System公司中發(fā)展成熟。與此同時(shí)，其它的成型原理及相應(yīng)的成型機(jī)也相繼開發(fā)成功。1984年Michael Feygin提出了分層實(shí)體制造(Laminatde Object Manufacturing，以下簡(jiǎn)稱LOM)的方法，并于1985年組建Helisys公司，1990年前后開發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)機(jī)型LOM1015。1986年，美國(guó)Texas大學(xué)的研究生C.Deckaed提出了Selective Laser Sintering(SLS)的思

6、想，稍后組建成DTM公司，于1992年開發(fā)了基于SLS的商業(yè)成型機(jī)(Sinterstation)ScottCrump在1988年提出了Fused Deposition Modeling(FDM)的思想，1992年開發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)機(jī)型3D-Modeler。自從20世紀(jì)80年代中期SLA光成型技術(shù)發(fā)展以來到90年代后期，出現(xiàn)了十幾種不同的快速成形技術(shù)，除前述幾種外，典型的還有，3DP、SDM、SGC等。目前，SLA、LOM、SLS和FDM四種技術(shù)比較成熟。 3、RP技術(shù)的新進(jìn)展 3.1光固化成形(SLA) 該成形法是目前世界上研究最深入、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種快速成形方法。目前研究SLA方法

7、的有3D System公司、EOS公司、FS公司、CMET公司、D-MEC公司、 Teijin Seiki公司、 Mitsui Zosen公司、西安交通大學(xué)和華中科技大學(xué)等。美國(guó)3D System公司的SLA技術(shù)在國(guó)際市場(chǎng)上占的比例最大，其設(shè)備自1988年推出SLA-250機(jī)型以后，在技術(shù)上有了長(zhǎng)足進(jìn)步，近幾年推出的SLA-3500和SLA-5000機(jī)型使用半導(dǎo)體激勵(lì)的固體激光器，掃描速度分別達(dá)到2.54m/sec和5m/sec，成型層厚最小可達(dá)0.05mm，該公司于1999年推出的SLA-7000機(jī)型與SLA-5000機(jī)型相比，成型體積雖然大致相同，但其掃描速度卻達(dá)9.52m/sec，平均成

8、形速度提高了4倍，成形層厚最小可達(dá)0.025mm，精度提高了一倍。 SLA成型技術(shù)的材料主要有四大系列：Ciba公司生產(chǎn)的CibatoolSL系列， Dupont公司的 SOMOS 系列，Zeneca公司的Stereocol系列和RPC公司(瑞典)的RPCure系列。CibaoolSL系列有以下新品種：用于 SLA-3500的 CibaoolSL-5510，這種樹脂可以達(dá)到較高的成形速度和較好的防潮 性能，還有較好的成形精度。CibaltooISC-5210主要用于要求防熱、防濕的環(huán)境，如水下作業(yè)條件。SOMOS系列也有新品種SOMOS8120，該材料的性能類似于聚乙烯和聚丙烯，特別適合于制作

9、功能零件，也有很好的防潮、防水性能。 日本方面打破了SLA技術(shù)使用紫外光源的常規(guī)，在日本化藥公司開發(fā)新型光敏樹脂的協(xié)作下，由DENKEN ENGINEERING公司和AUTOSTRADE公司率先使用680nm左右波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器作為光源，大大降低了SLA設(shè)備的價(jià)格。特別是AUTOSTRADE公司的EDARTS機(jī)型，采用一種光源從下部隔著一層玻璃往上照射的約束液面型結(jié)構(gòu)，使得該設(shè)備價(jià)格降到了298萬日元。西安交通大學(xué)推出了LPS和CPS系列SLA成型機(jī)和相應(yīng)的光敏樹脂。CPS成型機(jī)采用了紫外燈作為成型能源。 3.2疊層成形(LOM) 目前研究LOM工藝的有Helisys公司，華中科技大學(xué)、清華

10、大學(xué)、 Kira公司、 Sparx公司和 Kinergy 公司。Helisys公司除原有的LPH、LPS和LPF三個(gè)系列紙材品種以外，還開發(fā)了塑料和復(fù)合材料品種。華中科技大學(xué)推出的HRP系列成型機(jī)和成型材料，具有較高的性能價(jià)格比。清華大學(xué)推出了SSM系列成型機(jī)及成型材料。 3.3選擇性激光燒結(jié)成形(SLS) 研究SLS的有DTM公司、EOS公司、北京隆源公司、華中科技大學(xué)和南京航空航天大學(xué)等。DTM公司于1992年、1996年和1999年先后推出了Sinterstation2000、2500和2500Plus機(jī)型。其中2500Plus機(jī)型的造型體積比過去增加了10%，同時(shí)通過對(duì)加熱系統(tǒng)的優(yōu)化，

11、減少了輔助時(shí)間，提高了造形速度。北京隆源公司推出了AFS-300成型機(jī)。華中科技大學(xué)開發(fā)出HRPS-1型成機(jī)，用于鑄造中砂造型，HRPS-型成型機(jī)用于高分子粉末成形。在材料方面，DTM公司每年有數(shù)種新產(chǎn)品問世，其中DuraformGF材料生產(chǎn)的制作，精度更高，表面更光滑。最近開發(fā)的彈性聚合物Somos201材料，具有橡膠特性，并可耐熱和抗化學(xué)腐蝕，用該材料造出了汽車上的蛇型管、密封墊和門封等防滲漏的柔性零件；用Rapidsteel2.o不銹鋼粉制造的模具，可生產(chǎn)100，000件注塑件；Rapidtool2.0這種材料的收縮率只有0.2%，其制件可以達(dá)到較高的精度和表面光潔度，幾乎不需要后續(xù)拋光

12、工序。DTMPolycarbonate銅-尼龍混合粉末，主要用于制作小批量的注塑模。EOS公司發(fā)展了一種新的尼龍粉末材料PA3200GF，類似于DTM的DuraFormGF，用這種材料制作的零件精度和表面光潔度都較好。 3.4熔絲沉積成形(FDM) 研究FDM的主要有Stratasys公司和MedModeler 公司。Stratasys公司于1993年開發(fā)出第一臺(tái)FDM-1650機(jī)型后，先后推出了FDM-2000、FDM-3000和FDM-8000機(jī)型。引人注目的是1998年Stratasys公司推出的FDM-Quantum機(jī)型，最大造型體積為600mm× 500mm×60

13、0mm。由于采用了擠出頭磁浮定位(Magna Drive)系統(tǒng)，可在同一時(shí)間獨(dú)立控制兩個(gè)擠出頭，因此其造型速度為過去的5倍。Stratasys公司1998年與MedModeler公司合作開發(fā)了專用于一些醫(yī)院和醫(yī)學(xué)研究單位的MedModeler機(jī)型，使用ABS材料，并于1999年推出可使用聚脂熱塑性塑料的Genisys型改進(jìn)機(jī)型-GenisysXs，造型體積達(dá)305mm ×203mm ×203mm。清華大學(xué)推出了MEM機(jī)型。 熔絲線材料主要是ABS、人造橡膠、鑄蠟和聚脂熱塑性塑料。1998年澳大利亞的Swinburm工業(yè)大學(xué)研究了一種金屬-塑料復(fù)合材料絲。1999年Strat

14、asys公司開發(fā)出水溶性支撐材料，有效地解決了復(fù)雜、小型孔中的支撐材料難除或無法去除的難題。 3.5其它 1997年Z公司推出Z-402機(jī)型，該設(shè)備以淀粉摻蠟或環(huán)氧樹脂為原料，將粘結(jié)劑噴射到粉末上的方法制造零件。1998年P(guān)roMetal公司推出RTS-300機(jī)型，以鋼、鋼合金、鎳合金和鈦鉭合金粉末為原料，同樣采用將粘結(jié)劑噴到粉末上的技術(shù)，可直接快速生產(chǎn)金屬零件。 1999年3D System公司開發(fā)了一種使用熱塑性塑料的多噴頭式熱力噴射實(shí)體打印機(jī)(ThermoJet Solid Object Printer)，成型速度更高。 美國(guó)新澤西工學(xué)院1998年提出一種快速冰凍成形(REP)的新技術(shù)，

15、以純水作為原形材料，用冰點(diǎn)較低的鹽水作為支撐材料，通過選區(qū)沉積和快速冰凍制造成形零件。1998年以來，微制造技術(shù)也是RP技術(shù)一個(gè)較為活躍的研究方向，美國(guó)的一個(gè)研究小組利用CAD技術(shù)制造了直徑只有100微米的高密度零件；另一研究小組則研究了一種新的微制造方法，類似于固體固化(SGC)技術(shù)，據(jù)稱該技術(shù)可制造分子水平的零件，層厚僅2微米。 4、快速制模(RT)、快速制造(RM)技術(shù)的新進(jìn)展 目前的快速制模方法大致有間接制模法和金屬直接制模法。常用的快速制模方法有軟模、橋模和硬模。 軟模(soft tooling)通常指的是硅橡膠模具。用SLA、FDM、LOM或SLS等技術(shù)制作的原型，再翻成硅橡膠模具

16、后，向模中灌注雙組份的聚氨酯，固化后即得到所需的零件。調(diào)整雙組份聚氨酯的構(gòu)成比例，可使所得到的聚氨酯零件的機(jī)械性能接近ABS或PP。 橋模(bridge tooling)通常指的是可直接進(jìn)行注塑生產(chǎn)的環(huán)氧樹脂模具。采用環(huán)氧樹脂模具與傳統(tǒng)注塑模具相比，成本只有傳統(tǒng)方法的幾分之一，生產(chǎn)周期也大大減少。模具壽命不及鋼模，但比硅膠模高，可達(dá)1000-5000件，可滿足中小批量生產(chǎn)的需要。瑞士的Ciba精細(xì)化工公司開發(fā)了樹脂模具系列材料CibaTool。 表1 廠商 RP系統(tǒng) 工藝 材料 模具 壽命 Danish Technical 3D SystemSLA-250 SLA Zebeca 模具系統(tǒng)樹脂

17、50 Institute IVF-Sweden DTMSinterstation SLS 玻璃填充尼龍 17 2000 University of 3D SystemSLA-250 SLA AZabeca模具系統(tǒng)樹脂 50 Nottingham University of Helisys LOM-2030 LOM LPH042紙 1 Warwick Sintef-Norway Cubital Solider SGC Cubital丙酸樹脂 50 Fraunhofer IPT EOS Stereos 600 SLA DuPontSOMOS 3100 12 Fraunhofer IPT Focke

18、leSchwarze SLA AlliedSignal 36 Exactomer8176樹脂 Rover 集團(tuán) 3Dsystem SLA-5000 SLA Ciba5180-環(huán)氧樹脂 50 硬模(hard tooling)通常指的是用間接方式制造金屬模具和用快速成形直接加工金屬模具。目前有用SLA、FDM和SLS方法加工出蠟或樹脂模型，利用熔模鑄造的生產(chǎn)金屬零件；還有利用SLS方法，選擇合適的造型材料，加工出可供澆鑄的鑄造型腔。利用原型作為母模結(jié)合精密鑄造等制作注塑?；蚱渌饘倌＞叩墓に?，典型的還有3D System的Quick Cast、Express Tool等。 多年來金屬直接成型和快速

19、制模技術(shù)，主要是選擇性激光燒結(jié)(SLS)直接制作金屬模具。這種燒結(jié)件往往都是低密度的多孔狀結(jié)構(gòu)，可將低熔點(diǎn)相的金屬滲入后直接形成金屬模具。制件的強(qiáng)度與精度問題一直是難以逾越的障礙。Optomec公司于1998年和1999年分別推出了LENS-50、LENS-1500機(jī)型。以鋼、鋼合金、鐵鎳合金、鈦鉭合金和鎳鋁合金為原料、采用激光凈成形技術(shù)，將金屬直 接沉積成形。使該技術(shù)有所突破。其生產(chǎn)的金屬零件強(qiáng)度超過了傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的金屬零件，精度X/Y平面可達(dá)0.13mm，Z向0.4mm，但表面光潔度較差，相當(dāng)于砂型鑄件的表面光潔度。DTM也推出了新的燒結(jié)材料Rapidsteel2.0，其金屬粉未已由碳鋼改

20、變?yōu)椴讳P鋼，所滲的合金由黃銅變?yōu)榍嚆~，并且不象原來那樣需要中間滲液態(tài)聚合物，其加工過程幾乎縮短了一半。EOS開發(fā)出了新的金屬燒結(jié)材料DirectStees-VI。用于LOM的金屬板MetLAM已開發(fā)出來，采用金屬箔作為L(zhǎng)OM造型材料可以直接加工出鑄造用EPS氣化模，可批量生產(chǎn)金屬鑄件。東京技術(shù)研究所用金屬板材疊層制造金屬模具的系統(tǒng)也已問世。還有用于三維打印的金屬材料ProMetal、RTS-300等。 用SLA、SLS、FDM或LOM方法加工熔模鑄造中的蠟?zāi)?，這是目前生產(chǎn)金屬零件和金屬模具最主要的途徑之一。對(duì)快速造型得到的原型表面進(jìn)行特殊外理后代替木模，直接制造石膏型或瓷型，或是由RP原型經(jīng)硅

21、橡膠模過渡轉(zhuǎn)換得到石膏或陶瓷型，再由石膏型或陶瓷型澆注出金屬模具。這也是行之有效的方法之一。 歐洲EAPRR(European Engineering Action)與Rover集團(tuán)合作，研究RP件直接作注塑模的可能性，用各種快速原型工藝直接制作Rover座椅調(diào)節(jié)手輪的注塑模嵌塊，背后襯以環(huán)氧樹脂鋁粉以增加模具強(qiáng)度和改善散熱性能，然后將其安裝在模架中，裝配好的模具放在注塑機(jī)上生產(chǎn)聚丙稀零件。 5、快速成形技術(shù)的應(yīng)用與市場(chǎng) 至1999年，全世界共出現(xiàn)了334家快速成形服務(wù)機(jī)構(gòu)(rapidprototyping servicebureaus)、27家設(shè)備制造商、12家材料供應(yīng)商、14家專門的軟件供

22、應(yīng)商、23家咨詢機(jī)構(gòu)(consultant)和51家教育與科研機(jī)構(gòu)。各大設(shè)備制造商的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。 快速成形設(shè)備年銷售量和快速成形服務(wù)機(jī)構(gòu)逐年增加，1999年的服務(wù)機(jī)構(gòu)是1992年的7.9倍。不斷提高RP的應(yīng)用水平，是推動(dòng)RP技術(shù)發(fā)展的重要方面。自RP技術(shù)產(chǎn)生以來，各RP系統(tǒng)制造商和RP服務(wù)中心，都在不斷地?cái)U(kuò)大RP技術(shù)的應(yīng)用范圍。從3D公司與克萊斯勒公司的第一次合作開始，RP技術(shù)的已經(jīng)在許多領(lǐng)域里得到了應(yīng)用，其應(yīng)用范圍主要在設(shè)計(jì)檢驗(yàn)、市場(chǎng)預(yù)測(cè)、工程測(cè)試(應(yīng)力分析、風(fēng)道等)、裝配測(cè)試、模具制造、醫(yī)學(xué)、美學(xué)等方面。 RP技術(shù)在制造工業(yè)中應(yīng)用最多，達(dá)到67%，說明RP技術(shù)對(duì)改善產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造水平的

23、巨大的作用。 最近，RP的應(yīng)用出現(xiàn)如下新動(dòng)向： 1)利用RP技術(shù)進(jìn)行金屬板材成型。該技術(shù)利用RP模型制作成形模具，通過液壓機(jī)成形小批量的金屬零件。 2)更復(fù)雜的功能測(cè)試，主要應(yīng)用于流體和氣體的流動(dòng)測(cè)試。由于流動(dòng)分析是工程分析中最為復(fù)雜的分析之一，所以借助于實(shí)際測(cè)試確定有關(guān)流動(dòng)參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)是常用的方法。包括利用高溫材料的RP原型進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)和泵的功能測(cè)試。 3)在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用：美國(guó)有研究小組利用RP技術(shù)產(chǎn)生人工肺和人工心臟，另一研究小組則在小光斑激光SLA系統(tǒng)上用一種類生物材料建造生物組織如肌肉等。還有利用RP技術(shù)幫助發(fā)展新的醫(yī)療裝置。 4)在藝術(shù)上的應(yīng)用，利用RP技術(shù)建立佛像模型和數(shù)字

24、雕刻。 5)在金屬和陶瓷零件成型方面的應(yīng)用。 6)制作彩色制件。目前已能制作具有兩種色彩的制作(如牙模)。 6、RP技術(shù)的展望 RP技術(shù)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，設(shè)備與材料兩方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但目前由于該技術(shù)的成本高，加以制件的精度、強(qiáng)度和耐久性能還不能滿足用戶的要求，暫時(shí)阻礙了RP技術(shù)的推廣普及。此外，近年來CNC切削機(jī)床亦在大步向前發(fā)展，一方面，價(jià)格大幅度下降；另一方面，高速、高精的CNC機(jī)床問世，制件時(shí)間縮短，精度及表面質(zhì)量提高。因此，不少企業(yè)使用CNC切削機(jī)床快速制造金屬或非金屬模具及零件，向RP技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。但是在成型復(fù)雜、中空的零件方面，CNC切削機(jī)床是不能取代RP技術(shù)的。這種直接從概念設(shè)計(jì)迅速轉(zhuǎn)為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)模式，必然是21世紀(jì)中制造技術(shù)的主流。隨著技術(shù)的進(jìn)步，RP技術(shù)還會(huì)大踏步地向前發(fā)展，并將成為許多設(shè)計(jì)公司、制造公司、研究機(jī)構(gòu)和教育機(jī)構(gòu)等的基本技術(shù)和裝備。 從上述RP技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來看，未來幾年的趨勢(shì)主要為： 1)提高RP系統(tǒng)的速度、控制精度和可靠性，優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)，選用性能價(jià)格比高、壽命長(zhǎng)的元器件，使系統(tǒng)更簡(jiǎn)潔，操作更方便，可靠性更高，速度更快。開發(fā)不同