快速成型技術(shù)發(fā)展方向探討
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快速成型是制造技術(shù)的一次飛躍，它從成型原理上提出一個全新的思維模式，為制造技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了一個新的機遇。自80年代初材料累加成型思想產(chǎn)生以來，研究人員開發(fā)出了許多快速成型技術(shù)，如光固化成型（SL）、粉末燒結(jié)成型（SLS）、層疊法成型（LOM）、熔積成型（FDM）等多達十余種具體的工藝方法。這些工藝方法都是在材料累加成型的原理基礎上，結(jié)合材料的物理化學特性和先進的工藝方法而形成的，它與其他學科的發(fā)展密切相關。快速成型制造技術(shù)是一個具生命力的技術(shù)，近年來研究和開發(fā)人員不斷探索新的方法。本文通過分析幾種新的快速成型方法闡明快速成型的發(fā)展方向。
1、多種材料組織的熔積成形
美國卡內(nèi)基梅倫（Carnegie Mellon）大學的L.E.Weiss和斯坦福（Stanford）大學的R.Merz在1997年發(fā)表的文章中提出了一種多相組織的沉積型制造方法（Shape Deposition Manufacturing of Heterogeneous Structures）。與此相似，西安交通大學盧秉恒教授在1995年申請國家自然科學基金項目《一種微機械制造的新方法》中也闡述了用多個噴頭熔積不同材料來制造微機械的思想，該項目1996年獲國家自然科學基金資助。
這種方法的原理如下：利用等離子放電來加熱金屬絲材料，加熱頭的結(jié)構(gòu)如圖1所示，熔化的材料熔積到工件逐漸成型。制做一個多種材料的工件時需要多個噴頭，各噴頭可分別噴出不同的材料。在CAD設計中，可以設計出一個完整的器件，器件中的零件由不同材料組成，分層后的材料信息將在每個層面中體現(xiàn)出來。在每一層面上，根據(jù)各部分所需要的材料要求，分別噴上所需材料，這樣逐層制造就可成形出一個多種材料和部件的三位實體器件。這種技術(shù)可在一些小型復雜結(jié)構(gòu)器件的一次整體制造中使用，而無需分件加工和裝配，是一個材料與結(jié)構(gòu)一體化的方法，是發(fā)展微機械制造的一條有效途徑。
圖1 多種材料組織的熔積成形
2、氣相沉積成型（SALD）
美國康奈迪格（Connectict）大學的Kevin Jakubeas闡述了一種基于活性氣體分解沉淀的成型技術(shù)，它稱之為“Selective area laser deposition”（圖2），即使用高能量激光的熱能或光能分解一種活性氣體。這種活性氣體在激光的作用下發(fā)生分解，沉積出一個材料的薄層進行逐層制造。Jakubeas認為通過改變活性氣體的成分和溫度以及激光束的能量，可以沉積出不同材料的零件，包括成型陶瓷和金屬零件。
圖2 氣相沉積成型
3、侵入式光成型
日本大阪Sangyo大學的Yoji Marutani描述了一個新的立體光成形技術(shù)。它是將激光光束通過一個管子直接插入到光敏樹脂槽中（圖3），管子可在水平方向上自由運動。為了在光固化時防止樹脂流入管子而將工件與管子粘到一起，可在管子中充入空氣，控制氣壓，在管口部形成氣泡，將管子端口與工件分離開，激光通過管子中的透鏡聚焦在工件上進行逐層加工。這種方法，可以節(jié)省通常的光固化成型的再涂層裝置與工藝，節(jié)約加工時間，提高加工效率。
圖3 侵入式光成型原理
4、層掃描光固化法
西安交通大學在1996年提出了一種高效低成本的光固化快速成型方法（圖4）。以紫外燈為廉價的光源，利用一簇光纖將光引到掃描光條上。光纖在掃描光條上橫向排列，光條運動，各條光纖上的光開關根據(jù)圖形掃描信息有序開斷，從而在光固化樹脂液面上掃描出一個固化層。掃描條每運動一次就可形成一個層面，從而大大提高了成形效率。本項目獲1997年度國家自然科學基金資助，目前工作正在進行中。
圖4 層掃描光固化法
5、輪廓成型工藝
美國南加州（Southern California）大學的Barok Khoshnevis申請了一個稱為“cotour crafting”的專利技術(shù)（圖5）。它將擠壓的工藝與類似于FDM的成型方法結(jié)合起來，用一個“抹刀”成型零件的上表面和側(cè)表面。這種方法可以光順零件的內(nèi)外表面，消除層層累加制造所產(chǎn)生的臺階效應。這樣可允許每一層的厚度在比較厚的情況下仍有光滑的表面，從而提高加工速度。
圖5 輪廓成型工藝原理圖
6、直接光成形
美國德州儀器公司（Texas Instruments）的Susanna Ventura開發(fā)了一種直接光成型系統(tǒng)（Direct photo-shaping）。該系統(tǒng)以光固化樹脂作為粘接劑，采用光照射光固化樹脂與陶瓷的混合物，將陶瓷粘接起來，逐層固化，制造出陶瓷零件，零件經(jīng)過培燒后，將樹脂燒掉，陶瓷燒結(jié)成型。通過這種方法可以進行陶瓷或粉末冶金零件的制造，解決難加工零件的成型。
7、三維焊接成型
英國諾丁漢（Nottingham）大學的P.Dickins等人提出了一種基于三維焊接成形的方法。它利用焊接機器人制造金屬零件。過去在制造零件時，由于液態(tài)金屬的表面張力和流動性，層與層之間的連接不牢固，會出現(xiàn)裂紋，從而影響物理性能和力學性能。他們提出用凸凹結(jié)合的方法進行連接，以提高層之間的粘接強度（圖6）。這是一種機械連接法，可提高金屬零件的強度。
圖6 三維焊接成型連接工藝
8、光成型表面光順工藝
英國諾丁漢(Nottingham)大學的一個科研小組提出了一種對光固化成型表面修整的方法，可減小制件的表面粗糙度值（圖7）。在掃描完一層后，托板上升一個層厚，在層之間的臺階上還會吸附部分樹脂，由于表面張力的作用，吸附的這部分樹脂把臺階之間的空隙填充了起來，再用激光照射使其固化，就可以填補臺階，將零件表面光順起來，從而減小制件的表面粗糙度值。
圖7 光成型表面光順工藝
從以上所述可以看到：（1）快速成型技術(shù)正在向著多種材料復合成型方向發(fā)展，無需裝配一次制造多種材料、復雜形狀的零件和器件。這種將材料制備與結(jié)構(gòu)成型一體化的快速成型方法，將為開發(fā)復合結(jié)構(gòu)成型提供新途徑，在微機械、電子元器件、電子封裝、傳感器等領域有廣泛的應用前景。（2）快速成型將向降低成本、提高效率、簡化工藝的方向發(fā)展，其目的是普及快速成型技術(shù)和提高快速成型的應用范圍。（3）提高成型件的精度、表面質(zhì)量、力學和物理性能，為進一步進行模具加工和功能實驗提供基礎。