快速成形技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展
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1 前言
快速成形技術(shù)(Rapid Prototyping RP)又稱快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing，簡稱RPM)技術(shù)，誕生于20世紀(jì)80年代后期，是基于材料堆積法的一種高新制造技術(shù)，被認(rèn)為是近20年來制造領(lǐng)域的一個重大成果。它集機(jī)械工程、CAD、逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、激光技術(shù)于一身，可以自動、直接、快速、精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵瑥亩鵀榱慵椭谱鳌⑿略O(shè)計思想的校驗等方面提供了一種高效低成本的實現(xiàn)手段。即，快速成形技術(shù)就是利用三維CAD的數(shù)據(jù)，通過快速成型機(jī)，將一層層的材料堆積成實體原型。
2 RP技術(shù)產(chǎn)生背景
(1)隨著全球市場一體化的形成，制造業(yè)的競爭十分激烈，產(chǎn)品的開發(fā)速度日益成為主要矛盾。在這種情況下，自主快速產(chǎn)品開發(fā)(快速設(shè)計和快速工模具)的能力(周期和成本)成為制造業(yè)全球競爭的實力基礎(chǔ)。
(2)制造業(yè)為滿足日益變化的用戶需求，要求制造技術(shù)有較強(qiáng)的靈活性，能夠以小批量甚至單件生產(chǎn)而不增加產(chǎn)品的成本。因此，產(chǎn)品的開發(fā)速度和制造技術(shù)的柔性就十分關(guān)鍵。
(3)從技術(shù)發(fā)展角度看，計算機(jī)科學(xué)、CAD技術(shù)、材料科學(xué)、激光技術(shù)的發(fā)展和普及為新的制造技術(shù)的產(chǎn)生奠定了技術(shù)物質(zhì)基礎(chǔ)。
3 RP技術(shù)基本原理
快速成形技術(shù)是在計算機(jī)控制下，基于離散、堆積的原理采用不同方法堆積材料，最終完成零件的成形與制造的技術(shù)。從成形角度看，零件可視為“點”或“面”的疊加。從CAD電子模型中離散得到“點”或“面”的幾何信息，再與成形工藝參數(shù)信息結(jié)合，控制材料有規(guī)律、精確地由點到面，由面到體地堆積零件。從制造角度看，它根據(jù)CAD造型生成零件三維幾何信息，控制多維系統(tǒng)，通過激光束或其他方法將材料逐層堆積而形成原型或零件。
4 RP技術(shù)的類型
近十幾年來，隨著全球市場一體化的形成，制造業(yè)的競爭十分激烈。尤其是計算機(jī)技術(shù)的迅速普遍和CAD／CAM技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得RP技術(shù)得到了異乎尋常的高速發(fā)展，表現(xiàn)出很強(qiáng)的生命力和廣闊的應(yīng)用前景。快速成形技術(shù)發(fā)展至今，以其技術(shù)的高集成性、高柔性、高速性而得到了迅速發(fā)展。目前，快速成形的工藝方法已有幾十種之多，其中主要工藝有四種基本類型：光固化成型法、分層實體制造法、選擇性激光燒結(jié)法和熔融沉積制造法。
4．1 光固化成形
SLA(Stereo lithography Apparatus)工藝也稱光造型、立體光刻及立體印刷，其工藝過程是以液態(tài)光敏樹脂為材料充滿液槽，由計算機(jī)控制激光束跟蹤層狀截面軌跡，并照射到液槽中的液體樹脂，而使這一層樹脂固化，之后升降臺下降一層高度，已成型的層面上又布滿一層樹脂，然后再進(jìn)行新一層的掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復(fù)直到整個零件制造完畢，得到1個三維實體模型。該工藝的特點是：原型件精度高，零件強(qiáng)度和硬度好，可制出形狀特別復(fù)雜的空心零件，生產(chǎn)的模型柔性化好，可隨意拆裝，是間接制模的理想方法。缺點是需要支撐，樹脂收縮會導(dǎo)致精度下降，另外光固化樹脂有一定的毒性而不符合綠色制造發(fā)展趨勢等。
4．2 分層實體制造
LOM(Laminated Object Manufacturing)工藝或稱為疊層實體制造，其工藝原理是根據(jù)零件分層幾何信息切割箔材和紙等，將所獲得的層片粘接成三維實體。其工藝過程是：首先鋪上一層箔材，然后用CO，激光在計算機(jī)控制下切出本層輪廓，非零件部分全部切碎以便于去除。當(dāng)本層完成后，再鋪上一層箔材，用滾子碾壓并加熱，以固化黏結(jié)劑，使新鋪上的一層牢固地粘接在已成形體上，再切割該層的輪廓，如此反復(fù)直到加工完畢，最后去除切碎部分以得到完整的零件。該工藝的特點是工作可靠，模型支撐性好，成本低，效率高。缺點是前、后處理費時費力，且不能制造中空結(jié)構(gòu)件。
4．3 選擇性激光燒結(jié)
SLS(Selective Laser Sintering)工藝，常采用的材料有金屬、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作為成形材料。其工藝過程是：先在工作臺上鋪上一層粉末，在計算機(jī)控制下用激光束有選擇地進(jìn)行燒結(jié)(零件的空心部分不燒結(jié)，仍為粉末材料)，被燒結(jié)部分便固化在一起構(gòu)成零件的實心部分。一層完成后再進(jìn)行下一層，新一層與其上一層被牢牢地?zé)Y(jié)在一起。全部燒結(jié)完成后，去除多余的粉末，便得到燒結(jié)成的零件。該工藝的特點是材料適應(yīng)面廣，不僅能制造塑料零件，還能制造陶瓷、金屬、蠟等材料的零件。造型精度高，原型強(qiáng)度高，所以可用樣件進(jìn)行功能試驗或裝配模擬。
4．4 熔融沉積成形
FDM(Fused Deposition Manufacturing)工藝又稱為熔絲沉積制造，其工藝過程是以熱塑性成形材料絲為材料，材料絲通過加熱器的擠壓頭熔化成液體，由計算機(jī)控制擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓準(zhǔn)確運動，使熔化的熱塑材料絲通過噴嘴擠出，覆蓋于已建造的零件之上，并在極短的時間內(nèi)迅速凝固，形成一層材料。之后，擠壓頭沿軸向向上運動一微小距離進(jìn)行下一層材料的建造。這樣逐層由底到頂?shù)囟逊e成一個實體模型或零件。該工藝的特點是使用、維護(hù)簡單，成本較低，速度快，一般復(fù)雜程度原型僅需要幾個小時即可成型，且無污染。
除了上述4種最為熟悉的技術(shù)外，還有許多技術(shù)也已經(jīng)實用化，如三維打印技術(shù)、光屏蔽工藝、直接殼法、直接燒結(jié)技術(shù)、全息干涉制造等。