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快速成形技术的发展方向


专题综述

快速成形技术的发展方向
The Analysis of Trends in Rapid Prototyping
清华大学 徐 健 颜永年 卢 伟 魏大中

[摘要] 综述了当今快速成形技术发展的新动 态, 介绍了当今快速成形技术的两大发展方向——概 — 念模型快速原型技术和快速制造技术。 关键词: 快速原型

快速制造 概念模型 [ABSTRACT] The new deveIop ment in the rapid protot ypin g technoIo gy are summariged . T wo deveIop— ment trends —— rapid protot ypin g technoIo gy of the concep tuaI modeI and rapid manufacturin g technoIo gy are introduced . Keywords:Rapid Prototyping Rapid Manufacturing Concept model 快速成形 Rapid Protot ypin g, ) ( RP 技术是当今世 界上飞速发展的制造技术之一。美国 3D S ystems 创 始人 CahrIes HuII 于 1984 年 设计了世界上第一个基 于离散 / 堆积原理的 RP 装置, 至今已有 18 年了, RP 技术已由它的技术热情期进入了早成熟期, 并朝着快 速制造 Rapid Manufacturin g, ) ( RM 方向发展。根据美 国 WohIers Associates 咨询公司 2001 年的 RP 市场调 全世界 23 个 RP 设备制造厂商共生 查报告: 2000 年, 产设备 1320 台, 累计达 6755 台, 安装于 58 个国家; 北美占 45% , 亚太占 2000 年共制造了 300 万个原型, , 欧洲占 24 . 6% 。全球大约有 384 家 RP 公司, 28 . 6% 相对于 1999 年增长了 14 . 8% , 其产值约 2 . 97 亿美元, 这个增长速度比 1996 的 43 . 1% 要逊色不少, 但比前 。快速原型与制造技术如此 两年要有所好转 (如图 1)

受到青睐, 主要原因是它可以快速将设计思想物化为 具有一定结构和功能的三维实体, 并且是低成本制作 产品原型和零件, 这大大满足了当今竞争日益激烈的 市场对新产品快速开发和快速制造的要求。

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快速成形技术原理

快速原型 RP)自由成形制造 Free From Fabri( ( / ) 技术是以 CAD、 数控、 激光和新材料等多门技术 cation 为基础的新兴综合技术。发展到今天虽然只有十几年 的历史, 但已成为一个迅速发展的技术领域。 快速成形技术是由 CAD 模型直接驱动的快速制 造复杂形状三维物理实体技术的总称, 其基本过程见 图 2。首先采用 CAD 软件设计出所需零件的计算机 三维曲面或实体模型 (数字模型或称电子模型) 然后 ; 根据工艺要求, 按照一定的规则将该模型离散为一系 列有序的单元, 一般在 Z 向将其按一定厚度进行离散 (习惯称为分层) ,把原来的三维电子模型变成一系列 的二维层片; 再根据每个层片的轮廓信息, 进行工艺规 划, 选择合适加工参数, 自动生成数控代码; 最后由成 形机接受控制指令, 制造一系列层片, 并自动将它们联 接起来, 得到一个三维物理实体。这样就将一个物理 实体复杂的三维加工离散成一系列层片的加工, 大大 降低了加工难度, 并且成形过程的难度与待成形的物 理实体形状和结构的复杂程度无关。
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CAD 模型 分 解 过 程 计算 机中 信息 处理

!
! 向离散化 ( 分层 )

!
层面信息处理

"

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层面制造与连接 组 合 过 程

#
成形 机中 堆积 成形

!
物理实体加工完毕

图1 Fig . 1

世界 RP 设备历年销售额 The saIes amount over the years for RP eguip ment in the worId

后处理

!

!

Fig . 2

图 2 快速成形基本过程 Basic process of the rapid protot ypin g 25

航空制造技术

专题综述

!

快速原型技术的两大发展方向

在 2000 年 12 月和 2001 年 12 月德国法兰克福 Euro - MoId 和 2001 年 5 月辛辛那提 SME - RPM 会 议上都对 RP 技术的发展方向进行了热烈讨论。面向 市场的非定制生产不断扩大, 人们需要既满足客户个 性化需 求 又 可 进 行 大 批 量 生 产 的 低 成 本 生 产 方 式。 1970 年 A . ToffIer, 1993 年 B . J . Pine, 1999 年 D . An就提出批量定制 Mass Customization) ( 的概念和 derson 方法体系, 它在工艺上的核心技术是 RM 。 RM 继承了 ( 通过 CAD 模型直接驱 RP 的基本原理并向前发展:1) 动工具和材料来成形, 进一步将成形的过程与物理过 程统一起来;2) ( 采用离散 / 堆积成形原理, 将材料制备 与材料成形过程统一起来。 “生长成形” 是上述两个 “统一” 的完美境界。会议反映 RP 技术朝着两个方向 发展。 并朝桌面 (1)RP 仍然保留制造概念模型的部分, 化发展。 随着快速成形技术发展, 一种适合办公环境和桌 面化的小型 “三维打印机” 日益受到 RP 设备开发商和 用户的关注。这种设备的特点:) 1 价格便宜; ) 2 外观小 巧美观;) 3 成形空间较小;) 4 有一定的造型精度。 致力于桌面化快速成形设备的公司及机型有: 以色列推出的 SoIidimension SD 300C。它采用 1) 刀切塑料薄膜, 不加热仅用粘结剂 (因而变形很小) 粘 是最便宜的概 结。其质量比 Pattern Master 还轻 5k g, 念模型机, 仅售 1 . 5 万美元。 以色列的 Ob ect Geometries Ltd . ,将 3D Ink 2) Jet 与 光 固 化 工 艺 结 合 起 来,开 发 的 新 机 型 为 。它由 1536 个陈列式喷头沿 ! 轴运动完成 “ Ouadra” 树脂喷射, 在喷阵运动方向前后, 各有一个紫外光固化 灯, 因而可达到随喷随固化, 大大提高了成形效率。 3) - Corp 的 Z400 和 Z406。 Z400 喷头拥有 128 Z 个 Jets 单色机, 层厚从 0 . 075 mm 到 0 . 02 mm, 喷头来 自 CANON 。售价为 4 . 9 万美元。 4) Stratasys 公司的 Prodigy 机。它是去年该公司 推出的机型, 体积较小, 两个丝盘 (造型和支撑) 水平置 精 放于机器正前下方 (抽屉式) 可加工层厚为 3 种: , 细、 标准和粗糙, 分别为 0 . 175 mm, . 25 mm 和 0 . 33 0 mm。该机器是 Stratasys 公司考虑价位和功能平衡推 出的机器, 售价为 6 . 6 ~ 7 . 7 万美元。该机器无法用水 溶性支撑结构。 从以上可知, 桌面化快速成形设备将是十分低价 的。以色列的概念模型机在世界上领先。在国内, 清 华大学激光快速成形中心也在开发适合中国国情的 “三维打印机”它将比国外设备有更好的性价比。 , !"

(零件) 方向发展。 (2)RP 朝制造功能性模型 (零件) 方向发展主要应用 RP 朝制造功能性模型 材料梯度 - 功能梯度零件、 直 于 Mass Customization、 接金属成形零件。 1) 成为 Mass Customization 工艺的核心技术, RM 主要应用于牙矫器、 助听器等的批量定制。 美国 AIig n TechnoIo gy 公司已研制出用透明高分 子材料制作的隐形牙齿矫正器, 并将其商业化。这是 一种根据病人的个体情况个性化设计, 基于快速成形 技术并采用透明医用高分子材料制造的矫正器械, 应 用它进行治疗的技术过程, 见图 3。
应用快速 患者牙 型数据 矫正过程计算

! 机辅助设计 ! ! 制矫正器 ! 实现矫正 制造矫正
过程牙型

成形工艺

根据牙型翻

患者配戴

图3 Fig . 3

牙矫器技术流程

FIoW of the tooth corrector

首先, 要获得患者的病态牙型数据; 再将其转换成 用专门的牙齿矫正工步设计软 可供处理的 CAD 模型; 件进行每一个矫正工步的矫正量的分配 (通常分为 12 , ~ 48 步完成)并构造出每一步矫正后牙型的 CAD 模 型, 然后用高精度的快速成形 - 光固化成形工艺加工 出牙型; 再根据牙型翻制出相应矫正阶段的矫正器; 患 者依次配带后即可获得很好的矫正效果。相对传统的 金属弓丝矫正方法, 这种方法具有很明显的优势。这 是 RM 用于批量定制的成功案例。 材料梯度 - 功能梯度零件。 2) 功能梯度材料 FGM ) ( 制备工艺, 主要包括气相合 成法 (物理气相沉积和化学气相沉积) 等离子喷涂法、 、 电镀法、 粉末冶金法和自蔓延高温合成法等工艺。这 类工艺强调所合成材料连续的成分梯度和最终组织形 态, 通过改变工艺中各个材料组分的相对配比和其他 一些工艺参数来实现材料的梯度分布。 在 麻省理工学院 M I T ) 3D - P 快速成形工艺的 ( 基础上, 提出了材料的局部成分控制 LocaI Com posi( 的概念, 并且采用了在有限元网格 tion ControI, LCC) 的节点上添加材料成分信息的 CAD 模型, 建立了从设 计、 分层到制造的软硬件系统, 利用 3D - P 工艺制造 了组 织 工 程 支 架 和 能 够 控 制 缓 释 的 药 物 缓 释 装 [1, 置 2] 。清华大学采用快速成形方法制造大段人工骨 [3, , 的细胞载体框架 4] 已完成动物实验。图 4 为人工 骨架试样, 5 为试样的 SEM 照片, 图 表明得到了贯通 的多孔内结构。 !##! 年第 $$ 期

专题综述
AreoMet 的 M TS S ystems 公司开发了 一 种 称 为 ( 系统, 该设备激光 LAM Laser Additive Manufacturin g) 功率很大, 19kW CO2 ) 目前主要用于大型钛金属 为 ( , 件制造。 LAM 是一种近净成形设备, 用于加工单件和 小批量金属件时, 由于无需铸造和锻造而大大节省了 工装、 工具费用, 提高了加工效率并能达到强度和抗疲 劳性能的要求。 AreoMet 还打算开发实时混入特殊粉 末而制造梯度合金件。 在 Michigan 的 SoIidica Inc 开发了一种十分有兴 趣的直接金属制造工艺, 25 mm 宽、 . 1 mm 厚的铝 用 0 合金带材, 根据分层堆积与 CNC 铣削的原理制造复杂 成形件尺 的铝件 (模)制造速度很快, , 可达 574 cm3 / h, 精 寸为 500 mm X 900 mm X 250 mm, 度 达 1 0 . 075 , 详细原理目前尚处保密之中。 INC 采用 LOM 原 mm 理开发了可制造金属和陶瓷零件的工艺, 称为 CAM ( LEM Com puter - Aided Manufacturin g of Laminated 。它采用自适应分层方法 (在垂直处 En g . MateriaIs) 加大分层厚度) 用激光切割轮廓和分割块, , 用粘结剂 粘结陶瓷或金属薄膜。完成的半成品还需在炉子中烧 但同时会引起 18% 的 结, 使其达到理论密度的 99% , 收缩。

图4 Fig . 4

人工骨架试样

ArtificiaI skeIeton sam pIe

图5

人工骨框架 SEM 照片 500 !m X 500 !m) ( Fig . 5 SEM photo of artificiaI skeIeton(500 !m X 500 !m)

3)直接金属成形零件 采用 RP 的原理直接制造金属零件在空间工程、 飞机工业有重要的应用, 因而受到广泛的关注, 但目前 仍处于研究与半商品化阶段。粗略分类可将其分为两 大类: 第一是用金属粉末直接烧结。以德国 EOS 公司 为代表, 其核心在于金属粉末。采用何种金属粉末在 大功率激光束下熔化后, 凝固时收缩极小, 从而大大减 因而烧出十分精 小内应力, EOS 成功地解决了此难题, 致的金属零件。其粉末仍以钢为主, 此外还有铜和镍 粉, 以及凝固时膨胀的金属粉末, 粉末直径与层厚相 当, 20 !m。第二是用激光束去熔化实时送到聚焦 为 点上的金属粉末或金属丝, 从而熔化金属堆积成形, 即 所谓的激光直接金属沉积制造。这方面的研究, 在美 的 ( 国能源部自然科学基金 NSF of USA ) SBIF SmaII ( 和 ( Business Innovation Research) ST TR SmaII Business 支持下广泛开展, 但似乎并无突 TechnoIo gy Transfer) 破性 成 果。 许 多 类 似 的 研 究 还 被 美 国 国 防 部 的 ( 的 DARPA Defense Research Pro ects A gency ) 许 多 机 械所支持。欧洲 (英国、 德国、 法国、 意大利) 在这方面 的研究也较为普遍。目前此工艺完成的金属件强度 (与密度有关) 已不成问题, 核心问题还是粗糙度和尺 寸精度问题。其解决办法就是与高速数控铣 HSM ) ( 相结合, 在基本沉积堆积完毕后, 5 轴 HSM 加工而 用 在 ( 成。密西根大学 Universit y of Michigan) DMD Di( 机 ( rect MetaI Deposition ) 器 上 完 成 的 POM Precision 是十分具代表性的工艺。 O p ticaI Manufacturin g) 航空制造技术

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结论

快速成形技术是当今世界上发展迅速的先进制造 技术之一, RP 继续朝桌面化设备概念原型方面发 在 展的 同 时, RM 从 RP 中 分 化 出 来 成 为 Mass Cus并向材料梯度 - 功能梯度 tomization 的核心工艺技术, 零件、 生物制造以及直接金属成形零件方向迅猛发展。 关注它的国内外发展的最新动态, 对我国的快速成形 事业的健康发展以及制造业都有深刻的意义。 参 考 文 献

1 Cho W,Sachs E M ,PatrikaIakis N M . SoIid freeform fabrication with IocaI composition controI. Rapid Prototyping,2001 (7) 1 ~ 8 : 2 Jackson T R,Liu H,PatrikaIakis N M . ModeIing and designing functionaIIy graded materiaI components for fabrication ( : with IocaI composition controI. MateriaIs and Design,1999 20) 63 ~ 75 崔福斋, 张人佶, . 人工骨的快速成形制造 . 材 等 3 颜永年, 料导报, ( : 2000,14 2) 11 ~ 13 颜永年, 陈立峰, . 骨组织工程细胞载体框架 等 4 熊 卓, 的两种快速成形新工艺 . 中国机械工程, ( : 2001,12 5 ) 515 ~ 518 (责编



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