柳文清

梧州學(xué)院，廣西 梧州 543002

快速成型技術(shù)研究

柳文清

梧州學(xué)院，廣西 梧州 543002

本文以快速成型原理為基礎(chǔ)，論述了快速成型的制作過程，分析了快速成型工藝，綜述快速成型技術(shù)在寶石首飾、航空航天、醫(yī)學(xué)、模具等領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)熔融沉積快速成型系統(tǒng)進(jìn)行研究，先在寶石首飾行業(yè)試點(diǎn)，然后推廣到工業(yè)、建筑、醫(yī)學(xué)等其它領(lǐng)域。

快速成型；首飾； 人工寶石

快速成型技術(shù)是先進(jìn)制造的核心技術(shù)，能由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)快速制造任意復(fù)雜的三維實(shí)體。它把三維制造轉(zhuǎn)化為二維制造的疊加，可以不用模具直接生成復(fù)雜的零件。

1、快速成型概況

快速成型技術(shù)集成了CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、材料技術(shù)[1]的成果，它從零件的CAD模型開始，經(jīng)過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，用激光束將材料堆積形成零件。在寶石首飾、模具、航空航天、醫(yī)學(xué)、藝術(shù)品等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。它能提高新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短開發(fā)時(shí)間。是現(xiàn)代制造發(fā)展的趨勢。

2、快速成型的原理

快速成型技術(shù)采用離散與堆積成型原理[2]，按照三維CAD模型，把模型按一定厚度進(jìn)行分層，把三維模型變成一層一層很薄的二維模型。再加入加工參數(shù)如光學(xué)參數(shù)、溫度、功率和材料進(jìn)給量。在數(shù)控系統(tǒng)控制下加工出每個(gè)薄層，使之黏結(jié)成形。也就是基于添加材料的原理一層一層地疊加，從底至上完成整個(gè)零件的制作全過程。

3、快速成型制作過程

快速成型工藝分為三個(gè)步驟。

3.1 前處理。包括零件的三維模型的構(gòu)造即CAD三維模型的設(shè)計(jì)[3]、成型方向選擇、切片處理。

3.2 分層疊加成型。包括光固化快速成型、疊層實(shí)體制造、選擇性激光燒結(jié)、熔融積制造等 。

3.3 后處理。包括工件剝離或去支撐、表面處理、表面強(qiáng)化處理。

4、快速成型應(yīng)用前景

4.1 光固化成型工藝 ，即立體光刻成型。它是最早的快速成型技術(shù)。以光敏樹脂為原料，通過計(jì)算機(jī)控制激光使其凝固成形。這種方法能全自動(dòng)地制造出復(fù)雜的零件。光固化成型工藝需要支撐結(jié)構(gòu)。應(yīng)用于單件小批量精密鑄造、快速?zèng)_壓模具、產(chǎn)品模型的制造。

4.2 疊層實(shí)體制造 。疊層實(shí)體快速成型方法是采用薄層材料整體粘接后，再根據(jù)實(shí)體輪廓進(jìn)行切割。逐層累計(jì)完成原型的制作，制作后需要除去余料。它應(yīng)用在機(jī)床操作手柄的制造效果非常好。由于機(jī)床操作手柄的材料為鑄鐵件，而且具有復(fù)雜的曲面形狀。用手工方法制作鑄造用的木模非常困難，況且精度得不到保證。隨著CAD/ CAM技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)床操作手柄的設(shè)計(jì)可直接在CAD/CAM軟件上如prO/E軟件上完成。通過疊層實(shí)體快速成型制造技術(shù)，機(jī)床操作手柄直接由CAD模型快速制作成鑄造用的木模。從而大大縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。產(chǎn)品的質(zhì)量也有了明顯的提高。

4.3 選擇性激光燒結(jié)。該工藝是利用粉末材料（金屬或非金屬）在激光照射下燒結(jié)的原理，在計(jì)算機(jī)控制下層層堆積成形。使用的材料有石蠟、陶瓷粉末、高分子材料、金屬材料。通過選擇性激光燒結(jié)可直接燒結(jié)制作金屬的原型。如直接制造金屬注塑模。它無需設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)，因?yàn)橛形礋Y(jié)的粉末可以用來實(shí)現(xiàn)支撐。將選擇性激光燒結(jié)快速成型技術(shù)與精密鑄造工藝結(jié)合起來，特別適合形狀復(fù)雜的金屬零件的制造。在新產(chǎn)品試制中，不需要工裝設(shè)備及模具，就可生產(chǎn)新產(chǎn)品中的零件。大大提高生產(chǎn)效率，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。能用選擇性激光燒結(jié)制作的產(chǎn)品有葉片、各種齒輪、各種箱體、泵體、泵蓋等。

4.4 三維印刷。三維印刷工藝是使用粉末材料成形，包括金屬粉末和陶瓷粉末。通過噴頭用黏結(jié)劑將零件的截面“印刷”在材料粉末上面。因?yàn)橛灭そY(jié)劑粘接的零件強(qiáng)度低。達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，因此還需要進(jìn)行后處理。首先燒掉黏結(jié)劑，然后在高溫下滲入金屬，提高零件的強(qiáng)度。使它達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

4.5 熔融沉積快速成型。該工藝是將絲狀的熱熔性材料，如石蠟、ABS、尼龍等加熱溶化，通過噴嘴擠噴出來。噴嘴沿X軸進(jìn)行移動(dòng)，工作臺(tái)沿Y軸進(jìn)行移動(dòng)。熱熔性材料擠噴出噴嘴后，與前一層材料熔結(jié)在一起。一個(gè)層面沉積完成以后，工作臺(tái)就下降一個(gè)層的高度，再繼續(xù)熔噴沉積，一直到完成整個(gè)零件。熔融沉積快速成型應(yīng)用于汽車、機(jī)械、電子、玩具等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)。用傳統(tǒng)工藝方法必須幾個(gè)月才能制造完成的產(chǎn)品原型，用熔融沉積快速成型工藝無需工裝設(shè)備和刀具，幾個(gè)小時(shí)便可完成制造。豐田公司采用該成型法制作右側(cè)鏡支架和四個(gè)門把手的母模，使得制造成本大大降低。右側(cè)鏡支架模具成本降低20萬美元，四個(gè)門把手模具成本降低30萬美元。熔融沉積快速成型工藝為豐田公司在橋車制造方面節(jié)約了200萬美元。而且熔融沉積快速成型系統(tǒng)無毒性，不產(chǎn)生粉塵、噪音。特別適合于辦公室環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計(jì)制造新產(chǎn)品。并且該系統(tǒng)運(yùn)行成本很低，設(shè)備操作簡單容易學(xué)習(xí)。可把它看作3D打印機(jī)。用熔融沉積快速成型系統(tǒng)可制作車燈、空調(diào)部件、電動(dòng)工具、耐高溫構(gòu)件、汽車保險(xiǎn)杠、小齒輪等零件。用熔融沉積快速成型系統(tǒng)制造的零件原型的尺寸穩(wěn)定性很好。因此特別適合裝配件的設(shè)計(jì)制造。該零件原型還可以進(jìn)行二次加工如車床、鉆床、銑床的加工。通過二次加工來補(bǔ)償零件尺寸精度的不足。使設(shè)計(jì)的零件能達(dá)到很高的尺寸精度。

4.6 其它快速成型工藝有：三維噴涂黏結(jié)、數(shù)碼累積成型、立體光刻、直接殼法等、在以上的幾種工藝中，熔融沉積快速成型工藝應(yīng)用最為廣泛。

熔融沉積快速成型工藝與光固化成型工藝、疊層實(shí)體制造工藝比較，其優(yōu)點(diǎn)突出，如設(shè)備價(jià)格低、操作成本低、維修成本低，操作容易，材料強(qiáng)度大、材料抗剪性好、材料抗拉性好。

5、對(duì)熔融沉積快速成型系統(tǒng)提出改進(jìn)

為了在人工寶石首飾領(lǐng)域取得更大成就，特對(duì)熔融沉積快速成型系統(tǒng)提出如下改進(jìn)：

5.1 設(shè)計(jì)寶石首飾的立體圖在計(jì)算機(jī)上用三維繪圖軟件繪制[4],如prO/E.AutoCAD等?；蛴捎脩籼峁┑膶?shí)物樣品.通過逆向工程,在計(jì)算機(jī)中生成三維立體圖形。

5.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：對(duì)CAD模型近似處理，生成STL格式的數(shù)據(jù)文件。STL數(shù)據(jù)處理采用若干小三角片逼近模型的外表面。設(shè)計(jì)快速成型處理軟件接受CAD模型的數(shù)據(jù)。

5.3 構(gòu)建高速高精運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行處理,對(duì)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行控制。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中XY軸的運(yùn)動(dòng)速度高、有運(yùn)動(dòng)的慣性,要保證有良好的隨動(dòng)性。加強(qiáng)Z軸的承載能力。

5.4 根據(jù)首飾幾何特征，對(duì)設(shè)計(jì)的CAD模型進(jìn)行直接切片，采用非等厚的適應(yīng)性分層處理軟件，解決運(yùn)行速度慢，精度差等問題。

6、結(jié)語

快速成型工藝可以使工程師在短時(shí)間內(nèi)得到精確的原型。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,進(jìn)行干涉驗(yàn)證。能快速制作模具。一次制作多個(gè)零件,對(duì)每個(gè)零件針對(duì)不同的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行測試。能在最短的時(shí)間內(nèi)完成最好的設(shè)計(jì)。人工寶石首飾方面特別適合熔融沉積快速成型系統(tǒng)制作，極大提高寶石首飾的成型質(zhì)量。在經(jīng)濟(jì)效益方面縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間、降低原型的生產(chǎn)周期，有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 張彥華. 工程材料與成型技術(shù)[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2005.

[2] 陳雪芳 , 孫春華. 逆向工程與快速成型技術(shù)應(yīng)用[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3]賈振元，劉侃，劉順福. 遠(yuǎn)程控制快速成型加工技術(shù)研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),41卷第4期,2001(7)

[4] 邱志惠, 盧秉恒. Pro/ENGINEER建模實(shí)例及快速成型技術(shù)[M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 2005.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.071

廣西壯族自治區(qū)級(jí)技術(shù)研究與開發(fā)項(xiàng)目“人工寶石首飾快速成型系統(tǒng)的研究與開發(fā)”階段性研究成果（項(xiàng)目編號(hào)：桂科攻1010022-31）