左開(kāi)慧，姚冬旭,夏詠鋒，尹金偉，曾宇平

(中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，上海 200050)

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應(yīng)用于陶瓷材料的快速成型技術(shù)的發(fā)展

左開(kāi)慧，姚冬旭,夏詠鋒，尹金偉，曾宇平

(中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，上海 200050)

摘要：集成了CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等現(xiàn)代科技成果的快速成型技術(shù)，可以在不用模具和工具的條件下生成幾乎任意復(fù)雜形狀的零部件，有效地縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造的一次成品率，降低了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本，給制造業(yè)帶來(lái)了根本性的變化。介紹了國(guó)內(nèi)外快速成型技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，分析了快速成型技術(shù)的原理和特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了目前應(yīng)用較多的立體光固化、選擇性激光燒結(jié)、分層實(shí)體制造、熔積成型等快速成型方法以及快速成型使用的材料?？焖俪尚图夹g(shù)正朝著精密化、低成本、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，并以能直接生產(chǎn)半功能性、功能性零件為目標(biāo)?？焖俪尚图夹g(shù)必將成為21世紀(jì)陶瓷材料的主要成型工藝之一。

關(guān)鍵詞：快速成型; 立體光固化; 激光燒結(jié); 分層實(shí)體制造; 熔積成型

1前言

集成了CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等現(xiàn)代科技成果的快速成型技術(shù)(Rapid Prototyping Manufacturing，即RP)突破了傳統(tǒng)的加工模式，是近20年來(lái)制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破?？焖俪尚图夹g(shù)可以自動(dòng)、快速、直接、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)化為具有一定功能的原型或直接制造零件(模具)，有效地縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造的一次成品率，降低了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本，從而給制造業(yè)帶來(lái)了根本性的變化。普遍認(rèn)為RP技術(shù)可以節(jié)省70%的制造成本和90%的時(shí)間[1]。

RP技術(shù)集成了CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等現(xiàn)代科技成果，可以在不用模具和工具的條件下生成幾乎任意復(fù)雜形狀的零部件。20世紀(jì)70年代末到80年代初，美國(guó)3M公司的Hebert A J (1978年)、日本的小玉秀男 (1980年)、美國(guó)UVP公司的Hull C W (1982年)和日本的丸谷洋二 (1983年)，各自獨(dú)立地提出了RP的概念，即利用連續(xù)層的選區(qū)固化制作三維實(shí)體的新思想[2]。Hull C W完成了第一個(gè)RP系統(tǒng)，并于1986年獲得專(zhuān)利，這是RP發(fā)展的一個(gè)里程碑。隨后許多快速成型概念、技術(shù)及相應(yīng)的成型機(jī)器也相繼出現(xiàn)。1987年第一代商業(yè)化快速原型制造系統(tǒng)在3D Systems公司問(wèn)世[3]。到了 90 年代后期，出現(xiàn)了十幾種不同的快速成型技術(shù)，包括立體光固化(SLA)、分層實(shí)體制造(LOM)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)和熔積成型(FDM)等。

從1988年至2000年，全世界已有40多家公司設(shè)計(jì)、制造快速成型設(shè)備，快速成型設(shè)備在全球的使用數(shù)量已達(dá)2 000多臺(tái)。美國(guó)的波音飛機(jī)公司和通用等汽車(chē)公司都應(yīng)用了快速成型技術(shù)。德國(guó)大眾汽車(chē)公司采用LOM方法成功地制造出異常復(fù)雜的轎車(chē)的變速器箱體原型，尺寸精度超過(guò)用傳統(tǒng)方法制造的尺寸精度，制造周期由傳統(tǒng)方法的8周縮短為2周。2013年，世界首款3D打印汽車(chē)Urbee 2面世，它的絕大多數(shù)零部件來(lái)自3D打印。2014年，美國(guó)Stratasys公司宣布推出全球首款可以將彩色打印和多材料3D打印相結(jié)合的Objet500 Connex3彩色多材料3D打印機(jī)，目前一些國(guó)際知名車(chē)企如大眾等已經(jīng)采用了Stratasys的3D打印產(chǎn)品。

我國(guó) RP 技術(shù)的研究始于20世紀(jì)90年代，已研制出與國(guó)外SLA、LOM、SLS和FDM等相似的設(shè)備，并逐步實(shí)現(xiàn)了商品化，其性能達(dá)到了國(guó)際水平。清華大學(xué)最先引進(jìn)了3D 公司的 SLA-250 設(shè)備與技術(shù)并進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出M-RPMS-II型多功能快速成型制造系統(tǒng)，這是我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的唯一擁有兩種快速成型工藝的系統(tǒng)。華中科技大學(xué)研制出以紙為成型材料的基于分層實(shí)體制造法的 HRP 系統(tǒng)。西安交通大學(xué)開(kāi)發(fā)了基于立體印刷法的 LPS 和 CPS 系統(tǒng)。南京航空航天大學(xué)開(kāi)發(fā)了基于選擇性激光燒結(jié)法的快速成型系統(tǒng)。北京隆源公司推出了基于選擇性激光燒結(jié)法的AFS 系統(tǒng)。在基于快速成型技術(shù)的快速制造模具方面，上海交通大學(xué)開(kāi)發(fā)了具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鑄造模計(jì)算機(jī)輔助快速制造系統(tǒng)，為汽車(chē)行業(yè)制造了多種模具。

2快速成型的工作原理

RP技術(shù)的基本工作原理是離散與堆積，既“分層制造、逐層疊加”。首先，設(shè)計(jì)者借助三維CAD，或用實(shí)體反求工程采集得到有關(guān)原型或零件的幾何形狀、結(jié)構(gòu)和材料的組合信息，從而獲得目標(biāo)的三維數(shù)據(jù)模型。然后將計(jì)算機(jī)內(nèi)的三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分層離散得到各層截面的輪廓數(shù)據(jù)。之后，將這些信息輸出到計(jì)算機(jī)控制的機(jī)電集成制造系統(tǒng)。RP技術(shù)的各種成型工藝根據(jù)各自具體的工藝要求，控制激光器(或噴嘴)有選擇性地?zé)Y(jié)薄層的金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細(xì)胞組織等特殊材料，形成一系列具有微小厚度的片狀實(shí)體，再采用熔結(jié)、聚合、粘結(jié)等手段使其逐層堆積成一體，便可以制造出設(shè)計(jì)的產(chǎn)品、模型或模具。RP技術(shù)與傳統(tǒng)制造方法有著本質(zhì)的區(qū)別[4]。傳統(tǒng)的制造技術(shù)是從毛坯上去掉多余的材料，稱(chēng)為“去除制造法”。而RP技術(shù)是采用逐漸增加材料的方法來(lái)形成所需要的原型或零部件，被稱(chēng)為“增材制造技術(shù)”。

3快速成型的特點(diǎn)

制造復(fù)雜零件傳統(tǒng)的制造方法是把毛坯上不需要的地方切除掉，或者把金屬和塑料融化灌進(jìn)去得到零件，復(fù)雜的零部件加工起來(lái)非常困難。而采用逐層堆積制備零件的RP技術(shù)可以不受零件形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的限制。

凈型成型RP技術(shù)制備的部件需要的后期輔助加工量較減小，避免了外協(xié)加工的數(shù)據(jù)泄密和時(shí)間跨度，尤其適合一些高保密性的行業(yè)。

產(chǎn)品研制周期短RP技術(shù)能使產(chǎn)品設(shè)計(jì)和模具生產(chǎn)并行，從而縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的周期，加快產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度，特別適合小批量、復(fù)雜、異形產(chǎn)品的直接生產(chǎn)。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，RP技術(shù)也更加有利于遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程制造[5]。

應(yīng)用領(lǐng)域廣泛RP技術(shù)制備的產(chǎn)品是自然無(wú)縫連接，結(jié)構(gòu)之間的穩(wěn)固性和連接強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法。因此RP技術(shù)不僅在制造業(yè)的原型制造、產(chǎn)品造型與模具設(shè)計(jì)領(lǐng)域，而且在醫(yī)學(xué)科學(xué)和建筑工程等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。

4幾種主要快速成型技術(shù)

快速成型的工藝方法很多[6-7]，如立體光刻成型、分層實(shí)體制造、選域激光燒結(jié)、熔融沉積成型、三維打印等，還有直接金屬成型、噴墨印刷技術(shù)等工藝。

4.1立體光刻成型技術(shù)(SLA)

SLA技術(shù)的原理見(jiàn)圖1所示，以光敏樹(shù)脂(如聚丙烯酸酯、聚環(huán)氧基等)為原料，紫外光在計(jì)算機(jī)控制下按零件的各分層截面信息，在光敏樹(shù)脂表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，被掃描區(qū)域的樹(shù)脂薄層(約十分之幾毫米)產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化，形成一個(gè)薄層。一層固化完畢后，升降臺(tái)上移一個(gè)層厚的距離，在原先固化好的樹(shù)脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹(shù)脂，然后進(jìn)行下一層的掃描加工。新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復(fù)直至整個(gè)原型制造完畢。本工藝的特點(diǎn)是：工藝穩(wěn)定、成型精度高(可達(dá)到±0.1 mm)，表面質(zhì)量好，原材料利用率高，制作效率高，能制造形狀復(fù)雜(如空心零件)、特別精細(xì)的零件[8]。SLA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型方法。它以美國(guó)3D system公司為代表，該公司推出的使用半導(dǎo)體激勵(lì)激光器的設(shè)備，掃描速度已達(dá)到9.5 m/s，成型厚層最小可達(dá)到0.025 mm[9]。

圖1　立體光刻成型技術(shù)原理示意圖Fig.1　Principle schematic diagram of the stereo lithography technology

SLA制備陶瓷件有直接和間接法兩種方式[10]。直接法就是以在紫外光下固化的液相樹(shù)脂為粘結(jié)劑，調(diào)配出陶瓷粉液相樹(shù)脂懸浮液，應(yīng)用到SLA裝置上制備出陶瓷生坯，經(jīng)粘結(jié)劑去除及燒結(jié)等后處理過(guò)程，得到最終的陶瓷件。在該工藝中，紫外光能固化的厚度一般為200～300 μm，它與陶瓷體積分?jǐn)?shù)和陶瓷與樹(shù)脂難熔指數(shù)差值的平方成反比，因此只有與樹(shù)脂難熔指數(shù)差值較小的陶瓷材料才適合于直接SLA法。目前已采用該方法制備出Si3N4、A12O3和羥基磷灰石等陶瓷件。而間接法是先用SLA做出模型，而后澆入陶瓷漿制得陶瓷件，該工藝適合于與樹(shù)脂難熔指數(shù)差值較大的陶瓷材料。

4.2分層實(shí)體制造技術(shù)(LOM)

LOM技術(shù)是用CO2激光器按照CAD分層模型所獲得的數(shù)據(jù)，將單面涂有熱熔膠的薄膜材料或其他材料的箔帶切割成預(yù)制原型，再通過(guò)加熱輥加熱，使剛剛切好的一層與下面的已切割層粘接在一起。通過(guò)逐層切割、粘合，最后將不需要的材料剝離，最終獲得預(yù)求的原型，其原理圖見(jiàn)圖2。LOM技術(shù)具有制作效率高、速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)。并且LOM工藝使用小能量的CO2激光器，成型的制件無(wú)內(nèi)應(yīng)力，無(wú)變形，因而精度較高，可達(dá)±0.1mm/100 mm[11]。但是，LOM不易制造含有空洞的制品，且制件的性能受材料及粘結(jié)劑性能影響很大[12]。LOM技術(shù)是最成熟的RP技術(shù)之一。1991年成功開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)機(jī)型LOM-1015[13]，目前世界上LOM機(jī)以美國(guó)Helisys公司為代表。國(guó)內(nèi)清華大學(xué)在20世紀(jì)90年代中期研制成功了適用于紙質(zhì)和有機(jī)高分子材料的LOM成型設(shè)備。

圖2　LOM技術(shù)原理示意圖Fig.2　Principle schematic diagram of LOM technology

目前LOM技術(shù)已經(jīng)在陶瓷材料上有所應(yīng)用，采用的原料為流延法制備的Al2O3、AlN和Si3N4等陶瓷膜。用LOM設(shè)備直接做出的實(shí)體件為由陶瓷膜粘在一起的陶瓷生胚，強(qiáng)度很低，需進(jìn)行粘結(jié)劑的去除和燒結(jié)后處理。Dayton大學(xué)的Klosterman D A等[14]用LOM制備了SiC和AlN陶瓷件。Lone Peak公司的Griffin A E[15]等制備出了ZrO2和Al2O3陶瓷件。Griffin等制備的Al2O3膜尺寸為100 mm×150 mm×0.015 mm，最終制備的Al2O3陶瓷件與干壓成型制成的試樣比較，發(fā)現(xiàn)兩種燒結(jié)體的燒結(jié)密度相當(dāng)，顯微結(jié)構(gòu)相似。

4.3熔融沉積制造技術(shù)(FDM)

FDM技術(shù)是采用熱熔噴頭，使熱熔性材料(如尼龍或蠟)按CAD分層數(shù)據(jù)控制的路徑擠壓并沉積在指定的位置上凝固成型，逐層沉積，其原理見(jiàn)圖3。本技術(shù)需要考慮噴嘴的移動(dòng)速度、材料的擠出率及擠出速度等[16-17]。FDM技術(shù)具有成型系統(tǒng)尺寸小、成型材料廣泛、成型速度快和無(wú)環(huán)境污染等特點(diǎn)，但是其制件表面質(zhì)量較差。FDM技術(shù)以美國(guó)Stratasys公司開(kāi)發(fā)的制造系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛。1996年Stratasys公司推出FDM-Quantum機(jī)型，最大造型體積為 660 mm×914 mm×1 097 mm，由于擠出頭采用了磁浮定位系統(tǒng)，可在同一時(shí)間控制兩個(gè)擠出頭，故造型速度提高了5倍[18]。該公司1999年推出了使用熱塑性材料的機(jī)型，并開(kāi)發(fā)出水溶性支撐材料，解決了小型空洞中的支撐材料難去除的問(wèn)題。

圖3　FDM技術(shù)原理示意圖Fig.3　Principle schematic diagram of FDM technology

采用FDM工藝制備陶瓷件的工藝稱(chēng)為FDC，即將陶瓷粉和有機(jī)粘結(jié)劑相混合，用擠出機(jī)或毛細(xì)管流變儀做成絲后用FDM設(shè)備做出陶瓷件生胚，通過(guò)粘結(jié)劑的去除和陶瓷生胚的燒結(jié)得到較高致密度的陶瓷件。適用于FDC工藝的絲狀材料必須具備一定的熱性能和機(jī)械性能，粘度、粘結(jié)性能、彈性模量、強(qiáng)度是衡量絲狀材料的4個(gè)要素。基于這樣的限制條件，Rutgers[19]大學(xué)的陶瓷研究中心開(kāi)發(fā)出被稱(chēng)為RU系列的有機(jī)粘結(jié)劑，這種粘結(jié)劑由高分子、調(diào)節(jié)劑、彈性體和蠟組成。美國(guó)陶瓷研究中心的Agarwala M K等[20]用FDC工藝制備了Si3N4零件，并與等靜壓工藝、擠塑成型工藝制備的零件進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于成型壓力不同，熔融沉積陶瓷坯體密度略低于擠塑成型工藝，燒結(jié)體密度也略低。但熔融沉積陶瓷強(qiáng)度比擠塑成型工藝略高，低于等靜壓工藝。

4.4選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)(SLS)

SLS與SLA技術(shù)很相似，也是用激光束來(lái)掃描各種原材料，但用粉末材料代替了液態(tài)光聚合物。在工作時(shí)，CO2激光在計(jì)算機(jī)控制下，以一定的掃描速度和能量在選定的掃描軌跡上作用于粉末材料(尼龍、塑料、金屬、陶瓷粉末的混合物等)，有選擇地融化粉末，使粉末粘結(jié)固化而形成一個(gè)層面，而未被燒結(jié)的粉末就成為支撐材料，然后由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使粉末固結(jié)面下降一定的高度，然后鋪上一定厚度的新粉末后重復(fù)以上工序，直到形成一個(gè)三維實(shí)體[21-22]，其工藝原理見(jiàn)圖4。本工藝具有原材料選擇廣泛、高精度、低成本、易于清理等優(yōu)點(diǎn)。目前研究SLS技術(shù)的有美國(guó)DTM公司、德國(guó)EOS Gmbh公司及中國(guó)北京隆源公司等[23]。Sinterstation 2000和2500是美國(guó) DTM公司采用 SLS技術(shù)注冊(cè)的專(zhuān)利產(chǎn)品，Sinterstation 2500的制件范圍達(dá) 330 mm×380 mm ×425 mm，層厚度可達(dá)到76 μm，建造速度為12～25 mm/h[24]。

圖4　SLS技術(shù)原理示意圖Fig.4　Principle schematic diagram of SLS technology

SLS技術(shù)所用的成型材料均為粉末狀材料，概括地講，所有受熱后能相互粘接的粉末材料或表面覆有熱塑(固)性粘接劑的粉末都可用作SLS材料。但是研究表明，真正適合于SLS的材料必須具有良好的熱塑(固)性、適度的導(dǎo)熱性、較窄的“軟化-固化”溫度范圍；經(jīng)激光燒結(jié)后要有足夠的粘接強(qiáng)度；此外粉末材料的粒度不宜過(guò)大，一般要求在50～150 μm之間。SLS技術(shù)最初只能用于塑料粉和蠟粉的成型。20世紀(jì)90年代初，德國(guó) EOS公司與芬蘭 RPI公司合作，研制出可用于SLS成型的銅粉和不銹鋼粉，從而將SLS技術(shù)拓展到了金屬材料成型領(lǐng)域[25]。SLS是最先用來(lái)制備陶瓷件的快速成型工藝，選用的陶瓷材料有SiC[26]和Al2O3[27-28]等。SLS制備陶瓷件時(shí)一般要先在陶瓷粉末中加入粘結(jié)劑，在激光束掃描過(guò)程中，利用熔化的粘結(jié)劑將陶瓷粉末粘接在一起，從而形成一定的形狀，然后再通過(guò)后處理以獲得足夠的強(qiáng)度。粘結(jié)劑的種類(lèi)、粘結(jié)劑的引入方式以及粘結(jié)劑的加入量對(duì)于成型精度和成型件的強(qiáng)度有著重要影響[29-30]。通常SLS制備的陶瓷件坯體密度較低，通過(guò)后期浸漬及溫等靜壓工藝可以實(shí)現(xiàn)高密度陶瓷坯體的制備，進(jìn)而燒結(jié)獲得致密的材料。而通過(guò)將粉體制備成高固含量的漿料，使用流延成型制備成薄膜，然后逐層SLS，可以更簡(jiǎn)化工藝實(shí)現(xiàn)高密度坯體的制備，具有更廣泛的應(yīng)用前景[31-32]。

4.5三維打印技術(shù)(3DP)

3DP技術(shù)與SLS工藝所不同的是材料粉末不是通過(guò)燒結(jié)連接起來(lái)的，而是通過(guò)噴頭用粘結(jié)劑(如硅膠)將零件的截面“印刷”在材料粉末上面，其原理見(jiàn)圖5。3DP工藝采用了打印技術(shù)中的噴墨方法，噴頭在不直接接觸粉末表面的情況下，有選擇地將粘結(jié)劑噴到需要的位置上，將零件的片層逐層粘結(jié)起來(lái)。該技術(shù)主要可以進(jìn)行對(duì)孔隙率及對(duì)孔徑分布的控制。美國(guó)的Z公司與日本的Riken Institute于2000年研制出基于噴墨打印技術(shù)的、能制作出彩色原型件的RP設(shè)備。該系統(tǒng)采用4種不同的顏色能產(chǎn)生8種不同的色調(diào)，原型件可表現(xiàn)出三維空間內(nèi)的熱應(yīng)力分布情況，切割開(kāi)原型，即可發(fā)現(xiàn)原型內(nèi)的溫度和應(yīng)力變化情況，這對(duì)于原型的有限元分析尤其實(shí)用。以色列的Object Geometries公司于2000年底推出3維打印機(jī)系列的設(shè)備2Quadra，用了1 536個(gè)噴頭選擇性沉積樹(shù)脂，利用紫外燈固化液態(tài)樹(shù)脂，其建造零件尺寸為270 mm×320 mm×200 mm[33]。美國(guó)麻省理工學(xué)院的Grau J等[34]采用三維打印技術(shù)制備了高強(qiáng)度的Al2O3陶瓷模。此外Specific Surface公司還用3DP制造了復(fù)雜的陶瓷過(guò)濾器。我國(guó)首臺(tái)激光 3D 打印機(jī)于 2012年 8月15由湖南華曙高科技有限責(zé)任公司研制成功[35]。我國(guó)華中科技大學(xué)研發(fā)出大型的“3D 打印機(jī)”[36]，這一打印機(jī)可加工零件長(zhǎng)寬最大尺寸均達(dá)到 1.2 m。

圖5　3DP技術(shù)的原理示意圖Fig.5　Principle schematic diagram of 3DP technology

4.6其它快速成型技術(shù)

其它的快速成型技術(shù)還包括形狀沉積成型(Shape Deposition Manufacturing，SDM)技術(shù)、噴墨印刷技術(shù)(Ink Jet Printing，IJP)、金屬零件直接成型[37]、氣相沉積成型(SALD)、侵入式光成型、層掃描光固化法和三維焊接成型等[38]。

SDM是由Stanford大學(xué)和Carnegie Mellon大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的，它是一種材料添加和去除相結(jié)合的反復(fù)過(guò)程。成型過(guò)程中，每一層材料首先沉積成近成型形狀，在下一層材料添加前，采用傳統(tǒng)的CNC技術(shù)將其加工成凈成型形狀。采用SDM和Gel casting相結(jié)合的方法可以制備陶瓷件，即先用SDM做出模型，然后澆注陶瓷漿料，將模型熔化掉，取出陶瓷生胚，經(jīng)燒結(jié)處理后得到最終的陶瓷件。目前已采用Mold SDM制備出Si3N4、Al2O3材質(zhì)的渦輪、手柄、噴嘴等樣品[39]。

IJP技術(shù)是指將固體材料(金屬、陶瓷、塑料)的粉末，采用噴墨打印原理(汽泡法或晶體振蕩法)將其有序地噴出，一個(gè)層面接一個(gè)層面地堆積建造而形成的一個(gè)三維實(shí)體。IJP技術(shù)將陶瓷粉末制成三維原型或零件的過(guò)程與選域激光燒結(jié)過(guò)程十分相似。IJP技術(shù)是由美國(guó)麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)，主要用于制造陶瓷鑄模、鑄芯，具有成本低、成型材料選擇性強(qiáng)、成型速度較快等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于陶瓷件，該工藝的關(guān)鍵是配制出分散均勻的陶瓷懸浮液，目前使用的陶瓷材料有ZrO2、TiO2和Al2O3等。Lewis J A課題組打印了LTO-LFP 電極材料，成功實(shí)現(xiàn)了功能陶瓷的打印[40]。

5快速成型使用的材料

沒(méi)有性能優(yōu)良的成形材料，快速成形技術(shù)將成為“無(wú)米之炊”。一般而言，快速成型用材料應(yīng)滿足：對(duì)于用RP系統(tǒng)直接制造功能件的材料，要接近其最終用途對(duì)強(qiáng)度、剛度、耐潮性、熱穩(wěn)定性等的要求；成型材料應(yīng)利于快速精確地制造原型；利于快速制模的后續(xù)處理?？焖俪尚渭夹g(shù)中使用的材料種類(lèi)很多，常用的材料見(jiàn)表1。

表1　RP技術(shù)主要使用的材料

目前成形材料已成為阻礙快速成形技術(shù)發(fā)展的重要因素之一。不斷開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)良的快速成形材料，將會(huì)極大地促進(jìn)快速成形技術(shù)的發(fā)展?？焖俪尚托虏牧系难芯渴强焖俪尚图夹g(shù)研究的另一個(gè)熱點(diǎn)。美國(guó)3D Systems公司最初的材料性能較差，現(xiàn)在環(huán)氧材料已取代早期的丙烯酸，其強(qiáng)度大大提高。

快速成形技術(shù)除了與材料緊密相關(guān)以外，還與應(yīng)用軟件系統(tǒng)、數(shù)控技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、機(jī)械科學(xué)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、電子和信息技術(shù)等息息相關(guān)?？焖俪尚渭夹g(shù)是多種技術(shù)的集成，是各種技術(shù)協(xié)調(diào)發(fā)展的結(jié)果。同時(shí)，快速成形技術(shù)又不斷地提出新的要求，為其他技術(shù)的發(fā)展增添新的研究?jī)?nèi)容。

6快速成型技術(shù)的應(yīng)用和展望

RP技術(shù)最初主要應(yīng)用在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)和功能試驗(yàn)上，借此縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期、降低設(shè)計(jì)費(fèi)。經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，RP技術(shù)正向著快速制造零件和工具等方向發(fā)展。例如美國(guó)DTM公司采用SLS工藝燒結(jié)包覆樹(shù)脂的鋼粉末制成模腔原型，經(jīng)過(guò)滲銅和其他后處理得到鋼銅合金的注塑模腔和模芯鑲塊。近幾年來(lái)RP技術(shù)在修復(fù)醫(yī)學(xué)上的發(fā)展迅速，主要集中在人工假體、人工活性骨及口腔修復(fù)等方面[41-42]。

目前為止，國(guó)外RP技術(shù)相對(duì)比較成熟，相應(yīng)的技術(shù)已經(jīng)大規(guī)模市場(chǎng)化，美國(guó)已經(jīng)基本形成產(chǎn)業(yè)鏈。而國(guó)內(nèi)較國(guó)外發(fā)展相差近 10 年，還處向產(chǎn)業(yè)化階段邁進(jìn)的時(shí)期[43]。我國(guó)的RP技術(shù)還存在制造精度差、強(qiáng)度低和價(jià)格高等不足之處。另外，維護(hù)費(fèi)用也較高，這些因素限制了RP技術(shù)的推廣應(yīng)用。但這不能掩飾其快速制造復(fù)雜形狀構(gòu)件的優(yōu)點(diǎn)，各種成型方法優(yōu)缺點(diǎn)，見(jiàn)表2。目前RP技術(shù)選用的陶瓷材料比較有限，但是這不能掩飾其快速制造復(fù)雜形狀的陶瓷構(gòu)件的優(yōu)點(diǎn)，因此，其應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊。將來(lái)，研究人員應(yīng)當(dāng)集中力量研究快速成型用新材料。這是因?yàn)榭焖俪尚筒牧系某尚托阅艽蠖嗖惶硐?，成型件的物理性能不能滿足功能性、半功能性零件的要求，必須借助于再處理或二次加工。同時(shí)還要注意在提高新材料性能的同時(shí)，要盡可能地降低成本。

表2　RP各種成型技術(shù)的特點(diǎn)

RP技術(shù)在制備陶瓷件方面的發(fā)展方向?qū)⒅饕性谝韵聨讉€(gè)方面：

(1) 提高坯體中陶瓷的體積含量：現(xiàn)在幾種RP工藝制備的陶瓷坯體中陶瓷粉的體積分?jǐn)?shù)大約為50%～65%，陶瓷粉的體積分?jǐn)?shù)過(guò)小，在后處理過(guò)程中容易產(chǎn)生開(kāi)裂、變形等缺陷?？赏ㄟ^(guò)篩選合適的粘結(jié)劑使陶瓷的含量進(jìn)一步提高。

(2) 提高成型速度：目前快速成型的加工過(guò)程較慢，制備一個(gè)陶瓷件需要幾個(gè)小時(shí)甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，通過(guò)采用多裝置(如激光器、噴頭等)及提高掃描速度有望縮短陶瓷件成型時(shí)間，例如若將目前的線掃描的方式改為面掃描，那么未來(lái)的陶瓷件制備時(shí)間會(huì)大幅度地縮短。

(3) 控制陶瓷的收縮和形變：與有機(jī)物和金屬原料相比，陶瓷粉成型更為困難，其中一個(gè)重要的原因是陶瓷需要高溫?zé)Y(jié)，從而導(dǎo)致部件出現(xiàn)大的收縮和形變?？梢钥紤]將陶瓷和其他材料復(fù)合的途徑控制材料的收縮，獲得近凈成型的部件。

快速成型作為一種高新制造技術(shù)，從其誕生至今獲得了飛速發(fā)展。RP技術(shù)將在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，不斷開(kāi)發(fā)出新的工藝、材料及智能化相關(guān)技術(shù)，朝著精密化、低成本、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，并以能直接生產(chǎn)半功能性、功能性零件為目標(biāo)。

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(編輯惠瓊)

The Development of Rapid Prototyping Technology andIts Application in Ceramic Product Fabrication

ZUO Kaihui, YAO Dongxu, XIA Yongfeng, Yin Jinwei, ZENG Yuping

(Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China)

Abstract：Rapid prototyping (RP) is a synthesized subject consisted of CAD technology, CNC technology, Laser technology and Materials technology. RP technology with a simple production process without molds can produce samples of all shapes, reducing development cycle and product design cost, quickening the schedule of new product design. These advantages bring fundamental changes for manufacturing industry. In this article, the development of rapid prototyping technology at home and abroad is introduced. The principle and manufacturing techniques of rapid prototyping, as well as four rapid prototyping methods currently used such as Stereo Lithography Apparatus, Selective Laser Sintering, Laminated Object Manufacturing, and Fused Deposition Modeling are analyzed. The materials used by RP are introduced. The future goals of RP technology are high precision, low cost, standardization and production of semi functional and functional products. RP will become one of the main forming processes of ceramic materials in 21st century.

Key words：rapid prototyping; stereo lithography apparatus; selective laser sintering; laminated object manufacturing; fused deposition modeling

中圖分類(lèi)號(hào)：TH166

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-3962 (2015)12-0921-07

收稿日期：2015-05-23

第一作者：左開(kāi)慧，女，1978年生，副研究員

通訊作者：曾宇平，男，1965年生，研究員，博士生導(dǎo)師，

Email:yuping-zeng@mail.sic.ac.cn

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2015.12.09