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快速成形与快速制模的技术发展

时间: 2011-07-16 06:04 来源: 作者: 点击:

      摘要:本文综述了快速成形技术的发展状况,特别是这两年在快速成形系统、材料和快速制模方面的最新成就,并分析了快速成形与快速制模技术的发展趋势。 
      关键词:快速成形,快速制模,技术发展 

1、引言 

       21世纪是以知识经济和信息社会为特征的时代,制造业面临信息社会中瞬息万变的市场对小批量多种产品要求的严峻挑战。在制造业日趋国际化的状况下,缩短产品开发周期和减少开发新产品投资风险,成为企业赖以生存的关键。直接从计算机模型产生三维物体的快速成形技术,是由现代设计和现代制造技术迅速发展的需求应运而生的,它涉及机械工程、自动控制、激光、计算机、材料等多个学科,近年来,该技术迅速在工业造型、制造、建筑、艺术、医学、航空、航天、考古和影视等领域得到良好的应用。快速成形/快速制模/快速制造技术为企业提高竞争力提供了一种先进的手段。 

      快速成形技术(Papid prototyping,以下简称RP)自80年代问世以来,在成形系统、材料方面有了长足的进步,同时推动了快速制模(Rapid Tooling,以下简称RT)和快速制造(Rapid Manufacturing,以下简称RM)的发展,90年代中末期是RP技术蓬勃发展的阶段。我国的华中科技大学、清华大学、西安交通大学、北京隆源公司和南京航空航天大学等单位,于90年代初率先开发RP及相关技术的研究、开发、推广和应用。到1999年,国内已有数十台引进或国产RP系统在企业、高校、研究机构和快速成形服务中心运行。在国家科技部的领导和支持下,先后成立了近十家旨在推广应用RP技术的“快速原型制造技术生产力促进中心”,863/CIMS主题专家组还将快速成形技术纳入目标产品发展项目。此外,有相当一部分高校将RP技术列入了“211”规划。国内投入RP研究的单位逐年增加,RP市场初步形成。 

2、快速成形技术发展简史 

      RP技术是一种用材料逐层或逐点堆积出制件的制造方法。分层制造三维物体的思想雏形,最早出现在制造技术并不发达的19世纪。早在1892年,Blanthre主张用分层方法制作三维地图模型。1979年东京大学的中川威雄教授,利用分层技术制造了金属冲裁模、成型模和注塑模。 
光刻技术的发展对现代RP技术的出现起到了催化作用。 

      20世纪70年代末到80年代初期,美国3M公司的Alanj.Hebert(1978)、日本的小玉秀男(1980)、美国UVP公司的Charles W.Hull(1982)和日本的丸谷洋二(1983),在不同的地点各自独立地提出了RP概念,即利用连续层的选区固化产生三维实体的新思想。Charles W.Hull在UVP的继续支持下,完成了一个能自动建造零件的称之为SterolithographyApparatus(SLA)的完整系统SLA-1,1986年该系统获得专利,这是RP发展的一个里程碑      同年,Charles W.Hull和UVP的股东们一起建立了3D System公司;随后许多关于快速成形的概念和技术在3D System公司中发展成熟。与此同时,其它的成型原理及相应的成型机也相继开发成功。1984年Michael Feygin提出了分层实体制造(Laminatde Object Manufacturing,以下简称LOM)的方法,并于1985年组建Helisys公司,1990年前后开发了第一台商业机型LOM—1015。1986年,美国Texas大学的研究生C.Deckaed提出了Selective Laser Sintering(SLS)的思想,稍后组建成DTM公司,于1992年开发了基于SLS的商业成型机(Sinterstation)ScottCrump在1988年提出了Fused Deposition Modeling(FDM)的思想,1992年开发了第一台商业机型3D-Modeler。自从20世纪80年代中期SLA光成型技术发展以来到90年代后期,出现了十几种不同的快速成形技术,除前述几种外,典型的还有,3DP、SDM、SGC等。目前,SLA、LOM、SLS和FDM四种技术比较成熟。 

3、RP技术的新进展 

3.1光固化成形(SLA) 

      该成形法是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成形方法。目前研究SLA方法的有3D System公司、EOS公司、F&S公司、CMET公司、D-MEC公司、 Teijin Seiki公司、 Mitsui Zosen公司、西安交通大学和华中科技大学等。美国3D System公司的SLA技术在国际市场上占的比例最大,其设备自1988年推出SLA-250机型以后,在技术上有了长足进步,近几年推出的SLA-3500和SLA-5000机型使用半导体激励的固体激光器,扫描速度分别达到2.54m/sec和5m/sec,成型层厚最小可达0.05mm,该公司于1999年推出的SLA-7000机型与SLA-5000机型相比,成型体积虽然大致相同,但其扫描速度却达9.52m/sec,平均成形速度提高了4倍,成形层厚最小可达0.025mm,精度提高了一倍。 

       SLA成型技术的材料主要有四大系列:Ciba公司生产的CibatoolSL系列, Dupont公司的 SOMOS 系列,Zeneca公司的Stereocol系列和RPC公司(瑞典)的RPCure系列。CibaoolSL系列有以下新品种:用于 SLA-3500的 CibaoolSL-5510,这种树脂可以达到较高的成形速度和较好的防潮 性能,还有较好的成形精度。CibaltooISC-5210主要用于要求防热、防湿的环境,如水下作业条件。SOMOS系列也有新品种SOMOS8120,该材料的性能类似于聚乙烯和聚丙烯,特别适合于制作功能零件,也有很好的防潮、防水性能。 

      日本方面打破了SLA技术使用紫外光源的常规,在日本化药公司开发新型光敏树脂的协作下,由DENKEN ENGINEERING公司和AUTOSTRADE公司率先使用680nm左右波长的半导体激光器作为光源,大大降低了SLA设备的价格。特别是AUTOSTRADE公司的EDARTS机型,采用一种光源从下部隔着一层玻璃往上照射的约束液面型结构,使得该设备价格降到了298万日元。西安交通大学推出了LPS和CPS系列SLA成型机和相应的光敏树脂。CPS成型机采用了紫外灯作为成型能源。  3.2叠层成形(LOM) 

      目前研究LOM工艺的有Helisys公司,华中科技大学、清华大学、 Kira公司、 Sparx公司和 Kinergy 公司。Helisys公司除原有的LPH、LPS和LPF三个系列纸材品种以外,还开发了塑料和复合材料品种。华中科技大学推出的HRP系列成型机和成型材料,具有较高的性能价格比。清华大学推出了SSM系列成型机及成型材料。 

3.3选择性激光烧结成形(SLS) 

       研究SLS的有DTM公司、EOS公司、北京隆源公司、华中科技大学和南京航空航天大学等。DTM公司于1992年、1996年和1999年先后推出了Sinterstation2000、2500和2500Plus机型。其中2500Plus机型的造型体积比过去增加了10%,同时通过对加热系统的优化,减少了辅助时间,提高了造形速度。北京隆源公司推出了AFS-300成型机。华中科技大学开发出HRPS-1型成机,用于铸造中砂造型,HRPS-Ⅲ型成型机用于高分子粉末成形。在材料方面,DTM公司每年有数种新产品问世,其中DuraformGF材料生产的制作,精度更高,表面更光滑。最近开发的弹性聚合物Somos201材料,具有橡胶特性,并可耐热和抗化学腐蚀,用该材料造出了汽车上的蛇型管、密封垫和门封等防渗漏的柔性零件;用Rapidsteel2.o不锈钢粉制造的模具,可生产100,000件注塑件;Rapidtool2.0这种材料的收缩率只有0.2%,其制件可以达到较高的精度和表面光洁度,几乎不需要后续抛光工序。DTMPolycarbonate铜-尼龙混合粉末,主要用于制作小批量的注塑模。EOS公司发展了一种新的尼龙粉末材料PA3200GF,类似于DTM的DuraFormGF,用这种材料制作的零件精度和表面光洁度都较好。 

3.4熔丝沉积成形(FDM) 

      研究FDM的主要有Stratasys公司和MedModeler 公司。Stratasys公司于1993年开发出第一台FDM-1650机型后,先后推出了FDM-2000、FDM-3000和FDM-8000机型。引人注目的是1998年Stratasys公司推出的FDM-Quantum机型,最大造型体积为600mm× 500mm×600mm。由于采用了挤出头磁浮定位(Magna Drive)系统,可在同一时间独立控制两个挤出头,因此其造型速度为过去的5倍。Stratasys公司1998年与MedModeler公司合作开发了专用于一些医院和医学研究单位的MedModeler机型,使用ABS材料,并于1999年推出可使用聚脂热塑性塑料的Genisys型改进机型-GenisysXs,造型体积达305mm ×203mm ×203mm。清华大学推出了MEM机型。 

      熔丝线材料主要是ABS、人造橡胶、铸蜡和聚脂热塑性塑料。1998年澳大利亚的Swinburm工业大学研究了一种金属-塑料复合材料丝。1999年Stratasys公司开发出水溶性支撑材料,有效地解决了复杂、小型孔中的支撑材料难除或无法去除的难题。 
3.5其它 

      1997年Z公司推出Z-402机型,该设备以淀粉掺蜡或环氧树脂为原料,将粘结剂喷射到粉末上的方法制造零件。1998年ProMetal公司推出RTS-300机型,以钢、钢合金、镍合金和钛钽合金粉末为原料,同样采用将粘结剂喷到粉末上的技术,可直接快速生产金属零件。 
1999年3D System公司开发了一种使用热塑性塑料的多喷头式热力喷射实体打印机(ThermoJet Solid Object Printer),成型速度更高。 
美国新泽西工学院1998年提出一种快速冰冻成形(REP)的新技术,以纯水作为原形材料,用冰点较低的盐水作为支撑材料,通过选区沉积和快速冰冻制造成形零件。1998年以来,微制造技术也是RP技术一个较为活跃的研究方向,美国的一个研究小组利用CAD技术制造了直径只有100微米的高密度零件;另一研究小组则研究了一种新的微制造方法,类似于固体固化(SGC)技术,据称该技术可制造分子水平的零件,层厚仅2微米。 

4、快速制模(RT)、快速制造(RM)技术的新进展 

      目前的快速制模方法大致有间接制模法和金属直接制模法。常用的快速制模方法有软模、桥模和硬模。 

软模(soft tooling)通常指的是硅橡胶模具。用SLA、FDM、LOM或SLS等技术制作的原型,再翻成硅橡胶模具后,向模中灌注双组份的聚氨酯,固化后即得到所需的零件。调整双组份聚氨酯的构成比例,可使所得到的聚氨酯零件的机械性能接近ABS或PP。 

       桥模(bridge tooling)通常指的是可直接进行注塑生产的环氧树脂模具。采用环氧树脂模具与传统注塑模具相比,成本只有传统方法的几分之一,生产周期也大大减少。模具寿命不及钢模,但比硅胶模高,可达1000-5000件,可满足中小批量生产的需要。瑞士的Ciba精细化工公司开发了树脂模具系列材料CibaTool。 

    硬模(hard tooling)通常指的是用间接方式制造金属模具和用快速成形直接加工金属模具。目前有用SLA、FDM和SLS方法加工出蜡或树脂模型,利用熔模铸造的生产金属零件;还有利用SLS方法,选择合适的造型材料,加工出可供浇铸的铸造型腔。利用原型作为母模结合精密铸造等制作注塑模或其他金属模具的工艺,典型的还有3D System的Quick Cast、Express Tool等。 

    多年来金属直接成型和快速制模技术,主要是选择性激光烧结(SLS)直接制作金属模具。这种烧结件往往都是低密度的多孔状结构,可将低熔点相的金属渗入后直接形成金属模具。制件的强度与精度问题一直是难以逾越的障碍。Optomec公司于1998年和1999年分别推出了LENS-50、LENS-1500机型。以钢、钢合金、铁镍合金、钛钽合金和镍铝合金为原料、采用激光净成形技术,将金属直 接沉积成形。使该技术有所突破。其生产的金属零件强度超过了传统方法生产的金属零件,精度X/Y平面可达0.13mm,Z向0.4mm,但表面光洁度较差,相当于砂型铸件的表面光洁度。DTM也推出了新的烧结材料Rapidsteel2.0,其金属粉未已由碳钢改变为不锈钢,所渗的合金由黄铜变为青铜,并且不象原来那样需要中间渗液态聚合物,其加工过程几乎缩短了一半。EOS开发出了新的金属烧结材料DirectStees-VI。用于LOM的金属板MetLAM已开发出来,采用金属箔作为LOM造型材料可以直接加工出铸造用EPS气化模,可批量生产金属铸件。东京技术研究所用金属板材叠层制造金属模具的系统也已问世。还有用于三维打印的金属材料ProMetal、RTS-300等。 

     用SLA、SLS、FDM或LOM方法加工熔模铸造中的蜡模,这是目前生产金属零件和金属模具最主要的途径之 一。对快速造型得到的原型表面进行特殊外理后代替木模,直接制造石膏型或瓷型,或是由RP原型经硅橡胶模过渡转换得到石膏或陶瓷型,再由石膏型或陶瓷型浇注出金属模具。这也是行之有效的方法之一。 
欧洲EAPRR(European Engineering Action)与Rover集团合作,研究RP件直接作注塑模的可能性,用各种快速原型工艺直接制作Rover座椅调节手轮的注塑模嵌块,背后衬以环氧树脂铝粉以增加模具强度和改善散热性能,然后将其安装在模架中,装配好的模具放在注塑机上生产聚丙稀零件。 5、快速成形技术的应用与市场 

     至1999年,全世界共出现了334家快速成形服务机构(rapidprototyping servicebureaus)、27家设备制造商、12家材料供应商、14家专门的软件供应商、23家咨询机构(consultant)和51家教育与科研机构。各大设备制造商的竞争日趋激烈。 

    快速成形设备年销售量和快速成形服务机构逐年增加,1999年的服务机构是1992年的7.9倍。不断提高RP的应用水平,是推动RP技术发展的重要方面。自RP技术产生以来,各RP系统制造商和RP服务中心,都在不断地扩大RP技术的应用范围。从3D公司与克莱斯勒公司的第一次合作开始,RP技术的已经在许多领域里得到了应用,其应用范围主要在设计检验、市场预测、工程测试(应力分析、风道等)、装配测试、模具制造、医学、美学等方面。 

      RP技术在制造工业中应用最多,达到67%,说明RP技术对改善产品的设计和制造水平的巨大的作用。 

最近,RP的应用出现如下新动向: 

1)利用RP技术进行金属板材成型。该技术利用RP模型制作成形模具,通过液压机成形小批量的金属零件。 
2)更复杂的功能测试,主要应用于流体和气体的流动测试。由于流动分析是工程分析中最为复杂的分析之一,所以借助于实际测试确定有关流动参数和设计参数是常用的方法。包括利用高温材料的RP原型进行发动机和的功能测试。 
3)在生物学和医学上的应用:美国有研究小组利用RP技术产生人工肺和人工心脏,另一研究小组则在小光斑激光SLA系统上用一种类生物材料建造生物组织如肌肉等。还有利用RP技术帮助发展新的医疗装置。 
4)在艺术上的应用,利用RP技术建立佛像模型和数字雕刻。 
5)在金属和陶瓷零件成型方面的应用。 
6)制作彩色制件。目前已能制作具有两种色彩的制作(如牙模)。 

6、RP技术的展望 

      RP技术经过十几年的发展,设备与材料两方面都有了长足的进步,但目前由于该技术的成本高,加以制件的精度、强度和耐久性能还不能满足用户的要求,暂时阻碍了RP技术的推广普及。此外,近年来CNC切削机床亦在大步向前发展,一方面,价格大幅度下降;另一方面,高速、高精的CNC机床问世,制件时间缩短,精度及表面质量提高。因此,不少企业使用CNC切削机床快速制造金属或非金属模具及零件,向RP技术提出了新的挑战。但是在成型复杂、中空的零件方面,CNC切削机床是不能取代RP技术的。这种直接从概念设计迅速转为产品的设计生产模式,必然是21世纪中制造技术的主流。随着技术的进步,RP技术还会大踏步地向前发展,并将成为许多设计公司、制造公司、研究机构和教育机构等的基本技术和装备。 从上述RP技术的发展现状来看,未来几年的趋势主要为: 

1)提高RP系统的速度、控制精度和可靠性,优化设备结构,选用性能价格比高、寿命长的元器件,使系统更简洁,操作更方便,可靠性更高,速度更快。开发不同档次、不同用途的机型亦是RP系统发展的一个方面。例如:一方面开发高精度、高性能的机型,以满足对制件尺寸、形状和表面质量要求更高或有特殊要求的用户。另一方面,开发专门用于检验设计、模拟制品可视化,而对尺寸精度形状精度和表面粗糙度要求不高的概念机。 
2)提高数据处理速度和精度,研究开发用CAD原始数据直接切片方法,减少数据处理量以及由STL格式转换过程而产生的数据缺陷和轮廓失真。 
3)研究开发成本低、易成型、变形小、强度高、耐久及无污染的成型材料。将现有的材料,特别是功能材料进行改造或预处理,使之适合于RP技术的工艺要求,从RP特点出发,结合各种应用要求,发展全新的RP材料,特别是复合材料,例如纳米材料、非均质材料、其它方法难以制作的复合材料等。降低RP材料的成本,发展新的更便宜的材料。 
4)开发新的成型能源。前述的主流成型技术中,SLA、LOM和SLS均以激光作为能源而激光系(包括激光器、冷却器、电源和外光路)的价格及维护费昂贵而传输效率(输出激光能量/输入电能)较低,影响制件的成本。新成型能源方面的研究也是RP技术的一个重要方向。 
5)研究开发新的成型方法。在过去的十年中,许多研究者开发出了十几种成型方法,基本上都基于立体平面化-离散-堆积的思路。这种方法还存在着许多不足,今后有可能研究集“堆积”和“切削”于一体的快速成形方法,即RP与CNC机床和其它传统的加工方式相结合,以提高制件的性能和精度,降低生产成本。还可能从RP原理延伸,产生一些新的快速成形方法。 
6)继续研究快速制模(RT)和快速制造(RM)技术。一方面研究开发RP制件的表面处理技术,提高表面质量和耐久性;另一方研究开发与注塑技术、精度铸造技术相结合的新途径和新工艺,快速经济地制造金属模具、金属零件和塑料件。 
7)在应用方面,通过对现有RP系统的改进和新材料的开发,使之能够经济地生产出直接可用的模具、工业产品和民用消费品;制造出人工器官,用于治疗疾病。

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