1、快速原型制造技术的发展现状与前景1 1 2 崔焕勇 ,王守仁 ,高 琦 ( 1 济南大学 机械工程学院,山东 济南 250022 ; 2 山东大学 机械学院,山东 济南 250069) ( ) 摘要: 分析了快速原型制造 RPM 技术背景、发展现状,提出了 RPM 技术的发展趋势和前景。 关键词: 快速原型 ;制造技术;前景 近 20 年来 ,制造业市场环境发生了很大变化: 一方面表现为消费者兴趣的智时效性和消费者需求日益主体化、个性化和多元化;另一方面则是区域性、国际性市场壁垒的淡化和打破 , 使制造厂商不得不着眼于全球市场的激烈竞争。快速将多样化的产品推向市场是制造商把握 市场先机而求生存
2、的重要保障。由此导致了制造价值观从面向产品到面向顾客的重定向、制 造战略重点从成本与质量到时间与响应的转移等。此可视为各国致力于 CIMS 、并行工程、敏捷制造等现代制造模式研究与实践的重要背景。传统制造业的战略是规模效益第一 ,80 年代又提出价格第一和质量第一 ,90 年代以来 , 已发展为市场响应第一。快速响应制造已成为国际研究的热点。如今市场的机遇要靠企业去把握、去创造。因此 ,产品的快速开发是快速响应制造的龙头 ,是成为赢得 21 世纪国际市场竞争的关键。 ( ) 快速原型制造技术 RPM - Rapid Prototype Manufacturing 是随着 CAD/ CAM 技术
3、、计算机数控技术、激光技术、材料科学与工程技术的发展而出现并发展的,而今它已同信息技术、虚拟技术一起成为实施产品设计技术和工艺过程技术集成创新的“前所未有的理想工具 1 ”, 已在家电、汽车、玩具、轻工、通讯设备、航空、军事、建筑、医疗、考古、电影制作、工业造型、雕刻、首饰、三维地图等行业得到应用2 .在国内外的工程实践中,RPM 已被证明具有明显的优势: ( 1) 缩短产品设计周期 ,提高竞争力; (2) 降低产品开发成本; (3) 明显增加产品设计可修改周期 ,加快设计反馈频率。被誉为制造业的一场革命 ,也具有巨大的发展潜力 ,世界发达国家给与其巨大关注 ,投入巨大人力、物力和财力 ,加速
4、 RPM 技术的发展3 。 1 RPM 技术的发展现状 11 RPM 原理 RPM 是由 CAD 模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的技术总称4 。过程 崔焕勇等:快速原型制造技术的发展现状与前景 5 是:先由三维 CAD 软件设计出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型 亦称电子模型 ,然 后根据工艺要求 ,将其按一定厚度进行分层 ,把原来的三维电子模型变成二维平面信息,即离 散过程;再将分层后的数据进行一定处理 ,加入加工参数 ,产生数控代码 ,在微机控制下,数控系统以平面加工方式有序的连续加工出每个薄层并使它们自动粘接而成形 ,即材料的推积过程4 。 随着 RPM 技术的发展和人们
5、对该项技术认识的深入 ,它的内涵也在逐步扩大。目前 RPM 技术包括一切由 CAD 模型直接驱动的成形过程 ,而主要的技术特征即是成形的快速性。 对于材料的转移形式可以是自由添加、去除以及添加和去除相结合等特征。 12 RPM 技术特点5 121 制造快速 快速原型制造技术是并行工程中精心复杂原型和零件制作的有效手段。从产品 CAD 或 从实体反求获得数据到制成原型,一般只需几小时到几十个小时,速度比传统成型加工方法快 得多。随着互联网的发展 ,RPM 技术也更加便于远程制造服务 ,使资源得到充分利用 ,用户的需求也可得到最快的响应。 122 技术高度集成 RPM 技术是计算机技术、数据采集与
6、处理技术、材料工程、机电加工与控制技术的综合体 现。只有在这些高新技术迅速发展的今天才可能使 CAD 和 CAM 很好的结合 ,实现设计与制 造的一体化。 123 自由成型制造 自由成型的含义有两个:一个是指可根据原型或零件的形状 ,无需使用工具、模具,而自由 的成型;二是指不受形状复杂程度限制 ,能够制造任意复杂形状与结构、不同材料复合的原型 或零件。 124 制造过程高度柔性 共同的制造原理使快速原型制造系统在软件和硬件的实现上 70 %80 %是相同的,也就 是说 ,在一个现有的系统上仅增加 20 %30 % 的无器件和软件功能就可进行另一种制造工 艺,不同的工艺原理的设备容易实现模块化
7、 ,对于整个制造过程 ,仅需改变 CAD 模型或反求数 据结构模型即可。 125 可选材料的广泛性 快速原型制造技术可以采用的材料十分广泛 ,可采用树脂类、塑料类、纸类、石蜡类、复合材料、多属材料或者陶瓷材料的粉末、箔、丝、小块体等 ,也可是涂覆某种粘接剂的颗粒、板、薄膜等材料。 126 广泛的应用领域 除了制造原型以外,RPM 技术还特别适用于新产品的开发、快速单件及小批量零件制造、 不规则零件或复杂形状零件的制造、模具及模型设计与制造、外形设计检查、装配检验、快速反 求与复制 ,也适应于难加工材料的制造等。这项技术不仅在制造业的产品造型与模具设计领域 ,而且在材料科学与工程、工业设计、医学
8、科学、文化艺术、建筑工程等领域有广阔的应用前景。 13 目前主要的 RPM 技术方法 到目前为止 , 已有十几种不同的 RPM 系统问世 , 其中比较典型的有分层实体制造LOM 、选择性激光烧结 SL S 、立体平板因素印刷 SLA 、熔融沉积制造 FDM 。生产 LOM 系统的主要制造商有美国的 Helysis 公司、新加坡的 KIN ER GY 公司、日本的 KIRA 公司以及国内的清华大学、华中科技大学等 ,生产 SL S 系统的主要制造商有美国的 D TM 公司、德国的 EOS 公司以及国内的北京隆源公司、华中科技大学等 ,生产 FDM 系统的主要生产商有美国 Stratasys 公司
9、及国内的清华大学等 ,生产 SLA 系统的主要制造商有美国的 3Dsystems 公司、德 国的 EOS 公司以及国内的西安交通大学等。另外,一些其他的方法如三维喷涂粘接 3DP G 数码累积造型 DBL 立体光刻 SGC 、直接壳法 DSPC 、喷墨打印、全息干涉制造、弹道微粒制造、光束干涉固化等都有一定研究规模。 2 RPM 技术的发展前景 现代 RPM 技术发展的一个重要特点就是快速自动成型与其它先进的设计制造技术的结合越来越紧密。目前 ,快速原型制造技术朝着工业化、产业化方向迈进。完善制造工艺、系统与 CAD 等软件的接口,制定统一的数据交换标准 ,进一步提高成型速度和精度 ,降低系统
10、价格和运行成本 ,开发出满足工程要求的材料和扩大应用领域等都是人们关注的焦点。21 概念创新与工艺改进 经过十多年的研究与发展 ,已有十几种较为成熟的技术 ,但它们的原理都是分层叠加法 , 在系统软件和硬件上有很多是相同和相近的,于是 ,一些改进的工艺和设备能够具备多种制造 方法的特点和功能,例如 FDM 和 LOM 的复合。 精度的提高是改进工艺必须考虑的。RPM 技术的成型精度一般为 0. 01 mm 的数量级 , 有待于进一步提高。 另一方面 ,与传统制造工艺相结合 ,形成快速产品开发- 制造系统也是一个重要趋势。目 前国内外均在大力开发这一领域 ,清华大学正在研究 RPM 用于无木模铸
11、型的制造。 22 寻求适合集成制造的新材料 目前许多制造商在积极开发适合快速原型制造的专用材料。例如 ,应用于汽车模具时,材 料的力学性能和物理性能要满足使用要求。D TM 公司开发了涂覆树脂的钢球材料用于生产 ( ) ( ) 注产塑模 ,以及覆膜锆砂 Sand From Zr 用于直接制作铸型 芯 膜。 相比之下,国内的材料研究发展较慢。目前 SLA 成型设备所用的光固化树脂全靠进口, 价格昂贵 ,LOM 实用的材料也远不如国外。 总的说来 ,用于快速模具制造和功能零件的材料还不成熟,在强度、精度、性能和寿命方面 还达不到使用要求。所以,以材料科学、有机化学等为基础 ,研究开发性能相当甚至超
12、过金属 材料的复合材料、陶瓷材料 ,与医学、生物学结合开发具有活性的生物材料 ,用快速原型技术制 造人体内脏器官或四肢以辅助医疗诊断和外科手术等都已经成为 RPM 的发展方向。 23 开发强大的数据采集、处理和监控软件 绝大多数 RPM 系统所使用的分层切片算法都是基于 STL ( Stereoligraphy) 文化进行的。 STL 文件存在着不少缺陷和不足。如 :三角形网格之间的空隙将导致分层切片的轮廓不连 续;有时 STL 文件太大 ,无法全部读入内存而造成不能切片等。针对 STL 文件产生的一系列 弊端 ,已经出现了一些修改和转换处理软件 ,如 SolidView 、MagicsVie
13、w 、STLView 等。这些软 件有的采用适应性切片、有的将 STL 文件大化小等措施 ,避免前面提到的缺陷。第 3 期 崔焕勇等: 快速原型制造技术的发展现状与前景 7 目前的切片方式都是平面式的,今后还可发展曲面切片、不等厚分层等方法 ,从曲面模型 直接截面、分层 ,采用更精确、简洁的数学描述 ,以提高造型精度。 24 拓展新的应用领域 ( ) 现在 RPM 技术在主要用于快速模具 R T 的同时,国外正大力将快速原型制造技术应用 于医学、医疗领域 ,利用计算机辅助断层扫描 CT 、核磁共振 MRI 、三维 B 超等 ,对人体局部扫描获得的截面图像 ,用计算机对器官进行三维重建 ,然后利
14、用快速原型制造系统建造实体器官模型;国内西北轻工业学院正积极探索古陶瓷快速原型复仿制的可能性。 25 RPM 技术的智能化、集成化和网络化 在目前的 RPM 系统的加工参数的设定中,还主要依据人的知识和经验 ,对 RPM 技术的掌握还需较多的培训和指导,这就使得经验因素在 RPM 技术中占有重要地位 这也是国内各大研究机构相互间协作不够的原因之一 ,智能化必然是一个方向。 一个快速原型系统一般应包括四个子系统:三维 CAD 建模系统、数据反求系统、快速成型 与制造系统和数控加工子系统,国外的来图加工中心都具有这四个子系统;另一种模式是将并行设计技术、虚拟制造技术、快速原型制造技术和现代检测与分
15、析技术集成在一起 ,形成更高层次的产品快速设计与制造集成系统。 通过信息高速公路形成快速原型制造信息网络 ,使得没有完善的产品开发能力的公司可以直接从网络上得到产品的 CAD 模型,利用自己的快速原型制造技术和设备迅速制出原型, 或者没有 RPM 设备的公司可以通过网络将自己的设计结果传到其他公司或快速原型制造服务中心制造原型,从而实现远程制造。同时,快速原型制造技术 ,为科学计算可视化、虚拟现实以及三维 FAX 等新兴技术提供了可量度、可触摸的手段 ,基于快速原型制造技术的桌面办公制造系统 Desktop System 将会实现。 山东大学研制的基于协同产品商务 CPC 的包括三维 CAD
16、建模、数据反求、CAE 、快速原型制造与快速模具、数控加工的产品智能化快速产品开发系统,可实现 RPM 技术的智能化、 集成化和网络化。 3 结论 综上所述 ,快速原型制造技术是一项高新技术 ,对制造业乃至整个社会的发展有着革命性 意义 ,有着广阔的发展潜力。 参考文献: 1 路甬祥. 团结奋斗开拓创新建设制造强国R . 北京:2002 年中国机械工程学会年会 ,2002 . 2 史玉升,莫建华,黄树槐. 常快速成型系统及其选用原则J . 锻压机械 ,2001 , (2) :1 - 6. 3 仲伟红. 快速原型制造技术及其发展前景J . 宇航材料工艺,1999 , (3) :23 - 26. 4 孙大涌. 先进制造技术M . 北京: 机构工业出版社,2000 . 537 - 543. 5 王秀峰,罗宏杰. 快速原型制造技术M . 北京: 中国轻工业出版社,2001.
