1、国内外快速成型技术的新发展与展望- Page 1-维普资讯 http:/ 第 1 卷 第 3期 南通工学院学报 (自然科学!版) Vo11 No，3 2002年 12 月 JournalofNantongInstituteofTechnology(NaturalScience) Dec2002 文章编号：16715314(2002)03005203 国内外快速成型技术的新发展与展望 刘红俐，花国然，罗新华 (南通工学院 机械工程系，江苏 南通 226007) 摘 要：文章综述了国内外快速成型技术的研究现状，特别是近年来快速成型的新设备、新技术工艺、新材料及新 应用等方面的最新成果，探讨了快速成
2、型技术的发展趋势。 关键词：快速成型技术；设备 ；工艺 中图分类号：TH16 文献标识码：A TheNew DevelopmentandProspectofRapid PrototypingTechnologyatHomeandAbroad LIU Hongli，HUAGuoran，LUO Xinhua (NantongInstituteofTechnoloyg，Nantong226007，China) Abstract：Thispapersurveysthel,seoxchstatusofrapidpmtotypingteclmoloyg，especiallyincludingthenewe
3、stproductionof newequipment，newtechniques，newmaterialsandnewapplications，Thetrendofdevelopmentofrapidprototypingtechnoloyg iSdiscussed Keywords：rapidpmtotyping；equipment；technique 0 引言 快速成型技术 (RapidPrototyping，简称 RP)是国际上二十世纪八、九十年代发展起来的一种新型的制造技术” 】 。它基于增 材制造的原理 (MaterialIncreaseManufacturing，简称 MIM)，
4、根据零件的 CAD模型直接成型复杂的零部件或模具，不需要任何工 装，突破了传统去材法或变形法加工的许多限制，堪称制造领域人类思维的一次飞跃。其汇集了计算机科学、CADCAM、数控 技术、计算机图形学、激光技术、新材料等诸多工程领域的先进成果，解决 了，传统加工方法中复杂零件的快速制造难题，能 自 动、快速、准确地将设计转化成一定功能的产品原型或直接制造零件，对缩短企业产品的开发周期、节约开发资金、提高企业 的市场竞争力均具有重大的意义 。 】 。RP 技术的研究与开发在国外得到了广泛重视。本文将从以下儿方丽对该技术的最新成 果作一综述，并对未来的发展趋势加 以探讨。 1 快速成型新设备 最近几
5、年，快速成型新设备的研制与开发集中体现在两个方面，一是原有 RP的设备完善与提高，推出性能更高、功能更 强的改进型；二是新型 RP设备的涌现 。 在原有设备的完善与发展方而 ，德国 EOS公司树脂光照成型设备 STEREOSMAX60O 的制作范围为 60Omm60Omm 400nfin激光扫描速度可达 10ms；粉末烧结成型设备 EOSINTS一 700的制作范围为 700mnl380mm380mlTl，激光扫描 速度可达 25mS，专门用于铸造砂型的制作。日本 CEMT公司的树脂光照成型设备 SOUP一 1000的制作范围更大，为 1000 mrn800mnl500mnl。美国 DTM公司
6、的 Sinterstation2500的制作范围达 300nlln381mlTl432mlTl，制作能力比 Sinterstation 2000儿乎大一倍，在汽车和航空制造业中将有更大用途。它采用在z方向的动态聚焦技术，使激光光斑在大零件的边缘也能 保持较小的圆形，保证整个原型有较高的分辨率。DTM 公司最近又推出了新的快速成型系统 Sinterstation2500plus。3DSystems 公司的 SLA一 50040，其制作速度比 SLA一 50030 的制作速度快 45 SLA 一 25050 的制作速度比 SLA一 25040 的快 6o； SLA一 350采用 Zephyr再涂层
7、技术，最上而的待成型树脂用真空吸附式刊板结构涂布供给，不需要沉入液态树脂中，提高厂速 度，在制作的原型中不再混有液态树脂。3DSystems 公司最近又推出了性能更为强大的 SLA一 7000，可以进行包括高强度 sL树 脂在内的各种树脂的成型。Helisys 公司的 L0M一 2030成型速度比第一代机快 30 Stratasys 的 FDM一 1650采用改进的挤出头 作者简介 ：刘红俐(1972 一)女，陕西米脂人南通工学院机械一 I：程系助教 - Page 2-维普资讯 http:/ 刘红俐 ，等 ：国内外快速成型技术的新发展与展望 53 和软件，速度 比 FDM一 1600快 3倍。
8、而 FDM一 8000的制作速度比FDM一 1650快 1 倍，制作范围达 508n1m431n1m610n1m， 精度为 013n1m。目前儿乎所有 RP 设备的 xY精度都已经非常高，甚至可达数控机床水平，但 Z方向精度牵涉到材料变形 和难于直接精确监控等因素，一般都大于 01n1m 。 新型设备方面，RIKEN 与 NrITrDATACMET公司合作开发了C0SMART(Colors0lidModelingAdvancedRIKENTechnology)系 列的快速成型设备，主要包括 COSMARTS、COSMARTI 与 SMARTM。COSMARTS 是一台与 SOUP 类似的设备，
9、目前在彩 色树脂成型方面取得很大成绩；COSMARTI 另外包括一台 WAX合浸装置和一台粉末去除装置，已成功制造出彩色 DNA大 分子模型，受到业界的广泛关注；SMARTM(SolidHighSpeedMilling)是一台 RP与高速铣相结合的设备，反映了快速成型技术 的一个重要发展趋势；此外，AMINOCORPORATION 开发了精密压制成形设备，AutostradeCoLtd开发了类似于 SL的设备 E DARTS，DenkenEngineeringCoLtd开发了 SLP一 600设备，HitachiLtd开发了 xrayCT设备，ImanishiManufacturingCoLt
10、d开 发了 SArt设备 2 快速成型新工艺 常用的快速成型技术有立体光造型(SLA)、熔融沉积制造 (FDM)、叠层制造(IDM)、选择性激光烧结 (SIS)及三维印刷等。 各种 RP 方法各具特点，但是没有一种方法能满足所有的生产要求，各 自都在不断改进中。目前，新的快速成型方法或工艺也 是快速成型技术研究的一个热点，出现了很多新型的快速成型方法，例如选择性电铸、低温冰型、金属零件的直接成型等。 21 选择性电铸 选择性电铸是传统电铸在快速成型技术中的新应用。不同于传统的快速成型方法，它利用离子沉积的方法有选择地沉积 金属离子，形成三维零件实体的一个层而，一个层面的制造完成后，作为 极的工
11、件下降一定的高度，快速成型机软件系统通 过数据处理得到新层的数据，控制阳极喷头开始新层的沉积，如此层层叠加得到金属零件 1 卡对而言，选择性电铸具有很多 优势：(1)由于选择性电铸采用离子沉积的方法得到三维实体零件，其制作的零件致密度较高 (2)选择性电铸的加工过程中， 金属离子在系统阴极得到电子还原为金属原子，金属原子源源不断地堆积，从而可直接形成金属件。(3)通过适当的数据处 理，快速成型系统可以方便地求得三维零件实体二维层而的“逆”层而，U 零件模腔的层而。根据这一原理，埘零件的各层面逐 层求 “逆” ，然后采用选择性电铸逐层制作出各个 “逆”层而，层层叠加，就可以直接得到零件的金属模腔
12、。(4)卡 u对于其它快速 成型工艺，选择性电铸的工具仅为电解液与辅助金属电极，运行成本与设备成本均较为低廉。(5)相对于传统电铸，选择性电 铸电流密度高，因而Ji-v 效率也较高；同时，选择性电铸可以有效地消除传统电铸中由于电场强度分布不均匀所造成的铸件 畸变。(6)基于金属原子的堆积及组装技术，可实现微型机械的快速制造，为快速成型技术开辟了新途径。 22 低温冰型 低温冰型是利用水作为成型材料的一种新型数字喷射快速成型方法。成型过程中，快速成型机的软件系统首先接受三维 实体零件的 CAD模型，在高度方 向上对 CAD模型离散化，得到三维CAD模型的各层面信息，生成加工的控制代码；而后，在计
13、 算机的控制下，快速成型机挤压喷射形成水滴，低温下水滴凝固粘连到基体上，逐渐形成冰型的一个层而。如此循环往复，堆 积出零件的三维冰型 。与其它的快速成型方法相比，低温冰型具有以下特点：(1)设备成本与运行成本低廉(由于这种成型方 法采用水作为成型材料，无需激光器等昂贵的工具，设备的运行、维护所用的成本均较低)；(2)成型材料容易获得；(3)无污 染；(4)可以获得较好的精度与表面光洁度；(5)去除容易，适于做零件的可消失模。 23 金属件的直接成型 快速成型的最终 目的在于金属零件的制备。基于这个目的，近年来国内外均展升了金属零件直接成型工艺的研究 。其 中，Aeromet 公司已经在这方面做
14、了大量的研究工作。据报道，已成功地直接成型出钛合金的金属零件，并应用到飞机上，其采 用的激光器为 l4 千瓦大功率激光器，成型材料为钛合金粉末】 。 3 快速成型新材料 一 般而言，快速成型用材料应满足：用 RP系统直接制造功能件的材料要接近其最终用途埘强度、刚度、耐潮性、热稳定性 等的要求；利用快速精确地制造原型；利于快速制模的后续处理。 快速成型新材料的研究是快速成型技术研究的另一个热点。FDM使用的 ABS具有很强的力学性能。涂有牯结剂的塑料 带 、不锈钢带和陶瓷带，可适用于标准的 IDM工艺。德国的 EOS公司的 STEROS系统和日本 CMET 公司的 OSUP系统也已采用 环氧光敏
15、树脂。在光敏树脂中添加陶瓷等粉粒材料，可制造特殊功能件或快速制模。SSI 的材料选择范围最广，如石蜡、聚碳酸 酯、尼龙、填有玻璃的尼龙(具有极好的刚度和热阻性)、DTM 专有型芯材料 TrueForm和 SandFormZr。TrueForm 用于熔模铸造和 小批量生产的软模具。美国 3DSystems公司最初的材料性能较差，现在环氧材料已取代早期的丙烯酸，其强度大大提高。另外 后续制模材料的研究也较多，如杜邦公司研制的用于硅橡胶模复制的聚氨基甲酸酯快速固化材料，其固化时间由原来的数小 时缩短为 2 分钟，脱模时问只有十多分钟。 最近使用液态光成型材料的各公司都开始配齐环氧系列产品，原因是阳离
16、子系光硬化树脂具有低收缩性和构造特性。由 于光成型材料是用光能使液体向固体三维架桥的硬化性树脂，因此，与广泛使用的通用热塑性材料相比，其物理性能和机械 特性现在还不能完全与通用热塑性材料比美。材料特性的改良仍在逐步进行。使用固态材料的堆积成型系统中，采用塑料、陶 瓷、金属、淀粉、石膏等微细粉末以及熔融材料、纸、薄膜等片状材料，可充分发挥材料的自身特性 l【 。 4 快速成型技术的新应用 快速成型技术的最初应用主要集中在产品开发中的设计评价 、功能试验上。设计人员根据快速成型得到的试件原型对产 品的设计方案进行试验分析、性能评价，借此缩短产品的开发周期、降低设计费用。典型的应用案例有：美国汽车制
17、造商克莱 - Page 3-维普资讯 http:/ 54 南通工学院学报 (自然科学版) 斯勒 (Chrysler)采用 SLA制作的车体原型进行空气动力学试验，取得了较好的试验效果，不仅节约 l新车型的开发费用，而且 也极大地缩短了新车型投放市场的时间。 经过十几来的发展，快速成型技术早已突破了其最初意义上的“原型”概念，向着快速零件、快速工具等方向发展。 就模具的快速制造而言，目前较为成熟的有间接制模与直接制模两种工艺，间接制模通常使用原型件进行模具模腔的翻 制，如硅像胶模、环氧树脂膜、金属冷喷涂膜等；直接制模工艺则通过快速成型系统直接成型模具模腔 “绿件” ，而后通过适当 的后处理得到金
18、属的模具模腔，例如美国 DTM公司采用 SLS工艺烧结包覆树脂的钢粉末制成模腔原型，经过渗铜和其它后处 理得到钢铜合金的注塑模腔和模芯镶块。 最近，间接法制模工艺正逐步转向直接制模工艺。以前着眼于小批 试制的简易模具，近来转向中等批景、甚至是大批最 生产的准耐久模具的制造。这是因为与试制品制作领域相比，模具制造领域的市场规模更大，成长率更高 “。 快速精铸技术 (QuickCasting)也是快速成型技术较为成熟的应用之一。目前来讲，快速精铸的实现主要有三种途径：烧 失型铸造熔模的快速制造、铸造型壳的快速制造与铸造压型的快速制造。在烧失型铸造熔模的快速制造方而，美国 3DSystems 公司通
19、过 SLA 形成了较为成熟的工艺；在铸造型壳的快速制造方丽，Soligen公司用 3DP 原理制成陶瓷铸壳，DTM 则采用 SLS工艺烧结包覆树脂的陶瓷粉末材料制成陶瓷型壳。 快速成型技术在修复医学上的应用是其近几年来发展的一个热点。目前，其应用主要集中在人工假体、人工活性骨等方 而。在人工假体方面，目前主要是应用快速成型制作出似体的原型，而后翻制金属似体，植人人体，取代受伤的仃而达到康 复的目的；在人工活性骨方面，由于快速成型系统能够制作出多孔性结构，这一点尤其通于制作多孔结构的人工骨。医疗过程 中，快速成型系统首先使用可降解材料制成内部多孔疏松的代用骨，疏松孔中填以活性因子，置人人体，即可
20、代替人体骨黼， 经过一段时间可降解材料被人体降解、吸收、钙化形成新骨，这方而的实验据说已在兔子身上获得验证 “0 5 RP技术的展望 纵观 RP 技术十儿年来的发展，在成型设备、工艺及材料等方而均取得 _i不少成就。但由于该技术的制作精度、强度和耐 久性还不能满足工程实际的需要，加之设备的运行及制作成本高，一定程度上制约着 RP技术的普遍推广。从 RP技术的现状 与最新发展动态来看，作者认为，未来几年的 RP技术应着重研究以下儿方而的问题： (1)提高 RP系统的精度，增加设备的利用率 样件制作的精度在很大程度上取决于系统本来的精度，所以应优化设备结构，选用性能价格比高且稳定可靠的元器件， 按
21、模块化的设计思想开发具有高精度且满足不同用户需求的设备。同时实现设备资源共享，提升购置设备的回报利润和利用 率，开发网上加工技术，完善服务体系 (2)研究开发新的成型方法和组合工艺 过去的成型方法基本上均基于立体平丽化离散堆积的思路，本身存在着很多不足。如何将这种新的思想与传统 的切削加工舸】结合，融 RP与 CNC机床等加工方法为一体开发出新的 RP设备，以提高制作的性能和精度，降低生产成本，满 足用户的需要。目前，已有人开始研究如何将快速原型技术与特种加工技术棚结合以形成组合加工工艺。 (3)进一步拓宽应用范围 应加快 RP技术的实际应用与研究开发工作，着重探索如何利用RP技术直接制作金属
22、零件、模具、人工器官及纳米块体 材料等方面的研究工作，拓宽该技术的应用范围，增强该技术的生命力。 参考文献： 1】CarolAndersonRapidprototypingandmanufacturingintheUSAJ】RapidprototypingJournal，1997，3(3)：120121 2】DolencA，MakelaIRapidprototypingfromacomputerscientistspointofviewJ】 RapidprototypingJournal，1996，2(2)：1825 3】BourellDL，BeamanJJSolidfreefromfabri
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