三維快速制造技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用

沈震新

摘要三維快速制造技術(shù)是近20年來隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的一項(xiàng)新型技術(shù)。我國(guó)三維技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用已步入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。本文從三維快速技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用的角度來探討其發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞三維快速技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用發(fā)展前景

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)正從一個(gè)制造業(yè)大國(guó)走向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)。三維快速制造技術(shù)是當(dāng)今制造業(yè)的寵兒，它不僅能適應(yīng)市場(chǎng)個(gè)性化的需要，而且能節(jié)約能源和節(jié)省人力。三維快速制造技術(shù)，主要有多軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)、塑料模具和金屬模具傳統(tǒng)的快速削減加工技術(shù)以及快速堆積加工技術(shù)。多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工是實(shí)現(xiàn)陽(yáng)面高難度、高精度和高效率加工的重要手段，是當(dāng)今機(jī)械加工中的尖端技術(shù)。其關(guān)鍵技術(shù)包括：復(fù)雜形狀零件的三維造型及定位、多軸聯(lián)動(dòng)刀位軌跡規(guī)劃和計(jì)算、加工雕塑曲面體的刀軸控制技術(shù)、切削仿真及干涉檢驗(yàn)、以及后處理技術(shù)，等等。這項(xiàng)系統(tǒng)技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用正在迅速發(fā)展。塑料模具和金屬模具快速堆積加工技術(shù)，包括快速軟模制造技術(shù)、快速金屬硬模制造技術(shù)。在快速金屬硬模制造技術(shù)領(lǐng)域，包括鑄造、粉末燒結(jié)、電鑄、熔射等技術(shù)。從技術(shù)發(fā)展進(jìn)程來看，快速金屬硬模制造技術(shù)更符合快速、節(jié)能、低消耗的原則。上述這些快速加工技術(shù)，在原材料的開發(fā)、工藝與設(shè)備的改進(jìn)等方面，都在不斷創(chuàng)新。同時(shí)，在創(chuàng)新中也衍生出一些新的技術(shù)，諸如三維立體(實(shí)物)打印制造技術(shù)和三維電子粘土技術(shù)。

一、三維立體(實(shí)物)打印制造技術(shù)

據(jù)報(bào)道，美國(guó)加利福尼亞州的“創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)室”公司生產(chǎn)的三維立體打印機(jī)，打印出來的模型從頭到腳都是由一層層的薄膜疊加構(gòu)成的，可以形成餐叉、牙刷、鞋子等多種物品。其原料主要是ABC塑料。其中還混合了鋁和玻璃。一旦加熱到適當(dāng)程度，原料就能變成硬物。目前。這種小型設(shè)備的售價(jià)可望降到1000美元。

1、發(fā)展前景。筆者認(rèn)為，這類設(shè)備是當(dāng)今個(gè)性化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的典型，是三維快速制造設(shè)備家庭化的先導(dǎo)。目前，這種設(shè)備建立在二維疊加的基礎(chǔ)上，產(chǎn)品由二維疊加形成的。因此，疊加的精度取決于特殊粉末材料制造技術(shù)、無溶劑噴粉技術(shù)、粉末材料熔融的控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)控制處理技術(shù)，等等。但這種設(shè)備還不是真正意義上的三維快速制造設(shè)備。三維快速制造設(shè)備是以削減加工形式存在的。譬如，目前的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑削，而那種設(shè)備類似多層疊加激光削切技術(shù)。筆者認(rèn)為，這種二維疊加加工法有著比多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑削這一類蘭維快速制造設(shè)備突出的、不可取代的性能，它可以加工出凹面。因?yàn)?，任何三維的立體都可以分解成一個(gè)個(gè)的平面，加工和疊加一個(gè)一個(gè)的平面，可以形成任何復(fù)雜的凹凸面。這也是快速加工成型時(shí)疊加法優(yōu)于削減法的明顯之處。然而，疊加法的缺點(diǎn)在于精度和材質(zhì)的均勻性方面還無法和削減加工法相媲美，激光輔助削減使疊加法加工技術(shù)的精度得以修正或提高。此外，粉末制造技術(shù)和粉末材料局域熔融的控制技術(shù)，也可以大幅度提高精度。基于此，筆者以為，發(fā)展二維疊加快速制造技術(shù)是當(dāng)今個(gè)性化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的需要，是三維快速制造設(shè)備小型化與家庭化的需要，是商品出售終端家庭化的需要，而對(duì)于目下職業(yè)教育中的制造專業(yè)尤為重要。這是因?yàn)椋憾S疊加快速技術(shù)可以同時(shí)快速制造出凹凸面，在制造業(yè)中是“全能”設(shè)備，可以快速制造各行業(yè)急需的大量中檔模具；它特別適合新產(chǎn)品的快速試樣生產(chǎn)，有助于加速新產(chǎn)品的研究與開發(fā)；它特別適應(yīng)制造業(yè)的職業(yè)教育教學(xué)，諸如實(shí)物分解圖、實(shí)物制造平面圖、3D成像技術(shù)、數(shù)控加工技術(shù)。如果能結(jié)合二維疊加快速制造技術(shù)的詮釋，學(xué)生就能更好地理解三維和平面(二維)的關(guān)系，就能直觀地看到有凹凸實(shí)物的制造全過程。

2、技術(shù)要素：無溶劑粉末噴頭設(shè)備；噴頭二維移動(dòng)裝置；粉末熔融手段；粉末技術(shù)，材料選用，造粉，粉末表面處理，粉末加入技術(shù)；成型部分的自動(dòng)光測(cè)量技術(shù)；成型部分的糾正技術(shù)。

二、三維電子粘土技術(shù)

“電子黏土”是一個(gè)研究項(xiàng)目的名稱。2002年，這個(gè)項(xiàng)目由美國(guó)科學(xué)家塞特·格爾德斯坦(Seth Goldstein)和多德·莫里(Todd Mowry)醞釀而生。他們的目標(biāo)是：創(chuàng)造出一種可以人工控制任意改變其形狀、顏色、大小及其他任何特征的電子材料。這種聽命于“程序”的“橡皮泥”由沙粒般大小的球體——電子黏土原子(Catoms)構(gòu)成。這些電子黏土原子可以移動(dòng)、互相黏連。還可以披上和所要模擬的物體一樣的顏色。2007年。塞特·格爾德斯坦和多德·莫里研究成功3個(gè)直徑為44毫米的可以移動(dòng)、互相吸引和互相黏連的電子黏土原子。今后發(fā)展的趨勢(shì)是：這些“原子”會(huì)變得更小更圓，每個(gè)“原子”的直徑縮小到1毫米以下。

1、發(fā)展前景。目前，由電腦展示的3D圖像，是一種由視覺差錯(cuò)而使人感覺到的三維圖像，而電子粘土形成的實(shí)物是真正意義上的三維圖像。筆者認(rèn)為，電子粘土技術(shù)是一項(xiàng)頂尖的快速仿真技術(shù)，在空氣動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、節(jié)能等諸多方面可以提供瞬時(shí)連續(xù)變化的新型實(shí)體模型，尤其在動(dòng)力學(xué)研究方面將起著巨大的促進(jìn)作用。結(jié)合職業(yè)教育的特點(diǎn)。電子粘土在機(jī)械加工的教學(xué)尤其在三維成像方面的教學(xué)效果更為直觀。在民用方面，電子粘土是一種高端智能玩具的制作材料……可見，電子粘土一旦商業(yè)化和市場(chǎng)化，其經(jīng)濟(jì)效益是相當(dāng)可觀的。

2、技術(shù)要素。單個(gè)微小電子粘土相互結(jié)合的方式；單個(gè)微小電子粘土的儲(chǔ)能器；無線儲(chǔ)能方式的研究；單個(gè)微小電子粘土和計(jì)算機(jī)的無線聯(lián)系技術(shù)；單個(gè)微小電子粘土可以看作是一個(gè)微小的自動(dòng)化機(jī)械。必須解決它的機(jī)械化大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)；單個(gè)微小電子粘土的計(jì)算機(jī)識(shí)別和控制技術(shù)。

綜上所述，“快速制造技術(shù)”基于知識(shí)和信息網(wǎng)絡(luò)正在向可視化及多模態(tài)人機(jī)交互方向發(fā)展，“三維立體(實(shí)物)打印制造技術(shù)”與“三維電子粘土技術(shù)”拓展了制造技術(shù)的新領(lǐng)域。為用戶的個(gè)性化需要開辟了新的市場(chǎng)。因此，在市場(chǎng)激烈競(jìng)爭(zhēng)的大環(huán)境中。應(yīng)該密切關(guān)注國(guó)外關(guān)于“快速制造技術(shù)”的研究動(dòng)向，建立一套支持敏捷制造數(shù)字化、智能化、集成化的多模態(tài)人機(jī)交互信息處理與應(yīng)用理論及方法，有效地組織敏捷制造動(dòng)態(tài)聯(lián)盟，充分利用各種資源進(jìn)行多模態(tài)人機(jī)協(xié)同的敏捷制造，激活國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，在制造業(yè)方面將國(guó)際金融風(fēng)暴帶來的惡劣影響降低到最低限度。