淺談快速成型等新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)加工方式帶來的新影響

【摘要】本文介紹了目前主流的快速成型及金屬快速成型的若干新技術(shù)和新方法，為傳統(tǒng)的加工方式帶來了一定改善和影響。

【關(guān)鍵詞】快速成型；新技術(shù)；激光熔覆

對(duì)加工過程的追求并伴隨計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，個(gè)人計(jì)算機(jī)已可以處理復(fù)雜的三維實(shí)體模型。無論是1952年誕生于美國麻省理工學(xué)院的第一臺(tái)數(shù)控銑床，還是如今如火如圖的“3D”打印技術(shù)，它們都依賴于由若干函數(shù)集所組成的三維實(shí)體模型，借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的瞬時(shí)計(jì)算能力，算出約束條件下三維實(shí)體模型在二維平面上的投影。計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）依然構(gòu)造約束條件（函數(shù)集/建立數(shù)學(xué)模型），運(yùn)算，得到結(jié)果。

綜上，整個(gè)現(xiàn)代制造工業(yè)就是建立在虛擬的三維實(shí)體模型之上。雖然各加工軟件、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)采用不同的函數(shù)表達(dá)形式，但其背后均有統(tǒng)一的數(shù)學(xué)思想，依靠同樣的數(shù)學(xué)原理表達(dá)曲線，構(gòu)造嚴(yán)密的邏輯關(guān)系，因此它們是可以被統(tǒng)一到同一個(gè)模型之下的。

在現(xiàn)代大規(guī)模CAPP/CAM實(shí)踐中，已經(jīng)證明數(shù)字化圖紙，甚至背后起決定作用的數(shù)學(xué)模型（三維實(shí)體模型）是可以借助IT系統(tǒng)在全公司范圍內(nèi)不斷變換表現(xiàn)形式，或表達(dá)于生產(chǎn)線下，或者轉(zhuǎn)化為機(jī)床內(nèi)部的NC代碼，甚至OA系統(tǒng)中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，無論如何變換依然可以歸結(jié)為同一個(gè)模型。這為建立統(tǒng)一的制造系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。

在傳統(tǒng)機(jī)械的加工中，完成的是對(duì)實(shí)體的減加工，但有減有增才可以完成一個(gè)閉環(huán)，才會(huì)接近凱文·凱利在《失控》里描述的那個(gè)自組織的無機(jī)“生命體”。從這個(gè)角度，快速成型等增量加工方式的出現(xiàn)，使機(jī)械體有了生命體的影子。正因?yàn)楸举|(zhì)上統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，并借助于逐漸形成閉環(huán)的加工能力，我們幾乎看到了全自動(dòng)生產(chǎn)工廠的影子。而成熟快速成型加工方式的出現(xiàn)，第一次使整個(gè)制造系統(tǒng)有機(jī)會(huì)形成了一個(gè)可見的閉環(huán)。凱文·凱利在《失控》在闡述了他對(duì)自然界的觀察：簡(jiǎn)單邏輯維持的蟑螂，卻是整個(gè)自然界最好的適應(yīng)者。在書中，他表達(dá)了的這樣一種思想：復(fù)雜，真的就是最優(yōu)？

下面，著重介紹這個(gè)可能的閉環(huán)中新出現(xiàn)的技術(shù)。

當(dāng)今主流的快速成型技術(shù)，除光敏樹脂成型外，還可以利用金屬粉末直接形成零件。光敏樹脂由于材料本身強(qiáng)度有限、種類單一，因此限制了它的發(fā)展，目前主要用于快速成型的技術(shù)展示，部分商業(yè)化。而以金屬粉末為主的快速成型技術(shù)，由于材料種類很多，強(qiáng)度等主要技術(shù)指標(biāo)可以滿足不同的設(shè)計(jì)要求，因此具有非常大的發(fā)展空間。如采用選擇性激光燒結(jié)（SLS），原材料的利用率甚至接近100%，且無需支撐和模具。該方法避免了在傳統(tǒng)制造過程中為保證鑄件質(zhì)量，必須設(shè)計(jì)澆冒口等冗余部件，也不用考慮芯模。在充保護(hù)氣體甚至抽真空后，可以有效的減少水蒸氣，因而大幅降低傳統(tǒng)鑄造過程中不可避免的鑄造缺陷。同時(shí)，因熔液流動(dòng)范圍較小，因此在制造過程中，更容易分析應(yīng)力集中區(qū)，便于數(shù)據(jù)積累，便于后期手動(dòng)甚至自動(dòng)優(yōu)化工藝過程。

目前主流的快速成型方法：無不是通過將三維實(shí)體模型降低一個(gè)維度而實(shí)現(xiàn)僅通過一個(gè)二維平面內(nèi)的工作頭，對(duì)面的堆砌最后形成實(shí)體。理論上，Z軸上實(shí)體的邊沿不是一個(gè)連續(xù)曲線，但依據(jù)極限的思想，只要層數(shù)無限細(xì)分，是可以無限接近于實(shí)體。因此在效率和精度之間，是可以有所選擇的。降維的思想，同樣出現(xiàn)在《金屬板材漸進(jìn)成形CAM技術(shù)研究》中，作者受快速成型中廣泛采用的該降維思想啟發(fā)，通過使板材沿路徑包絡(luò)面逐次變形，即以工具的運(yùn)動(dòng)所形成的包絡(luò)面代替模具的型以對(duì)板材進(jìn)行逐次局部變形代替整體成形，將板材直接成形為目的形狀。同時(shí)，由于采用漸進(jìn)性成型方式，極大的減少了對(duì)模具的依賴程度。從理論上，極限只是一種假象，離散型結(jié)果即使再趨近于線性結(jié)果，它門之間還是會(huì)有縫隙存在。但在宏觀實(shí)際中，這點(diǎn)差距是可以通過無數(shù)次的修正并最終被“忽略”。在實(shí)踐中，采用漸進(jìn)性成型最高高度，甚至最終超過采用沖壓成型方式所達(dá)到的高度。但是，采用漸進(jìn)性成型方式，所需時(shí)間遠(yuǎn)超沖壓成型。類似的現(xiàn)象也出現(xiàn)在快速成型中，快速成型技術(shù)對(duì)于小批量復(fù)雜零件相比傳統(tǒng)加工具有優(yōu)勢(shì)，但大批量零件，傳統(tǒng)工藝方法仍具有非常大的優(yōu)勢(shì)。但是否可以為快速成型增加幾個(gè)維度，就如同加工中心那樣通過復(fù)合加工減少加工過程，最終達(dá)到優(yōu)于傳統(tǒng)工藝方法的目的，還有待考證。

目前主流的金屬快速成型技術(shù)，均采用大功率激光頭直接照射金屬粉末，使其熔化、熔合直至最終形成零件。主要加工設(shè)備：激光束，它也是光波的一種，因此它會(huì)被材料反射，降低吸收率。相比通過將材料表面打磨毛增加漫反射的方式提高吸收率，不若直接將材料粉末化增大單位材料的表面積，進(jìn)而大幅提高材料的吸收率。岳燦甫在《金屬粉末激光微成形實(shí)驗(yàn)的研究》里證明，采用粉末化后，有些材料的熔點(diǎn)甚至下降了上百度。但是最理想加工方式當(dāng)然是通過直接作用于零件本身而達(dá)到加工目的。這樣使生產(chǎn)過程更加柔性化，即使在加工過程中出錯(cuò)，也可以返工修補(bǔ)。現(xiàn)實(shí)中有接近的加工方法：通過激光直接作用于零件本身完成加工過程。因該工藝和部分快速成型技術(shù)采用類似的激光頭，且均通過激光直接改變實(shí)體外形，故該類加工方法有可能為快速成型技術(shù)帶來新的維度，使快速成型技術(shù)不僅僅局限于傳統(tǒng)方法，還可以對(duì)半成品/成品零件進(jìn)行修剪。劉順洪在《激光誘發(fā)熱應(yīng)力成形技術(shù)》中嘗試通過激光作用于材料表面，瞬間提高作用區(qū)的溫度，形成與周邊材料的溫度差來達(dá)到無模具彎曲零件的目的。作者在文中提到，作用過程涉及一些不易測(cè)量的因素，受熱彎曲后的零件，存在其內(nèi)部應(yīng)力不易測(cè)量等問題。因而目前該技術(shù)還存在以下難點(diǎn)：直接通過激光改變實(shí)體外形同時(shí)涉及因素較多，目前難以完全確定影響因素，因此限制了該技術(shù)的發(fā)展。還有一種利用激光改變實(shí)體外形的方式：激光切割，由于技術(shù)已經(jīng)較成熟應(yīng)用較多，就不再累述。

還有一種新技術(shù)激光熔覆，利用激光實(shí)現(xiàn)零件表面的修復(fù)。熔覆材料以粉、絲、板等形式加入，類似以金屬粉末為主的快速成型技術(shù)。實(shí)現(xiàn)方法：用激光將預(yù)置在基體上的涂層原料熔化，同時(shí)使基體表層發(fā)生熔化，形成冶金結(jié)合的涂層。從當(dāng)前激光熔覆的應(yīng)用情況來看，其主要應(yīng)用于兩個(gè)方面：一，對(duì)材料的表面改性，如燃汽輪機(jī)葉片，軋輥，齒輪等；二，對(duì)產(chǎn)品的表面修復(fù)，如轉(zhuǎn)子，模具等。有關(guān)資料表明，修復(fù)后的部件強(qiáng)度可達(dá)到原強(qiáng)度的90%以上。由上可以看出，該技術(shù)也以激光為主要加工手段，因此也有可能為快速成型技術(shù)帶來新功能。

綜上，新制造手段的誕生，帶來了新的變革，同時(shí)伴隨IT系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，幾乎所有設(shè)備都可以被連接。同時(shí)因?yàn)榭梢越⑽ㄒ坏臄?shù)學(xué)模型，因此所有設(shè)備均可以被統(tǒng)一于一個(gè)管理核心之下，而為少人管理甚至無人管理的閉環(huán)生產(chǎn)線奠定了基礎(chǔ)。以快速成型為主的新技術(shù)，有可能改變?cè)締蜗蛄鲃?dòng)的零件生產(chǎn)過程，因而整個(gè)生產(chǎn)鏈條有可能形成閉環(huán)。在介紹新技術(shù)的同時(shí)，我們看到變化的不僅僅是制造手段，甚至背后的新思想也存在擴(kuò)散的可能，工藝思路的改變或者嫁接，很可能就會(huì)誕生新的工藝方法。作為一名工藝人員，匠心也許同樣重要。