基于三維打印的快速制造

金天拾，吳云翔

(上海美唐機(jī)電科技有限公司，上海 201804)

基于三維打印的快速制造

金天拾，吳云翔

(上海美唐機(jī)電科技有限公司，上海 201804)

基于三維打印的快速制造是在快速成型基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，無(wú)需模具或工夾具就可以從三維CAD模型直接生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的塑料或金屬零件。從設(shè)備、材料、工藝方案等方面闡述了基于三維打印快速制造的特點(diǎn)和應(yīng)用。

快速制造；三維打?。荒＞?/p>

快速制造(Rapid Manufacturing)是近年來(lái)在快速成形(Rapid Prototyping)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，能夠快速地進(jìn)行單件或小批量最終使用功能零件的生產(chǎn)，而非原型件、評(píng)價(jià)模型或展品?？焖僦圃炫c快速成形一樣是基于疊層制造原理，將材料一層層疊加而成為實(shí)體零件?？焖僦圃鞜o(wú)需模具或工夾具就可以從三維CAD模型直接生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的塑料或金屬零件，具有供應(yīng)鏈短、生產(chǎn)步驟少、交貨迅速等一系列優(yōu)點(diǎn)，特別是開拓了產(chǎn)品的創(chuàng)新空間，應(yīng)用前景十分廣闊。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念的革命[1]

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)重要原則是“制造驅(qū)動(dòng)”，即在設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮能不能制造出來(lái)、工藝性好不好。因此，絕大多數(shù)產(chǎn)品不得不由若干零件組成部件去完成某種功能，這種“為了制造的設(shè)計(jì)(Design for Manufacturing)”理念限制了設(shè)計(jì)師的創(chuàng)造性，并導(dǎo)致產(chǎn)品零件數(shù)量增多、工藝流程復(fù)雜、生產(chǎn)管理繁瑣等諸多問(wèn)題，甚至有時(shí)不得不放棄產(chǎn)品某些應(yīng)有的但暫時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能和特性。

快速制造推翻了“為了制造的設(shè)計(jì)”的教條，而反過(guò)來(lái)建立新的理念“為了設(shè)計(jì)的制造”(Manufacturing for Design)，即“設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)”，制造應(yīng)該為設(shè)計(jì)服務(wù)，而決不是約束設(shè)計(jì)的創(chuàng)造性。新的理念是只要設(shè)計(jì)得出來(lái)，就應(yīng)該能夠制造出來(lái)。圖1描述了這種設(shè)計(jì)理念的變遷。

快速制造使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)構(gòu)思聚焦于產(chǎn)品的功能和用戶的喜愛，而不是面向生產(chǎn)和制造過(guò)程。這種數(shù)字化時(shí)代的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念是一場(chǎng)革命，它賦予設(shè)計(jì)師無(wú)限的創(chuàng)造空間，使以前無(wú)法想象的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)品的許多新功能得以實(shí)現(xiàn)。

圖1 新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念

快速制造的特點(diǎn)是直接運(yùn)用CAD數(shù)據(jù)為用戶提供最終產(chǎn)品，因此每一件產(chǎn)品都可以按照用戶的個(gè)性化需求進(jìn)行生產(chǎn)。由于生產(chǎn)過(guò)程不需要模具、刀具和夾具，使用同樣的設(shè)備，生產(chǎn)1件和10 000件在單件成本上差別有限，推翻了增加批量可提高生產(chǎn)效率和降低成本的定律，因而適合單件小批量生產(chǎn)和客戶化定制。

2 快速制造設(shè)備

快速制造設(shè)備按照工藝特點(diǎn)可分為激光燒結(jié)、三維打印和金屬熔融3大類。本文以EOS公司的激光燒結(jié)設(shè)備為例，對(duì)設(shè)備及塑料和金屬零件的快速制造過(guò)程進(jìn)行闡述。

2.1Formiga P 100激光燒結(jié)機(jī)[2]

EOS公司2008年推出的Formiga P 100是小型、快速和高效的塑料零件激光燒結(jié)制造設(shè)備，其工作空間為200mm×250mm×330mm，采用功率為30W的CO2激光器對(duì)聚酰胺或聚苯乙烯塑料粉末進(jìn)行燒結(jié)。零件構(gòu)建過(guò)程的最大掃描速度為5m/s，層厚通常取0.1mm。在這種情況下，零件的構(gòu)建速度(高度)可達(dá)24mm/h，一個(gè)零件從生成CAD數(shù)據(jù)文件到制作完成僅僅需要數(shù)小時(shí)。

Formiga P 100結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小，外型尺寸為1 320mm×1 067mm×2 204mm，質(zhì)量約600kg，其外觀如圖2所示。

圖2 Formiga P 100 激光燒結(jié)機(jī)的外觀

從圖中可以看出，其外觀設(shè)計(jì)新穎，線條簡(jiǎn)潔，色彩明亮。左側(cè)門打開后，即可近距離觀察工作室內(nèi)部，同時(shí)借助一個(gè)夾持器可將工作缸拉出，取出零件，操作和維修都非常方便。

Formiga P 100在機(jī)械結(jié)構(gòu)配置上與傳統(tǒng)激光燒結(jié)設(shè)備也完全不同，不是采用供粉罐、工作缸和收粉缸并列，鋪粉板平移的配置形式，而是將供粉罐安放在機(jī)器的頂部，粉末借助自重落下，采用扇形鋪粉板刮平，從而大大簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)。

2.2EOS P 800激光燒結(jié)機(jī)[3]

EOS P 800是世界第一臺(tái)在385℃高溫處理高性能聚合物的激光燒結(jié)機(jī)。這種EOS擁有專利的高性能聚合物屬于聚芳醚酮類，專門為P 800激光燒結(jié)機(jī)開發(fā)，牌號(hào)為PEEK HP3。用其制成的零件具有卓越的機(jī)械和化學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度可達(dá)95MPa，楊氏模數(shù)可達(dá)4 400MPa，超過(guò)目前廣泛使用的PA12聚酰胺100%以上，可在180～260℃的高溫環(huán)境下工作。同時(shí)，PEEK HP3是可以消毒和生物相容的，適合于制造醫(yī)學(xué)、航空和運(yùn)動(dòng)賽車的零件。

EOS P 800激光燒結(jié)機(jī)的基本配置和結(jié)構(gòu)與EOS P 730激光燒結(jié)機(jī)是一樣的，有效工作空間為700mm×380mm×580mm，采用2個(gè)功率為50W的CO2激光器，可以同時(shí)加工1個(gè)零件或分別加工2個(gè)零件。零件構(gòu)建過(guò)程的最大掃描速度為6m/s，層厚通常取0.12mm。在這種情況下，零件的構(gòu)建速度(高度)可達(dá)35mm/h。

EOS P 800激光燒結(jié)機(jī)的外型尺寸為2 250mm×1 550mm×2 100mm，質(zhì)量約2 300kg，外觀上部打開時(shí)的情景如圖3所示。

圖3 EOSint P 800激光燒結(jié)機(jī)的上部外觀

EOS P 800激光燒結(jié)機(jī)結(jié)構(gòu)上的最大特點(diǎn)是燒結(jié)工作缸，它有加熱和保溫的夾層，以保證粉末在燒結(jié)時(shí)的最佳溫度。

2.3EOS M 400激光燒結(jié)機(jī)[4]

EOS M 400是用于直接從CAD文件制造模芯、原型件和最終產(chǎn)品的金屬粉末激光燒結(jié)機(jī)。其工作空間為400mm×400mm×400mm，采用功率為1kW的Yb光纖固體激光器發(fā)出的激光束對(duì)銅基合金、低碳合金鋼、不銹鋼、超級(jí)合金和鈦合金粉末進(jìn)行燒結(jié)。零件構(gòu)建過(guò)程的最大掃描速度為7m/s，光束直徑約90μm。

EOS M 400激光燒結(jié)機(jī)的外型尺寸為4 181mm×1 613mm×2 355mm，質(zhì)量約4 635kg，其外觀如圖4所示。

直接制造金屬零件的過(guò)程稱之為DirectPart， 而制造金屬模具零件的過(guò)程則稱為DirectTool。

3 快速制造所使用材料

快速制造用的材料與快速制造的設(shè)備、工藝和應(yīng)用領(lǐng)域密切相關(guān)，通常由快速制造設(shè)備廠商提供。激光燒結(jié)系統(tǒng)采用的材料可分為塑料和金屬兩大類。

圖4 EOS M 400 激光燒結(jié)機(jī)的外觀

3.1塑料

激光燒結(jié)快速制造所用的塑料粉末大多是以聚酰胺(尼龍)12或聚苯乙烯為基礎(chǔ)。EOS公司為該公司EOSint P系列和Formiga P激光燒結(jié)機(jī)提供以下各種不同用途的塑料粉末：

a.PA 2200。它是一種以PA-12為基礎(chǔ)的混合細(xì)粉末，具有生物相容性以及較高的機(jī)械性能和耐熱性，有白色、黑色和灰色3種不同顏色，應(yīng)用較為廣泛。

b.PrimePart。它是EOS擁有專利的聚酰胺細(xì)粉末，具有生物相容性和良好的機(jī)械性能，可用于快速制造功能原型件和備件。衍生的PrimePart DC具有高耐久度、可彎曲的特點(diǎn)，而PrimePart ST則軟而有彈性。

c.PA 2210 FR。它是含有化學(xué)阻燃劑的聚酰胺細(xì)粉末，用于制造高機(jī)械性能的阻燃零件，遇火時(shí)能夠在零件表面生成保護(hù)層。

d.PA 3200 GF。它是玻璃充填的聚酰胺細(xì)粉末，用于制造殼體和熱強(qiáng)度高的零件。

e.Alumide。它是EOS擁有專利的鋁充填聚酰胺細(xì)粉末，用于汽車工業(yè)制造需要金屬光澤和剛度的零件以及小批量生產(chǎn)注射模的模芯等。

f.CarbonMde。它是EOS擁有專利的碳素纖維充填聚酰胺細(xì)粉末，具有卓越的機(jī)械性能：高強(qiáng)度和高剛度。用于制造高端全功能的原型件，如空氣動(dòng)力學(xué)的風(fēng)洞試驗(yàn)件等。

g.PrimeCast 101。它是EOS擁有專利的聚氯乙烯粉末，主要用于制造熔模鑄造的消失模。

3.2金屬

激光燒結(jié)快速制造所用的金屬粉末有銅基合金、工具鋼、不銹鋼、鈦合金和超級(jí)合金。EOS公司為該公司EOS M系列機(jī)器提供以下各種不同用途的金屬粉末：

a.DirectMetal 20。它是多種成分的銅基金屬細(xì)粉。其零件具有良好的機(jī)械性能、細(xì)節(jié)表現(xiàn)和表面質(zhì)量，應(yīng)用廣泛。DirectTool用于制造注射模，DirectPart用于制造金屬功能件。

b.MaragingSteel MS1。它是EOS擁有專利的低碳合金鋼X3NiCoMoTi(相當(dāng)于歐洲鋼牌號(hào)1.2709)的細(xì)粉。這種材料具有很高的強(qiáng)度和韌性，激光燒結(jié)后易于加工，并可熱處理到HRC55 左右。通常用于制造復(fù)雜的模具和高性能的航空零件。

c.StainlessSteel GP1和PH1。這是EOS擁有專利的2種合金化不銹鋼細(xì)粉(GP1相當(dāng)于歐洲鋼牌號(hào)1.4542)，它們都具有很高的耐腐蝕性和機(jī)械強(qiáng)度，GP1延展性非常好，而PH1是可淬硬的。2種不銹鋼材料都可以用于制造高性能的功能原型件、小批量產(chǎn)品、個(gè)性化產(chǎn)品和備件，例如醫(yī)學(xué)和航空零件。

d.CobaltChrome MP1、SP1和SP2。這是EOS擁有專利的混合金屬細(xì)粉，用于制造鈷鉻鉬基超級(jí)合金的零件。鈷鉻鉬基超級(jí)合金具有非常好的機(jī)械性能(強(qiáng)度、硬度等)、耐腐蝕性和耐熱性，適合于制造在高溫工作條件的關(guān)鍵零件，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片等。MP1是無(wú)鎳高碳鈷鉻鉬合金，易于消毒，燒結(jié)的零件具有細(xì)小的晶體粒狀結(jié)構(gòu)，特別適宜制作人工關(guān)節(jié)和骨骼。SP1和SP2是專門為假牙開發(fā)的鈷鉻鉬基超級(jí)合金，其特點(diǎn)是易于與陶瓷燒接在一起。

e.Titanium Ti64ELI和TiCP。這是EOS擁有專利的合金化的Ti6AlV4鈦合金和純鈦金屬細(xì)粉末，鈦合金具有非常好的機(jī)械性能和耐腐蝕性以及特別輕和生物相容性，適合于制造高機(jī)械性能和特別輕的零件，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)、賽車零件以及人工關(guān)節(jié)和骨骼等生物植入物等。

4 快速制造案例

快速制造不僅可以從CAD數(shù)據(jù)文件直接制造零件，過(guò)程鏈短，可以在數(shù)小時(shí)到數(shù)天內(nèi)向客戶提供制成品，更重要的是，快速制造能夠制造傳統(tǒng)切削加工或其他加工方法所無(wú)法制造或難以制造的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。本節(jié)將通過(guò)若干案例，進(jìn)一步說(shuō)明快速制造的這一優(yōu)越性。

4.1池塘泵外殼

圖5 所示是在EOS P 390激光燒結(jié)機(jī)上制成的池塘泵零件，材料為PA2202 black。

圖5 池塘泵外殼

4.2加熱器的隔離板

圖6 所示是在EOS P 800激光燒結(jié)機(jī)上制成的加熱器的隔離板，材料為聚芳醚酮類塑料PEEK HP3。零件的機(jī)械強(qiáng)度高,而且可以在高溫下工作。

圖6 加熱器的隔離板

4.3有共形冷卻道的注射模模芯

圖7 所示是具有共形冷卻道的注射模模芯。先將幾何形狀簡(jiǎn)單的底部由毛坯(1.2709鋼)切削加工制成，通過(guò)定位銷安裝在EOS M 270激光燒結(jié)機(jī)上，再采用直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)具有幾何形狀復(fù)雜的共形冷卻道的上部，燒結(jié)材料為MaragingSteel MS1粉末(1.2709鋼)。

4.4假牙套

圖8 所示是在EOS M 270激光燒結(jié)機(jī)上制造的假牙套，材料為CobaltChrome SP2，燒結(jié)層厚20μm，384個(gè)假牙套的燒結(jié)總時(shí)間為20h。

5 e-制造解決方案

快速制造的愿景是在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間快速地制造任何形狀的零件。e-制造解決方案就是將整個(gè)過(guò)程鏈的軟件和硬件加以集成，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行異地合作，以最快的速度向用戶提供所需的零件和服務(wù)。整個(gè)過(guò)程鏈不僅是數(shù)據(jù)流，還必須建立質(zhì)量保證體系。

圖7 有共形冷卻道的注射模模芯

圖8 假牙套

快速制造大致需要以下4個(gè)步驟：

a.零件的三維CAD模型，由于采用快速制造，可能會(huì)出現(xiàn)特殊要求，例如模具的共形冷卻道的設(shè)計(jì)。

b.借助軟件將模型轉(zhuǎn)換為STL格式文件，進(jìn)行切片處理。

c.在快速制造設(shè)備上制作零件。

d.后處理。例如清除未燒結(jié)的粉末，進(jìn)行熱處理，表面拋光等。

快速制造的過(guò)程鏈在采用不同設(shè)備和不同材料制造零件時(shí)是有區(qū)別的。圖9所示是模具工業(yè)的e-制造解決方案。

圖9 模具工業(yè)的e-制造解決方案

[1] 張曙,陳超祥.產(chǎn)品創(chuàng)新和快速開發(fā)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[2] EOS. Plastic Laser Sintering System Formiga P 110[EB/OL].[2014-06-15].http://www.eos. info/systems_solutions/plastic/systems_ equipment/formiga_p_110.

[3] EOS.Plastic Laser Sintering System EOSINT P 800[EB/OL].[2014-06-15].https://ip-saas-eos-cms.s3.amazonaws. com/public/446f91c814dfcdab/a552e77d1c5c6656a3cdf3d4ba-20c741/EOS_datasheet_EOSINT_P800.pdf.

[4] EOS.EOS M 400 The Additive Manufacturing System for Industrial Production of High-Quality Large Metal Parts[EB/OL].[2014-06-15].http://www.eos.info/systems_solutions/metal/systems_equipment/eos_m_400.

TheRapidManufactureBasedon3DPrinting

JIN Tianshi, WU Yunxiang

(Shanghai Tangmei Mechanical and Electrical Technology Co., LTD., Shanghai, 201804, China)

The rapid manufacture based on 3D printing is a new manufacture technology. This new process does not need the mold or tooling, and directly obtaines the CAD date to produce the complex plastic or metal parts. The paper shows this rapid manufacture character from equipment, material and process planning.

Rapid Manufacture; 3D Printing; Mold

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.07.006

2014-07-03

金天拾(1971—),男，浙江溫州人，上海美唐機(jī)電科技有限公司高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槿S打印、快速制造。

TH164

A

2095-509X(2014)07-0024-05