快速成型技術在集成制造及微機械制造中的應用

張 鈞

（廣東省高級技工學校，廣東 博羅 516100）

快速成型技術，也稱作快速原型制造技術，產(chǎn)生于20世紀80年代后期，是一種集精密機械、CNC、CAD、激光以及材料學與一體的新型技術[1]。它能夠在幾個小時或者是幾十個小時內制造出原型，突破了傳統(tǒng)的加工模式，而且不需要機械加工設備就能快速制造出形狀復雜的工件。目前，快速成型技術被廣泛運用于集成制造以及微機械制造中。因此，筆者就快速成型技術的基本原理、特點以及在集成制造和微機械制造中的應用來探討本課題。

1 快速成型技術的基本原理及特點

1.1 快速成型技術的基本原理

快速成型技術是在現(xiàn)代CAM/CAD技術、計算機數(shù)控技術、激光技術以及新材料技術的基礎上，形成并發(fā)展起來的。而不同種類的快速成型系統(tǒng)，由于所用的成型材料不同，成型原理與特點是不同的。但是，快速成型的基本原理是一樣的，就是“分層制造，逐層疊加”[1]。因此有人形象的把快速成型系統(tǒng)比作一臺“立體打印機”。

快速成型技術的基本原理就是，基于“離散-堆積”的成型方法，借助CAD軟件來建立數(shù)字化描述CAD模型，然后經(jīng)過一定的轉換或者是修改，將三維虛擬實體的表面轉換為用一系列三角面片逼近的表面，生成一個面片文件。然后再按虛擬三維實體某一方向對模型離散化，分解為具備一定厚度的層片文件。然后對層片穩(wěn)健進行修正、檢驗，生成正確的數(shù)控加工代碼，最后通過CAM系統(tǒng)來控制材料準確得疊加起來，從而形成一個三維實體[2]。如圖1所示。

圖1 快速成型技術的基本原理

1.2 快速成型技術的特點

快速成型技術與傳統(tǒng)的制造工藝不同，具備以下特點：

（1）大大縮短了產(chǎn)品的研制周期。由于CAD模型與快速成型系統(tǒng)實現(xiàn)了無縫連接，一般從CAD模型到原型完成，只需要幾個或者幾十個小時，比傳統(tǒng)加工方法節(jié)省了一半多的工時，大大縮短了產(chǎn)品的研制周期，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)率。

（2）產(chǎn)品成型無需使用專門的模具和工裝夾具，因此也大大降低了制造成本。而且由于不需要工裝夾具就能完成不同類型零件的制作，可以運用軟件進行改進，顯著提高產(chǎn)品的一次成功率。

（3）隨著網(wǎng)絡技術的普及，可以實現(xiàn)異地的操作和數(shù)據(jù)交換，用戶能夠通過網(wǎng)絡將產(chǎn)品的CAD數(shù)據(jù)傳給制造商，制造商可以迅速為用戶制造出制品，實現(xiàn)了遠程制造。

2 快速成型集成制造系統(tǒng)的應用

快速成型技術在集成制造中的應用主要體現(xiàn)在快速成型集成制造系統(tǒng)的開發(fā)。快速成型集成制造系統(tǒng)實現(xiàn)了從設計到批量生產(chǎn)的整個過程。它的核心技術就是快速成型技術，前端則是三維CAD和三維測量技術，后端是快速制造模具技術。通過這些設備和技術的組織，構成了一個快速的集成制造系統(tǒng)。

快速成型集成制造系統(tǒng)在現(xiàn)實中的運用也很多，比如由西安交通大學研究開發(fā)的快速成型集成制造系統(tǒng)及設備，為我國很多企業(yè)提供了服務，包括重慶長安汽車廠、TCL、重慶宗申摩托車廠等單位。再比如長安汽車工業(yè)集團的汽車鈑金件?？焖俪尚图芍圃煜到y(tǒng)的應用為奇特的產(chǎn)品開發(fā)提供了強大的支持。這是快速成型技術在集成制造的最初發(fā)展，隨著市場經(jīng)濟的快速發(fā)展，這項技術越來越廣泛運用于集成制造中。比如說快速成型技術在模具的制造上的應用，包括直接制模和間接制模。

直接制模，指的是根據(jù)實際需要，運用快速成型技術來直接制造不同材料的模具。由于快速成型技術的發(fā)展，可以用來制造原型的材料增多，性能也在改進，一些非金屬材料也有較好的機械強度和熱穩(wěn)定性，可以直接用作模具。比如，用LOM工藝成型的紙基原型，硬度強，可承受200攝氏度的高溫。經(jīng)過對表面進行處理后，可以用砂型鑄造的木模、試制用注塑模、低熔點合金鑄模以及熔模鑄造用臘模的成型模[5]。然后利用選擇性激光來燒結聚合物包覆的金屬粉末，就能得到含有金屬的實體。最后將聚合物在一定的溫度下分解，并在高溫下燒結，這樣可以滲入熔點較低的金屬，直接得到金屬模具。用這種方法制作的模具，使用壽命長，可以用于大批量的生產(chǎn)。

間接制模，指的就是利用快速成型技術，首先制作模芯，在用模芯結合精密鑄造、硅橡膠、金屬噴涂制模、電極研磨以及粉末燒結等技術來復制硬模具，或者制作母模、復制軟模具等。以快速成型技術得到的原型表面進行特殊的處理代替木模，并直接制造陶瓷性或者石膏，最后澆筑出金屬模具。

3 快速成型技術在微機械制造中的應用

對于微機械的定義有很多種。筆者主要采用的微機械定義為：總體尺寸約在1cm3以下，零件的最小長度在10μm左右、結構高度集成化，并且是由計算機進行智能控制的機械。那么與普通的機械相比，微機械在加工上的特點是：尺寸小、加工分辨率要求高、加工自由度大，可見微機械加工的難度[3]。微機械加工的一個重要指標就是分辨率，在快速成型過程中，我們把這里的分辨率區(qū)分為掃描分辨率和成型分辨率。掃描分辨率指的是掃描機構移動的最小距離，而成型分辨率指的是成型的最小單位。根據(jù)微機械制造中的一些工藝問題的研究，我們提出了適用于微機械制造的工藝系統(tǒng)。

這里，著重討論一下液態(tài)樹脂光固化快速成型工藝在微機械制造中的運用，具體的是采用微機械光成型技術。它與傳統(tǒng)的快速成型系統(tǒng)相比，具有以下特點：

微機械光成型工藝的特點可以從點固化單元、約束液面式、直接切片、改進的光柵掃描、BMP數(shù)據(jù)格式等方面來闡述。第一，點固化單元，常用的工藝是線固化，微機械光成型工藝的點固化單元是直接與加工分辨率對應的，易于加工分辨率的研究；第二，約束液面式，常用的工藝是自由液面式，微機械光成型技術采用約束液面式，可省去刮平裝置，避免了液態(tài)樹脂表面張力以及塵埃的影響，還能節(jié)省樹脂。第三，直接切片，常用的工藝是間接切片，微機械光成型技術的直接切片避免了類似STL法的誤差的產(chǎn)生，切片過程靈活；第四，改進的光柵掃面，常見的工藝采用的是矢量掃描，而微機械光成型工藝的掃描路徑按加工件內部掃描的設計，可消除掃描器的空回；第五，BMP數(shù)據(jù)格式常用的工藝采用的是STL數(shù)據(jù)格式，微機械光成型技術采用BMP數(shù)據(jù)格式能夠避免一些描述缺陷的產(chǎn)生，有利于提高固化單元的精度。

4 快速成型技術今后的研究重點

隨著快速成型技術的不斷發(fā)展，此項工藝的越來越成熟。為了促進各類產(chǎn)品的快速、高精度、低成本的成型制造，快速成型技術今后的研究重點應該放在：

（1）快速成型新材料。當前快速成型發(fā)展的最大難題就在于材料。材料的性能、成本等都是制約快速成型技術發(fā)展的因素。目前使用的材料主要有液體聚合、固化類材料、粉末燒結和粘結材料等。而這些材料多數(shù)要從國外引進，價格昂貴，一定程度上提高了生產(chǎn)成本，很多中小型企業(yè)難以接受。因此，開發(fā)新材料是快速成型技術在今后發(fā)展要解決的最主要問題。

（2）快速成型新工藝。隨著對快速成型工藝的不斷探索，新的成型方法層出不窮。對于新工藝的研究已成為快速成型技術今后發(fā)展的重要趨勢。

（3）快速成型精讀。影響快速成型的精讀的因素主要有：數(shù)據(jù)處理引起的誤差、工藝過程引起的誤差以及噴頭尺寸、數(shù)控代碼引起的誤差[6]。就目前而言，快速成型件的精讀在0.1mm的水平左右，而就影響快速成型件的精讀的因素最為明顯的還是工藝的參數(shù)，因此，優(yōu)化工藝參數(shù)，就能提高快速成型件的精度。

5 結束語

快速成型技術是當今世界上的一項發(fā)展最為迅速的制造技術之一，它為產(chǎn)品開發(fā)提供了一個全新的流程，對于傳統(tǒng)制造業(yè)的生產(chǎn)結構也產(chǎn)生了沖擊。由以上可以看到，快速成型技術被廣泛應用于集成制造以及微機械制造當中，并且效果良好。可以說，這是繼數(shù)控技術之后，制造業(yè)的又一次革命?？焖俪尚图夹g的應用，將大大提高企業(yè)的市場競爭力，為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。

[1]徐 儉.快速成型技術的應用研究[D].大連：大連理工大學工程碩士學位論文，2009.

[2]朱季平.快速成型技術在現(xiàn)代制造業(yè)的應用研究[J].裝備制造技術，2011(08)：208-210.

[3]常楨.新時期快速成型技術的研究及其在機械鑄造中的應用[J].科技向導，2013(20)：25-27.