快速成型技術(shù)在集成制造及數(shù)控機(jī)械制造中的實(shí)踐探索

江蘇省常州市技師學(xué)院 吳丹 魏小燕

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，當(dāng)前市場(chǎng)中各類(lèi)產(chǎn)品的更新?lián)Q代非?？焖伲@就對(duì)產(chǎn)品制造、新產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研發(fā)工作，提出了更加嚴(yán)格的要求，需要保證產(chǎn)品能夠滿(mǎn)足市場(chǎng)實(shí)際要求的基礎(chǔ)上，更加快速地制造出產(chǎn)品原型。傳統(tǒng)的原型制造工作中，不僅有成本高、周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，同時(shí)制造出來(lái)的原型也無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)的實(shí)際需求，在這種背景下，快速成型技術(shù)出現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)技術(shù)中的諸多不足。因此，當(dāng)前有必要通過(guò)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的原理以及特點(diǎn)進(jìn)行分析，了解其在集成制造、數(shù)控機(jī)械制造中的實(shí)際應(yīng)用情況，進(jìn)一步促使該項(xiàng)技術(shù)能夠大力發(fā)展以及應(yīng)用。

1 快速成型技術(shù)概述

1.1 原理

快速成型技術(shù)在實(shí)際的應(yīng)用中，需要使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助，輔助的方面主要涉及設(shè)計(jì)和制造，同時(shí)需要數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)的支持，應(yīng)用該技術(shù)能夠保證智能制造、生產(chǎn)管控的水平實(shí)現(xiàn)明顯的提升。由于成型材料的實(shí)際差異性，造成成型系統(tǒng)的類(lèi)型、特征在差異上比較大，但是技術(shù)的核心流程基本上一致。即逐層疊加以及分層制造與3D打印技術(shù)比較類(lèi)似。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是將計(jì)算機(jī)作為一種載體，在離散、堆積的作用下，使用不同的方式對(duì)材料進(jìn)行堆積，最終將整個(gè)產(chǎn)品的成型、制造工作完成[1]。基于快速成型技術(shù)，實(shí)施的零件生產(chǎn)工作，其原理可以從兩個(gè)方面分析：首先，從成型的角度分析，對(duì)零件的參數(shù)設(shè)計(jì)，可以看作是點(diǎn)和面的疊加，即將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到模型中后，利用離散獲得零件的相關(guān)信息，然后再將實(shí)際參數(shù)與規(guī)定參數(shù)結(jié)合在一起，從點(diǎn)到面對(duì)零件進(jìn)行堆積。其次，從制造的角度分析，CAD具備的超強(qiáng)造型能力，可以完全獲取零件的三維生產(chǎn)信息，使用快速成型對(duì)多維系統(tǒng)進(jìn)行控制，并且在激光束的實(shí)際輔助下，將材料堆積成具體的產(chǎn)品。

1.2 特點(diǎn)

快速成型技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：一、該項(xiàng)技術(shù)對(duì)于材料的適應(yīng)能力比較強(qiáng)，各種金屬材料或者是非金屬材料，都能夠投入到實(shí)際的使用中。二、快速成型技術(shù)，可以通過(guò)應(yīng)用復(fù)制功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的原型還原，具備比較強(qiáng)的互換性。三、制造工藝具備比較強(qiáng)的可塑性，對(duì)于各種復(fù)雜的曲面，也能夠?qū)崿F(xiàn)非常準(zhǔn)確的加工[2]。四、加工使用的周期比較短，即使面對(duì)一些比較復(fù)雜的產(chǎn)品，也可以在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)將其加工完成，同時(shí)還可以節(jié)省大概一半的制造費(fèi)用。五、技術(shù)的集成度相對(duì)比較高，能夠與一些其他的制造核技術(shù)結(jié)合在一起應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)一體化的制造效果。

2 快速成型技術(shù)在集成制造及數(shù)控機(jī)械制造中的實(shí)踐

2.1 集成制造中的實(shí)際應(yīng)用

在集成制造中，可以利用快速成型技術(shù)，建立起快速集成制造相關(guān)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以快速地將產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作完成，同時(shí)還可以解決集成制造中，批量生產(chǎn)的實(shí)際問(wèn)題。該系統(tǒng)的核心技術(shù)就是快速成型相關(guān)技術(shù)，其主要將CAD、三維測(cè)量，以及快速制模技術(shù)結(jié)合在了一起，建立起與集成制造相關(guān)的全新制造系統(tǒng)。由于市場(chǎng)對(duì)于制造的實(shí)際需求，當(dāng)前制造的標(biāo)準(zhǔn)也在不斷地發(fā)生變化，而快速成型相關(guān)的技術(shù)，在集成制造行業(yè)應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛，在制造模具的時(shí)候可以用直接、間接制模開(kāi)展制造工作[3]。首先，采用直接制模方式實(shí)施制造工作，是按照制造的實(shí)際需要，直接對(duì)不同模具材料開(kāi)展制備工作。但是由于快速成型發(fā)展比較迅速，能夠被應(yīng)用在原型制造中的材料，逐漸變得更加多元化，很多金屬材料具備穩(wěn)定性好、機(jī)械程度高等優(yōu)勢(shì)，能夠直接在模具制造中應(yīng)用。如LOM成型技術(shù)，其使用的紙基原型，有非常好的耐高溫、高硬度等特點(diǎn)，在對(duì)表面進(jìn)行處理之后，可以應(yīng)用成型模。成型模主要包括木模、蠟?zāi)せ蛘呤呛辖鹉５榷喾N不同的模板。材料制備完成后，接著就可以將成型模具實(shí)施燒結(jié)和分解工作，再次進(jìn)行高溫的燒結(jié)，在這一系列過(guò)程完成之后，就能夠制造出符合實(shí)際要求的金屬模具。這類(lèi)模具的優(yōu)勢(shì)是能夠?qū)崿F(xiàn)批量化的生產(chǎn)，能夠提升效率，通過(guò)提升大批量的生產(chǎn)效率，減少人力和物力資源的應(yīng)用。其次，如果是在間接制模的前提下，使用快速成型相關(guān)技術(shù)，最先要做的就是制作出膜芯，接著利用粉末燒結(jié)的技術(shù)、硅橡膠制模的技術(shù)以及金屬?lài)娡恐颇Ｏ嚓P(guān)技術(shù)等，對(duì)模具進(jìn)行復(fù)制。在整個(gè)過(guò)程中，可以快速地利用快速成型技術(shù)，對(duì)原型的表面實(shí)施特殊處理，用來(lái)代替木模。在所有步驟完成之后，就可以通過(guò)金屬模具澆筑工作，完成整個(gè)制造工作[4]。

2.2 數(shù)控機(jī)械制造中的實(shí)際應(yīng)用

數(shù)控機(jī)械制造是應(yīng)用數(shù)控技術(shù)完成的一個(gè)制造過(guò)程，其核心內(nèi)容是數(shù)控技術(shù)，在該制造系統(tǒng)中，對(duì)于零件的加工工作，可以直接在數(shù)控機(jī)床中完成。數(shù)控機(jī)械制造是利用計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)道具、零件的控制，通過(guò)自動(dòng)化的技術(shù)手段將零件批量地制造出來(lái)。數(shù)控系統(tǒng)的指令格式，是數(shù)控技術(shù)程度按照零件的不同材質(zhì)，針對(duì)性地實(shí)施具體動(dòng)作來(lái)保證機(jī)械制造能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的控制。在數(shù)控機(jī)械的制造中，快速成型技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了比較廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用該技術(shù)能夠保證數(shù)控加工碼更加準(zhǔn)確、順利地生成，因此，為了能夠連接快速成型、數(shù)控加工兩種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的融合，編制數(shù)控加工碼是非常重要的一項(xiàng)內(nèi)容。首先，當(dāng)前可以應(yīng)用的快速成型技術(shù)雖然非常多，如SLS、SLM技術(shù)等，這些技術(shù)都能夠制造出各類(lèi)的金屬零件，但是在制造精確度以及光潔度方面，還存在一定的不足，并且機(jī)械性能也比較差[5]。因此，將快速成型技術(shù)融入之后，就能夠體現(xiàn)出該技術(shù)的實(shí)際優(yōu)勢(shì)，如在研發(fā)方面花費(fèi)的時(shí)間比較短、控制精確度能力比較強(qiáng)、保證零件能夠快速準(zhǔn)確地制造、零件表面光滑等。以技術(shù)零件的實(shí)際制造過(guò)程為例，由于快速成型技術(shù)自身已經(jīng)包含了分層制造、數(shù)控技術(shù)，其在編制加工代碼方面，能夠?qū)崿F(xiàn)與數(shù)控制造系統(tǒng)的相輔相成，在工作人員將快速成型處理過(guò)程中的代碼，導(dǎo)入到數(shù)控制造系統(tǒng)中后，可以融合入電子束融成型等工藝，使其能夠應(yīng)用在產(chǎn)品的實(shí)際加工過(guò)程中，進(jìn)而保證能夠在快速成型的輔助下，完成對(duì)技術(shù)產(chǎn)品的實(shí)際加工過(guò)程，對(duì)零件的機(jī)械性能、表面光潔度進(jìn)行有效改善，這也是傳統(tǒng)工藝無(wú)法企及的。

2.3 快速成型技術(shù)的發(fā)展方向

快速成型實(shí)現(xiàn)了非常廣泛的應(yīng)用，在各個(gè)領(lǐng)域均體現(xiàn)出了非常大的作用。因此，為了能夠保證在應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)過(guò)程中，真正滿(mǎn)足產(chǎn)品生產(chǎn)低成本、高質(zhì)量、高精度、周期短等具體的要求，在未來(lái)，技術(shù)的實(shí)際發(fā)展情況，可以從三個(gè)方向考慮：首先新材料的研究、開(kāi)發(fā)方面，首先需要將現(xiàn)有的材料，尤其是功能型材料實(shí)施改造以及預(yù)處理，保證其能夠適應(yīng)該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際工藝要求。同時(shí)，需要從該項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)出發(fā)，與實(shí)際應(yīng)用的要求相結(jié)合，研發(fā)出全新的材料，尤其是復(fù)合型材料，如納米材料、非均質(zhì)材料以及其他方式難以完成制作的全新復(fù)合型材料等。發(fā)現(xiàn)全新的低成本材料，以此保證能夠降低材料的成本。其次，在初始階段，快速成型機(jī)成型的大部分材料都為樹(shù)脂、塑料、紙等，其與產(chǎn)品的真實(shí)材料，在性質(zhì)上存在一定的差別，因此，需要通過(guò)二次復(fù)制工作，完成成型工作。而隨著SLS這類(lèi)可以直接對(duì)金屬材料、陶瓷材料進(jìn)行制造機(jī)械設(shè)備的出現(xiàn)，其他成型機(jī)也開(kāi)始不斷地探索直接成型高性能材料的方式，促使成型制作、真實(shí)產(chǎn)品能夠完全相符。然而在這個(gè)過(guò)程中，為了解決粘結(jié)、翹曲等問(wèn)題，應(yīng)用的材料大部分是金屬或者陶瓷，與高分子材料的一種混合物[6]。因此，在成型之后需要進(jìn)一步進(jìn)行燒結(jié)固化，將粘結(jié)劑燒掉，并且在縫隙中加入金屬，在這種情況下，后續(xù)的工序處理上相對(duì)比較麻煩，并且對(duì)于翹曲的情況也難以控制，這些都是需要積極克服的問(wèn)題。二，對(duì)現(xiàn)有的成型設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，選擇性?xún)r(jià)比好、使用壽命長(zhǎng)的部件，能夠保證操作變得更加快速和簡(jiǎn)潔，操作更加方便，并且速度更快。因此，在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，開(kāi)發(fā)出不同用途、不同檔次的設(shè)備，是快速成型的一個(gè)重要發(fā)展方向[7]。同時(shí)，由于快速成型對(duì)于數(shù)據(jù)的處理過(guò)程，需要將CAD模型數(shù)據(jù)按照一定的方向離散，形成層片模型相關(guān)數(shù)據(jù)，為加工層片變成實(shí)體提供一定便利。當(dāng)前分層方式開(kāi)始從傳統(tǒng)的二維發(fā)展成為空間分層，具體來(lái)說(shuō)，在分層方面的演變，主要有兩種，即平面變成曲面、二維發(fā)展成三維。

3 結(jié)語(yǔ)

快速成型的技術(shù)，自身具備減少產(chǎn)品制造周期、降低制造成本、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的異地交換等特點(diǎn)，已經(jīng)成為集成制造、數(shù)控制造系統(tǒng)中不可缺少的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)。雖然在融合后的制造系統(tǒng)，在水平上實(shí)現(xiàn)了比較大的提升，但是在實(shí)際應(yīng)用該技術(shù)過(guò)程中，仍然需要注重實(shí)際的操作過(guò)程。對(duì)快速成型的精度等各個(gè)方面可能出現(xiàn)的各種問(wèn)題。以此保證能夠真正發(fā)揮出該技術(shù)在制造系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)，生產(chǎn)出更多的低成本、高精度產(chǎn)品，為該技術(shù)以及制造業(yè)實(shí)現(xiàn)更好地發(fā)展，起到積極的促進(jìn)作用。