快速成型技术的现状和发展趋势

快速成型技术的现状和发展趋势快速成型技术的现状和发展趋势 1 快速成型技术的基本成型原理 近十几年来 随着全球市场一体化的形成 制造业的竞争十分激烈 尤其 是计算机技术的迅速普遍和 CAD CAM 技术的广泛应用 使得快速成型技术 Rapid Prototyping 简称 RP 得到了异乎寻常的高速发展 表现出很强的生命 力和广阔的应用前景 传统的加工技术是采用去材料的加工方式 在毛坯上把多余的材料去除 得到我们想要的产品 而快速成型技术基本原理是 借助计算机或三维扫描系统 构建目标零件的三维数字化模型 之后将该信息传输到计算机控制的机电控制系 统 计算机将模型按一定厚度进行 切片 处理 即将零件的 3D 数据信息离散成 一系列 2D 轮廓信息 通过逐点逐面的增材制造方法将材料逐层堆积 获得实体零 件 最后进行必要的少量加工和热处理 使零件性能 尺寸等满足设计要求 它集机械工程 CAD 逆向工程技术 分层制造技术 数控技术 材料科学 激 光技术于一身 可以自动 直接 快速 精确地将设计思想转变为具有一定功 能的原型或直接制造零件 从而为零件原型制作 新设计思想的校验等方面提 供了一种高效低成本的实现手段 目前 快速成形的工艺方法已有几十种之多 大致可分为 7 大类 包括立 体印刷 叠层实体制造 选择性激光烧结 熔融沉积成型 三维焊接 三维打 印 数码累积成型等 其基本的原理如下图所示 d CAD RP 切切 叠叠 图 1 快速成型原理示意图 2 快速成型技术在产品开发中的应用 不断提高 RP 技术的应用水平是推动 RP 技术发展的重要方面 目前 西安 交通大学机械学院 快速成型国家工程研究中心 教育部快速成型工程研究中 心快速成型技术已在工业造型 机械制造 航空航天 军事 建筑 影视 家 电 轻工 医学 考古 文化艺术 雕刻 首饰等领域都得到了广泛应用 并 且随着这一技术本身的发展 其应用领域将不断拓展 RP 技术的实际应用主要 集中在以下几个方面 2 12 1 用于新产品的设计与试制用于新产品的设计与试制 1 CAID 应用 工业设计师在短时间内得到精确的原型与业者作造形研 讨 2 机构设计应用 进行干涉验证 及提早发现设计错误以减少后面模具 修改工作 3 CAE 功效 快速模具技术以功能性材料制作功能性模具 以进行产品 功能性测试与研讨 4 视觉效果 设计人員能在短时间之内便能看到设计的雛型 可作为进 一步研发的基石 5 设计确认 可在短时间内即可完成原型的制作 使设计人员有充分的 时间对于设计的产品做详细的检证 6 复制于最佳化设计 可一次制作多个元件 可使每个元件针对不同的 设计要求同时进行测试的工作 以在最短时间内完成设计的最佳化 7 直接生产 直接生产小型工具 或作为翻模工具 2 22 2 快速制模及快速铸造快速制模及快速铸造 快速模具制造传统的模具生产时间长 成本高 将快速成型技术与传统的 模具制造技术相结合 可以大大缩短模具制造的开发周期 提高生产率 是解 决模具设计与制造薄弱环节的有效途径 快速成形技术在模具制造方面的应用 可分为直接制模和间接制模两种 直接制模是指采用 RP 技术直接堆积制造出模 具 间接制模是先制出快速成型零件 再由零件复制得到所需要的模具 2 32 3 机械制造机械制造 由于 RP 技术自身的特点 使得其在机械制造领域内 获得广泛的应用 多 用于制造单件 小批量金属零件的制造 有些特殊复杂制件 由于只需单件生 产 或少于 50 件的小批量 一般均可用 RP 技术直接进行成型 成本低 周期 短 2 42 4 医疗中的快速成形技术医疗中的快速成形技术 在医学领域的应用近几年来 人们对 RP 技术在医学领域的应用研究较多 以医学影像数据为基础 利用 RP 技术制作人体器官模型 对外科手术有极大的 应用价值 2 52 5 三维复制三维复制 快速成形制造技术多用于艺术创作 文物复制 数字雕塑等 2 62 6 航空航天技术领域航空航天技术领域 航空航天产品具有形状复杂 批量小 零件规格差异大 可靠性要求高等 特点 产品的定型是一个复杂而精密的过程 往往需要多次的设计 测试和改 进 耗资大 耗时长 而快速成型技术以其灵活多样的工艺方法和技术优势而 在现代航空航天产品的研制与开发中具有独特的应用前景 2 72 7 家电行业家电行业 快速成形系统在国内的家电行业上得到了很大程度的普及与应用 使许多 家电企业走在了国内前列 如 广东的美的 华宝 科龙 江苏的春兰 小天 鹅 青岛的海尔等 都先后采用快速成形系统来开发新产品 收到了很好的效 果 快速成形技术的应用很广泛 可以相信 随着快速成形制造技术的不断成 熟和完善 它将会在越来越多的领域得到推广和应用 3 举例说明快速成型技术在航空制造领域的发展探究 快速成型技术中的 3D 打印技术是一种新型的增材制造 是全球制造领域兴 起的一种制造技术 集合了光控 数控和新材料的应用 在航空制造领域 3D 打印技术能够在复杂部件生产制造上发挥重要的作用 能够创新材料类型 将 新技术与新方法有机融合 形成适合航空产业发展的技术创新和产品创新 3 13 1 3D3D 打印技术的发展打印技术的发展 在全球范围内 美国是推动 3D 打印技术快速发展的先锋 勇于尝试 3D 打 印技术在新领域的发展 例如在电子产品 军事 汽车工业上开始使用 3D 打印 技术 随着优势不断体现 3D 打印技术逐渐开始应用在地理信息 艺术设计 航空航天 医疗等各领域 在一些欧美国家 3D 打印技术已经形成了初步的商 业运行模式 美国将 3D 打印技术应用在军事领域和航空航天制造领域取得了良 好效果 日本佳能是全球第一家将 3D 打印技术应用在民用领域的企业 它将 3D 打印技术应用在单反相机的壳体制造上 将美铝合金制造成曲线面 形成相 机的顶盖 我国的航空工业经历了漫长的发展时期 在航空技术出现后 我国 并没有占据更多优势 特别在航空制造方面 我国一直落后于西方国家 但近 年来 随着我国科学技术的突飞猛进 航空制造技术领域得到了全新的升级 3D 打印技术应用在航空制造上取得了一定成效 目前我国的 3D 打印技术应用 水平领先世界前沿 例如 3D 打印技术的净成型加工技术 能够在航空制造过程 中发挥优势作用 3 23 2 3D3D 打印技术的优势打印技术的优势 1 3D 打印技术通过金属熔融叠加塑形 从金属制造和加工的技术考虑 3D 打印技术的主要原理就是通过数字化处理系统 利用数字化模型进行空间网 格化设计 通过各个空间点阵 利用金属微量熔融和烧结技术 将零件一层层 堆积成型 在航空制造业中 3D 打印技术能够增加零件的韧度 高分子的操作 使金属成型更快速 更符合航空材料的需求 2 3D 打印技术可以使用钛合金等高强度材料 3D 打印技术使用的材料 主要集中在钛合金 铝锂合金等高强度材料上 生产过程中运用光学原理 打 破材料本质的特性 使熔融金属丝沉淀 能满足航空部件化学性质稳定的要求 3 3D 打印技术结合了电子光学效应 该技术特别是对复杂腔体 扭转 体或者薄壁腔体 成型效果优势明显 另外 大功率激光器是 3D 打印技术中使 用的主要设备 激光数字成型技术与电子束相似 但是 比电子束更具实际操 作力 在扫描点阵精度上更高 并且能够减少材料的损耗 3 33 3 在航空领域的应用发展在航空领域的应用发展 1 对产品外形进行验证 随着航空工业的发展 飞机的内部设计和外部形态 都要更加符合飞行的 要求 传统的工艺是大型设备或者小的零部件单独制造 而且在制造过程中 产生了结构 角度和材料的浪费 3D 打印技术运用数字化系统 通过高柔性操 作 将材料进行重新组合 突出产品的外形构造 能够有效规避这样的矛盾 3D 打印技术就是无需模具自由成形 在实际应用中 有利于制造出外形奇特的 工业产品 例如在盘型零件的制造中 材料利用率能够达到 80 这个锻造能 力高于传统的工艺 如表 1 所示 表 1 LSF 技术与锻造和铸造技术的综合比较 2 直接参与产品制造 由于 3D 打印出的工件在强度 承载力和其他指标上都能满足航空零件需要 因此 3D 打印技术具备直接参与产品制造的能力 从当前 3D 打印技术在航空 领域的应用来看 3D 打印的零件在军用飞机的研发和生产中得到了重要应用 无论是美国已经服役的 F22 和正在研发的 F35 还是中国研发的歼 20 和歼 31 机体中都含有大量的 3D 打印材料 3D 打印技术作为一种新的材料制造技 术 已经具备了直接参与产品制造的能力 并且打印出的零部件在整体性能和 指标上都能满足实际需要 3 制造出陶瓷基符合材料 激光烧结不仅可以制造目前难以制造的金属基复合材料 还能制造难度更 大的陶瓷基复合材料 陶瓷材料一向强度高 耐高温 但是材质脆 弹性差 抗拉强抗剪弱 利用纤维增强陶瓷可以最大程度地把陶瓷的高强度耐高温的特 性发挥出来又能避免弹性差 抗剪切差的易碎易裂的缺陷 是未来高温材料领 域和航空发动机制造领域非常具有前瞻性的技术之一 它是构建推重比超过 100 的发动机的主要技术之一 是飞机实现 4 马赫以上巡航速度的基础之一 4 为航空制造提供更多的复合材料 从上个世纪 60 年代起就有人想利用陶瓷作为耐高温的涡轮 发动机气缸 活塞等设备 但这种材料极难熔炼和成形 利用激光烧结陶瓷粉末可以获得各 种陶瓷零件 比如普惠与 POM 尝试用激光打印直接制造陶瓷的涡轮叶片 甚至 尝试一次性直接打印出整级的带环带冠的陶瓷涡轮来 美国 GE 则利用纳米粉 末进行陶瓷粉末和金属粉末混合进行激光烧结 尝试用来制造非冷却或低冷却 的涡轮叶片 这一技术有利于制造推重比 20 50 的涡轮喷气发动机 结合粉 末冶金 3D 打印可以在激光烧结中进行一定的材料复合 这为目前停止不前的 金属基复合材料发展提供了强心针 在激光打印前铺粉时 铺设纤维在粉层中 可以直接烧结出单向纤维增强的金属基复合材料 这可以极大地提高材料的强 度 应用金属基复合材料 可以在现有金属构件的强度基础上将结构重量降低 30 50 4 快速成型技术的难题和发展方向 任何新技术 新方法都有本身的优缺点 快速原型制造技术也不例外 也存 在一些明显问题 因此 目前对快速原型技术的研究重点应集中在以下四个方面 1 工艺 方法的改进 新的快速制造金属零件或工具的方法和工艺 新工艺 新方法的出现势必 对未来的实际零件制造产生较大影响 并将迅速成为另一种常规的生产工艺 考虑到我国的实际情况 研究 发展快速原型技术的新工艺 新方法是符合我们 国家的具体国情的 虽然从总体上看 由于各种原因 目前国内在快速成型制造 简写 RPM 技术的研究水平 RPM 应用的广度和深度上 与国外情况相比差距 是很大的 但是 笔者认为 国内应把重点放在研制适合我国国情的 RP 设备 同时 大 力开发各种相关的应用技术 并注意示范 宣传推广工作 使之能在包括制造业 在内的各有关部门认识 接受并使用 这样 RPM 技术在国内才会有广阔的发展 前景 2 材料种类的限制 RPM 常用的材料有光聚合物 SLA SGC 塑料 FDM 纸 LOM 及一些低熔点 金属 或蜡 这些材料有些机械性能差 有些价格昂贵 还有些甚至有毒性 所以 研究新的造型材料 使它既有利于快速成型 又有利于后继工序的制作 并把用金 属直接作为 RP 原型材料作为 RPM 技术的最终 或阶段性 目标 3 零件精度 目前的 RPM 系统的制造精度大约为 0 1mm 精度不够也在一定程度上限制了 它的使用 导致加工精度不高的原因有许多种 其中系统本身的精度 操作者的 经验水平 材料自身的收缩 变形 都对零件精度有