1 引言
快速成型是近年來迅速發(fā)展起來的一種先進制造技術(shù)。該技術(shù)可以在無需任何模具、刀具和工裝的情況下，直接從CAD數(shù)據(jù)，快速制造出具有任意復(fù)雜形狀的實體部件或模型，從而實現(xiàn)新產(chǎn)品開發(fā)的“無模制造”，大幅度縮短其開發(fā)周期、降低成本、提高質(zhì)量。能夠自動、快速地將沒計思想物化為具有一定結(jié)構(gòu)和功能的原型或直接制造零部件，從而可對產(chǎn)品設(shè)計進行陜速評價、修改、以響應(yīng)市場需求，提高企業(yè)的競爭力。
2 快速成型技術(shù)原理
快速成型是一種基于離散堆積成形思想的數(shù)字化成形技術(shù)。它是利用離散/堆積原理(如凝固、膠接、焊接、燒結(jié)、聚合或其他化學(xué)反應(yīng))來制造零件的。其工作過程是通過離散獲得堆積的路徑、限制和方式，通過堆積將材料“疊加”起來形成三維實體。酋先在CAD軟件系統(tǒng)中獲得三維模型犁或通過測量儀器測取零件實體的表面數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)化成三維模型；其次將模型進行數(shù)據(jù)處理，沿某一方向(通常為Z向)將CAD模型離散化，進行平面切片分層。
然后將離散得到的分層信息與成形工藝參數(shù)信息相結(jié)合，轉(zhuǎn)換為控制成形機工作的數(shù)控代碼，通過專用的CAM系統(tǒng)控制材料有規(guī)律地、精確地疊加起來而或一個三維實體制件。
3 典型快速成形工藝方法
目前快速成形技術(shù)的工藝打方法已有十幾種，如光固化法、疊層制造法、激光燒結(jié)法、熔融沉積法、掩模固化法、三維印刷法、噴料法等。比較主流的成型方法分別是前述四種。
3.1 立體光固化
立體光固化(stereo lithography apparatus，簡稱SLA)，又稱為立體光刻。SLA工藝是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的液態(tài)材料在特定波長和強度的紫外光照射下迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，材料從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。SLA成型過程的原理圖，如圖1(a)所示。液槽中盛滿液態(tài)光敏樹脂，激光束在偏轉(zhuǎn)鏡作用下，能在液態(tài)表面上掃描，光點掃描到的地方，液體就固化。成型開始時，工作平臺在液面下一個確定的深度，液面始終出于激光的聚焦平面，聚焦后的光斑在液面上接計算機的指令逐點掃描。即逐點固化。當(dāng)一層掃描完成后，未被照射的地方仍是液態(tài)樹脂。然后升降臺帶動平臺下降一層高度，已成型的層面上又布滿一層樹脂，刮平器將粘度較大的樹脂液面刮平，然后再進行下一層的掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復(fù)直到整個零件制造完畢，得到一個三維實體模型。
圖1(a) 立體光固化
SLA方法是目前RP技術(shù)領(lǐng)域中研究得最多的方法，也是技術(shù)上最為成熟的方法。
一般層厚住(0.1～0.15)mm，成形的零件精度較高。多年的研究改進了截面掃描方式和樹脂成形性能，使該工藝的加工精度能達到0.1mm，現(xiàn)在最高精度已能達到0.05mm。但這種方法也有自身的局限性，比如需要支撐、樹脂收縮導(dǎo)致精度下降，光敏樹脂有一定的毒性等。
3.2 分層實體制造
分層實體制造技術(shù)(laminated object manufacturing，簡稱LOM)是通過對簿形材料(如底面涂膠的紙)進行激光切割與粘合的方式來形成零件的，又稱為疊層實體制造。
如圖1(b)所示，其工藝是先將單面涂有熱熔膠的紙通過加熱輥加壓粘結(jié)在一起，此時位于其上方的激光器按照分層CAD模型所獲得的數(shù)據(jù)，將—層紙切割成零件的內(nèi)外輪廊，然后新的一層紙再疊加在上面，通過熱壓裝置，將下面已經(jīng)切割的層粘合在一起，激光再次進行切割。
圖1(b) 分層實體制造
切割時工作臺連續(xù)下降，切割掉的紙片仍留在原處，起支撐和固化作用，紙片的一般厚度(0.07～0.1)mm。該方法特點是成型速率高，成本低廉。LOM工藝只須在片材上切割出零件截面的輪廓，而不用掃描整個截面。
因此成形厚璧零件的速度較快，易于制造大型零件。零件的精度較高(＜0.15mm)。工件外框與截面輪廓之間的多余材料在加工中起到了支撐作用，所有LOM工藝無需加支撐。
3.3 選擇性激光燒結(jié)
選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering，簡稱SLS)與SLA工藝在材料、激光器和材料進給方式上有較大的區(qū)別。SLS成型過程的原理圖，如圖1(c)所示。
圖1(c) 選擇性激光燒結(jié)
在層面制造與逐層堆積的過程中，用激光束有選擇地將可熔化粘結(jié)的金屬粉末或非金屬粉末(如石蠟、塑料、樹脂沙、尼龍等)一層層地掃描加熱，使其達到燒結(jié)溫度并燒結(jié)成形。當(dāng)一層燒結(jié)完后，工件臺降下一層的高度，鋪下一層的粉末，再進行第二層的掃描，新燒結(jié)的一層牢固地粘結(jié)在前一層，如此重復(fù)，最后燒結(jié)出與CAD模型對應(yīng)的三維實體。
這種工藝要對實心部分進行填充式掃描燒結(jié)，因此成形時間較長�？蔁Y(jié)覆膜陶瓷粉和覆膜金屬粉，得到成形件后，將制件置于加熱爐中，燒掉其中的粘結(jié)劑，并在孔隙中滲入填充物。它的最大優(yōu)點在于適用材料很廣，如尼龍、蠟、ABS、樹脂覆膜砂、聚碳酸脂、金屬和陶瓷粉末等都可以作為燒結(jié)對象。
3.4 熔融沉積成型
熔融沉積成型(fused deposition modeling，簡稱FDM)也稱絲狀材料選擇性熔覆，基本原理是：加熱噴頭在計算機的控制下，根據(jù)截面輪廓信息作XY平面運動和高度Z方向的運動。絲材(如塑料絲、石臘絲等)由供絲機構(gòu)送至噴頭，在噴頭中加熱、熔化，然后選擇性地涂覆在工作臺上，快速冷卻后形成一層截面輪廓，層層疊加最終成為快速原型，成型過程的原理，如圖1(d)所示。用此法可以制作精密鑄造用蠟?zāi)！㈣T造用母模等。
圖1(d) 熔融沉積制造
在CAD設(shè)計中，可以設(shè)計出一個完整的器件，器件中的零件由不同材料組成，分層后的材料信息將在每個層面中體現(xiàn)出來。在每一層面上，根據(jù)各部分所需要的材料要求，分別噴上所需材料，這樣逐層制造就可成形出—個多種材料的三維實體器件。這種技術(shù)可在一些小型復(fù)雜結(jié)構(gòu)器件的一次整體制造中使用，而無需分件加工和裝配，是一個材料與結(jié)構(gòu)一體化的方法，是發(fā)展微機械制造的一條有效途徑。
4 影響成型精度的工藝因素
目前典型的四種成型制造工藝，其加工精度一般在±(0.1～0.3)mm之間，只適合于要求不是很高的地方，如一般的鑄件模型。這四種方法各有優(yōu)點，針對不同材料，適應(yīng)不同的加工條件，但也存在各自的缺陷。
SIA利用紫外激光束照射并固化光敏樹脂液體。其缺點主要是：
加工中有物相變化，因而變形大；液體中成型零件需要支撐，使工藝過程復(fù)雜化；液態(tài)樹脂成本較高。
LOM利用CO2激光束切割紙或其他箔材，這種工藝層間粘合速度慢，影響成型效率；切紙時容易產(chǎn)生燃燒，產(chǎn)生煙塵污染并影響加工精度；廢料不易清除；材料損耗很大。
FDM是一種非激光成型技術(shù)，它用噴嘴噴出熔融狀態(tài)材料充填平面而形成片層，因此噴嘴直徑和噴射發(fā)散角直接影響加工精度，噴嘴容易堵塞報廢。
SLS利用CO2激光束熔融有機粉末材料，冷卻后固化成實體。它所適用的材料廣而價低，正在受到人們越來越多的重視。但是目前國內(nèi)外SLS都采用點掃描燒結(jié)方式，存在加工效率低；加工精度低、不能加工大尺寸工件等缺點。
工藝和設(shè)備兩個方面是快速成型精度產(chǎn)生誤差設(shè)備的主要來源，目前已經(jīng)進行了對比研究，找到了影響成型精度的工藝及設(shè)備因素，如表1、表2所示。
表1 影響成型精度的工藝及設(shè)備因素
表2 四種常用快速成型工藝的比較
5 結(jié)論
首先介紹了快速成型領(lǐng)域四種主流的加工方案及其對應(yīng)的加工原理，詳細闡述了其加工過程中所具備的快速性和高度柔性等現(xiàn)代化制造特點。深入比較了四種典型成型工藝的適用領(lǐng)域、加工成本和技術(shù)參數(shù)等指標，找出影響成品精度的工藝及設(shè)備方面因素并分析各種成型技術(shù)的優(yōu)點和缺點。
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