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快速成形技术的展望
黄树槐　肖跃加　莫健华　马黎　王从军　韩明　李湘生　刘爱林
  
摘自：中国机械工程
　　快速成形(rapid prototyping，RP)技术自80年代问世以来，在成形系统、材料方面有 了长足的进步，同时推动了 快速制模（rapid tooling,RT）和快速制造（rapid manufacturing,RM）的发展，90年代中 末期是RP技术蓬勃发展的阶段。我国的清华大学、西安交通大学、北京隆源公司、南京航空 航天大学和华中理工大学等单位，于90年代初率先开展RP及相关技术的研究、开发、推广和 应用。到1999年，国内已有数十台引进或国产RP系统在企业、高校、研究机构和快速成形服 务中心运行。在国家科技部的领导和支持下，先后成立了近十家旨在推广应用RP技术的“快 速原型制造技术生产力促进中心”，863/CIMS主题专家组还将快速成形技术纳入目标产品发 展项目。此外，有相当一部分高校将RP技术列入了“211”规划。国内投入RP研究的单位逐 年增加，RP市场初步形成。
　　21世纪将是以知识经济和信息社会为特征的时代，制造业面临信息社会中瞬息万变的市场对 小批量多品种产品要求的严峻挑战。在制造业日趋国际化的状况下，缩短产品开发周期和减 少开发新产品投资风险，成为企业赖以生存的关键。因此，快速成形/快速制模/快速制造技 术将会得到进一步发展。
  
1　RP技术发展历史的回顾
  
　　RP技术是一种用材料逐层或逐点堆积出制件的制造方法。分层制造三维物体的思想雏形，最 早出现在制造技术并不发达的19世纪。早在1892年，Blanther［1］主张用分层方法 制作三维地图模型。1979年东京大学的中川威雄教授，利用分层技术制造了金属冲裁模、成 形模和注塑模［2］。光刻技术的发展对现代RP技术的出现起到了催化作用。
　　20世纪70年代末到80年代初期，美国3M公司的Alan J. Hebert(1978年)、日本的小玉秀男(1 980年)、美国UVP公司的Charles W. Hull(1982年)和日本的丸谷洋二(1983年)，在不同的地 点各自独 立地提出了RP的概念，即利用连续层的选区固化产生三维实体的新思想。Charles W. Hull 在UVP的继续支持下，完成了一个能自动建造零件的称之为Sterolithography Apparatus (S LA)的完整系统SLA-1，1986年该系统获得专利，这是RP发展的一个里程碑。同年，Charles W. Hull和UVP的股东们一起建立了3D System公司，随后许多关于快速成形的概念和技术在3 D System公司中发展成熟［3］。与此同时，其它的成形原理及相应的成形机也相继 开发成功。1984年Michael Feygin提出了分层实体制造（Laminated Object Manufacturing ，LOM）的方法，并于1985年组建Helisys公司，1990年前后开发了第一台商业机型LOM-1015 ［4］。1986年，美国Texas大学的研究生C. Deckard提出了Selective Laser Sinte ring(SLS)的思想，稍后组建了DTM公司，于1992年开发了基于SLS的商业成形机（Sintersta tion）。Scott Crump在1988年提出了Fused Deposition Modeling(FDM)的思想，1992年开 发了第一台商业机型3D-Modeler。自从80年代中期SLA光成形技术发展以来到90年代后期， 出现了十几种不同的快速成形技术，除前述几种外，典型的还有3DP，SDM，SGC等［5 ］。但是，SLA、LOM、SLS和FDM四种技术，目前仍然是快速成形技术的主流。
　　直接从计算机模型产生三维物体的快速成形技术，涉及机械工程、自动控制、激光、计算机 、材料等多个学科，是由于现代设计和现代制造技术迅速发展的需求应运而生的。近年来， 该技术迅速在工业造型、制造、建筑、艺术、医学、航空、航天、考古和影视等领域得到良 好应用。
  
2　RP技术的新进展
  
2.1　立体光造型（SLA）
　　该方法是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成形方法。目前，研 究SLA方法的有3D System公司、EOS公司、F&S公司、CMET公司、D-MEC公司、Teijin Seiki 公司、Mitsui Zosen公司、西安交通大学等。美国3D System公司的SLA技术在国际市场上占 的比例最大，其设备自1988年推出SLA-250机型以后， 又于1997年推出SLA-250HR、SLA-350 0、SLA-5000三种机型,在技术上有了长足进步。其中，SLA-3500和SLA-5000使用半导体激励 的固体激光器，扫描速度分别达到2.54 m/s和5 m/s，成形层厚最小可达0.05 mm。此外,还 采用了一种称之为Zephyer recoating system的新技术，该技术是在每一成形层上，用一种 真空吸附式刮板在该层上涂一层0.05～0.1 mm的待固化树脂，使成形时间平均缩短了20%。该 公司于1999年推出的SLA-7000机型与SLA-5000机型相比，成形体积虽然大致相同，但其扫描 速度却达9.52 m/s，平均成形速度提高了4倍,成形层厚最小可达0.025 mm，精度提高了1倍 。国内外研究者在SLA技术的成形机理、控制制件变形、提高制件精度等方面进行了大量研 究。
　　SLA成形技术的材料主要有四大系列：Ciba公司生产的CibatoolSL系列、DuPont公司的SOMOS 系列、Zeneca公司的Stereocol系列和RPC公司（瑞典）的RPCure系列。CibatoolSL系列有以 下新品种：用于SLA-3500的CibatoolSL-5510，这种树脂可以达到较高的成形速度和较好的 防潮性能，还有较好的成形精度。CibaltoolSL-5210主要用于要求防热、防湿的环境，如 水下作业条件。SOMOS系列也有新品种SOMOS 8120，该材料的性能类似于聚乙烯和聚丙烯， 特别适合于制作功能零件，也有很好的防潮、防水性能［6］。
　　日本方面打破了SLA技术使用紫外光源的常规，在日本化药公司开发新型光敏树脂的协作下, 由DENKEN ENGINEERING公司和AUTOSTRADE公司率先使用680 nm左右波长的半导体激光器作为 光源，大大降低了SLA设备的价格。特别是AUTOSTRADE公司的E-DARTS机型，采用一种光源从 下部隔着一层玻璃往上照射的约束液面型结构（见图1）［7］，使得该设备价格降 到了298万日元（约合人民币22万元）。西安交通大学推出了LPS和CPS系列SLA成形机和相应 的光敏树脂。CPS成形机采用了紫外灯作为成形能源，价格降至23万元人民币左右。
  
图1　约束液面型结构SLA系统示意图
  
　　在提高制品精度方面，DeMontfort大学发展了一种称之为 “Meniscus smoothing” 的技术 ，旨在提高制件表面光洁度。Clemson大学开发了一种旋转工件造型平台，可消除分层造型 中的台阶问题［6］。
2.2　分层实体制造（LOM）
　　目前研究LOM工艺的有Helisys公司、华中理工大学、清华大学、Kira公司、Sparx公司和Kin ergy公司。Helisys公司1992年推出LOM-1015（台面380 mm×250 mm×350 mm）机型后，于1 996年又推出台面达815 mm×550 mm×508 mm的LOM-2030H机型，成形时间比原来缩短了30% 。Helisys公司除原有的LPH、LPS和LPF三个系列纸材品种以外，还开发了塑料和复合材料品 种［8］。日本Kira公司的PLT-A4机型采用了一种超硬质刀切割和选择性粘接的方法 。清华大学推出了SSM系列成形机及成形材料。华中理工大学推出的HRP系列成形机和成形材 料，具有较高的性能价格比，其中HRP-IIA成形机售价仅20万元人民币。
2.3　选择性激光烧结（SLS）
　　研究SLS的有DTM公司、EOS公司、北京隆源公司、南京航空航天大学和华中理工大学等。DTM 公司于1992年、1996年和1999年先后推出了Sinterstation 2000、2500和 2500Plus机型 ［6］，其中2500Plus机型的造型体积比过去增加了10%，同时通过对加热系统的优化 ，减少了辅助时间，提高了造形速度。北京隆源公司推出了AFS-300成形机及数种材料。华 中理工大学开发出HRPS-I型成形机。在材料方面，DTM公司每年有数种新产品问世，其中Dur aForm GF材料生产的制件，精度更高，表面更光滑。最近开发的弹性聚合物Somos201材料， 具有橡胶特性，并可耐热和抗化学腐蚀，用该材料造出了汽车上的蛇型管、密封垫和门封等 防渗漏的柔性零件［6］；用RapidSteel 2.0不锈钢粉制造的模具，可生产100,000 件注塑件［9］；RapidTool2.0这种材料的收缩率只有 0.2%，其制件可以达到较高 的精度和表面光洁度，几乎不需要后续抛光工序［6］。DTM Polycarbonate铜-尼龙 混合粉末，主要用于制作小批量的注塑模。EOS公司发展了一种新的尼龙粉末材料PA3200GF ，类似于DTM的DuraForm GF，用这种材料制作的零件精度和表面光洁度［6］都较好 。
2.4　熔丝沉积制造（FDM）
　　研究FDM的主要有Stratasys公司和MedModeler公司。Stratasys公司于1993年开发出第一台F DM-1650（台面为250 mm×250 mm×250 mm）机型后，先后推出了FDM-2000、FDM-3000和FDM -8000机型。其中FDM-8000的台面达457 mm×457 mm×610 mm。清华大学推出了MEM机型。引 人注目的是1998年Stratasys公司推出的FDM-Quantum机型，最大造型体积为600 mm×500 mm ×600 mm。由于采用了挤出头磁浮定位(Magna Drive)系统，可在同一时间独立控制2个挤 出头，因此其造型速度为过去的5倍［6］。Stratasys公司1998年与MedModeler公司 合作开发了专用于一些医院和医学研究单位的MedModeler机型，使用ABS材料，并于1999年 推出可使用聚脂热塑性塑料的Genisys型改进机型- Genisys Xs,造型体积达305 mm×203 mm ×203 mm。
　　熔丝线材方面，其材料主要是ABS、人造橡胶、铸蜡和聚脂热塑性塑料。1998年澳大利亚的S winburn工业大学，研究了一种金属-塑料复合材料丝［6］。1999年Stratasys公司 开发出水溶性支撑材料，有效地解决了复杂、小型孔洞中的支撑材料难去除或无法去除的难 题［6］。
2.5　其它
　　1997年Z公司推出Z-402机型，该设备以淀粉掺蜡或环氧树脂为原料、将粘结剂喷射到粉末上 的方法制造零件。1998年ProMetal公司推出RTS-300机型，以钢、钢合金、镍合金和钛钽合 金粉末为原料，同样采用将粘结剂喷到粉末上的技术，可直接快速生产金属零件。1999年3D System公司开发了一种使用热塑性塑料的多喷头式热力喷射实体打印机（ThermoJet Solid Object Printer）［6］，成形速度更高。
　　美国新泽西工学院1998年提出了一种快速冰冻成形（RFP）的新技术，以纯水作为原形材料 ，用冰点较低的盐水作为支撑材料，通过选区沉积和快速冰冻制造原形零件。1998年以来， 微制造技术也是RP技术一个较为活跃的研究方向，美国的一个研究小组利用CVD技术制造了 直径只有100 μm的高密度零件；另一研究小组则研究了一种新的微制造方法，类似于固体 光固化（SGC）技术，据称该技术可制造分子水平的零件，层厚仅2 μm［6］。
2.6　RP软件
　　Stratasys公司开发了对FDM系统的QuickSlice6.0和对Genisys系统的AutoGen3.0软件包，采 用了触摸屏，使操作更加直观。Helisys公司开发了面向Windows NT4.0的LOMSlice软件包新 版本，增加了STL可视化、纠错、布尔操作等功能，故障报警更完善。3D公司开发了针对Act ua概念机的新操作软件Allegro 2.0，用于SLA 7000，其3D Lightyear软件不仅操作简便（E asy-to-use）而且文件的确认速度提高了150倍，着色速度提高了6倍，文件的准备速度提高 了2倍多，而文件的存储空间则减少了50%［10］。Solid Concepts公司开发了Soli dView3.0软件包。Clemson大学研究了通过对参数曲面的切片，产生参数曲线的分层边界， 利用这种参数曲线控制快速成形机。国内有关研究单位也开发了多种RP软件，并达到实用水 平。
  
3　快速制模（RT）、快速制造（RM）技术的新进展
  
　　目前的快速制模方法大致有间接制模法和金属直接制模法。常用的快速制模方法有软模、桥 模和硬模。
　　(1)软模（soft tooling）　通常指的是硅橡胶模具。用SLA、FDM、LOM或SL S等技术制作的原型，再翻成硅橡胶模具后，向模中灌注双组份的聚氨酯，固化后即得到所 需的零件。调整双组份聚氨酯的构成比例，可使所得到的聚氨酯零件的机械性能接近ABS或P P。
　　(2)桥模（bridge tooling）　通常指的是可直接进行注塑生产的环氧树脂 模具。采用环氧树脂模具与传统注塑模具相比，成本只有传统方法的几分之一，生产周期也 大大减少。模具寿命不及钢模，但比硅胶模高，可达1000～5000件，可满足中小批量生产的 需要。瑞士的Ciba精细化工公司开发了树脂模具系列材料CibaTool。
　　(3)硬模（hard tooling）　通常指的是用间接方式制造金属模具和用快速 成形直接加工金属模具。目前有用SLA、FDM和SLS方法加工出蜡或树脂模型，利用熔模铸造 的方法生产金属零件；也有利用LOM加工的模型及其它方法加工的制件作为母模来制作硅橡 胶模，通过硅橡胶模来生产金属零件；还有利用SLS方法，选择合适的造型材料，加工出可 供浇注用的铸造型腔。利用原型件作为母模结合精密铸造等制作注塑模或其他金属模具的工 艺，典型的还有3D System的QuickCast、Express Tool等。
　　多年来金属直接成形和快速制模技术，主要是SLS直接制作金属模具。这种烧结件往往是低 密度的多孔状结构，可将低熔点相的金属渗入后直接形成金属模具。制件的强度与精度问题 一直是难以逾越的障碍。Optomec公司于1998年和1999年分别推出了LENS-50、LENS-1500机 型。以钢、钢合金、铁镍合金、钛钽合金和镍铝合金为原料，采用激光净成形技术，将金属 直接沉积成形，使该技术有所突破。其生产的金属零件强度超过了传统方法生产的金属零件 ，精度X/Y平面可达0.13 mm，Z向0.4 mm，但表面光洁度较差，相当于砂型铸件的 表面光洁度。DTM也推出了新的烧结材料RapidSteel 2.0，其金属粉末已由碳钢改变为不锈 钢 ，所渗的合金由黄铜变为青铜，并且不像原来那样需要中间渗液态聚合物，其加工过程几乎 缩短了一半。EOS开发出了新的金属烧结材料 DirectSteel 50-VI。
　　用于LOM的金属板材MetLAM已开发出来，采用金属箔作为LOM造型材料可以直接加工出铸造用 EPS气化模，可批量生产金属铸件。东京技术研究所用金属板材叠层制造金属模具的系统也 已问世。还有用于三维打印的金属材料ProMetal 、RTS-300等。
　　用SLA、SLS、FDM或LOM方法加工熔模铸造中的蜡模，这是目前生产金属零件和金属模具最主 要的途径之一。对快速造型得到的原型表面进行特殊处理后代替木模，直接制造石膏型或陶 瓷型，或是由RP原型经硅橡胶模过渡转换得到石膏型或陶瓷型，再由石膏型或陶瓷型浇注出 金属模具。这也是行之有效的方法之一。
　　欧洲EARP(European Engineering Action)与Rover集团合作，研究RP件直接作注塑模的可能 性，用各种快速原型工艺直接制作Rover座椅调节手轮的注塑模嵌块，背后衬以环氧树脂铝 粉以增加模具强度和改善散热性能，然后将其安装在模架中，装配好的模具放在注塑机上生 产聚丙烯零件。结果见表1［6］。
  
表1
  
厂商
  RP系统
  工艺
  材料
  模具寿命
   
Danish Technical Institute
  3D System SLA-250
  SLA
  Zebeca 模具系 统树脂
  50
   
IVF－Sweden
  DTM Sinterstation 2000
  SLS
  玻璃填充尼龙
  17
   
University of Nottingham
  3D System SLA-250
  SLA
  Zebeca 模具系统树 脂
  50
   
University of Warwick
  Helisys LOM-2030
  LOM
  LPH 042纸
  1
   
Sintef-Norway
  Cubital Solider
  SGC
  Cubital丙稀酸树脂
  50
   
Fraunhofer IPT
  EOS Stereos 600
  SLA
  DuPont SOMOS 3100
  12
   
Fraunhofer IPA
  Fockele & Schwarze LMS
  SLA
  AlliedSignal Exactomer 8176树脂
  36
   
Rover集团
  3D System SLA-500
  SLA
  Ciba 5180一环氧树脂
  50
   
  
4　快速成形技术的应用与市场  
  
　　至1999年，全世界共出现了334家快速成形服务机构（ rapid prototyping service bureau s）、27家设备制造商、12家材料供应商、14家专门的软件供应商、23家咨询机构（consult ant）和51家教育与科研机构［6］。各大设备制造商的竞争日趋激烈，其市场份额 见图2。
  
图2　快速成形设备制造商市场份 额［6］
  
　　从图3可以看出，快速成形设备年销售量和快速成形服务机构逐年增加，1999年的服务机构 是1992年的7.9倍。
  
图3　快速成形服务机构及其拥有 的设备数量［6］
  
　　不断提高RP的应用水平，是推动RP技术发展的重要方面。自RP技术产生以来，各RP系统制造 商和RP服务中心，都在不断地扩大RP技术的应用范围。从3D公司与克莱斯勒公司的第一次合 作开始，RP技术已经在许多领域里得到了应用，其应用范围主要在设计检验、市场预测、工 程测试(应力分析,风道等)、装配测试、模具制造、医学、美学等领域。
　　图4、图5 为RP技术的应用状况。RP技术在制造工业中应用最多，达到67%，说明RP技术对改 善产品的设计和制造水平的巨大作用。
  
图4　RP技术在不同行业中的应 用分布［11］
  
图5　RT技术按用途的分布状况 ［11］
  
　　最近，RP的应用出现如下新动向：
　　(1)金属板材成形［12］　该技术利用RP模型制作成形模具，通过 液压机成形小批量的金属零件。
　　(2)更复杂的功能测试　主要应用于流体和气体的流动测试，由于流动分析 是工程分析中最为复杂的分析之一，所以借助于实际测试确定有关流动参数和设计参数是常 用的方法［13］。包括利用高温材料的RP原型进行发动机和泵的功能测试。
　　(3)在生物学和医学上的应用　美国有研究小组利用RP技术生产人工肺和人 工心脏，而另一研究小组则在小光斑激光SLA系统上用一种类生物材料建造生物组织如肌肉 等。还有利用RP技术帮助发展新的医疗装置等。
　　(4)在艺术上的应用　利用RP技术建立佛像模型和数字雕刻。
　　(5)金属和陶瓷零件成形　已开始有应用。
　　(6)制作彩色制件　目前已能制作具有2种色彩的制件（如牙模）。
  
5　RP技术的展望
  
　　RP技术经过十几年的发展，设备与材料两方面都有了长足的进步。目前由于该技术的成本 高，加以制件的精度、强度和耐久性能还不能满足用户的要求，暂时阻碍了RP技术的推广普 及。此外，近年来CNC切削机床亦在大步向前发展：一方面，价格大幅度下降；另一方面， 高速、高精度的CNC机床问世，制件时间缩短，精度及表面质量提高。因此，不少企业使用C NC 切削机床快速制造金属或非金属模具及零件，向RP技术提出了新的挑战。但是，在成形复杂 、中空的零件方面，CNC切削机床是不能取代RP技术的。这种直接从概念设计迅速转为产品 的设计-生产模式，必然是21世纪中制造技术的主流。随着技术的进步，RP技术还会大踏步 地向前发展,并将成为许多设计公司、制造公司、研究机构和教育机构等的基本技术和装备 。
　　从上述RP技术的现状来看，未来几年的主要发展趋势如下：
　　(1)提高RP系统的速度、控制精度和可靠性　优化设备结构，选用性能价格 比高、寿命长的元器件，使系统更简洁，操作更方便，可靠性更高，速度更快。开发不同档 次、不同用途的机型亦是RP系统发展的一个方面，例如：一方面开发高精度、高性能的机型 ，以满足对制件尺寸、形状和表面质量要求更高、或有特殊要求的用户。另一方面，开发专 门用于检验设计、模拟制品可视化，而对尺寸精度、形状精度和表面粗糙度要求不高的概念 机。
　　(2)提高数据处理速度和精度　研究开发用CAD原始数据直接切片方法， 减少数据处理量以及由STL格式转换过程而产生的数据缺陷和轮廓失真。
　　(3)研究开发成本低、易成形、变形小、强度高、耐久及无污染的成形材料　将现有的材料，特别是功能材料进行改造或预处理，使之适合于RP技术的工艺要求。从RP 的特点出发，结合各种应用要求，发展全新的RP材料，特别是复合材料，例如纳米材料、非 均质材料、其它方法难以制作的复合材料等。降低RP材料的成本，发展新的更便宜的材料。  
　　(4)开发新的成形能源　前述的主流成形技术中，SLA、LOM和SLS均以激光作 为能源，而激光系统(包括激光器、冷却器、电源和外光路）的价格及维护费昂贵而传输效 率较低，影响制件的成本。新成形能源方面的研究也是RP技术的一个重要方向。
　　(5)研究开发新的成形方法　在过去的十年中，许多研究者开发出了十几种 成形方法，基本上都基于立体平面化-离散-堆积的思路。这种方法还存在着许多不足，今后 有可能研究集“堆积”和“切削”于一体的快速成形方法，即 RP与CNC机床和其它传统的加 工方式相结合，以提高制件的性能和精度，降低生产成本。还可能从RP原理延伸，产生一些 新的快速成形方法。
　　(6)继续研究快速制模和快速制造技术　一方面研究开发RP制 件的表面处理技术，提高表面质量和耐久性；另一方面研究开发与注塑技术、精密铸造技术 相结合的新途径和新工艺，快速经济地制造金属模具、金属零件和塑料件。
　　(7)应用范围扩大　通过对现有RP系统的改进和新材料的开发，使之能够经 济地生产出直接可用的模具、工业产品和民用消费品；制造出人工器官，用于治疗疾病。