快速成型技术发展方向探讨是嘛

快速成型技术发展方向探讨

摘 要：通过分析八种快速成型的新方法和新工艺，探讨了快速成型的发展方向。认为快速成型将向复合成型、降低成本、简化工艺，提高速度和精度的方向发展。

关键词：快速成型 新方法

快速成型是制造技术的一次飞跃，它从成型原理上提出一个全新的思维模式，为制造技术的发展创造了一个新的机遇。自80年代初材料累加成型思想产生以来，研究人员开发出了许多快速成型技术，如光固化成型（SL）、粉末烧结成型（SLS）、层叠法成型（LOM）、熔积成型（FDM）等多达十余种具体的工艺方法。这些工艺方法都是在材料累加成型的原理基础上，结合材料的物理化学特性和先进的工艺方法而形成的，它与其他学科的发展密切相关。快速成型制造技术是一个具生命力的技术，近年来研究和开发人员不断探索新的方法。本文通过分析几种新的快速成型方法阐明快速成型的发展方向。

1、多种材料组织的熔积成形

美国卡内基梅科思创连续纤维增强热塑性复合材料(CFRTP)作为1种现代化的、性价比高且容易成型的热塑性复合材料伦（Carnegie Mellon）大学的iss和斯坦福（Stanford）大学的rz在1997年发表的文章中提出了一种多相组织的沉积型制造方法（Shape Deposition Manufacturing of Heterogeneous Structures）。与此相似，西安交通大学卢秉恒教授在1995年申请国家自然科学基金项目《一种微机械制造的新方法》中也阐述了用多个喷头熔积不同材料来制造微机械的思想，该项目1996年获国家自然科学基金资助。

这种方法的原理如下：利用等离子放电来加热金属丝材料，加热头的结构如图1所示，熔化的材料熔积到工件逐渐成型。制做一个多种材料的工件时需要多个喷头，各喷头可分别喷出不同的材料。在CAD设计中，可以设计出一个完整的器件，器件中的零件由不同材料组成，分层后的材料信息将在每个层面中体现出来。在每一层面上，根据各部分所需要的材料要求，分别喷上所需材料，这样逐层制造就可成形出一个多种材料和部件的三位实体器件。这种技术可在一些小型复杂结构器件的一次整体制造中使用，而无需分件加工和装配，是一个材料与结构一体化的方法，是发展微机械制造的一条有效途径。

2、气相沉积成型（SALD）

美国康奈迪格（Connectict）大学的Kevin Jakubeas阐述了一种基于活性气体分解沉淀的成型技术，它称之为“Selective area laser deposition”（图2），即使用高能量激光的热能或光能分解一种活性气体。这种活性气体在激光的作用下发生分解，沉积出一个材料的薄层进行逐层制造。Jakubeas认为通过改变活性气体的成分和温度以及激光束的能量，可以沉积出不同材料的零件，包括成型陶瓷和金属零件。

图1 多种材料组织的熔积成形 图2 气相沉积成型

3、侵入式光成型

日本大阪Sangyo大学的Yoji Marutani描述了一个新的立体光成形技术。它是将激光光束通过一个管子直接插入到光敏树脂槽中（图3），管子可在水平方向上自由运动。为了在光固化时防止树脂流入管子而将工件与管子粘到一起，可在管子中充入空气，控制气压，在管口部形成气泡，将管子端口与工件分离开，激光通过管子中的透镜聚焦在工件上进行逐层加工。这种方法，可以节省通常的光固化成型的再涂层装置与工艺，节约加工时间，提高加工效率。

图3 侵入式光成型原理 图4 层扫描光固化法

4、层扫描光固化法

西安交通大学在1996年提出了一种高效低成本的光固化快速成型方法（图4）。以紫外灯为廉价的光源，利用一簇光纤将光引到扫描光条上。光纤在扫描光条上横向排列，光条运动，各条光纤上的光开关根据图形扫描信息有序开断，从而在光固化树脂液面上扫描出一个固化层。扫描条每运动一次就可形成一个层面，从而大大提高了成形效率。本项目获1997年度国家自然科学基金资助，目模量≧1400MPa前工作正在进行中。

5、轮廓成型工艺

美国南加州（Southern California）大学的Barok Khoshnevis申请了一个称为“cotour crafting”的专利技术（图5）。它将挤压的工艺与类似于FDM的成型方法结合起来，用一个“抹刀”成型零件的上表面和侧表面。这种方法可以光顺零件的内外表面，消除层层累加制造所产生的台阶效应。这样可允许每一层的厚度在比较厚的情况下仍有光滑的表面，从而提高加工速度。

图5 轮廓成型工艺原理图

6、直接光成形

美国德州仪器公司（Texas Instruments）的Susanna Ventura开发了一种直接光成型系统（Direct photo-shaping）。该系统以光固化树脂作为粘接剂，采用光照射光固化树脂与陶瓷的混合物，将陶瓷粘接起来，逐层固化，制造出陶瓷零件，零件经过培烧后，将树脂烧掉，陶瓷烧结成型。通过这种方法可以进行陶瓷或粉末冶金零件的制造，解决难加工零件的成型。

7、三维焊接成型

英国诺丁汉（Nottingham）大学的ckins等人提出压力实验机又称为抗压强度实验机了一种基于三维焊接成形的方法。它利用焊接机器人制造金属零件。过去在制造零件时，由于液态金属的表面张力和流动性，层与层之间的连接不牢固，会出现裂纹，从而影响物理性能和力学性能。他们提出用凸凹结合的方法进行连接，以提高层之间的粘接强度（图6）。这是一种机械连接法，可提高金属零件的强度。

图6 三维焊接成型连接工艺 图7 光成型表面光顺工艺

8、光成型表面光顺工艺

英国诺丁汉(Nottingham)大学的一个科研小组提出了一种对光固化成型表面修整的方法，可减小制件的表面粗糙度值（图7）。在扫描完一层后，托板上升一个层厚，在层之间的台阶上还会吸附部分树脂，由于表面张力的作用，吸附的这部分树脂把台阶之间的空隙填充了起来，再用激光照射使其固化，就可以填补台阶，将零件表面光顺起来，从而减小制件的表面粗糙度值。

从以上所述可以看到：

（1）快速成型技术正在向着多种材料复合成型方向发展，无需装配一次制造多种材料、复杂形状的零件和器件。这种将材料制备与结构成型一体化的快速成型方法，将为开发复合结构成型提供新途径，在微机械、电子元器件、电子封装、传感器等领域有广泛的应用前景。

（2）快速成型将向降低成本、提高效率、简化工艺的方向发展，其目的是普及快速成型技术和提高快速成型的应用范围。

（3）提高成型件的精度、表面质量、力学和物理性能，为进一冰箱生产商也提高了很多工作效力步进行模具加工和功能实验提供基础。