快速成型技术研究

柳文清

梧州学院，广西 梧州 543002

快速成型技术研究

柳文清

梧州学院，广西 梧州 543002

本文以快速成型原理为基础，论述了快速成型的制作过程，分析了快速成型工艺，综述快速成型技术在宝石首饰、航空航天、医学、模具等领域的应用，对熔融沉积快速成型系统进行研究，先在宝石首饰行业试点，然后推广到工业、建筑、医学等其它领域。

快速成型；首饰； 人工宝石

快速成型技术是先进制造的核心技术，能由CAD模型直接驱动快速制造任意复杂的三维实体。它把三维制造转化为二维制造的叠加，可以不用模具直接生成复杂的零件。

1、快速成型概况

快速成型技术集成了CAD技术、数控技术、激光技术、材料技术[1]的成果，它从零件的CAD模型开始，经过软件分层离散和数控成型系统，用激光束将材料堆积形成零件。在宝石首饰、模具、航空航天、医学、艺术品等领域得到广泛的应用。它能提高新产品的设计质量、缩短开发时间。是现代制造发展的趋势。

2、快速成型的原理

快速成型技术采用离散与堆积成型原理[2]，按照三维CAD模型，把模型按一定厚度进行分层，把三维模型变成一层一层很薄的二维模型。再加入加工参数如光学参数、温度、功率和材料进给量。在数控系统控制下加工出每个薄层，使之黏结成形。也就是基于添加材料的原理一层一层地叠加，从底至上完成整个零件的制作全过程。

3、快速成型制作过程

快速成型工艺分为三个步骤。

3.1 前处理。包括零件的三维模型的构造即CAD三维模型的设计[3]、成型方向选择、切片处理。

3.2 分层叠加成型。包括光固化快速成型、叠层实体制造、选择性激光烧结、熔融积制造等 。

3.3 后处理。包括工件剥离或去支撑、表面处理、表面强化处理。

4、快速成型应用前景

4.1 光固化成型工艺 ，即立体光刻成型。它是最早的快速成型技术。以光敏树脂为原料，通过计算机控制激光使其凝固成形。这种方法能全自动地制造出复杂的零件。光固化成型工艺需要支撑结构。应用于单件小批量精密铸造、快速冲压模具、产品模型的制造。

4.2 叠层实体制造 。叠层实体快速成型方法是采用薄层材料整体粘接后，再根据实体轮廓进行切割。逐层累计完成原型的制作，制作后需要除去余料。它应用在机床操作手柄的制造效果非常好。由于机床操作手柄的材料为铸铁件，而且具有复杂的曲面形状。用手工方法制作铸造用的木模非常困难，况且精度得不到保证。随着CAD/ CAM技术的迅速发展，机床操作手柄的设计可直接在CAD/CAM软件上如prO/E软件上完成。通过叠层实体快速成型制造技术，机床操作手柄直接由CAD模型快速制作成铸造用的木模。从而大大缩短了产品的生产周期。产品的质量也有了明显的提高。

4.3 选择性激光烧结。该工艺是利用粉末材料（金属或非金属）在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成形。使用的材料有石蜡、陶瓷粉末、高分子材料、金属材料。通过选择性激光烧结可直接烧结制作金属的原型。如直接制造金属注塑模。它无需设计支撑结构，因为有未烧结的粉末可以用来实现支撑。将选择性激光烧结快速成型技术与精密铸造工艺结合起来，特别适合形状复杂的金属零件的制造。在新产品试制中，不需要工装设备及模具，就可生产新产品中的零件。大大提高生产效率，缩短了产品的设计及生产周期，降低生产成本。能用选择性激光烧结制作的产品有叶片、各种齿轮、各种箱体、泵体、泵盖等。

4.4 三维印刷。三维印刷工艺是使用粉末材料成形，包括金属粉末和陶瓷粉末。通过喷头用黏结剂将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。因为用黏结剂粘接的零件强度低。达不到设计要求，因此还需要进行后处理。首先烧掉黏结剂，然后在高温下渗入金属，提高零件的强度。使它达到设计的要求。

4.5 熔融沉积快速成型。该工艺是将丝状的热熔性材料，如石蜡、ABS、尼龙等加热溶化，通过喷嘴挤喷出来。喷嘴沿X轴进行移动，工作台沿Y轴进行移动。热熔性材料挤喷出喷嘴后，与前一层材料熔结在一起。一个层面沉积完成以后，工作台就下降一个层的高度，再继续熔喷沉积，一直到完成整个零件。熔融沉积快速成型应用于汽车、机械、电子、玩具等产品的设计开发。用传统工艺方法必须几个月才能制造完成的产品原型，用熔融沉积快速成型工艺无需工装设备和刀具，几个小时便可完成制造。丰田公司采用该成型法制作右侧镜支架和四个门把手的母模，使得制造成本大大降低。右侧镜支架模具成本降低20万美元，四个门把手模具成本降低30万美元。熔融沉积快速成型工艺为丰田公司在桥车制造方面节约了200万美元。而且熔融沉积快速成型系统无毒性，不产生粉尘、噪音。特别适合于办公室环境下进行设计制造新产品。并且该系统运行成本很低，设备操作简单容易学习。可把它看作3D打印机。用熔融沉积快速成型系统可制作车灯、空调部件、电动工具、耐高温构件、汽车保险杠、小齿轮等零件。用熔融沉积快速成型系统制造的零件原型的尺寸稳定性很好。因此特别适合装配件的设计制造。该零件原型还可以进行二次加工如车床、钻床、铣床的加工。通过二次加工来补偿零件尺寸精度的不足。使设计的零件能达到很高的尺寸精度。

4.6 其它快速成型工艺有：三维喷涂黏结、数码累积成型、立体光刻、直接壳法等、在以上的几种工艺中，熔融沉积快速成型工艺应用最为广泛。

熔融沉积快速成型工艺与光固化成型工艺、叠层实体制造工艺比较，其优点突出，如设备价格低、操作成本低、维修成本低，操作容易，材料强度大、材料抗剪性好、材料抗拉性好。

5、对熔融沉积快速成型系统提出改进

为了在人工宝石首饰领域取得更大成就，特对熔融沉积快速成型系统提出如下改进：

5.1 设计宝石首饰的立体图在计算机上用三维绘图软件绘制[4],如prO/E.AutoCAD等。或由用户提供的实物样品.通过逆向工程,在计算机中生成三维立体图形。

5.2 数据转换：对CAD模型近似处理，生成STL格式的数据文件。STL数据处理采用若干小三角片逼近模型的外表面。设计快速成型处理软件接受CAD模型的数据。

5.3 构建高速高精运动控制器对运动路径进行处理,对运动过程进行控制。运动机构中XY轴的运动速度高、有运动的惯性,要保证有良好的随动性。加强Z轴的承载能力。

5.4 根据首饰几何特征，对设计的CAD模型进行直接切片，采用非等厚的适应性分层处理软件，解决运行速度慢，精度差等问题。

6、结语

快速成型工艺可以使工程师在短时间内得到精确的原型。在机构设计方面,进行干涉验证。能快速制作模具。一次制作多个零件,对每个零件针对不同的设计要求进行测试。能在最短的时间内完成最好的设计。人工宝石首饰方面特别适合熔融沉积快速成型系统制作，极大提高宝石首饰的成型质量。在经济效益方面缩短产品的设计时间、降低原型的生产周期，有很好的经济效益。

[1] 张彦华. 工程材料与成型技术[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2005.

[2] 陈雪芳 , 孙春华. 逆向工程与快速成型技术应用[M].北京: 机械工业出版社，2009.

[3]贾振元，刘侃，刘顺福. 远程控制快速成型加工技术研究[J].大连理工大学学报,41卷第4期,2001(7)

[4] 邱志惠, 卢秉恒. Pro/ENGINEER建模实例及快速成型技术[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2005.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.071

广西壮族自治区级技术研究与开发项目“人工宝石首饰快速成型系统的研究与开发”阶段性研究成果（项目编号：桂科攻1010022-31）