基于快速成型技术的数控机械制造措施

摘 要：作为制作领域的最新研究成果，快速成型技术是及分层制造技术、材料科学、CAD等为一体的制作技术，在计算机技术的支持下，数控机械制造也迎来了新的发展机遇。数控机械制造中引入快速成型技术能够实现工程师设计思想向零件的转化，有利于缩短产品生产周期，降低数控机械制造成本，为数控机械制造提供了必要的技术支持。研究介绍了快速成型技术原理及特点、工艺流程，并提出了快速成型技术下数控机械制造措施，以期为相关行业提供参考。

关键词：快速成型技术;数控机械制造;CAD;分层实体制造;措施

快速成型技术最早兴起于20世纪80年代，其作为现代先进制造技术的重要组成部分，能够将设计构想或方案直接、快速通过模型的构建、切片处理等，转变为零件原型，甚至直接制作成为零件，具有高效、低成本等优势，是对传统制造方法的改进与升级。近年来数控机械制造生产力水平得到了一定的提升，但也存在产品生产效率低、耗时长、费用高等问题[1]。在快速成型技术支持下，数控机械制造应抓住发展机遇，积极进行创新改革，注重对快速成型技术的应用，优化机械制造技术工艺及措施，提升机械制造整体效率及产品质量，这不仅是数控机械制造发展的内部要求，同时也是提升市场竞争力、促进机械生产企业多元化发展的必然趋势。

1.快速成型技术相关概述

1.1快速成型技术原理

作为国际新型技术，快速成型技术主要核心内容为计算机与材料，该方法也是当前获取数据模型最常用的方法。随着反向工程技术的发展，反求所得到的模型精度越来越高，且方法简便、快速，应用反向工程反求模型具有较高的可行性。快速成型技术摒弃了传统机械加工方法，根据CAD技术生成零件的几何信息，然后在三维数控成型系统下，采用激光束对材料进行堆积形成零件。利用快速成型技术制作零件耗费时间短，能够实现对模具及工具等的精细化制造。在具体操作环节，仅需要借助计算机将相应参数输入后，在设备中加入材料，生成零件[2]。快速成型技术的应用一方面能够促进生产效率及产品质量的提升，另一方面有利于提升制造柔性。常见快速成型技术包括立体平板印刷法、激光分层烧结及熔化堆积法等，各具特色，工艺流程基本一致，为数控机械制造提供了技术支持。

快速成型技术除在制造思想及方法方面有一定的创新与改进外，还实现了零件制作质量、尺寸及速度等方面的重大突破。利用激光、新材料等进行新产品设计主要采用的是离散-堆积原理，其流程如图1所示。先采用具有较高性能的计算机辅助设计软件对零件模型或三维曲面进行设计，经过模型转化，采用STL的格式输出，结合工艺实际需求对厚度进行设定，选择Z轴或其他方向切片分层CAD模型，确保二維平面信息在每个截面层都能够得到显示。在工艺处理环节，应结合从层面信息对加工参数作出相应的选择。系统能够自动生成刀具移动轨迹与数控加工的代码，经过对加工过程的仿真能够防止代码错误[3]。数控装置可辅助精确运动，选择轮廓扫描将设计的截面形状进行加工，并将成型材料正确铺设，最终将零件加工完成。

1.2快速成型技术特点

快速成型技术在提升技术应用柔性方面有着突出的效果，能够提升技术操作平台的合理性与可行性，使得数控机械制造生产流程更加合理、规范，其主要特点如下：

（1）具有高度集成化。快速成型技术使得数控机械制造集成化得到提升，三维模型通常要求在切片之前进行格式转换，利用现代先进的数控技术、计算机技术及激光技术等能够实现离散运算分析，完成三维模型及复杂数据的转换。由于三维模型一般都是由大量不规则的自由曲面构成，直接对三维模型进行切片的技术受制于技术的实现，目前还主要依靠各种三维造型软件内核的强大处理功能，因而普适性较差[4]。常用的方法是把它转换为STL格式。它是用一系列小三角面来逼近自由曲面。每个三角形曲面由三个顶点坐标和三个右手螺旋顶点组成。STL格式文件表达简单，易于实现，几乎为三维造型软件所支持，已经成为快速成型的实际工业标准，能够保障零件曲面与实体造型的规范性。不仅如此，快速成型技术采用二维扫描，具有较高的精确度，借助激光器件、功率控制技术能够实现固化、烧结及切割，达到所需要的效果。

（2）具有快速响应效率。CAD设计工序维持原型处理，能够提升综合利用水平。进行几小时或几十小时处理工序，能够促进开发效率的提升，使得零件效果得到较好的维持。需要注意的是在切层板选择方面，要考虑成型效率和成型精度的因素。分层的高度直接影响物体的成型效率和精度，是快速成型的重要参数之一，需要仔细确定。层次化的大小根据零件成形精度和生产效率的要求而定。

（3）实现设计、制造一体化。成型精度和加工效率需要考虑对象的成型方向。单一对象的成形方向往往一目了然，而复杂物体的成形方向的选择需要通过计算机进行精确的计算，如果放置方向不好，很容易打印失败。快速成型技术可获得较快的处理机制与模块，柔性技术操作水平高，有利于促进操作模块总体应用效率的提升。

2.快速成型技术的工艺流程

如图2所示，为快速成型技术工艺流程，与传统加工方法有所不同，快速成型技术加工方法为“增长法”，一方面能够将复杂三维模型向二维模型组合转化，另一方面其应用新型技术交叉学科，逐层进行增料，不仅耗费时间短，而且成本低，具有鲜明的优势。随着快速成型技术的发展，其被广泛应用于模具制造过程中[5]。该技术可以进行新产品的快速试制，制作周期仅为传统技术的1/4左右，可以有效提升模具制造的一次成功率。该技术是将模具的概念设计和生产工艺在CAD系统能进行综合，利用计算机的模拟分析形成新型的模具设计制造系统，无需数控切削加工就可以制造出复杂的曲面等结构，有利于提高模具的制造柔性和质量。

3.快速成型技术下数控机械制造措施

3.1发展全新RP材料

数控机械制造工艺对金属材料有着较高的要求，不仅要与快速成型加工出型特点相符，而且在材料方面要满足硬度、强度及耐度等方面的要求，能够便于快速制膜后续处理，但同时符合上述要求的材料收集存在一定的难度，进购困难，因此寻找一种全新的合成材料，经过试验验证，并挖掘能够促进金属材料快速成型的材料尤为重要。在快速成型技术下，应注重全身RP材料如纳米材料、非均质材料及其他难以制造材料的发展。数控机械制造企业在开发新型RP材料时，应对RP材料有一个全面的认识与把握，掌握材料合成的原理及运行过程，统一整合并优化RP材料运行方法，利用快速成型技术对产品生产效率、运行能力等方面进行不断完善与改进，提升金属材料合成进度[6]。其次，针对金属材料快速成型技术应结合工艺流程对计划作出相应的调整，提升其精度。针对企业内部金属材料快速成型技术应不断改进探索，由专门的监督部门进行质量监督，组建专门的技术研发小组，开发具有较高性能的合成软件。另外在快速成型技术支持下，应注重多种技术的融合发展，采用不同技术相结合的方法促进金属材料测量精度的提升，进而实现对合成材料成型技术水平落后问题的结局。

3.2开发新的膜片方法

传统数控机械制造企业多采用STL文件格式实现向材料合成方法的转换，近年来，该方法的不足逐渐暴露，无法满足机械制造工艺金属材料合成的需求，因此寻求新型金属材料合成方法尤为重要。由专业技术研发部门复杂研究快速成型技术制造工艺，引入新的模型切片方法，目前流行的曲面切片法、直接切片法等均能够打破传统STL转变技术的不足，能够针对CAD模型实施直接切片处理[7]。另外借助反求工程获得的逐层切片数据，能够将快速成型系统驱动，降低三角面产生的误差。如在金属材料合成工艺中，可以采用特征模型直接切片法，其所用软件为PowerSHAPE造型软件，能够获得截面轮廓，并将其分为线段、圆弧及自由曲线等不同类型，在弥补传统SRL文件格式转换方法不足的同时，促进了金属材料快速成型精度的提升。

3.3引入分层实体制造技术

3.3.1切削層片轮廓倾斜遵循误差最小原则

分层实体制造在对材料进行切割时主要依据的是造型零件曲面分层相关信息，然后堆积、重叠获得的层片，借助适当连接技术形成一个三维实体，每一分层板及造型曲面间台阶会形成不同程度的加工误差与残留。在倾斜切削操作时遵循误差最小原则能够减少加工误差。如一个半球曲面，其曲率半径、分层厚度分别为100mm、1mm，通过计算可以发现其最大误差为0.992mm，利用新型分层实体制造方法其最大误差为0.124mm。按照倾斜切削能够最大程度上降低加工误差，将板材厚度适当提高，能够在确保精度的基础上达到厚度满意。以1mm金属板为例，应用倾斜切削对厚度为0.1mm的金属板进行处理，所产生的误差明显较小，提示零件叠加层数降低，一方面能够促进加工效率的提升，另一方面可减少连接面，使得零件强度、刚度得到了保障，有利于功能零件的精准制造。

3.3.2轮廓切削引入数控机床与金属刀具

作为一种先进制造技术，RP/M由CAD模型直接驱动，能够实现对复杂形状三维零件的快速制造。在计算机数字控制技术支持下，CNC利用数字化信号能够对零件成型过程予以控制，并按照计划执行，常见方法为SLS、FDM等，通常需要将运动控制系统维数控制在2.5，因此选择2.5轴以上联动功能CNC机床，进而控制快速成型动作[8]。可采用CNC机床对RP/M系统多数功能进行替代，一方面可减少成本，另一方面能够降低RP/M开发难度。

3.3.3层板连接采用真空固态压力热扩散焊接

作为新型连接工艺，真空固态压力热扩散焊接（热扩散焊）具有较好的稳定性，在维持金属原有物理与化学性能的同时，不需要进行填料，通过一次性装卡整体焊接能够促进加工效率及连接强度的提升。热扩散焊条件为高温、高压，被焊零件结合面存在聚结现象，并与原子间相互扩散，在具体机械制造工艺中，应明确焊接对金属板尺寸的影响，掌握焊接温度、压力，通过不同的焊接试验明确技术指标，提升制作效率。

结束语

快速成型技术是现代计算机发展的产物，其在为数控机械制造提供技术支持的同时，缩短了数控机械制造的研发周期，降低了生产成本，具有鲜明的优势。在多元市场背景下，数控机械制造引入快速成型技术有利于提升产品精细度及产品产量。但目前我国快速成型技术更多有赖于国外进口，缺乏自主研发，使用受到了一定的限制。因此需要不断开发新材料与新工艺，进一步提升数控机械制造精度及效率，为数控机械行业发展注入新的生机与活力。

参考文献

[1] 李书明. 基于机械制造工艺的金属材料快速成型技术研究[J]. 内燃机与配件，2021（16）：42-43.

[2] DK R Robinson， Lagnau A ， Boon W . Innovation pathways in additive manufacturing： Methods for tracing emerging and branching paths from rapid prototyping to alternative applications[J]. Technological Forecasting and Social Change， 2018，12（14）： 146.

[3] 叶卫文. 快速成型技术在集成制造及数控机械制造中的应用探究[J]. 南方农机，2019，50（22）：173.

[4] 刘雯. 浅谈逆向工程与快速成型技术在机械制造领域中的应用——评《逆向工程与快速成型技术应用》[J]. 材料保护，2020，53（4）：175.

[5] 宗学文，熊聪，张斌，等. 基于快速成型技术制造复杂金属件的研究综述[J]. 热加工工艺，2019，48（1）：5-9，13.

作者简介：车博亚（1991-8），男，汉族 甘肃兰州人，职称学历：初级，硕士。研究方向：机械制造。