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快速制造技术的最新进展及其发展趋势

快速制造技术的最新进展及其发展趋势

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  • 发布时间:2006-06-01 02:13
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  快速制造技术的最新进展及其发展趋势

  http://www.CHINA-NTM.com 技术交流  2006年6月1日
 
  作者:颜永年 等
  清华大学机械工程系
  摘要:自20世纪80年代以来,快速制造(RM)技术一直保持着迅速发展的势头。首先概要地分析了这种高新技术之所以持续发展的原因,然后介绍了快速制造技术的最新进展,最后分析了快速制造技术的发展趋势。这些新成果、新进展必将使RM技术成为21世纪现代制造技术的主要发展方向之一。
  关键词:快速制造;快速零件制造;快速模具制造
  1 快速制造技术的主要应用
  当前,具有自主知识产权的技术创新和产品开发在制造业发展中占据核心地位,围绕这个方面,研究如何应用快速制造技术显得非常重要。快速成形协会国际联盟主席T. T. Wohlers 在他的每年一集的RP发展报告中一直着重强调快速制造技术。
  快速制造(RM-rapid manufacturing)是基于离散-堆积成形原理的先进制造技术的总称。快速原型技术是快速制造大家族中最先产生的制造技术,在此基础上,又出现了快速工具、快速模具和快速生物支架制造等等。RM之基本定义为:“由产品的三维CAD模型数据直接驱动,组装(堆积)材料单元而完成任意复杂具有使用功能的零件的科学技术。”RM的主要特点有:①产品的三维CAD设计是RM的前提;②无需任何专用工具,产品的设计数据直接驱动RM设备堆积材料而进行成形制造过程;③所完成的是具有使用功能的零件(functional parts);④所完成的功能零件之结构与形状无限制,可以是具有材料梯度、结构梯度和特殊孔隙的复杂形状。快速制造的内涵主要体现为:制造过程中信息过程与物理过程相统一;材料制备与材料成形相统一;结构梯度与材料梯度相统一。由于这些统一,使得RM具有非常光明的应用前景。
  RM可分为直接快速制造和间接快速制造:①直接快速制造(direct rapid manufacturing)——通过RM直接完成功能零件;②间接快速制造(indirect rapid manufacturing)——通过RP完成工、模具制造,再采用工、模具进行批量生产。间接制造完成工、模具生产,也可达到低成本和快速性,但与直接制造相比,其快速性要差。在2004年美国的“Wohlers Report 2004”中,用整整一章讨论了这个领域的发展。实际上,这一章是由来自英国Loughborough大学快速制造研究所等单位的专家深入研讨后写成的,对此领域的进一步发展有指导作用。
  图1是我们提出的从21世纪新的观点来看,制造科学技术的发展链。由图可见,快速制造(RM)居于一个承前启后的关键地位。它上承传统制造技术,下启生物制造这种全新的制造技术,因此必须对RM给予足够的重视。
  图1 制造科学技术的发展链(略)
  英国Loughborough大学的P.M.Dickens等人指出,RM的最重要的获益是:① 直接快速制造可以避免繁复的工、模具制造;②产品制造的耗时可有实质性的降低;③使产品的制造成本有较大的下降。其他方面的获益也不可忽视,例如,可增加产品设计的自由度,可采用非均质材料,可采用客户定制以及及时制造的生产方式,易于实行异地制造等等。由图2可见,越是形状复杂且批量小的零件,越应当采用快速制造技术。
  图2 快速制造与传统加工的对比(略)
  Dickens教授还指出,在成本上,传统工艺制作注塑模与快速制造技术制造注塑模有一个交叉点。对于SLS工艺,当成形件的批量低于14 000件时,采用SLS工艺快速制造的模具成本低于传统工艺;这个交叉点对于FDM工艺是6 500件,而对于SL工艺是5 000件。批量低于上述件数,快速制造模具具有成本上的优势;反之,传统注塑模制造工艺比较合适(图3)。当然,上述数据随着各种RM工艺的发展还会发生较大的变化。
  图3 快速制造工艺选择原则(略)
  2 基于快速成形的快速制造技术的最新进展
  快速制造技术的类型繁多,许多都处于研究阶段,已经或即将在制造工业中得到应用的主要工艺有:
  2.1 快速零件制造
  (1) 高能束流金属直接熔敷/烧结成形
  国际上最著名的是LENS工艺(laser eng. net shaping),它由美国Sandia国家实验室的David Keicher发明,并由Optomec Design公司于1997年开始商业化运行。此外还有美国密西根州POM(precision optical manufacturing)公司的DMD工艺(direct metal deposition)和Aero Met Corporation 的Laser Additive Manufacturing 工艺等。LENS工艺将Nd:YAG激光束聚焦于由金属粉末注射形成的熔池表面,整个装置处于惰性气体保护之下。通过激光束的扫描运动,使金属粉末材料逐层堆积,最终形成复杂形状的零件或模具。采用上述工艺已经制造出铝合金、钛合金、钨合金等半精化的毛坯,其精度已超过传统闭式模锻的水平,而质量也达到甚至超过整体锻压所达到的金属内部质量,据说可以取代锻件,在航天、航空、造船、国防等领域具有极大的应用前景。又如,DMLS (direct metal laser sintering) 称为直接金属激光烧结工艺,采用不同熔点的几种金属粉末,通过SLS工艺制作金属零部件,它由德国EOS公司开发。另外还有SLM (selective laser melting)称为激光选区熔化技术,采用单一成分的金属粉末,其主要特点是金属粉末在激光辐照下,达到完全熔化,而非局部熔结,它由德国F&S/MCP公司首先开发利用。
  (2) 立体光刻快速制造
  改进光固化树脂,在保留其高精度的同时,大大提高其强度和韧性,采用固体激光器大大提高其功率,从而增加固化扫描速度来大大提高生产率,用立体光刻这种快速成形工艺可以快速制造功能零件。
  (3) 熔融挤压或三维喷射成形制造
  改进熔融挤压的材料和成形工艺,提高成形件的强度和精度,使之达到直接快速制造功能零件的目的。目前,通过改变熔融挤压的材料可直接获得金属零件,例如采用掺有金属粉末和粘结剂的复合材料丝。也可利用喷头将液态反应材料三维喷射出来,与其他材料反应,反应生成物为金属,从而得到金属零件;或者将粘结剂喷出,金属粉末粘结在一起形成具有复杂形状的零件,再脱粘、渗金属后得到具有功能的零件。熔融挤压堆积成形技术不需使用激光束,设备价格较低,因此,改进熔融挤压的材料和成形工艺,提高成形件的强度和精度,使之达到直接制造功能零件的目的,其工业应用前景十分诱人。国内在开发MEM熔融挤压快速制造系列设备的基础上,在成形材料方面的攻关也取得了重要进展,完成了新型精密喷头、新型支撑软件的开发,成形件的强度和精度大大提高,成形的零件不但可以进行装配,而且可以进行功能实验。
  此外,使用高强度的聚碳酸酯(PC)丝材,并采用高温喷头,可以制造出高强度、高性能的功能零件。例如,美国一家公司采用Stratasys公司的FDM Titan设备和PC线材制造的皮带滑轮可代替生产线上破损的铝制皮带滑轮,并能正常运行。我国北京殷华公司已完成ABS和PC丝材的开发和生产,正在大力推广采用MEM-350等设备的快速制造技术。
  (4) 电子束熔化快速制造
  EBM(electron beam melting)称为电子束熔化快速制造技术,利用电子束选区熔化金属粉末成形,它由瑞典Arcam公司申请专利并进行商业化运行。我国清华大学在自然科学基金的资助下,也研制出相关的设备,并开展了高温合金粉末成形的工艺研究,在确定工艺参数及参数控制等方面取得了新的进展。
  (5) 基于电沉积技术的纳米结构零件制造
  南京航空航天大学快速成形研究中心采用类似于电铸的电沉积技术,研制出相应设备,完善了成形工艺,采用如Ni、Cu、Co、Ni-Fe、Ni-P、Ni-SiC等纳米粉材料,实现各种纳米材料零件的制造,其晶粒尺寸为30~50nm。
  (6) 无木模铸造直接成形
  铸型的微滴喷射快速制造属于间接法快速模具制造,快速铸造砂型采用微滴喷射技术,在铸型CAD模型直接驱动下喷射树脂或其他粘结剂,粘结型砂、陶瓷粉末等耐火材料而完成铸型制造。目前,主要有:无木模铸造PCM、直接壳型铸型DSPC(direct shell production cast ing)、GS(generis’RP systems)工艺、Z Cast Direct Metal Casting工艺等。其中,PCM (patternless casting manufacturing) 工艺称为无木模铸造,它采用逐点喷射粘接剂和催化剂即两次同路径扫描的方法来实现铸造用树脂砂粒间的粘接,完成铸型制造。当前由我国广东佛山峰华自动成形设备有限公司以及美国Extrude Hone集团的子公司Prometal公司进行产业化运作。
  (7) 基于激光的化学沉积快速制造
  主要包括两种工艺:①LCVD-RP(rapid prototyping of laser-induced chemical vapor deposition)称为激光气相化学沉积成形技术,它是最早将气态成形材料用于快速成形技术来制作原型零件的工艺,由美国康涅狄格大学材料科学研究所的Marcus和Birmingham提出;②LCLD-RP(rapid prototyping of laser-induced chemica l liquid deposition)称为激光液相化学沉积成形技术,它利用激光束使液态的成形材料发生光电化学反应、热电化学反应、光分解反应、热分解反应等,从而沉积出金属,并逐层得到三维实体零件。
  (8) 基于激光直写技术的快速制造
  它也主要包括两种工艺:①MAPLE DW (matrix-assisted pulsed laser eva poration dir ect writing)称为基材辅助脉冲激光蒸发直写技术,利用脉冲激光的光压将附着在“色带”上的材料质点“打印”到基底上实现微结构的制造,由美国海军研究实验室(naval researc h laboratory)的D. B. Chrisey首先提出;②LGDW (laser-guided direct writing)称为激光引导直写技术,利用光压对悬浮微粒材料的操纵能力(捕获、输送和沉积)装配(制造)具有精细复杂结构的实体,它由美国密歇根理工大学的M.J. Renn等人首先提出。
  2.2 快速模具制造
  金属模具的直接快速制造也是RP+RM技术的重要组成部分,它可以形成全新的模具设计与制造系统。直接快速模具制造指的是利用不同类型的快速原型技术直接制造出模具本身,然后进行一些必要的后处理和机加工以获得模具所要求的机械性能、尺寸精度和表面质量。目前能直接制造金属模具的RP工艺包括激光选区烧结(SLS)、三维打印(3D-P)和形状沉积制造(SDM)、三维焊接(3D-welding)等。尽管直接快速模具制造有其独特的优点,制造环节简单,能较充分地发挥RP技术的优势,特别是与计算机技术密切结合、快速完成模具制造,对于那些需要复杂形状的内流道冷却的模具与零件,采用直接RT有着其他方法完全不能相比的独特优势。但该项技术目前离实用化尚有一段距离。
  (1) 粉末冶金快速模具
  美国3D Systems公司还推出了一种粉末冶金快速模具工艺,这种工艺称作3D Keltool。它的制作过程为:首先用SLA原型翻制出硅胶模作为中间转换模,然后将混有树脂粘结剂的工具钢粉末灌注到中间模具中,待材料凝固后取出,得到模具生坯件,通过烧结去除粘结剂,得到内部疏松结构(约30%孔隙率)的模具熟坯件,最后经过渗铜处理增加材料的致密度和机械强度,通过简单机加工进一步保证模具的精度(可达0.04 mm),即得Keltool模具。该模具70%为钢,30%为铜,其特性与P20工具钢模具类似,可以承受20 000~25 000 Pa的压力和650 ℃的高温。
  (2) 快速精密铸造模具
  采用快速精密铸造的方式得到快速模具有许多方法。Quick Casting是美国3D Systems公司推出的一种工艺。它利用立体光刻(SLA)工艺获得零件/模具的半中空RP原型,然后在原型的外表面挂浆,使一定厚度和粒度的陶瓷壳层紧紧地包裹在原型的外面,再放入高温炉中烧掉半中空原型,得到中空的陶瓷型壳,即可用于精密铸造。浇铸后得到的金属模具还需进行必要的机加工,使其表面质量和尺寸精度达到要求。该方法的优点是用SLA原型代替原来精密铸造中的蜡型,从而大大提高了铸造原型的精度,并且大大加快了制造速度。中国清华大学首先提出无焙烧陶瓷型制模(unbaked ceramic mould tooling),该技术首先以RP原型为母模,将RP原型翻制为硅胶模,再由硅胶模翻制陶瓷型,通过陶瓷型精铸得到金属模具。
  (3) 基于沉积技术的模具制造
  美国斯坦福大学的Prinz等采用形状沉积制造(SDM)工艺直接制造出含复杂内流道的多组元材 料注射模,经过一定的后处理之后,模具的尺寸精度与表面质量均达到要求,这种注射模由于包含其他方法所不能做到的内流道,注射时的冷却效果非常好,因此受到人们的重视。美国的Idaho 国家工程与环境实验室(idaho national engineering and environmental labo ratory,INEEL)提出了一种RSP(rapid solidification process)快速制模技术。它的原理是采用普通的合金(如P20、H13与D2工具钢或其他合金)粉末,通过沉积技术在RP原型的表面形成一层具有足够厚度的沉积层。在增压的作用下,熔融金属液体进入喷头,在高速气体的带动下,金属微粒甚至可以以增原子的方式沉积在表面上,这样便能够把RP原型表面极细微的特征复制下来。表面粗糙度Ra可以达到0.0735 mm,沉积率为227 kg/h。适用于此项工艺的材料不仅包括金属,而且包括陶瓷、聚合物等各类材料。
  (4) 光固化直接模具制造
  美国3D Systems公司开发出一种称为直接AIM快速制模工艺,它使用立体光刻设备,采用SL 工艺与特种材料,直接制造出ACES(accurate clear epoxy solid)注射模。目前看来这种工艺也有缺点,主要是模具寿命较短,注射零件的复杂程度也受到限制。日本的NTT Data CME T公司的SOUP设备也有类似的工艺。
  (5) 电铸模
  电铸模是一种结合快速原型和传统电铸工艺的快速模具技术。它的基本过程为:首先对RP原型表面进行必要的处理,如打磨、抛光、涂敷导电层等,然后置入电铸槽中,通过常温电铸获得金属壳层,该壳层的内表面精确地复制出了RP原型的外表面,通过中高温烧结去除金属壳内的原型,然后在模具框和金属壳外侧之间浇铸低熔点合金或铝粉-树脂混合材料作背衬,即可得到电铸模。
  3 快速制造技术的发展趋势
  国外近年来的快速制造技术发展非常快,在新材料、新工艺、新应用等方面都有了开拓性的发展,可以说,快速制造正逐渐成为一种新的生产方式。根据上述国内外快速制造进展的介绍,结合我们的体会,我们认为快速制造技术在以下几个方面必将获得长足的进步。
  3.1 产品设计
  根据RP的基本概念,它是由产品的CAD模型数据直接驱动,可完成任意复杂程度的产品或原 型。从过程的前半部看,它是一种典型的虚拟制造。因此,RM对于产品设计有非常大的用处。通过RM进行产品设计,可将设计过程限制于“Design-for-manufacturing (DFM)”,意即直接用于制造的设计。这种设计比起制造业中通常的设计要简化许多,只需利用三维CAD系统生成相关的形状即可。这样使得设计的自由度大大增加,从而导致“manufacturing-to-design”(面向设计的制造)的到来,此即RM所优于其他任何一种制造技术的原因。
  3.2 非均质材料
  传统的机械零件通常是用均质材料制造的,由于零件在接触表面区会有更大的磨损或破坏,因此人们采用表面处理或表面层技术,此时实际上已经不是均匀材料了。但是这里谈的是具有成分梯度和(或)性能梯度的非均质材料。采用RM技术,非常容易实现在不同区域使用不同种类、不同成分的材料,亦可以在基材上沉积其他材料的固溶体。
  3.3 客户定制
  由于RM无需在开发新产品时首先进行设计、制造工、模具,因此大大增强了设计、制造过程的灵活性,使得客户定制的理念得以实现。不仅能够达到小批量、多品种,而且可以灵活地按照客户的具体要求对产品作各种各样的修改,一个著名的例子是隐形牙矫治器的设计与制造。
  3.4 及时制造的生产模式
  传统的及时制造与快速制造,这两者有着本质上的不同,对于传统的制造模式,以前所谈论的及时制造实际上只是一种管理层提出的概念,其实并不能做到真正及时。现在,基于RM,一方面由于从设计到制造的环节大为减少,另一方面是减少工、模具的设计与制造而大大节省了时间,因此可以真正采用及时制造这种先进的生产模式。
  3.5 通过网络的制造
  互联网的出现,使得异地制造真正成为可能,但是,有关的例子却非常稀少。RM为通过网络的制造提供了广阔的道路。这个新技术在医学模型的制造上显示了极大的优点。国外一些著名的大医院,已经认同采用RP技术来得到医学模型,以帮助手术方案的确定。当然,通过网络的制造在许多方面对信息技术又提出了新的挑战。
  3.6 直接快速制造
  由RP堆积金属(黑色金属、有色金属及其他耐高温合金等)的难度决定了直接快速制造在未来的5~6年内无法在快速模具领域中占据统治地位。这一期间内,主要还是间接快速模具技术占统治地位。但是,随着大功率激光烧结、激光同轴送粉、三维焊接(3D welding)、均匀微滴喷射(UPS)及其他激光净成形技术的完善,直接快速制造技术将逐渐成为RM技术的主流。
  3.7 生物制造(BM——bio-manufacturing)
  生物制造包括仿生制造(模仿生物行为和结构等的科学)、生物质制造(利用生物过程完成有机质-产品的制造)和生物体的制造,如人体器官的人工制造。包括上述3个方面的生物制造是广义的生物制造(BM——bio-manufacturing);仅涉及人体器官人工制造的生物制造为狭义的生物制造(OM——organism manufacturing)。从制造科学的角度分析,人体器官人工制造本质上就是一种新型的快速制造,它是在人体器官和组织的CAD模型的驱动下,组装由细胞和生物材料形成的单元,而形成的类组织前体(analogy tissue precarsor)经培养并训练而得到具有生理功能的人体器官。显然,与RM相比,RM中的微滴为材料单元,在OM中则变成了细胞-材料单元,即组装对象从无生命的材料变成有生命的细胞,但它所遵循的制造科 学的原理则是相同的——即离散-堆积成形。当前,基于RM的OM有3类,即:细胞打印(cell printing),以美国Clemson大学为主;生物绘图(bio-plotting),以德国En vision Techno logy公司为主;而细胞三维受控组装工艺(3D controlled cell assemly),为我国清华大学的发明,该工艺引起国际上广泛的兴趣。生物制造、特别是狭义生物制造(OM)开创了制造科学(以RM为代表)和生命科学相结合的全新的制造科学领域。
  4 结束语
  随着现代科技的高速发展,快速制造技术不断完善,并涌现出一些新的成形工艺。快速制造技术一方面使得原型的精度、成形件的性能和成形速度不断提高,另一方面使设备和材料的价格不断下降,加上三维CAD系统的逐渐普及,其应用领域和市场越来越广。当前,我国在快速制造方面与国际先进水平并无很大的差距,在某些方面还保持着自己鲜明的特点,有一定的优势。这些成绩虽然喜人,但如果不采取有力的措施加以支持与保护,也很容易丧失地位,再去追赶则需要投入更多、更费精力,且事倍功半。
  参考文献:(略)
  摘自:《电加工与模具》2006年增刊

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