快速成型技术发展方向探讨
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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
美国卡内基梅伦（Carnegie Mellon）大学的L.E.Weiss和斯坦福（Stanford）大学的R.Merz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。
图1 多种材料组织的熔积成形
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
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，目前工作正在进行中。
图4 层扫描光固化法
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P.Dickins等人提出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
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。
图7 光成型表面光顺工艺
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，为进一步进行模具加工和功能实验提供基础。