论新兴的制造趋势——快速成型技术的应用

　 快速成型，或者说快速制造，已经成为一项能够缩短产品设计和研发时间的关键性可行技术。 而在当今的市场环境中，快速的产品设计，新品研发及产品升级，抢先上市往往能够带来巨大的竞争优势。 这就是为什么越来越多的公司开始采用能够让他们在传统方法无法企及的更短的时间周期内设计、制造产品的快速成型技术。来自新加坡的法如科技 亚太区高级应用工程师吕辉平为我们做出了详细的讲解——编者按

快速成型的发展

　 “快速成型”或“无模制造”是广为接受的自动化制造技术术语，具体指的是以三维计算机模型的数据和几何结构为基础制造尺寸正确的非生产目的实体零件和组件。通俗地讲，它是利用三维计算机辅助设计数据进行实体零件或组件的比例模型的快速制造所采用的一系列技术。这对于工程师而言是十分有益的，它让工程师可以更好地理解他们正在设计的产品，并为他们在与其他人沟通时提供可视化辅助。利用快速成型技术可在设计过程中较早地发现设计难题，从而节省时间和成本。

　 在上世纪 60 年代末，出现了可进行系统开发的自动化制造工艺，促进了计算机技术的发展，避免了在真正设计出所需对象之前制造较大体积实物而造成的大量材料浪费。上世纪 90 年代，出现了一种不同的设计制造方法——即以熔融材料制造出三维尺寸和形状正确的物体，即我们现在称之为“快速成型”的工艺诞生了。首批快速成型技术出现于上世纪 80 年代末，当时被用于制造模型和原型零件。如今，该技术的应用更加广泛，甚至可用于制造数量相对较少的生产质量零件
　 制造业从初期至今，传统机加工/制造技术包括车削、镗削、钻削、铣削、锯削、刨削、铰削、攻丝甚至电火花加工等各种工艺，在此过程中通过材料去除加工将原材料切削成所需的最终形状、几何结构和尺寸。
快速成型技术及其应用
　 早期的传统机加工方法可称为“减成法”工艺，大多数加工采用材料去除工艺，并不涉及信息科技中的基于模型定义的方法。而在随后的制造工艺中出现了在计算机辅助制造 (CAM) 中使用计算机辅助设计 (CAD) 模型以用于设置数控机床 (CNC) 的刀具运动路径的技术，这一技术为现代工业奠定了基础。
　 早期的制造业中，所有产品设计构思通常都要借助图纸和实体模型进行，因此要求工匠、设计师或工程师采用黏土或木头来构建模型，而且往往需要耗费大量时间和高昂成本才能制造出高精度产品或组件以用作初始原型。从那以后，工业上开始出现了一些不同的“快速成型”技术。直至最近，零件或组件的快速成型才开始采用“加成法制造”工艺，即所谓的三维打印技术。
　 这是一种利用计算机模型和加成法构建三维实体的工艺。在加工过程中，物体通过分层制造、材料逐层叠加的方式制造，即这一技术采用顺序层叠工艺构建物体。以加成法制造的物体可用于产品生命周期的全过程——从预生产（即快速成型）到规模化生产（即快速制造），还可用于模具应用和生产后定制。三维打印快速成型通常由一台采用数字技术的材料打印机执行。
 
　 与大量依赖于切削、钻削等材料去除工艺的传统机加工技术（减成法工艺）不同，出现于本世纪初的三维打印技术由于其明显优势已得到越来越广泛的应用。这一技术的采用导致了投资成本的大幅下降。快速成型是“快速制造”技术之一，是最早的加成法技术之一，目的是减少前导时间和新零件和设备的原型制造成本，而这些步骤在以前只能通过刀具室减成法实现（通常是缓慢而且昂贵的）。随着加成法制造技术的发展，加成法已经以创新甚至是不可思议的方式进入制造业的产出端。以前只能以减成法制造的零件，现在在某些情况下可以通过加成法以更加低成本的方式制造。该技术在产品开发阶段具有广泛应用，例如对根据尺寸校正原型零件制造的组件进行运行完整性测试。
触觉式三维模型或装配测试原型：
　 能够在产品开发过程中较早地发现和解决大部分问题，可进行干扰检验，对材料性质与生产零件相近的产品进行强度和抗疲劳测试。
结构张力和热应力分析，能够较早地进行实体模型测试程序，为有限元分析 (FEA) 提供补充数据。模拟下游制造工艺，加速工艺规划、设计审批进程。

　 该技术的应用越来越广泛，包括设计可视化，比如艺术和设计方面，艺术家能够借助它进行复杂的艺术实验，从而支持和提高他们的创造力。有时，“快速成型”模型的高成本意味着模型尺寸方面存在着严格的限制，但是，随着最近该技术的迅速发展，它已变得越来越具成本效益，因此，许多艺术应用都可以采用“快速成型”技术。其他方面的应用也在迅速发展，如国内装饰品和业余爱好者的使用等，有创意的企业家受到激励，不断地发掘广大消费者的需求，向他们推出 iPhone 和 iPad 外壳设计等定制服务，顾客只需要简便地通过网络就能够订购由三维打印技术生产的独一无二的产品。

　 这也催生了大量为消费者和工业应用提供在线三维打印服务的公司。此类服务需要客户将三维设计上传至在公司网站。随后这些公司使用工业三维打印机对这些设计进行三维打印，并将成品寄送给客户。最近开发出的快速成型打印产品，可使用不同类型的材料，可进行药品甚至是巧克力加工。另一种广泛使用的应用是熔模和真空浇注的形状构建，快速成型模型构建可用于铸造工艺，生产出能够承受各种类型的应力（如温度或压力）的组件。对于数量少且设计复杂的零件甚至是需要废弃的 OEM 组件而言，这是具有成本效益的替代方案，
 
　 让我们一起看个例子，了解构建新模具的过程：
 
　 首先，最终产品是已完成设计的或是已完成激光扫描的实体模型，从而能够使用 CAD 软件进行设计优化，或者利用其他办法来构建以作为首件物品。如果对于复杂曲面有较多要求，或者需要在数字模型中包括浇注系统和冒口，则对于需要作出更改的部位而言，激光扫描技术是将其转化为数字模型的实用工具。然后便可使用可溶解材料进行快速成型模型的三维打印。砂模铸造开始，快速成型模型将在砂模固化过程中发生熔化而在砂模内形成真空模腔，此时可往模腔内注入熔融金属。最后打开砂模，取出铸件并进行装配。

快速成型的巨大优势 
　 以数字格式捕获实体设计和原型，重制遗留的零件和模具，复制复杂和有机的形状，制备用于计算机辅助工程应用的已建模型，支持独特组件的大规模定制（牙科、助听器等应用）。与使用传统生产技术相比：传统生产技术通常会产生大量废料或造成大量浪费，还伴有严重的刀具磨损，最终导致高昂的模具更换成本；高昂的设备投入成本，如机加工中心、计算机辅助制造软件等，制造小体积高混合产品更具成本效益，通常需要熟练技工，尤其在生产复杂零件时，形状复杂程度有限，不必使用图纸。

　 加成制造利用计算机辅助设计的虚拟蓝图或建模软件的扫描仪数据，将它们“切片”为数字横截面，从而为之后的打印过程提供路径指示。取决于所使用的机器，材料或粘合材料在构建基床或平台上不断沉积，直至材料/粘合料层叠加工全部完成，从而最终完成三维模型打印。

快速成型技术要求
 
　 CAD 软件和机器之间的标准数据接口为 STL 文件格式。通常也可接受 .vrml (wrl)、.obj、.zpr、.ply 等格式。STL 文件使用三角形单元来逼近零件的形状。逼近单元越小，曲面质量就越高。PLY 是扫描仪生成的输入文件格式，而 VRML（或 WRL）文件则通常用作三维打印技术的输入，可打印全彩色模型。
 
　 执行打印时，机器读取设计数据，根据一系列的横截面形状使用液体、粉末或金属片进行逐层叠加，从而构建模型。这些与 CAD 模型的虚拟横截面相对应的材料层，通过粘合或自动熔合成为一体，最终构建为所需的形状。这一技术的主要优点是它几乎可以制造出任何形状或几何结构。

　 第二种构建快速成型模型的技术称为选择性激光烧结成型 (SLS)。
 
　 它使用一种细粉末，在二氧化碳激光加热下，微粒表面张力被破坏，使其熔合在一起。在粉末烧结之前，整个基床被加热至比材料的熔点稍低的温度，目的是确保最小的热形变和利于与前一层的熔合。激光经过调制，使得只有直接接触到激光束的晶粒受到影响。使用激光束对粉末基床上的一层材料进行烧结。之后，基床下降，粉末喂料盒上升，一个反向放置的辊子将一层粉末均匀地平铺于构建区域。烧结材料形成零件，而未烧结材料则保留下来以为结构提供支撑，且在构建完成后可被清除和回收利用。
 
　 选择性激光烧结成型工艺广泛用于制造聚酰胺模型以进行功能性测试。聚酰胺零件 SLS 制造在需要制造少数零件时（一至五个）通常具有较好的成本效益。通常也使用普通材料，例如热塑性塑料，金属或陶瓷粉末。

　 第三种方法称为“熔融沉积成型”。FDM 系统包括两个可移动的工作头（一个用于构建零件，一个用作支撑），其作用是将长条状熔融材料沉积于基板上。材料被加热至稍高于其熔点的温度，使得其能够在挤出之后立刻固化，从而冷焊至前一层。

　 前面提到，三维计算机辅助设计造型是支撑这项高效率工程的另一主要使能技术。如果各项设计和制造活动同时展开，则可以压缩整个产品开发时间。如此可提供更多时间进行设计迭代，从而有利于工程师充分发挥想象力。三维模型成为整个产品或项目信息基地的核心，使得所有设计、分析和制造活动可以利用相同的数据。因而即不会发生重复也不存在误解。通过这种方式捕获的产品信息可以进行拷贝和重复使用，非常方便用于各种下游应用。
　 快速成型数据格式通常接受 .vrml (.wrl)、.obj、.zpr、.stl、.ply 等文件扩展名。从零开始创建数字模型的一种方式是进行激光扫描，使用三维扫描技术还可对实体对象进行复制。 尤其是珍稀脆弱的文物，直接接触成型物质可能会损害原物件的表面，因此采用成型技术通常比较昂贵、棘手或者会对文物造成很大影响。

FARO 供应各种型号的激光扫描仪
 
　 激光扫描测头安装于一个铰接测量臂的端部构成了 ScanArm 激光扫描臂。典型的激光扫描臂的工作容积为 1.8 – 3.7 m（6 – 12 ft.），质量较轻（约 10.7 – 11.3 kg）。通常拥有 6 或 7 个旋转轴（使其能够在更大的方向范围内移动），Scan Arm 可进行非接触式测量，质量轻（仅 76 克），规格视所使用的扫描臂而定。FARO AMP 是另一款高性能非接触式三维扫描仪/成像仪，能够在数秒内采集数百万点。
AMP 装备坚固的外壳，能够在车间地板、供应商现场或任何场所全方位地收集零件、组件或模具的信息。

　 FARO AMP 采用具有专利的高端技术，即云纹干涉测量法 (Accordion Fringe Interferometry, AFI)。AFI 使用激光产生无限聚集的干涉条纹，并投射至零件上。当 AMP 相机捕获到干涉条纹时，便形成高精度的点云——即形成视野中零件的真正重现。干涉条纹的精确度使其优于其他投射方法。AMP 的光学过滤可阻挡不需要的波长光，可在宽色彩范围、反射和变化的光照条件下进行零件测量。FARO AMP 总重仅 17 kg。
 
　 在FARO 扫描仪中，捕获容积排第二的是 FARO Focus 3D，这款激光扫描仪可在一秒内记录约一百万个测量点。该设备完全内置所有装置，因此在运行时无需额外的设备、电缆或笔记本电脑。Focus3D 是目前最小的和最轻的激光扫描仪，尺寸为 24 x 20 x 10cm，重仅 5kg，它是如此的小巧和轻便，用户可以随身携带到任意工作场所。FARO ScanArm、FARO Amp 三维成像仪和 FARO Focus 3D 三者的主要差异在于捕获点云数据的能力。FARO ScanArm 以人工方式收集点云数据。它需要用户手持激光测头在物体上来回扫描，激光测头可借助铰接臂的主旋转关节的灵活性而自由活动。FARO AMP 三维成像仪则自动采集数据。将物体定位于该机器的成像范围内（长：500mm x 宽：500mm x 高：220mm），它便能以每张图像 4 百万点的速度捕获数据。FARO Focus 3D 同样拥有自动捕获点云数据的能力，测量范围可从旋转镜片中心向外辐射 120m，只要设定了激光扫描参数便可工作。

注意要点
要点1:
　 快速成型技术已发展到能够将现代模型的构架时间从原本的数天缩短到数小时，具体取决于使用的方法、模型的大小和复杂性。而且，这种新的制造方法及其应用正在不断发展并被许多专家评定为达到技术的“新水平”。

要点2:
　 关于大规模生产： 三维打印机当前缓慢的打印速度限制了大规模生产，为了降低费用，目前采用了多台熔丝机来提供多个挤出机头。如此便能够在打印时采用多种颜色、多种聚合物材料或同时打印多个模型。从而可以在多实例生产过程中提高整体打印速度。
要点3:
　 多种材料快速成型机可根据需要同时采用多种颜色和多种材料。这种机器现在提供双打印头，用于制造多种颜色或不同属性材料的单个（整套）零件。如此快速成型可同时使用更多种材料，从而提高零件生产效率。我们希望将快速成型技术应用于大规模的房屋建造，从而以比传统砖混方法更快一倍的速度为国家发展出一份力。
要点4:
　 三维打印未来还可用于采用注射技术构造器官和人体部位的组织工程应用中。这个研究领域涉及的术语包括： 器官打印、生物打印、人体部位打印和计算机辅助组织工程等。

　 用于军事研究的实例包括在士兵身上采用使用三维激光扫描，确保其所有身体特征均录入数据文件中，如果士兵出任务回来后受伤，就可以利用这些数据为士兵建造与原本一模一样的假体。
要点5:
　 最终用户会更充分地将其应用于制造，而不是从距离遥远的某公司购买产品用于生产。比如尝试设计可以从互联网上下载和打印的枪械。就近寻找零件供应商或业务合作伙伴能够为企业节省运输成本。

要点6:
　 用户也看好成型、加工、设计和装配行业的前景。作为国家制造业创新网络基础设施的试验研究院，美国国家增材制造创新机构 (NAMII) 于 2012 年 8 月 16 日在俄亥俄州扬斯敦正式成立。在全国国防制造业和机械加工中心的推动下，NAMI 将作为全国公认的卓越创新的加成法制造中心，帮助美国制造业转型并促进整个行业的显著发展。

　 NAMII 唯一的目标是通过以下方式加速发展美国制造业的加成法制造技术并提高国内制造业的竞争力：
1) 促进发展能够公开交流加成法制造技术信息和研究的高度协作的基础架构。
2) 促进高效灵活的加成法制造技术的开发、评估和部署。
3) 对学生和工人进行加成法制造技术方面的知识技术培训，培养一支适应能力强的先进的劳动力队伍

（根据FARO 亚太区高级应用工程师吕辉平演讲内容，国际金属加工网整理）

声明：本网站所收集的部分公开资料来源于互联网，转载的目的在于传递更多信息及用于网络分享，并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。本站部分作品是由网友自主投稿和发布、编辑整理上传，对此类作品本站仅提供交流平台，不为其版权负责。如果您发现网站上所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容，以保证您的权益！联系电话：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。