快速成形技术国内外发展趋势
为了提高我国制造业的国际竞争能力,促进经
济增长和提高国家综合实力,我们不仅应关注技术
的超前性,更应重视来自企业界的实际需求。在发
展具有中国独立知识产权的快速成形(RP) 技术时,
也应认真考虑这两个方面。RP 技术是制造业中一
种重要的新技术,是信息化带动工业化所倚重的新
技术之一。在信息技术日新月异的今天,由于RP
技术是传统制造业与信息技术相结合的新技术,因
此更加显现出它的重要性。
1 世界RP 技术的新发展
80 年代后期发展起来的RP 技术,被认为是近
收稿日期:2000 - 11 - 10
20 年制造技术领域的一次重大突破,其对制造业的
影响可与数控技术的出现相比。RP 系统综合机械
工程、CAD、数控技术、激光技术及材料科学技术,可
以自动、直接、快速、精确地将设计思想转化为具有
一定功能的原型或直接制造零件/ 模具,有效地缩短
了产品的研究开发周期。目前国内外RP 研究、开
发的重点是:RP 技术的基本理论、新的RP 方法、新
材料开发、快速模具制作技术(模具制造工艺、模具
精度及大型模具制造) 、金属零件的制造、生物工程
的开发与应用等。它是当前世界上先进的产品开发
与快速工具制造技术,其核心是基于数字化的新型
成形技术。先进的RP 系统,是与CAD 集成的系
统。
目前国内外对于RP 系统的市场需求越来越广
泛。总的来说,采用RP 技术,可以缩短产品开发周
期2～10 倍,节省开发费用5～20 倍,从而大大降低
了产品开发的风险,提高了产品在市场上的竞争力。
特别是将RP 技术与快速模具(RT) 制造技术相结
合,可以使模具的制造时间减少1/ 3 ,成本下降20 %
～30 % ,很好地解决模具生产赶不上产品开发需要
的矛盾。
Terry T. Wohlers 对RP 技术作了如下描述:
RP 是通过特殊加工工艺实现的一种设计的物理模
型[1 ] 。RP 系统依据三维CAD 模型数据、CT 和
MRI 扫描数据和由三维实物数字化系统创建的数
据,通过各种使能方法,把液体、粉末或薄片形态的
材料堆积起来制造物理实物。颜永年等[2～3 ]对RP
的描述则更为详细:RP 技术是基于离散/ 堆积成形
原理的新型数字化成形技术。它是在计算机的控制
管理下,根据零件的CAD 模型,通过材料的精确堆
积,制造原形或零件的。其成形过程是, 首先用
CAD 软件设计出“零件”的CAD“电子模型”,然后根
据具体工艺要求,将其按一定厚度分层,即将其离散
为一系列二维层面,将这些离散信息同加工参数相
结合,生成NC 代码输入成形机。成形机则依照NC
代码,顺序加工各单元层面并彼此结合,从而得到与
“电子模型”对应的三维实体,即物理模型或原型。
利用分层制造方法,可以快速、高精度地用CAD 数
据完成原型制造。
RP 系统可分为两大类:基于激光及其他光源的
成形技术(Laser Technology) ———例如:激光立体光
刻(SL) 、分层实体制造(LOM 或SSM) 、激光选区烧
结(SLS) 与形状沉积制造( SDM) 等;基于喷射的成
形技术(Jetting Technology) ———例如: 熔融沉积制
造(FDM 或MEM) 、三维印刷(3DP、MJM) 、多相喷
射沉积(MJD) 、冲击微粒制造(BPM) 与实体磨削固
化(SGC) 等。
发展现状表明,基于喷射技术的RP 具有更大
的发展前景,人们已开始把基于激光技术的RP 称
为“传统的RP 技术”,而把基于喷射技术的RP 称为
“新一代的RP 技术,信息网络时代的RP 技术”。信
息和网络时代来得如此迅猛,它使高新技术加速其
新陈代谢过程,一方面使许多技术更快地结束生命
周期,另一方面又促使另一些更具生命力的技术更
早地进入成熟期。与网络、信息技术能更好地结合
的技术与工艺将获得更大的生存空间。数字化喷射
快速成形技术由于数字化、信息化的程度超过了传
统的RP 技术,使数字处理、加工带来的突破不仅处
于工具的层次,而且进入材料处理的层次,因而彩色
问题、M2 (Multi Material) 问题、材料梯度(因而引起
功能梯度) 等问题迎刃而解。从这个意义上讲,个人
模型制造( PMM ———Personal Model Maker) 和彩色
模型制造(CMM —Colour Model Maker) 将具有划时
代意义,它是信息网络时代的RP 技术,是信息科学
与制造科学相结合的产物。今后,从网上卸载的不
仅是信息资料和软件,而且还可通过网络三维实体
卸载器卸载我们所要的三维结构,包括了多种网络
卸载器的网络终端制造系统将使具有个人服务特征
的家庭工厂成为现实。
2 RP 技术的应用领域不断扩大
目前,RP 技术向两个方向发展:一是工业化大
型系统,服务于生产高精度、高性能零件;二是自动
化的桌面小型系统,主要用于制造概念原型。先进
国家许多教育单位(中等职业学校甚至中小学) 已经
开始购买小型RP 设备,更有人预言它有可能进入
家庭。最早开发出FDM 工艺的St ratasys 公司从
1991 年起产量逐年上升,保持了强劲的增长势头,
并从1996 年起超过了3D Systems 的销售量,1997
年成为全球RP 领域销售台数最多的专业公司。而
3D Systems 公司也转向喷射快速成形技术,开发了
多喷头的微滴成形工艺(MJM) 并形成较低价位的
产品ThermoJet 推向市场,于1998 年和1999 年又
夺回了销量第一的位置。1999 年全世界生产了
1195 台快速成形设备,其中686 台(即57. 4 %) 为数
字化快速成形设备。在众多的快速成形工艺与设备
中,采用喷射成形技术的就占了一半以上,已成为
RP 设备的主流设备。
RP 技术的第一个重要应用是产品的概念原型
与功能原型制造。采用RP 技术制造产品的概念原
型,用于展示产品设计的整体概念、立体形态和布局
安排,进行产品造型设计的宣传,作为产品的展示模
型、投标模型、面市模型使用;而功能原型用于产品
的结构设计检查,装配干涉检验,静、动力学试验和
人机工程等,从而优化产品设计,同时还可以通过产
品的功能原型研究产品的一些物理性能、机械性能。
通过RP 技术快速制造出产品的功能原型,可以尽
早地对产品设计进行测试、检查和评估,缩短产品设
计反馈的周期和产品的开发周期,大大降低产品的
开发费用,大幅度提高产品开发的成功率。
先进快速制模技术是近年来模具制造业中十分
活跃的领域之一。由于现代社会产品竞争十分激
烈,产品快速响应市场往往是竞争制胜的关键,所以
模具快速制造显得尤为重要。先进快速制模是采用
RP 技术,制造用于新产品开发与试制的快速模具
(RT) 制造技术。显然在开始进入数字化的时代,先
进快速制模是发展快速制模的主战场。传统模具制
造的方法很多,如:数控铣削加工、成形磨削、电火花
成形加工、电火花线切割加工、铸造模具、电解加工、
电铸加工、压力加工和照相腐蚀等。由于这些方法
工艺复杂、时间长、费用高而影响了新产品对于市场
的响应速度。而传统的快速模具(例如中低熔点合
金模具、电铸模、喷涂模具等) 又由于工艺粗糙、精度
低、寿命短,很难完全满足用户的要求。即使是传统
的快速模具,也常常因为模具的设计与制造中出现
的问题无法改正,而不能做到真正的“快速”。因此,
应用RP 技术制造快速模具,在最终生产模具开模
之前进行产品的试制与小批量生产,可以大大提高
产品开发的一次成功率,有效地节约开发时间和费
用。在RP 原型制造出来之后,以此原型作为基础,
采用一次转换或多次转换工艺,制造出实际的大批
量生产中或产品试制中零件使用的模具,称为间接
模技术,目前是RP 技术最重要的应用领域。
RP 技术在医学方面有许多应用。根据CT 扫描
或MRI 核磁共振的数据,采用RP 技术可以快速制造
人体骨骼和软组织的实体模型。这些人体器官实体
模型可帮助医生进行病情辅助诊断和确定治疗方案,
具有巨大的临床价值和学术价值。在康复工程方面,
采用RP 技术制造人体假肢具有最快的成形速度,假
肢和肌体的结合部位能够做到最大程度的吻合。生
物活性材料快速成形———利用RP 技术制造人工器
官(例如人体骨骼和器官) 也是今后发展的重点。人
工器官通常是具有多孔隙率的结构,因此在快速成形
技术中,喷射技术是唯一可行的工艺。例如,立体光
刻技术只适用于制作体外模型;熔融沉积法则可以通
过连续喷丝堆积成形,形成互相导通的微孔结构,但
它因需加热而影响生物活性;常温喷射成形可先复合
活性物质而后一次成形。总之,生物活性材料快速成
形已成为RP 研究中的一个新的热点。
3 世界RP 市场分析[ 4 ]
1999 年是世界RP 迅速发展的一年。RP 设备
和服务总产值为5. 38 亿美元,服务产值大于设备产
值(分别占总产值的56 %和44 %) ,比1998 年分别
增长14. 6 %和13. 3 %(图1) 。
图1 1999 年世界RP 设备和服务总产值对比
图2 为历年世界RP 设备的销售情况。由图2
可见,在总体呈上升趋势中,1998 年出现了一个低
谷。对此,各国RP 专家进行了极其热烈的讨论。
例如在全球RP 协会联盟( GARPA) 高峰会议上,人
们将此归结为传统的RP 趋于下降的缘故。有可能
是RP 设备趋于饱和? 还是别的原因? 结论是RP
技术既不过时,也不饱和。特别是以数字喷射为代
表的RP 技术(NJ RP) ,由于与信息技术的结合更加
紧密,所以会以比传统RP 高得多的速度发展。果
然,1999 年世界RP 设备的销售又出现上升,且上升
的幅度相当大。由此可见,对于技术市场的分析,既
要从经济学的角度来进行,也要从技术发展的角度
来进行。
图2 世界RP 设备历年的销售情况
美国是世界上最重要的RP 设备生产国,1999
年美国生产RP 设备占全世界的81. 5 % ,美国的动
向可以说代表了世界的动向。美国各RP 公司1999
年共生产974 台,其中属于NJ RP 的为686 台,即
70 %的美国RP 设备都属于数字化喷射成形设备,
见图3 。
世界主要NJ RP 生产厂商的产量占世界RP 设
备保有量5449 台的43. 7 % ,考虑到NJ RP 从1994
年以后才大量生产,而其它工艺在1988 年以后就逐
渐走向市场,应该说世界上的NJ RP 发展速度远大
于非NJ RP 的发展速度(表1 及图4) 。由表1 及图
(3) 注重系统技术集成与资源共享
RP 系统涉及计算机软件、自动控制、材料及加
工工艺等多个领域,一般来说属于比较复杂的系统。
对于RP 的研究必须注重系统技术集成,对于RP 技
术的应用必须注重资源共享。这种集成包括三个方
面:第一,RP 设备的制造本身涉及多方面的技术,只
有很好地把这些技术通过合理的方法集成起来,才
有可能制造出水平高、质量好、价位能被市场所接受
的产品,并进而实现产业化。第二,有了RP 设备,
还要向用户推荐、介绍正确的RP 工艺参数,生产合
格的RP 专用材料,并将自己潜心研究的后续RT
技术转让给需要这些技术的用户。这不仅对于销售
RP 产品很有用处,更有着巨大的社会效益。第三,
应当通过先进的网络技术,为实现资源共享、敏捷化
响应、异地协同制造起到应有的作用。虽然在国家
科技部的支持下,一些地方成立了RP 技术生产力
促进中心,但仍远远不够,且社会上有许多单位还不
了解这些中心。目前,中国机械工程学会电加工分
会快速成形技术委员会已有了自己的网站: http :/ /
www. crpc. org. cn。此外,西安交通大学等也为各
地的RP 技术生产力促进中心开通了网站,网站名
为:http :/ / www. crpm. org. cn。我们相信,随着网
络知识及网络建设越来越普及,网站上的信息资源
越来越丰富,服务越来越周到,这些网站一定会起到
越来越重要的作用。
(4) 做好RP 产品的标准化、规范化工作
RP 产品的标准化、规范化工作无疑是非常重要
的,这在我国发展RP 技术的早期就提出来了,许多
专家曾集中进行过讨论。在1997 年RP 技术委员
会成立时召开的第一次全体会议上,大家一致同意
要把RP 产品的标准化、规范化工作放在一个重要
的地位,逐步开展这方面的工作。随着我国自行制
造的RP 设备种类的增加,数量的增多,这个问题显
得越发重要了。目前出现了这样一种倾向,即一些
并不真正掌握RP 技术、不具有生产RP 产品能力的
公司,都开始上马生产RP 设备。这些产品往往是
低水平的重复,少数RP 产品甚至粗制滥造。如何
改变这种局面呢? 我们认为,首要的一点是制定RP
产品质量标准,通过专家与同行评审确定能够生产
RP 产品的企业的资质。只有通过这样艰苦细致的
工作,才能从根本上杜绝这种现象。 |
发表于 2006-9-28 14:07:02
发表于 2007-1-11 22:05:01
