典型零件加工工艺

快速成形制造技术（rapid prototyping ＆manufacturing，RPM）综合机械、电子、光学、材料等学科，能够自动、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，它是当前世界上先进的产品开发与快速工具制造技术，这种技术在逆向工程技术中占有十分重要的地位。

1.RPM技术的产生与发展

快速成形技术理念最早由日本的Kodama于1980年提出，20世纪80年代末至90年代初得到较快发展。快速成形技术突破了传统的加工模式，不需机械加工设备即可快速地制造形状极为复杂的工件，有效地缩短了产品的研究开发周期，被认为是近30年制造技术领域的一次重大突破，有人称之为继数控技术之后的制造领域又一场技术革命。

2.RPM技术原理

传统的零件加工过程是先制造毛坯，然后经切削加工，从毛坯上去除多余的材料得到零件的形状和尺寸，这种方法统称为材料去除制造。

快速成形技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法，而基于“材料逐层堆积”的制造理念，将复杂的三维加工分解为简单的材料二维的组合，它能在CAD模型的直接驱动下，快速制造任意复杂形状的三维实体，其工艺流程如图21－8所示。

图21－8 快速成型工艺流程

1）建立产品的三维CAD模型

设计人员可以应用各种三维CAD造型系统，包括Solidworks、Solidedge、UG、Pro／E、Ideas等进行三维实体造型，将设计人员所构思的零件概念模型转换为三维CAD数据模型。也可通过三坐标测量仪、激光扫描仪、核磁共振图像、实体影像等方法对三维实体进行反求，获取三维数据，以此建立实体的CAD模型。

2）三维模型的近似处理

由三维造型系统将零件CAD数据模型转换成一种可被快速成型系统所能接受的数据文件，如STL、IGES等格式文件。

3）三维模型的Z向离散化（即分层处理）

将三维实体沿给定的方向切成一个个二维薄片的过程，薄片的厚度可根据快速成型系统制造精度在0.05mm～0.5mm之间选择。

4）逐层堆积制造

快速成型系统根据层片几何信息，生成层片加工数控代码，用以控制成型机的加工运动。在计算机的控制下，根据生成的数控指令，RP系统中的成型头（如激光扫描头或喷头）在X－Y平面内按截面轮廓进行扫描，固化液态树脂（或切割纸、烧结粉末材料、喷射热熔材料），从而堆积出当前的一个层片，并将当前层与已加工好的零件部分黏合。然后，成型机工作台面下降一个层厚的距离，再堆积新的一层。如此反复进行，直到整个零件加工完毕。

5）后处理

对完成的原型进行处理，如深度固化、去除支撑、修磨、着色等，使之达到要求。

3.典型的RPM工艺方法

自从1988年世界第一台快速成型机问世以来，各种不同的快速成形工艺相继出现，并逐渐成熟。目前快速成形方法有几十种，其中以SLA、LOM、SLS、FDM工艺使用最为广泛和成熟。下面简要介绍几种典型的快速成形工艺的基本原理。

1）光敏液相固化法（stereo lithography apparatus，SLA）

光敏液相固化法又称为立体印刷或立体光刻。该工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的，这种液态材料在一定波长和功率的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料就从液态转变成固态。

图21－9为SLA工艺原理图，液槽中盛满液态光敏树脂，氦－镉激光器或氩离子激光器发出的紫外激光束在偏转镜作用下，能在液体表面进行扫描，扫描的轨迹及光线的有无均按零件的各分层截面信息由计算机控制。成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，一层扫描完成后，光点扫描到的地方，光敏树脂液体被固化，而未被照射的地方仍是液态树脂。然后工作台下降一个层厚的高度，重新覆盖一层液态树脂，然后，刮刀将黏度较大的树脂液面刮平，再进行下一层的扫描加工，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复，直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体原型。

图21－9 SLA工艺原理图

1—升降台；2—刮平器；3—液面；4—光敏树脂；5—紫外激光器；6—成型零件

图21－10 LOM工艺原理图

1—供纸辊；2—料带；3—控制计算机；4—热压辊；5—CO2激光器；6—加工平面；7—升降工作台；8—收纸辊

SLA方法的工艺特点：①可成形任意复杂形状的零件；②成形精度高，可达到±0.1mm的制造精度；③材料利用率高，性能可靠。

SLA方法主要用于产品外形评估、功能试验、快速制造电极和各种快速模具；不足之处是所需设备及材料价格昂贵，光敏树脂有一定毒性，不符合绿色制造趋势。

2）叠层实体制造法（laminated object manufacturing， LOM）

叠层实体制造法，又称分层实体制造，该工艺是利用背面带有黏胶的箔材或纸材相互黏结成型的。

图21－10为LOM工艺原理图。单面涂有热熔胶的纸卷套在供纸辊上，并跨过支撑辊缠绕在收纸辊上。伺服电动机带动收纸辊转动，使纸卷沿图中箭头所示的方向移动一定距离。工作台上升至与纸面接触，热压辊沿纸面自右向左滚压，加热纸背面的热熔胶，并使这一层纸与基板上的前一层纸黏合。CO2激光器发射的激光束跟踪零件的二维截面轮廓数据进行切割，并将轮廓外的废纸余料切割出方形小格，以便于成型过程完成后的剥离。每切割完一个截面，工作台连同被切出的轮廓层自动下降至一定高度，重复下一次工作循环，直至形成由一层层横截面黏叠的立体纸质原型零件。然后剥离废纸小方块，即可得到性能似硬木或塑料的“纸质模样产品”。LOM工艺成型速度快，成型材料便宜，无相变，无热应力，形状和尺寸精度稳定，但成型后废料剥离费时。适合于航空、汽车等行业中体积较大的制件。

3）选择性激光烧结法（selective laser sintering，SLS）

选择性激光烧结工艺是利用粉末状材料在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成型的。

图21－11为SLS工艺原理图。加工时，将材料粉末铺撒在已成型零件的上表面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上以一定的速度和能量密度按分层轮廓信息扫描出零件截面，材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成型的部分连接，未扫描过的地方仍然是松散的粉末；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下一层截面，如此反复直到整个零件加工完毕，得到一个三维实体原型。

图21－11 SLS工艺原理图

1—扫描镜；2—激光束；3—平整辊；4—粉末；5—激光器

SLS工艺的特点是取材广泛，不需要另外的支撑材料。所用的材料包括石蜡粉、尼龙粉和其他熔点较低的粉末材料。

4）熔融沉积制造法（fused deposition modeling，FDM）

熔融沉积制造工艺是利用热塑性材料的热熔性、黏结性，在计算机控制下层层堆积成型的。

图21－12为FDM工艺原理图，其所使用的材料一般是蜡、ABS塑料、尼龙等热塑性材料，以丝状供料。材料通过送丝机构被送进带有一个微细喷嘴的喷头，并在喷头内被加热熔化。在计算机的控制下，喷头沿零件分层截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出。材料挤出喷嘴后迅速凝固并与前一层熔结在一起。一个层片沉积完成后，工作台下降一个层厚的距离，继续熔喷沉积下一层，如此反复直到完成整个零件的加工。

图21－12 FDM工艺原理图

1—喷头；2—成型工件；3—喷头；4—料丝

FDM工艺无需激光系统，因而设备简单，运行费用便宜，尺寸精度高，表面表面光洁度好，特别适合薄壁零件。但需要支撑，这是其不足之处。

5）三维打印（three dimensional printing，3D－P）

3D打印工艺是美国麻省工学院Emanual Sachs等人研制的，用以制造铸造用的陶瓷壳体和芯子。3D－P工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末、金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用黏接剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉末上面，如图21－13所示。用黏接剂黏结的零件强度较低，还须后处理。先烧掉黏接剂，然后在高温下渗入金属，使零件致密化，提高强度。

图21－13 三维打印快速成形示意图

4.RPM技术的应用

由于快速成形技术的特点，它一经出现即得到了广泛应用。目前已广泛应用于航空航天、汽车、机械、电子、电器、医学、建筑、玩具、工艺晶等许多领域，取得了很大成果。

1）医学

熔融挤压快速成形在医学上具有极大的应用前景。根据CT或MRI的数据，应用熔融挤压快速成形的方法可以快速制造人体的骨骼（如颅骨、牙齿）和软组织（如肾）等模型，并且不同部位采用不同颜色的材料成形，病变组织可以用醒目颜色。这些人体的器官模型对于帮助医生进行病情诊断和确定治疗方案极为有利，受到医学界的极大重视。在康复工程上，采用熔融挤压快速成形的方法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限度地吻合，减轻了假肢使用者的痛苦。

2）试验分析模型

快速成型技术还可以应用在计算分析与试验模型上。例如，对有限元分析的结果可以做出实物模型，从而帮助了解分析对象的实际变形情况。

另外，凡是涉及空气动力学或流体力学实验的各种流线型设计均需做风洞等试验，如飞行器、船舶、高速车辆的设计等，采用RP原型可严格地按照原设计将模型迅速地制造出来进行测试。对各种具有复杂的空间曲面的设计更能体现RP的特点。

3）建筑等行业

模型设计和制造是建筑设计中必不可少的环节，采用RP技术可快速准确地将模型制造出来。此外，RP技术也逐步应用于考古和三维地图的设计制作等方面；RP技术在艺术品领域的使用也大大加快了艺术家的创作速度。

4）工程上的应用

（1）产品设计评估与校审。RP技术将CAD的设计构想快速、精确而又经济地生成可触摸的物理实体，显然比将三维的几何造型展示于二维的屏幕或图纸上具有更高的直观性和启示性。因此，国外常把快速成形系统作为CAD系统的外围设备，并称桌上型的快速成形机为“三维实体印刷机（3D solid printer）”。

（2）产品工程功能试验。在RP系统中使用新型光敏树脂材料制成的产品零件原型具有足够的强度，可用于传热、流体力学试验，用某些特殊光敏固化材料制成的模型还具有光弹特性，可用于产品受载应力应变的实验分析。例如，美国GM在其新车型开发中，直接使用RP生成的模型进行车内空调系统、冷却循环系统及冬用加热取暖系统的传热学试验，较之以往的同类试验节省费用40％以上。Chrysler则直接利用RP制造的车体原型进行高速风洞流体动力学试验，节省成本达70％。

（3）与客户或订购商的交流手段。在国外，RP原型成为某些制造厂家争夺订单的手段。例如，位于Detroit的一家仅组建两年的制造商，由于装备了两台不同型号的快速成形机及以此为基础的快速精铸技术，在接到Ford公司标书后的4个工作日内便生产出了第一个功能样件，因而在众多的竞争者中夺到了为Ford公司生产年总产值达300万美元发动机缸盖精铸件的合同；另一方面，客户总是更乐意对着实物原型“指手画脚”，提出其对产品的修改意见。因此，RP模型是设计制造商就其产品与客户交流沟通的最佳手段。

（4）快速模具制造。以RP生成的实体模型作模心或模套，结合精铸、粉末烧结或电极研磨等技术可以快速制造出企业生产所需要的功能模具或工装设备，其制造周期较之传统的数控切削方法可缩短30％～40％以上，而成本却下降35％～70％。模具的几何复杂程度愈高，这种效益愈显著。据一家位于美国Chicago的模具供应商（仅有20名员工）声称，其车间在接到客户CAD设计文件后1周内可提供任意复杂的注塑模具，而实际上80％的模具可在24h～48h内完工。

（5）快速直接制造。快速成形技术利用材料累加法可用来制造塑料、陶瓷、金属及各种复合材料零件。

由于RP技术给工业界带来了巨大的效益，因而，它被誉为工业界的一项重大（革命性与突破性）的科技发展。精密成形、CAD推广应用、并行设计和并行工程、敏捷制造、虚拟制造等都与RP有关，甚至主要以RP作技术支撑。

RP系统可以用于生产复印机、计算机、电话机、飞机部件、汽车仪表板、医用诊断设备等。RP系统犹如一种润滑剂使企业的产品开发工作变得更加流畅。许多公司也用它来缩短开发周期。作为一种可视化的辅助工具，RP系统也有助于企业减少在产品开发中失误的可能性。