在鑄造生產(chǎn)中,模板、芯盒、壓蠟型、壓鑄模等的制造往往是靠機(jī)械加工的辦法,有時(shí)還需要鉗工進(jìn)行修整,費(fèi)時(shí)耗資,而且精度不高。特別是對于一些形狀復(fù)雜的薄壁鑄件,例如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片、船用螺旋漿,汽車、拖拉機(jī)的缸體、缸蓋等,模具的制造更是一個(gè)老大難的問題。雖然一些大型企業(yè)的鑄造廠也進(jìn)口了一些數(shù)控機(jī)床、仿型銑等高級設(shè)備,但除了設(shè)備價(jià)格昂貴之外,模具加工的周期也很長,而且由于沒有很好的軟件系統(tǒng)支持,機(jī)床的編程也很困難。面對今天世界上經(jīng)濟(jì)市場的競爭,產(chǎn)品的更新?lián)Q代日益加快,鑄造模具加工的現(xiàn)狀很難適應(yīng)當(dāng)前的形勢。而快速成型制造技術(shù)的出現(xiàn)為解決這個(gè)問題提供了一條頗具前景的新路。
快速成形技術(shù)的產(chǎn)生
快速原型(Rapid Prototyping,RP)技術(shù),又稱快速成形技術(shù),是當(dāng)今世界上飛速發(fā)展的制造技術(shù)之一。快速成形技術(shù)最早產(chǎn)生于二十世紀(jì)70年代末到80年代初,美國3M公司的Alan J. Hebert(1978)、日本的小玉秀男(1980)、美國UVP公司的Charles W. Hull(1982)和日本的丸谷洋二(1983),在不同的地點(diǎn)各自獨(dú)立地提出了RP的概念,即用分層制造產(chǎn)生三維實(shí)體的思想。Charles W. Hull 在UVP的繼續(xù)支持下,完成了一個(gè)能自動(dòng)建造零件的稱之為Stereolithography Apparatus (SLA)的完整系統(tǒng)SLA-1,1986年該系統(tǒng)獲得專利,這是RP發(fā)展的一個(gè)里程碑。同年,Charles W. Hull和UVP的股東們一起建立了3D System公司。與此同時(shí),其它的成形原理及相應(yīng)的成形系統(tǒng)也相繼開發(fā)成功。1984年Michael Feygin提出了薄材疊層(Laminated Object Manufacturing,以下簡稱LOM)的方法,并于1985年組建Helisys公司,1992年推出第一臺(tái)商業(yè)成形系統(tǒng)LOM-1015。 1986年,美國Texas大學(xué)的研究生C. Deckard提出了選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering,簡稱SLS)的思想,稍后組建了DTM公司,于1992年開發(fā)了基于SLS的商業(yè)成形系統(tǒng)Sinterstation。Scott Crump在1988年提出了熔融成形(Fused Deposition Modeling,簡稱FDM)的思想,1992年開發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)機(jī)型3D-Modeler。
自從80年代中期SLA光成形技術(shù)發(fā)展以來到90年代后期,出現(xiàn)了幾十種不同的RP技術(shù),除前述幾種外,典型的還有3DP等。但是,SLA、LOM、SLS和FDM四種技術(shù),目前仍然是RP技術(shù)的主流。
我國RP研究工作起步時(shí)期
快速原型是繼60年代NC技術(shù)之后制造領(lǐng)域的又一重大突破,是先進(jìn)制造技術(shù)群中的重要組成部分。它綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造技術(shù)、激光技術(shù)和材料科學(xué)技術(shù),在沒有傳統(tǒng)模具和夾具的情況下,快速制造出任意復(fù)雜形狀而又具有一定功能的三維實(shí)體模型或零件??焖僭团c制造技術(shù)的推廣應(yīng)用將明顯縮短新產(chǎn)品的上市時(shí)間,節(jié)約新產(chǎn)品開發(fā)和模具制造的費(fèi)用。美國、日本及歐洲發(fā)達(dá)國家已將快速成形技術(shù)應(yīng)用于航空、宇航、汽車、通訊、醫(yī)療、電子、家電、玩具、軍事裝備、工業(yè)造型(雕刻)、建筑模型、機(jī)械行業(yè)等領(lǐng)域。
而我國RP研究工作起步于90年代初。剛開始時(shí)技術(shù)引進(jìn)較多,1994年以來,我國已有20幾家企業(yè)或機(jī)構(gòu)從國外引進(jìn)RP機(jī)器,加快了企業(yè)的新產(chǎn)品開發(fā)、取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但由于引進(jìn)價(jià)格昂貴,如美國3Dsystem公司生產(chǎn)的SLA250系統(tǒng)售價(jià)20萬美元,SLA500價(jià)格高達(dá)40萬美元,加之材料也依靠進(jìn)口,使生產(chǎn)成本過高,往往是國內(nèi)企業(yè)無法承受的。
國內(nèi)RP開始商品化并推廣應(yīng)用
為了解決中國制造業(yè)對RP的迫切需求,1991年以來,在中國政府資助和支持下,一些高等院校和研究機(jī)構(gòu)積極開展RP研究,并取得較大的進(jìn)展。
我國最早在快速成型技術(shù)方面開展工作的有清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中理工大學(xué)和北京隆源自動(dòng)成形系統(tǒng)有限公司。這些單位早期在開發(fā)系統(tǒng)設(shè)備方面各有側(cè)重。1992年,清華大學(xué)引進(jìn)了當(dāng)時(shí)先進(jìn)的SLA-250光固化成形設(shè)備,成立了激光快速成形中心,開展快速成形技術(shù)的研究。研制出世界上最大的LOM雙掃描成形機(jī),已提供給國內(nèi)的汽車制造企業(yè),研制成功的多功能快速造型系統(tǒng)MRPMS已打入國際市場,自主開發(fā)的大型擠壓噴射成形RP設(shè)備 SSM1600SSM成形尺寸已達(dá)1600× 800× 750mm3,也居世界之首。西安交通大學(xué)多年來一直致力于SLA的成型材料和設(shè)備的國產(chǎn)化,并因此獲2000年度國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)和教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。華中理工大學(xué)從1991年開始,在政府的支持下開始進(jìn)行RP技術(shù)研究,1994年開發(fā)成功LOM樣機(jī),到1997年就向市場推出商品化的LOM成型設(shè)備。目前,該單位已對LOM設(shè)備進(jìn)行了系列化的開發(fā),同時(shí)還成功地推出商品化的SLS設(shè)備。該校還利用復(fù)膜技術(shù)快速制造鑄模,翻制出了鋁合金模具和鑄鐵模塊。研究成果已經(jīng)商品化的還有北京隆源公司開發(fā)的AFS 300激光快速成形機(jī)(SLS),該公司的RP服務(wù)中心已為工業(yè)企業(yè)單位制作了許多精密鑄模。
此外,南京航天大學(xué)、上海交通大學(xué)、華北工學(xué)院等在該領(lǐng)域也做了許多工作。例如在基于快速成形技術(shù)的快速制造模具方面,上海交通大學(xué)開發(fā)了具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鑄造模樣計(jì)算機(jī)輔助快速制造系統(tǒng),為汽車行業(yè)制造了多種模具。目前,部分國產(chǎn)RP設(shè)備已接近或達(dá)到美國公司同類產(chǎn)品的水平,價(jià)格卻便宜得多,材料的價(jià)格更加便宜。我國已初步形成了RP設(shè)備和材料的制造體系。近年來,在國家科學(xué)技術(shù)部的支持下,我國已經(jīng)在深圳、天津、上海、西安、南京、重慶等地建立一批向企業(yè)提供快速成形技術(shù)的服務(wù)機(jī)構(gòu),并開始起到了積極的作用,推動(dòng)了快速成形技術(shù)在我國的廣泛應(yīng)用,使我國RP技術(shù)的發(fā)展走上了專業(yè)化、市場化的軌道,為國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。
快速成形技術(shù)是一種具有廣泛應(yīng)用前景的正在不斷完善的高新技術(shù)。隨著市場競爭的日趨激烈,該技術(shù)將會(huì)被越來越多的企業(yè)所采用,對企業(yè)的發(fā)展,發(fā)揮越來越重要的作用,并將給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí),快速成形技術(shù)作為一門多學(xué)科交叉的專業(yè)技術(shù),其本身的發(fā)展,也將推動(dòng)相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。