一、前言
轻工制品一般是指个人或家庭的生活用品,可包括金属制品、塑料制品、玻璃制品、陶瓷制品及工艺品等。
轻工制品具有种类繁多,应用面广,更新换代快等特点。 为了在激烈的市场竞争中立于不败之地,不断开发物美价廉、满足消费者需要的新产品已成为企业生存和发展的基本手段。这就要求企业在产品开发时要在预先把握用户对新产品要求的基础上,高效率开发出新产品(成本低、时间短、性能高),尽快投放并占领市场。但传统的产品开发模式为:概念或构思、初步结构分析、数据资料查询、设计图纸绘制、样机制造、调试与反复修改等,整个过程缺乏与市场的交互性和各环节的并行性,难以适应市场和社会发展的需要。而目前方兴未艾、发展迅速的快速原型制造技术(RPM),则为解决上述难题提供了一条理想的途径。
本文在简要介绍快速原型制造技术的基础上,对其在典型轻工制品制造中的应用进行了较系统的分析,并对该技术的进一步发展与应用进行了探讨。
快速原型制造技术原型是指能代表零部件性质和功能的试验件,是物体在三维空间的实物表示。
快速原型制造技术是20世纪80年代末出现的先进制造技术。它是CAD、数控技术、激光技术、材料科学与工程的有机集成,可以自动、快速、准确地将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零部件,从而使企业在产品正式投放市场前进行广泛调研,征询用户意见,并对产品设计进行快速评价、修改,以响应市场需求,提高企业的竞争力。
按原型的制造原理,快速原型制造技术有如下几个主要类别。
立体印刷成型
立体印刷成型(StereoLithographyApparatus,SLA)又称立体光刻、光敏液相固化。其基本原理为:采用光敏树脂原料,以计算机控制下的紫外激光按原型各分层截面的轮廓轨迹逐点扫描,使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应而固化,从而形成一个固体薄层截面。当一层固化后,向下或向上移动工作台,在刚刚固化的树脂表面布放一层新的液态树脂,再进行新一层扫描、固化。新固化的一层牢牢地粘合在前一层上,如此重复直至整个原型制造完毕。
层合实体成型
层合实体制造(LaminatedObiectManufactur-ing,LOM),又称分层实体造型、分层物件制造等。其基本原理是将单面涂有热熔胶的薄膜材料或其他材料的箔带切割成欲制原型在该层平面的内外轮廓,再通过加热辊加热,使刚刚切好的一层与下面的已切割层粘接在一起,通过逐层切割、粘合,最后将不需要的材料剥离,得到欲求的原型。
选域激光烧结
选域激光烧结(SelectedLaserSintering,SLS),其基本原理是借助精确引导的激光束使材料粉末烧结或熔融后凝固形成三维原型或制件。即成型机构按照计算机输出的原型分层轮廓,采用激光束在指定路径上有选择性地扫描并熔融工作台上很薄且均匀铺层的材料粉末。由分层图形所选择的扫描区域内的粉末被激光束熔融,连结一起,而未在该区域内的粉末仍然是松散的。当一层扫描完毕,向上或向下移动工作台,控制完成新一层结。全部烧结后去掉多余的粉末,再进行打磨、烘干等处理,便获得原型零件
熔融沉积造型熔融
沉积造型(FusedDepositionModeling,FDM),又称熔化堆积法、熔融挤出成模。其基本原理为采用热熔喷头,使半流动状态的材料按CAD分层数据控制的路径挤压并沉积在指定的位置凝固成型,逐层沉积、凝固后形成整个原型或零件。
其它除上述几种较成熟的快速原型制造技术外,其它几种研究较深入的快速原型制造技术还有:三维喷涂粘接:又称三维打印、陶瓷壳法。这种工艺采用粉末材料和粘接剂,按原型或零件分层截面轮廓,喷头在每层铺好的材料粉末层上有选择地喷射粘接剂,喷过粘接剂的材料被粘接在一起,其它地方仍为松散粉末,层层粘接后就得到一个三维空间实体,去除粉末并进行后烧结就得到所要求的原型或零件。
焊接成型技术:也称熔化成型、全焊缝金属零件制造技术,其本质是采用目前成熟的焊接技术,用逐层堆焊的方法制造零件。
掩膜光刻:其工艺原理是使激光或X射线通过一个可编程的光掩膜,照射树脂成型。光掩膜上的图形是掩膜机在模型片层参数的控制下,利用电传照相技术在平板玻璃上调色或静电喷涂制成的原型或零件截面图形。
数控加工:前述各种快速原型制造技术从制造思路上均为材料添加法,而原型或零件制造的传统思路为材料去除法,其中的典型代表为数控加工技术。当大批量、形状相对规则时,数控加工技术在很多情形下仍是首选的快速原型制造技术,尤其当采用具有高度柔性手臂的机器人数控加工时,也可加工具有复杂细节和外形的原型或零件。
二、快速原型制造技术在轻工制品开发中的应用分析
产品的市场竞争力取决于市场的需求性、产品开发与生产周期、产品质量保证、产品成本与价格、产品售后服务等五个主要方面。对轻工制品而言,其制造模式的基本发展方向为多品种、小批量、柔性生产系统,其中较有代表的是塑料制品和工艺品。此处着重以注塑模具和工艺品的开发为例,分析快速原型制造技术在轻工制品领域产品开发中的应用
2.1 快速原型制造技术在注塑模具开发中的应
用采用模具生产零件具有效率高、质量好、节约能源和原材料以及成本低等优点,集中体现了现代先进制造技术优质、高效、低耗、清洁生产的思想,已成为当前工业生产的重要手段和工艺发展方向橡塑材料的注塑成型是制作橡塑制品的典型方法之一,其中注塑模具是决定产品质量和成本的关键因素,该类模具在种类繁多的模具中具有一定的代表性,利用快速原型制造技术制作注塑模具,可视生产需要,采用如下不同的技术路线。
对塑料杯、包装盒等制品,其成型温度相对较低,对成型模具的耐温性、强度要求均相对较低,此时可直接采用快速原型制造技术中的立体印刷成型技术制作成型模具。当对制品表面的光洁度要求较高且表面图案较复杂时,如制作玩具、人物造型等类型的制品时,可在上述直接快速成型模具的基础上,采用电化学方法使金属沉积在原型表面,再背衬以适宜的填充材料,一般可满足要求。
当制品成型温度较高时,注塑模具可采用硅橡胶材料。硅橡胶除可耐受一定的高温外,还具有良好的柔性和弹性,具有较好的复印性。利用硅橡胶的这一性质,可先用快速原型制造技术做出母模,复制出硅橡胶注塑模具。
当制品对注塑模具的强度具有较高的要求时,可采用环氧树脂与有机或无机材料复合作为基体材料,以快速原型制造技术制作的原型为基准浇注模具,工艺过程可如下:制作原型→原型表面处理→设计、制作模框→选择、设计分型面→在原型表面、分型面刷脱模剂→刷胶衣树脂→浇注凹模→浇注凸模。
当制品对注塑模具的强度、耐温性、寿命等均有相对高的要求时,可采用金属冷喷涂模,即以快速原型制造技术制作的原型为样模,将低熔点金属充分雾化后以一定的速度喷射到样模表面,形成模具型腔表面,背衬以填铝的环氧树脂或硅橡胶复合材料支撑,将壳与原型分离,即得到较精密的金属模具,再加入浇注系统、冷却系统和模架构成注塑模具。
当制品对注塑模具有更高的强度、耐温性和寿命要求时,可采用陶瓷或金属粉末类材料,采用选域激光烧结、熔融沉积造型等快速原型制造技术制作出模具原型,再辅以高温烧结、熔融金属浸入、表面处理等后续工艺,得到综合性能佳的注塑模具。此外,当制品造型较规则时,也可采用数控加工等技术路线。
目前,利用快速原型制造手段制作模具的主要优势体现在快速性,一般可比传统方法缩短时间5～10倍,且可节省大量人力、物力、财力,尤其在新品开发、小批量生产、试生产等场合,可与其它工作并行开展,并可在正式产品投放市场前,利用原型或以原型为基础制作的产品了解用户的意见,把握市场反应,对确保新产品开发的成功率具有重要价值。
3.2 快速原型制造技术在艺术品领域的应用
绘画、雕塑等艺术品是艺术家的思想、激情或灵感的物化表达方式,给人以美的享受和精神的陶冶。快速原型制造技术为艺术家以三维形式更细腻、形象、准确、生动、迅速地表达自己的思想感情提供了一种新的手段,也为珍稀艺术品的复制、艺术品形式的多样化提供了有力的工具。
快速原型制造技术在艺术家创作中的应用。艺术家在利用陶瓷、玻璃、石材及其它材料进行三维艺术创作时,从创作灵感的萌发到作品的完成需经历几个月乃至几年的时间,其中绝大多数时间为创作思想物化过程中,为力求三维表达的准确而作的逐步修正,以及艺术品制作过程中因各种失误造成残缺而从头反复。当采用快速原型制造技术时,艺术家的思想可以首先转化为计算机的CAD三维造型,CAD造型满意后,即直接通过快速原型制造系统快速制作三维物化作品,判断构思的合理性和作品表达自己思想的准确性。如不满意,可回到计算机修改CAD模型,将原作品所用成型材料再生后又用于新的修改作品制作,直至满意为止,最后将作品根据材料要求,通过快速的添加法直接成型、三维雕刻、喷涂、制模等途径完成,可大幅度降低创作过程的时间和费用。
快速原型制造技术在珍稀艺术品复制或修复中的应用。在考古及保存过程中都可能造成艺术品破损,传统的人工修复方法对修复人员要求有高超的技艺和丰富的经验,且往往要花费较长的时间。利用快速原型制造技术在三维CAD构型阶段的反求技术,在对原艺术品的材料与造型进行全面分析的基础上,可对原艺术品的色彩、形体进行重构,之后借助快速原型制造系统迅速制作出与原品近乎相同的复制品,为艺术品原品的修复提供直接的参考。此外,为使珍稀艺术品被更多人学习和欣赏,也可采用快速原型制造技术快速、准确地制作复制品,充分实现原作品的艺术价值。
快速原型制造技术在艺术品形式多样化方面的应用。我国拥有众多传世的艺术珍品,如《清明上河图》,原品以绘画形式表述当时的社会民情。利用快速原型制造技术,可以探索赋予这类珍品以更加丰富多彩的表现形式。如利用反求工程中的重构技术,以绘画形式的作品为基础,构建出其中人物、建筑等的三维形态,进而用快速原型制造系统制作出三维的《清明上河图》,从而为爱好者欣赏艺术提供更多的选择。
三、快速原型制造技术的发展目标与进一步研究课题分析
快速原型制造技术作为一项极具生命力的新型先进制造技术,在新产品开发、单件或小批量产品制作等领域已显示出突出的优势,近年在技术水平和应用领域等方面均得到了迅速的发展。展望该技术的进一步走向,其发展目标应为实现各类产品或零部件的快速、低成本、直接成型。为此,进一步的研究课题可有如下几个方面：
(1)产品信息采集与处理方面 在CAD三维构型功能上,以现有三维CAD模型构建技术为基础,进一步应将原型的三维造型构建与原型材料的成分、组织、性能分析相结合,形成原型的几何造型与物理性态的构建、分析为一体的CAD综合构型模块。在三维CAD模型构建的思路上,除源自设计人员的构思外,同时融入反求技术,能对已有产品的构型、材料等信息进行快速、准确地采掘,为国内外新产品的剖析与改进,拓展本企业的新产品开发思路提供参考。在三维构型数据的离散化处理上,建立更加科学、兼容性与交换性好的国际化的标准数据格式,探索更有效的三维原型数据离散模式。
(2)原型材料方面 原型材料是决定快速原型制造技术发展的基本要素之一。目前应用较多的原型材料及其形态有液相树脂类、金属或陶瓷粉末类、纸塑或金属薄层类等,存在材料成本高、成型过程工艺要求高、制成原型的表面质量与内在性能还欠理想等不足。进一步的研究课题包括成本与成型性能更好的新材料开发、可以直接制造最终产品或部件的新材料开发、适宜快速原型制造技术的新的材料形态研究、特定形态原型材料的低成本制备技术、造型材料新的成型工艺探索等。
(3)原型制造采用的能源方面 快速原型制造过程是材料、能源、精细运动控制的有机结合。当前主要的快速原型制造技术所采用的能源有光能(立体印刷成型、选域激光烧结、掩膜光刻等)、热能(熔融沉积造型、焊接成型技术等)、化学能(三维喷涂粘结等)、机械能(数控加工等)。在能源密度、能源控制的精细性(包括能源本身的精细性,如激光光斑的大小;能源运动控制机构的精度等)、原型加工质量等方面均需进一步提高。
(4)新的原型制造思想研究方面 当前的快速原型制造技术基本为材料添加的思路,按原型的三维构型,逐层叠加,制作出原型。另外一种更理想的原型制造思路为生物生长型制造,即借鉴生物生长的原理与方法,通过基因型生长信息控制机制,控制生长元自行形成具有特定构型与性能的实体,把信息过程和物理过程有机结合,实现以全息生长元为基础的智能材料自生生长,建立智能制造的新模式。
(5)经济、高效的快速原型制造系统研究方面 经济性是该技术普及的关键,高效是该制造模式与传统模式相竞争的基础。现有的快速原型制造系统在这两方面还有一定不足,尤其是经济性方面,一套中等档次的快速原型制造系统目前市场价约在100万元(人民币)左右,这对大量急需先进新产品开发装备的中小企业还难以承受。在确保功能的前提下,通过材料、能源、运动机构、制造模式的创新,推出适用、实用的低成本系统,是国内快速原型制造系统研究的主要课题之一。
(6)拓展快速原型制造技术的应用领域方面 当前该技术主要是应用于新产品的开发方面,目的是缩短开发周期,探询用户与市场反应。进一步可通过生物医学领域的计算机辅助断层扫描(CT)、核磁共振成像(MRl)、三维B超等[9]反求技术手段的有机融入,实现对现有产品的快速仿制、剖析、改进。此外,通过开发新的原型材料与成型工艺,最终实现产品及零部件直接、快速、经济地制造等。
四、小结
轻工制品直接面向家庭或个人,产品的更新换代快,对产品种类、性能的要求千差万别,新产品开发的不确定性因素多,市场竞争激烈,解决这类问题正是当前快速原型制造技术的优势所在。快速原型制造技术作为一种新型的先进制造模式,为企业提高市场竞争力提供了强有力的手段,从一开始就显示了极强的生命力,在仅仅十余年的时间就获得了长足的发展,技术水平、设备类型、应用领域日新月异。不难想像,随着快速原型制造系统成本的不断降低与制造原型性能的不断提高,当这一制造模式在经济性上可与传统制造模式相当或更优时,必会形成以快速原型制造系统为核心的小区域、集成型的微型制造中心格局,将会对制造型企业及艺术品创作部门的构建形式、运作方式、管理模式均带来深刻的变革,为创造富足、方便、舒适、美好的生活提供坚实的物质基础。
