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快速成型技术在集成制造及微机械制造中的应用

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摘要:快速成型技术是集光学、电子、材料、计算机等多学科的高新技术。通过简要介绍快速成型技术在国内外发展的现状，并针对国内在此领域发展的不足，结合两期快速成型方面的“863计划”的研究成果，提出一种基于快速成型技术的集成制造系统体系。该集成制造系统综合了快速成型、快速模具制造、快速反求工程及并行工程、虚拟制造、网络等配套技术，可大大提高产品的开发速度，增强企业的竞争能力。最后介绍了快速成型技术在微机械制造方面的应用。

当前我国的机械工业与发达国家相比有很大差距，机电产品缺乏国际竞争力，主要原因之一就是新产品开发周期过长，企业对市场响应能力较差。一般机电产品的开发周期，我国为24个月，国外为3～6个月。而若采用快速成型(RPM: RapidPrototyping & Manufacturing)技术则可大大缩短开发周期。
作为与科学计算可视化、虚拟现实相匹配的新兴技术，快速成型技术提供了一种可测量、可触摸的手段，是设计者、制造者与用户之间的新媒体。

1 国外RPM技术的发展现状

图1 快速成型系统销售情况

至1999年，全球共有334家RPM服务机构，27家设备制造商，12家材料供应商，23家咨询机构，14家专门的软件供应商。分布于全球的RPM系统有4257台套，其中大约50%在美国，20%在日本，其次是德国、法国、意大利和韩国。近年来，采用RPM设备最积极的地区是东亚(尤其是韩国、新加坡及我国的香港)。RPM系统的销售情况见图1。
美国的各种RPM系统基本上都是在美国国家自然科学基金会的资助下研发并实现商品化的。在Austin举行的2000年度RP年会上，许多大学和公司都推出了各自的成型系统。
日本以东京大学为首的一批学术机构及企业单位主要集中于SLA工艺(因为该工艺成型精度最高)、树脂材料研究开发和RPM技术的应用方面。
澳大利亚建立了主要由RPM领域的工业企业和学术机构参与的“欧洲快速原型制造行动(EARP)”项目。研究的主要内容有:创造性设计和产品开发、建模和原型制造、CAD软件、医疗应用等。

2 国内RPM技术的发展

为了加快RPM技术在我国的发展，国家已组织实施了快速成型技术应用研究和推广服务工作。经过国内多所大学及公司几年的努力，已经研制开发出与国外SLA、LOM、SLS、FDM工艺相类似的一批设备。这些设备都是多种技术的集成，主要是为了提高RPM制作精度和可靠性，涉及工艺原理、工艺方法、温度控制、激光及冷却系统、精密机械传动等硬软件方面。
但RPM技术在国内的应用还不十分广泛，设备安装台数不多，目前仅限于大型企业。为改变此落后局面，西安交通大学已建立了中国RPM网络站点，为我国RPM制造商、RPM技术应用服务中心、科研院校及广大用户提供信息服务。南方也已成立多家采用国外设备的RPM服务中心，一些公司开始应用RPM技术开发新产品。
香港较内地RPM技术起步较早，香港生产力促进局和亚洲殷发公司、香港科技大学、香港理工大学和香港大学都拥有RPM设备。
与国外和香港地区相比，我们的RPM技术没有得到充分的发展与应用，主要表现在三个方面:

  1. RPM技术本身发展不够成熟 该领域研究队伍比较薄弱，资金投入有限，设备尚未完全达到商品化，成型材料急需国产化，与RPM技术配套的后续技术尚不完备。
  2. 未能有效地在企业中得到应用 企业界对RPM技术重要性认识不足，缺乏企业的有力支持，目前投入的研发资金几乎都是由国家承担，企业没有发挥其主导作用。对于已引进RPM设备的企业，也未能充分发挥其作用。由于目前的RPM设备价格太昂贵，因此广大中小型企业很少能得到RPM提供的技术服务。
  3. 没有建立发展RPM技术的统一协调管理体系 目前存在相当多的“低水平重复”现象，使得有限的投入未能发挥更好的作用。尤其是在学、产、研结合方面力度不够，影响科研成果的商品化，直至产业化。

3 基于RPM技术的集成制造系统

同传统制造法相比，RPM技术虽然在制作周期、柔性等方面有较大提高，但因多数RPM系统报价超过100万人民币，甚至达几百万。如全球最大RPM设备生产厂商3D Systems公司99年推出的最新SLA-7000设备，其报价达80万美元，因此，如果RPM系统仅仅用来制造产品原型，从经济效益的角度看，有时是得不偿失的。
为使RPM技术得到更为有效的应用，发挥其传统加工技术无法比拟的长处，结合研制微机械快速成型系统、台式快速成型系统的经验，提出一种基于快速成型技术的集成制造系统结构。


    图2 基于RPM的集成制造系统结构

  1. 集成制造系统结构 该集成制造系统结构把RPM技术作为整个产品开发周期的一个核心环节。RPM技术与前期的快速反求工程(RRE: RapidReverse Engineering)、后续的快速模具制造(RT:Rapid Tooling)技术、其它先进制造技术及企业内外部的网络组成一个集成的快速响应制造系统，这样，RPM技术的优越性及形成的经济效益就会得到更为充分的体现。图2所示是基于RPM的集成制造系统结构。
    对于单件或小批量生产，可直接由RPM系统制造。对于大批量生产，则由RPM系统加工出原型，利用RT技术生产大批零件。如果要快速复制某物品(在雕刻、珍贵文物复制、手术用器官模型等方面有应用)，则可利用RRE采集待复制物体的数据，进行物体的三维CAD模型重建，模型经处理后，再输入到RPM系统制作原型。
    图2中的测试系统包括各种检测及测量设备，如三坐标测量机、核磁共振、激光快速扫描仪、动态测试仪等。产品或原型经检测分析合格后方能投入生产。企业不必花重金添置完备的测试装置，可将零件送交专门的检测单位检测。
    快速成型、快速模具制造、快速反求工程及并行工程、虚拟制造等配套技术在Internet、Intranet支持下，便形成一个快速响应的集成制造系统，企业也可因此加快开发产品、开拓市场的步伐。
  2. 集成制造系统特点 与传统的机械加工方法相比，该系统在以下方面大大缩短了产品研发周期，提高了产品质量:
    1. 反求工程技术的引入使得建造CAD模型的过程方便且快捷，节省了大量的人工建造CAD模型时间。
    2. CAD模型到加工数据的处理过程自动化。省却了传统的CAPP、CAM编程环节，实现了原型的加工过程自动化，降低了对技术人员或操作人员的技术要求。
    3. 虚拟制造技术的应用提高了开发合格产品的一次成功率，避免了产品开发中的多次反复而造成的时间和财力的浪费。
    4. 企业对市场的响应能力大大提高。该系统以网络和数据技术为支撑，以计算机技术为实现手段，综合使用了各种先进的制造技术，充分实现了人、管理及技术三者间的有机结合。
  3. 台式快速成型系统 快速成型装置是整个集成制造系统的核心，目前推出的快速成型装置大都报价很高，暂不适宜推广到中小企业中去。
    快速成型技术将会向着降低成本、提高效率、简化工艺的方向发展，目的是为普及和扩大其应用范围。
    为此，我们在“863计划”的支持及有关单位的配合下，在借鉴研制微机械快速成型系统经验的基础上，研制了台式快速成型系统。
    该系统具有体积小、成本低、材料国产化的特点，尤其适合于国内广大的中小企业。系统没有采用昂贵的激光器作为光源，而是采用了紫外光较为丰富的紫外灯。针对该灯，开发了一套体积小、成本低的调制及控制装置，实现了计算机的多种自动控制。在材料方面，同有关单位合作已成功开发出几种性能较好的树脂，树脂无味、无毒、基本实现了材料的国产化。
    系统噪声小、重量轻、无三废排放，可将打印机、复印机等一同用作办公设备。系统的造价及运行成本仅为国外同类设备的1/10～1/20。

4 微机械快速成型技术

快速成型技术正向着多种材料复合成型方向发展，即无需装配能一次制造具有多种材料、复杂形状的器件。这种将材料制备与结构成型一体化的快速成型方法，将为开发复合结构成型提供新途径，在微机械、电子元器件、电子封装、传感器等领域有着广泛的应用前景。我们研制的微机械快速成型系统，初步实现了快速成型与微机械制造两种高新技术的结合。该系统已通过“863计划”专家组验收。
微机械快速成型系统主要由建模切片软件子系统、控制子系统、机械传动子系统(X-Y工作台、升降台等)、光学子系统等组成。其工作原理等同一般快速成型技术。
微机械快速成型系统的特点主要有:


    图3 光造型技术两种加工方式

  1. 采用约束液面式的加工方法 固化层片堆积的方向是向下，而不是向上。图3a为一般光造型技术采用的自由液面式，图3b为约束液面式。约束液面式可提高零件制作精度，不需使用刮平树脂液面的机构，制作时间有较大缩短。
    由于窗板与树脂固化物分离性小，需要对窗板表面进行一定的处理。在进行了关于表面处理的分离性评价实验的基础上，考虑到透明性、强度以及耐热性的要求，选择了含有氟树脂的材料涂覆在窗板表面上。
  2. 采用CAD直接法 CAD模型建造完以后，直接在CAD系统内对该模型进行切片，而不必转化为89: 文件格式。这一方法可以避免所有小三角形平面逼近而产生的逼近误差，更适合于微机械制造。
  3. 小固化单元，高加工分辨率 本系统采用光谱极窄(0.1nm)、发散角极小的氮分子激光器，激光经光学子系统调制后得到极微细的光束，该光束随着工作台的运动而逐点、逐线、逐面地固化液态光敏树脂。这种树脂的固化颗粒小，从而保证了高加工分辨率应具有小固化单元的要求。

5 结论

利用以RPM技术为核心的集成制造系统，企业可由基于Internet， Intranet的快速反应网络获得订单或市场信息，通过互连网，可以在一地区、一国之内，甚至全球范围内共享信息、设备等资源。如没有RPM设备的企业可以把自己的设计结果通过网络传给诸如RPM服务中心等单位制造原型，从而实现远程制造。
这样一种战略，可大大缩短我国在机电行业特别是在汽车工业研发周期方面的差距，这是以有限投资实现巨大收益的有效途径，也是我国制造业加入WTO之后严峻的国际竞争形势下获得生存的有效途径。目前包括中国一汽、春兰、海信、海尔、金城等在内的不少企业在产品研发中都采用了快速成型技术，该技术与其它先进制造技术相结合而构成的集成制造体系，已经取得了良好的经济效益。
RPM技术与CIMS不同，CIMS投资巨大，需要较高的企业管理水平及高素质的人才，是个复杂的系统工程，而RPM是一个非常适宜中国国情的先进制造技术，应引起政府部门、高校和企业的高度重视，并加以研发及推广。

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