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激光快速成型技術及其在產品設計中的應用
點擊次數：440 發布時間：2011-1-18
合肥科創快速模具技術公司可以為您提供的技術服務：
一、模型在產品設計中的重要意義
工程設計是一種思維活動，是“對技術產物創造性的嚴密的預先構思”［1］。“內在性”，是指思維是在設計者的大腦中進行的，各人的思路、思維方法各不相同 ，而且是外人所不可見的；所謂“外在性”，是指設計者的思維過程、思維結果又都要以一 定的形式記錄下來、表達出來，和別人（其他設計者、制造者以及用戶）進行交流，這種思維 過程、思維結果固然可以用語言的形式加以表述，但是在工程設計中更多的是通過模型加以 表述。原理圖、草圖是模型，圖紙、計算書是模型，紙板模型、木模、粘土模型是模型，計算機內 的計算模型、CAD模型、有限元模型是模型，制造出的樣機也是模型，因此，這里的“模型 ”是廣義的，它包含了英語單詞中sketch、drawing、model和prototyping所表述的全部內 容。在被設計對象隨著工程設計過程由不確定性向確定性轉化的不同階段， 上述這些模型發 揮著不同的、但又都不可忽視的重要作用，特別是隨著被 設計對象復雜程度的提高， 隨著旨在提高設計效率、縮短設計周期和提高一次成功率的并行工程的實施，在設計過程早 期對模型的要求顯得越來越迫切。“風洞”試驗 ，同樣，汽車工業中任一新車型開發過程中也不能不進行結構安全性的“碰撞”試驗；“沙盤”仍是*的。“真實感”和“可觸摸性”“留下你所需要的 ，去除你所不要的”，令請教者大失所望。其實，大師說出的正是雕塑的技術真諦——材料 去除法。傳統的工業成形技術中大部分也是遵循這一方法的，如車削、銑削、鉆削、磨削、 刨削；另外一些是采用模具進行成形，如鑄造、沖壓。而激光快速成形卻是采用一種全新的 成形原理——分層加工、迭加成形。對于學過高等數學的人來說，這種原理并不陌生。在定 積分的應用中，曾講到母線是已知曲線的旋轉體體積計算和平行截面已知的立體體積計算（ 見圖），兩者都是取厚度為△Xi的截面，近似地看成是扁圓柱體或曲邊柱體，然后加以迭加 ：——STL格式文件——“用原型支持設計中的思維和操作”，工程設計，1998年№2，PP1-5
設計過程是被設計對象隨著設計者的思維活動由不確定性向確定性轉化的過程。
這一過程一方面意味進行技術創新的機會。一個產品的技術含量、技術性能、制造成本，以 及市場銷售收益，在很大程度上取決于設計。
這一過程另一方面又意味著一種風險：走彎路的風險、走錯路的風險、甚至是失敗的風險。 產品的復雜程度越高，這種風險也就越大。設計者在設計過程中不能不考慮這種風險，常常 為了避開風險而舍棄了創新。 怎樣才能充分利用創新的機會，提高設計質量，降低設計成本 ，同時又zui大限度地降低風險，提高產品開發的一次成功率，此外，激烈的市場競爭還要求 以 zui短的周期完成設計開發工作，提高對市場需求的響應速度。這就需要對工程設計這一思維 活動本身所具有的特點和規律進行研究，于是誕生了設計方法學。
按照設計方法學的觀點，工程設計這一思維活動既具有內在性的特點，又具有外在性的特點 ，所謂
三維的CAD模型可以有效地適應這種需求。有了三維CAD模型，可以進行結構、性能分析，可以進行模擬裝配，可以進行外觀造型的渲染，甚至可以在虛擬現實環境下進行操作和使用。 虛擬設計、虛擬制造為設計方法學注入了全新的研究內容。
但是，計算機中虛擬模型的出現，并沒有、也不可能*替代其它形式的模型，特別是具有三維實體形態的其它模型，例如：
在產品的造型設計中，不僅要考察產品的外形、色彩效果，甚至要考察其手感；
在航空、航天器的設計中，沒有因為三維CAD的采用而放棄采用空氣動力學的
盡管有十分詳盡的軍事地圖，在大型戰役的指揮中，
這一切都是因為：
1.計算機模型畢竟不能提供產品的全部信息（如手感）；
2.計算機模型只能模擬我們已知的環境條件；
3.三維空間中的實體模型比二維屏幕上的模型更具有
4.計算機模型本身也需要接受驗證。
因此，在大力研究和應用三維CAD基礎上的虛擬設計、虛擬制造的同時，還要積極研究和采 用同樣是在三維CAD基礎上產生和發展起來的快速成形技術。
二、激光快速成型技術的原理及特點
有人曾向一位雕塑大師（米開朗基羅/羅丹?）請教雕塑的秘訣，大師回答說
當‖△x‖→O時，就分別得到旋轉體或平行截面已知立體的體積。
地形地貌是由復雜曲面構成的，但是，只要我們測繪出不同高度的等高線，就可以據此在平 板上切割出大小、形狀各異的曲邊平面（當然，板厚與相鄰兩條等高線之間的高度差應符合 地形圖的比例尺），然后再把它們層疊起來，只要等高線取得足夠密，就可以制作成逼真的 地形模型（如圖）。
目前，按照這種分層加工、迭加成形原理開發出的激光快速成形機有很多種，在此擇其主要 的幾種作一概要的介紹：
1、液態光敏聚合物選擇性固化（SLA:Strreolithographypparatus立體平板印刷設備）
1902年美國的一項提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理，1986年美國的又一項提 出用激光照射液態光敏樹脂分層制作三維實體的快速成形方案，美國3DSYSTEMS公 司據此于1988年生產出*臺激光快速成形機SLA-250。
這種激光快速成形機所使用的構形材料是一種液態光敏聚合物，在紫外光的照射下會發生聚 合固化反應，由液態變成固態，其制作過程如圖所示：
其優點是：能直接得到類似塑料的樹脂件，且表面粗糙度較小。
其缺點是：
（1）成形過程中的化學和物理變化使得尺寸精度不易保證，且會發生蠕變；
（2）須對整個截面進行掃描固化，成形時間較長，成形后要進一步固化處理；
（3）由于未被激光束照射的部分仍為液態，因此對于懸伸部分要事先設計支撐，固化后再去 除；
（4）光敏樹脂固化后較脆，易斷裂，可加工性不好，工作溫度不能超過100℃，會吸濕膨脹， 抗腐蝕能力不強，且價格昂貴（140-2404 /kg）；
（5）產生紫外激光的激光管壽命2000小時左右。
2、薄型材料選擇性切割（LOM:Laminatedbjeetanufacturing分層物體制造）
這種激光快速成形所使用的構形材料是事先涂有熱熔膠的紙，其成形過程與前面所 述的制作地形模型的過程相似，原理結構如圖：
其優點是：
（1）尺寸精度較高；
（2）只須對輪廓線進行切割，制作效率高；
（3）無需設計支撐；
（4）制成的樣件有類似木質制品的硬度，稍作處理后可在200℃以下環境中使用，可進行一定 的切削加工；
（5）所用二氧化碳激光器壽命達20000小時；
（6）構形材料價格便宜（8/kg）。
其缺點是：
（1）不能直接制作塑料件；
（2）表面粗糙度較高，工件表面有明顯的臺階紋，成型后要進行打磨；
（3）易吸濕膨脹，成形后要盡快表面防潮處理；
（4）工件缺少彈性。
3、絲狀材料選擇性熔復（FDM:Fusedepositionodeling熔積成形）
這種快速成型機所使用的構形材料是絲狀熱塑性材料，其工作原理類似于標花蛋糕的制作， 絲狀材料由供絲機構送進噴頭，在噴頭中加熱到熔融態，按照截面形狀涂覆在工作臺上，并 快速冷卻固化，一層完成后噴頭上升一個層高，再進行下一層的涂覆（原理結構如圖）：
其優點是：
（1）能直接制作ABS塑料；
（2）尺寸精度較高；
（3）材料利用率高。
其缺點是：
（1）表面粗糙度較高，需后處理；
（2）成形時間較長；
（3）材料昂貴（250-458/kg）；
（4）懸臂結構處要設置支撐， 不過新型FDM快速成形機上設置了兩個噴頭，一個噴成形材料 ，另一個噴支撐材料，并且支撐材料可以進行水溶去除，減小了后處理時間。（見上圖）
4、粉末材料選擇性燒結（SLS:Selectedaserintering選擇性激光燒結）
這種快速成型機的工作原理與SLA相仿，不過所用成形材料不是液態的光敏樹脂，而是粉末 狀的高分子材料、金屬或陶瓷與粘結劑的混合物等，粉粒直徑為50-125靘，成形時先在工 作臺上鋪一層粉末材料，并加熱至略低于熔化溫度，然后激光束按照截面形狀進行掃描，被 掃描的部分材料熔化、粘接成形，不被掃描的粉未材料仍呈粉粒狀作為工件的支撐，一層完 成成形后，工作臺下降一個層高，再進行下一層的鋪料和燒結（原理結構如圖）：[HJ]
其優點是：
（1）可直接得到塑料、陶瓷或金屬件，可加工性好；
（2）無需設計支撐。
其缺點是：
（1）成形件結構疏松多孔，表面粗糙度較高；
（2）成形效率不高；
（3）得到的塑料、陶瓷或金屬件遠不如傳統成形方法得到的同類材質工件， 需進行滲銅等后 處理，但在后處理中難于保證制件尺寸精度。
通過對以上四種快速成形機的介紹，我們可以看出：激光快速成形技術是多種*制造技術 的集成。
由于不同的快速成形機具有不同的特點，因此要根據不同的使用要求進行恰當的選擇，選擇 中要綜合考慮成形件的尺寸大小、成形件的精度要求、成形件的用途、成形件的形狀、以及 成形件的材質要求等等，還要權衡制作成本，例如：
大型件、實體適于用LOM制作；
小型件、薄壁件適于用SLA、FDM、SLS制作；
塑料件可用SLA、FDM直接制作，用LOM則要通過硅膠模、反應式注塑翻制；
金屬件可用SLS直接制作，用其它方法則要通過鑄造翻制；
表面粗糙度要求高的可SLA、LOM制作；
使用于較高溫度環境下的可用LOM制作等等。
三、激光快速成型技術的前處理
不論哪一種激光快速成形機都是基于三維CAD模型進行制作，并且在制成速成形件的過程中 ，要從三維CAD模型中提取每一層的平面輪廓信息，這是通過相應的軟件完成的，其中zui常 見的方法是：先將三維CAD模型轉換成STL格式模型，再對STL格式模型進行切片處理。
STL格式zui初出現于1988年美國3DYSTEMS公司生產的SLA快速成形機中，STL就是STereoLithography的縮寫，它是將三維模型的表面近似表達為小三角形平面的組合，非常相似于 有限元分析中的三結點平面單元（見附圖）。
STL格式服從下列規則：
（1）共頂點規則：小三角形平面的頂點不能落在相鄰任何一個小三角形平面的邊上；
（2）取向規則：小三角形平面頂點反時針排序為外表面，順時針排序為內表面；
（3）取值規則：頂點座標值均為正值；
（4）合法實體規則：三維模型的表面上必須布滿小三角形平面，不能有裂縫和孔洞，內外 表面之間的厚度不能為0。
此外，還要根據成形件的幾何形狀、復雜程度，選擇適當的模型轉換精度，選擇精度過低（ 小三角形平面太大，數量較少）時，會因為無法表達細小的特征結構而出錯；選擇太高的轉 換精度（小三角形太小，數量過多）時，又會造成STL格式文件太大，超出快速成形機的接受 范圍，甚至會出現一些莫名其妙的錯誤。
快速成形機接收到STL格式文件后，按照下述框圖進行切片：
從中我們可以看到：轉換成STL格式模型后，為了求得切片平面內 成形件的廓線，只要求得 切片平面與所有與該平面相交的小三角形平面的交線就行了，這就將問題轉化成簡單的求兩 平面的交線問題，然后再將求得的交線端點按外環反時針、內環順時針排序，就可得到切片 平面內成形件的內外廓線，供快速成形進行數控加工（固化、切割或涂覆、燒結）。
通過STL格式轉換，簡化了切片平面內成形件廓線的生成，但由于這種轉換本身就是一種近 似處理，因而同時也帶來了轉換中精度的損失，目前一個發展方向是直接利用三維CAD模型 進行切片，從而提高成形件的制作精度，并減小快速成形的前處理時間。
四、激光快速成形技術的應用
關于激光快速成形技術的研究主要在下列三個方面上進行：
*、材料。
從前面的介紹可以看到，材料是快速成形技術的核心，任何一類快速成形機都是針對特定種 類或特定形態的材料而研究開發出來的，液態光敏樹脂用SLA，紙用LOM，絲狀材料用FDM， 粉末狀材料用SLS，zui近聽說又在開發一種新的激光快速成形機，用的是氣態材料
一種 活性氣體，這種活性氣體在激光作用下發生分解，在工作臺上沉積出一層層陶瓷或金屬形成 工件。
另外，目前人們對激光快速成形技術zui大的期待，在于直接形成人們所需要的不同材質的成 形件，如塑料件、 金屬件等。即使是間接翻制，也要解決適當的材料和工藝問題。材料的 廉價化也是個研究重點。
第二、設備。
這里講的設備，不僅包含硬件，即激光快速成形機本身，而且包含相應的軟件，如前面談到 的如何直接對三維CAD軟件進行切片，避免STL格式文件這一近似處理環節，其目的是提高成 形機的成形精度和成形效率。
第三、應用。
激光快速成形技術在各個領域中的應用越來越廣泛，目前的主要應用可用下圖表示：
其中zui主要的應用有以下幾個方面：
1、在產品設計中的應用
快速制作樣件，雖然在材質上與zui終的實際產品有差異但由于形狀及尺寸精度高，可以用來 進行產品的形狀和尺寸評判，甚至可以進行部分性能測試，與傳統的樣機生產相比，不僅大 幅度地節省時間，百且大幅度地節約費用。
快速成形技術與三座標測量、三維激光掃描、工業CT結合使用，還可以快速實施反求（逆向） 工程。
2、在模具制造中的應用
（1）快速成形件直接用作模具
LOM制作的紙模經表面處理直接代替砂型鑄造的木模，對于形狀復雜的高精度模具，其優點 尤為突出。
LOM制作的紙模具經表面處理直接用作低熔點合金鑄造模、試制用注塑模或失蠟鑄造中的蠟 模的成形模。
SLS制作的模具經滲銅后，直接用作金屬模具。
（2）用快速成形件作母模，翻制軟模具
所謂軟模具，是指用硅橡膠、環氧樹脂、聚氨脂等材料制作的模具。用快速成形件作母模澆 注上述材料可形成軟型腔，形成軟模具，這種軟模具可用小批量生產，例如：注塑件、低熔 點合金離心鑄造件等。
對于塑料件，除了常見的熱注射成形（注塑機）外，還可采用反應式注塑法進行小批量生產（ 見附圖）。
反應式注塑的優點是：
·使用液態原料在室溫、低壓下注塑，對模具要求不高。
·固化后得到的聚氨脂件與通過注塑機得到的工業熱塑性材料性能相似，可得到不同顏色的 制件。
·所需設備簡單、便宜，易于操作，所用材料價格也不高。
（3）用快速成形件翻制硬模具
所謂硬模具是指金屬模具、陶瓷模具、石膏模具等。制作方法有兩種：
一種是直接用LOM制作紙基模具，經表面金屬電弧噴鍍和拋光后研成金屬模。
另一種是所謂金屬面、硬背襯模具，制作方法是以快速成形件（如LOM件）作母模，用電弧 噴鍍法 在母模表面噴鍍形成 1.6-6.4mm的金屬殼體，然后移去母模，在殼的背面注入金屬基合成材 料（液態金屬）或環氧樹脂，形成所謂金屬面、硬背襯模具。
上述硬模具可用于砂型鑄造、消失模的壓型制作、注塑模以及簡易非鋼質拉深模。
用快速成形技術制作模具，既避開了復雜的機械切削加工，又可以保證模具的精度，還可以 大大縮短制模時間、節省制模費用，對于形狀復雜的精度模具，其優點尤為突出。但是，目 前還存在著模具壽命相對較短的缺點，即使是金屬面、硬背襯模具，其使用壽命也不及真正 的金屬模，所以快速成形模具較適合于單件小批量生產。
3、在矯形醫學中的應用
每個人骨骼、牙齒各不相同，在矯形醫學中常常遇到對人體的部分骨骼或牙齒進行修補、復 制的問題，如何度身定制是一個過去不易解決的難題，常常給醫生帶來麻煩，給病人帶來痛 苦。
激光快速成形技術給這一狀況帶來轉機，利用反求（逆向）工程的原理，可以方便快捷地解決 這一問題，zui近在北大醫院就進行了一次成功的應用。一位骨盆癌癥患者需要用人工半骨盆 置 換其病變損壞的右側半骨盆，過去，這種手術需要在手術過程中邊測量邊磨削調整，也難以 達到理想的形狀，這一次，則是用CT掃描患者的骨盆，得到CAD模型，然后用健康的左側半骨盆作鏡像，得到右側半骨盆模型，據此制作出理想的形狀，手術一次成功，使手術時間大 大縮短。
由于從*臺激光快速成形機問世到現在剛剛十幾年，國內的研究歷史只有十年左右，進行工業應用則更是近幾年才開始的，可以說是方興未艾，相信激光快速成形技術的研究和應用 一定具有廣闊的前景。
參考文獻：
呂新生譯：