（机械制造及其自动化专业论文）生长型制造中分形扫描路径与烧结成型性能的研究.pdf

华中理工大学博士学位论文 摘要 晦层成型的扫描路径规划是生长型制造工艺中的重要环节之一。目前常用的 s 线扫描路径制造的二维薄层强度较低，精度较差，降低了成型零件的工程实 用性能。因此，寻找一种较优的扫描路径是生长型制造技术中亟待解决的问题? 本文重点研究了扫描路径对烧结成型性能的影响。提出了一类新的扫描路径 分形扫描路径。通过理论分析、数值模拟计算以及实验，结果表明：相对于 常用的“s ”扫描路径，分形扫描路径能改善机械强度、密度、尺寸精度及表面粗 糙度等烧结成型性能，为寻找较优的扫描路径提供理论指导。论文取得如下成果： 分析了选择性激光扫描烧结( s l s ) 的机理以及各种烧结工艺参数对烧结过程的 影向重点研究了扫描路径对成型性能的影响。 在三维热传导模型的基础上，提出了基于扫描烧结的温度场计算假设。用有 限元方法计算了薄层扫描烧结过程中形成的温度场，用c 语言编写了激光扫描烧 结过程温度场三维有限元数值模拟计算程序，成功模拟计算了在“s ”线扫描和分 形扫描路径下薄层的温度场分布。结果表明，分形路径下的3 d 温度场分布均匀。 考察了薄层冷却到室温后其内部的残余应力场，提出了基于扫描路径的线性 约束假设。用c 语言编写了激光扫描烧结过程残余应力场三维有限元数值模拟计 算程序，模拟计算了薄层在“s ”线扫描和分形扫描路径下，烧结薄层冷却到室温 时所产生的残余应力场的分布，表明分形扫描烧结的薄层残余应力小，零件强度 高。 完成了烧结试验。参与设计制造了高精度、反向运动间隙小，结构轻，响应 快的实验装置。装置的特色是采用钢丝绳牵引，反向间隙小。对树脂砂等材料做 了不同路径下的烧结成型实验以及试件抗压强度实验，结果证明了理论的正确性。 本学位论文是国家“九五”自然科学基金资助项目“生长型制造薄层扫描路 径的分形规划与控制”的重要组成部分。 本论文建立的扫描路径与烧结成型性能的关系模型：可用来衡量扫描路径的 优劣，指导扫描烧结，这对于改善零件质量，提高生长型制造技术的工程实用性， 有着重要的学术价值与经济效益。厂 关键词：生长型制造，分形扫描路径，成型性能，有限元，温度场，残余应力场 华中理工大学博士学位论文 a b s t r a c t t h e s c a n n i n gp a t hp l a n n i n g f o r p r o d u c i n gl a y e r s i so n eo ft h e i m p o r t a n tt a s k s i nm a t e r i a li n c r e a s em a n u f a c t u r i n g ( m i m ) r e c e n t l y , t h e t w o d i m e n s i o n a ll a y e rm a d e b y ”s ”l i n es c a n n i n gp a t hh a sl o w e rs t r e n g t h a n d p r e c i s i o n ，w h i c h w i l lr e d u c e st h e p a r t sp r a c t i c a le n g i n e e r i n g p e r f o r m a n c e s o ，f i n d i n g an e wk i n do fb e t t e r s c a n n i n gp a t h i st h e e m e r g e n c yp r o b l e m t ob er e s o l v e di nm i m t h i sd i s s e r t a t i o np a y sm o r ea t t e n t i o nt ot h ei n f l u e n c eo f s c a n n i n gp a t h o n f o r m i n gp e r f o r m a n c e a n dan e wk i n do fs c a n n i n gp a m 一一劬咖l s c a n n i n gp a t h i s p r o p o s e d t h r o u g h t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，n u m e r i c a l c a l c u l a t i o n ，s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s ，t h er e s u l t ss h o wt h a t ：c o m p a r e d w i t h ”s ”l i n es c a n n i n gp a t h ，t h ef r a c t a l s c a n n i n gp a t h c a l l i m p r o v et h e f o r m i n gp e r f o r m a n c es u c ha s ：s t r e n g t h ，d e n s i t y , d i m e n s i o np r e c i s i o na n d s u r f a c er o u g h n e s s f u r t h e rm o r e ，t h ed i s s e r t a t i o nc a nb eu s e dt op r o v i d e t h e o r e t i c a lg u i d el i n et of i n dab e t t e rs c a n n i n g p a t h a c c o r d i n g t h et h o u g h t s a b o v e ，t h i sd i s s e r t a t i o no b t a i n e df o l l o w i n g r e s u l t s ： a n a l y s i n g t h em e c h a n i s mo fs e l e c t i v el a s e r s i n t e r i n g ( s l s l a n da l l k i n d so fp r o c e s sp a r a m e t e r s i n f l u e n c e so ns i n t e r i n g p r o c e s s ，b u tm o r e a t t e n t i o ni sp a i dt ot h es c a n n i n g p a t h si n f l u e n c e o nf o r m i n g p e r f o r m a n c e t h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h e l a y e r i n s c a n n i n gs i n t e r i n gp r o c e s si s c a l c u l a t e dw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) b a s e do nt h e3 dh e a tt r a n s f e r m o d e l ，s o m es u p p o s e sa r ep r o p o s e df o rt e m p e r a t u r ef i e l d c a l c u l a t i o ni n s c a n n i n gs i n t e r i n g u s i n gcl a n g u a g e t h es c a n n i n gs i n t e r i n g3 d t e m p e r a t u r e f i e l dc a l c u l a t i o n p r o g r a m i s c o m p l e t e d s i m u l a t i o n o ft h e l a y e r s t e m p e r a t u r e f i e l dd i s t r i b u t i o nu n d e r ”s ”l i n es c a n n i n gp a t ha n df r a c t a l s c a n n i n gp a t hi s f i n i s h e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t ：t h e3 d t e m p e r a t u r e f i e l du n d e rf r a c t a l s c a n n i n gp a t h i sm o r es m o o t ht h a nt h a tu n d e r ”s ” s c a n n i n gp a t h i i 华中理工大学博士学位论文 t h er e s i d u a ls t r e s sf i e l do ft h el a y e ri ss t u d i e dw h e nt h es i n t e r e dl a y e r i sc o o l e dd o w nt or o o m t e m p e r a t u r ea n d a s u p p o s e o f l i n e a r i t yc o n s t r a i n ti s s u p p o s e d t h ep r o g r a mo f 3 df i n i t ee l e m e n tm e t h o dt oc a l c u l a t et h el a y e r s r e s i d u a ls t r e s sf i e l di sw r i t t e ni nc l a n g u a g e s i m u l a t e dt h el a y e r sr e s i d u a l s t r e s sf i e l du n d e r ”s ”l i n es c a n n i n gp a t ha n df r a c t a l s c a n n i n gp a t h ，t h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a t ：t h es i n t e r e dl a y e ru n d e rf r a c t a lp a t hh a sl e s sr e s i d u a l s t r e s s ，h i g h e rs t r e n g t h a1 0 to f s i n t e r i n ge x p e r i m e n t sa r ea c c o m p l i s h e d t h ee q u i p m e n tw i t h h i g ha c c u r a c y , s m a l lb a c k l a s h ，s m a l lw e i g h ta n dr a p i dr e s p o n s eh a s b e e n d e s i g n e d a n dm a n u f a c t u r e d ，w h i c hu s e ds t e e l r o p e t r a n s m i s s i o n t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v e dc o r r e c t i o no f t h ep r o p o s e dt h e o r y s o m eo ft h e e x p e r i m e n t a lm a t e r i a la r e ：p l a s t i c ，c e r a m i ca n d r o s i ns a n d t h es t u d yo ft h i sd i s s e r t a t i o ni so n eo ft h em a i np a r t so fp r o j e c t ”s c a n n i n gp a t hp l a n n i n g a n dc o n t r o li nm i m ”w h i c hi s f i n a n c i a l l y s u p p o s e db y t h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( n n s f ) o f c h i n a t h i sd i s s e r t a t i o ns e t su pt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h e s c a n n i n gp a t h a n d s i n t e r e df o r m i n gp e r f o r m a n c e ，w h i c hm a yb ea d o p t e dt ow e i g h tt h ep a t hi s g o o do rb a d ，t og u i d et h es i n t e r i n gp r o c e s s t h i s w o r ki s i m p o r t a n tf o r i m p r o v i n g t h e p a r t sq u a l i t y a n d a d v a n c i n g t h e p r a c t i c a le n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o no f m i m k e y w o r d s ：m a t e r i a li n c r e a s em a n u f a c t u r i n g ( m i m ) ，f r a c t a ls c a n n i n g p a t h ， f o r m i n gp e r f o r m a n c e ，f i n i t e e l e m e n t m e t h o d ( f e m ) ， t e m p e r a t u r ef i e l d ，r e s i d u a ls t r e s sf i e l d i i i 华中理工大学博士学位论文 第1 章 绪论 本章首先对课题进行了概述；接着介绍了生长型制造技术的国内 外发展与研究现状；最后简述了本文的主要研究工作。 1 1 课题概述 1 1 1 课题的来源 华中理工大学机械学院现代制造所自生长型制造技术出现以来，一直在对其 作跟踪研究，自九十年代以来，开始了理论方面的研究嘲川。“生长型制造薄 层扫描路径的分形规划与控制”项目得到国家自然科学基金的资助( 项目编号： 5 9 6 7 5 0 7 1 ) ，本学位论文“生长型制造中分形扫描路径与烧结成型性能的研究” 是其重要组成部分。 1 1 2 课题的目的及意义 近年来，随着生长型制造理论的提出，该项技术即成为了制造领域的研究和 应用热点。生长型制造技术的出现，开辟了不用刀具而制造各类零部件的新途径， 并为目前尚不能制作或难以制作的零件和模型，提供了一种新的制造手段“1 。 迄今为止，该项技术还处于研究发展阶段，有很多实际应用问题亟待解决”“。 其中，最为突出的问题是所制造的零件的机械强度、尺寸精度和表面平整性等物 理性能较差。从生长型制造工艺流程看，除了分层实体制造技术( l o m ) 外，薄层 制造扫描路径的规划与控制是生长型制造工艺中的重要环节之一。现常用的“s ” 线扫描路径制造的二维薄层强度较低，精度较差，降低了成型零件的工程实用性 华中理工大学博士学位论文 能。因此，寻找一种较优的扫描路径是生长型制造技术中亟待解决的问题 2 l i s t 。 分形几何是本世纪具有重大影响的理论成果之一3 删。分形几何认为，自 然界的非规则的形态，均可看成是具有无限嵌套层次的精细结构，是局部和整体 按某种方式相似的结构。当分形曲线的维数大于或等于2 时，便可由它充满平面， 这些分形曲线是非自交、简单且自相似的，因此，按分形理论的观点，2 维图形 可以在2 个方向或大于2 个方向的分形嵌套而成，2 维的局部结构与2 维整体结 构是相似的。因此，按分形曲线生成的路径，则可认为平面是由若干个小平面嵌 套而成，是分形的集合，而不是线的集合。国外已有用分形路径来进行表面抛光 的研究，且效果较好馇“。理论分析证明曙“：按分形曲线扫描所制造的2 维薄层， 将使薄层表面平整、材料结构均匀、生长过程更完善；局部的性能优化即可相似 地推广到整体：薄层之间的堆叠强度可大为提高，获得稳定可靠的物理性能，提 高制造精度。 由于生长型制造技术采用全新的制造概念和工艺，有着极为重要的工程应用 价值。有着非常广阀的应用前景。通过本课题的研究，建立起扫描路径与零件性 能的关系模型，用来衡量扫描路径的优劣，指导扫描烧结，以利于改善零件质量， 提高生长型制造技术的工程实用性。因此，本文工作具有重要的学术价值与社会 经济意义。 1 。2 生长型制造技术( m i m ) 简介 1 2 1 生长型制造技术形成的原因和背景 z - 3 3 c a d 技术作为设计辅助工具已得到广泛应用。曲面造型、实体造型、参数化 设计、特征设计等新型工具为设计者提供了良好的背景环境。无论是复杂曲面形 体的真实感显示，或是结构紧凑空间狭小的机构运动干涉检查，均可在色彩丰富 的显示屏或绘图机上一览无余。但即使这样，仍不能百分之百地满足设计者对作 品的全方位鉴赏、评价分析的需要。这是因为显示屏与绘图机的输出毕竟是个 平面窗口内的图形，对产品设计的形体、结构、制造工艺性以及机械性能的检验 的最为直接的方法是由c a d c a m 集成系统生成产品加工制造的n c 代码，通过数 控加工中心试切出样件。这种方法己成为集成制造系统中试制品分析与改进设计 的基本方法“。但是，这种方法由于直接使用数控加工设备和试件原料，所以费 2 华中理工大学博士学位论文 用较高，且需要较长的时间。另一方面，随着经济的全球化，市场竞争日趋激烈， 产品更新换代加快，产品越来越向多品种、小批量、高精度、高性能、低成本的 方向发展。制造业为了保持产品的市场竞争力。要求设计者及制造者尽量缩短产 品的开发和制造周期，以实现对市场变化、新技术开发的快速反应能力，达到快 速产品开发( r a p i dp r o d u c td e v e l o p m e n t ) 的目的。由于上述两方面的原因，制 造业迫切希望有经济快速的原型制造和模具制造技术的出现，以便尽快对产品设 计进行验证和投产制造。此外，有些零件形状极为复杂，常用的机械加工方法难 以制造，制造业也非常希望有新的制造技术出现o ，3 。 近年来，计算机及其应用技术、c a d 、数控、激光和新材料技术的迅猛发展， 学科交叉结合逐渐紧密，为新制造技术的出现提供了技术物质基础妇】。八十年代 末，一种快速制造零件原型的新技术快速原型制造技术( r a p i dp r o t o t y p i n g m a n u f a c t u r i n g ，r p m ) 首先在美国出现了1 5 - i ：1 。十几年来，这一领域的研究取得 了巨大成功，产生了十几种r p m 技术，如今，其中有些技术甚至可用来直接制造 金属或陶瓷功能零件 7 8 l i b , “。 r p m 技术发展初期，主要目的是提供快速、经济的制作零件原型的手段，因 此，这系列技术统称为快速原型制造技术。随着这类技术的发展和成熟，使得 直接使用该类技术制作功能零件成为可能，而不单单是制作零件原型。根据这类 技术实现制造的过程和特点，把它们称为生长型制造技术( m a t e r i a li n c r e a s e m a n u f a c t u r i n g ，m i m ) 较为贴切临“。 1 2 2 m i m 技术原理 m i m 突破了机械制造中传统的受迫成形和去除成形两种加工模式，采用先离 散，然后再堆积的概念来制造零件o “，是一种全新的制造技术。生长型制造的 实现，是采用粘结、熔结、聚合作用或化学反应等手段，有选择地固化( 或粘结、 烧结) 液体( 或固体) 材料，从而制作出要求形状的零部件。其最初的制造思路源 于3 维实体被切成一系列的连续薄切片的逆过程只要用2 维的制造方法制作 出一系列的薄切片，然后堆叠成为3 维的零部件实体。它的制造方式是不断地把 材料按需要添加在未完成的零件上，直至零件制作完毕。即所谓“材料生长的 制造过程”。 m i m 的计算机集成制造过程如图1 1 所示。 华中理_ l l 大学博士学位论文 - - - - - 。 d 部分 厂一m 部分厂后处理 图1 1m i m 的计算机集成制造过程 1 2 3 m i m 是多学科的综合应用肛3 3 1 m i m 综合应用了c a d c a m 、c n c 、激光、材料等领域的最新成果，是一种多学 科的综合性制造技术。 t c a d c a m 技术。几乎所有m i m 系统制造零件的过程都是从零件的c a d 开 始，即先在c a d 系统上设计出3 维零件模型，然后将其内外表面用小三角平面离 散化。每个平面片由其3 个顶点和1 个垂直于平面指向体外的法向向量来描述。 得到的数据便是目前m i m 系统采用的s t l 文件。c a m 软件用来对设计好的零件模 型进行切片，然后分析每一切片以确定生成制作切片的最佳路径，它包括薄层横 断面的轮廓路径和面内扫描路径。切片信息及生成的路径信息形成s l i 文件，s l i 文件是直接控制数控系统的命令文件。 2 计算机数控技术。对大多数m i m 系统而言，都是两轴联动的控制系统，z 方向仅是固定规律的运动控制。因此形象地称为2 5 轴控制系统。 3 激光技术。大多数m i m 制造系统应用激光进行光固化、切割、熔化材料。 激光具有能量集中，易于控制，光斑小等特点，特别适用于m i m 制造。 4 材料技术。m i m 技术中使用的材料种类很多，例如：s l a 工艺采用特种光 敏树脂；l o m 工艺采用涂有粘结剂的纸张；f d m 工艺采用石蜡、尼龙等；s l s 采 用各种金属和非金属粉末为材料等。显然，材料的性质不但影响零件的质量，更 为重要的是，它是工艺可行性的保证。 5 检测技术。m i m 技术是一种自动成型的技术，为了达到零件的设计要求， 华中理工大学博士学位论文 确保成型质量，检测技术是十分必要的。例如，在零件制造中，对加工信息的反 馈是十分重要的，它不仅有助于了解成型的质量，还可以通过这些信息确定补偿 的措施。 6 m i m 技术对其它学科的依赖。m i m 还与机械科学、现代设计理论、电子技 术等息息相关。机械科学奠定了m i m 的工艺基础；现代设计理论则为零件的设计 提供科学的理论指导：电子和信息技术则使m i m 的各个子系统集成起来。 图1 2 给出了m i m 与相关学科之间的关系“。 图1 2m i m 与相关学科间的关系 1 2 4 生长型制造技术分类介绍r 卜3 3 按材料成型时的形态，生长型制造技术可分为如下四大类： 1 液态( l i q u i d ) ： 立体光刻成型( s t e r e o l it h o g r a p h ya p p a r a t u s ，s l a ) 立体光刻成型( s l a ) 技术是c h a r l e sh u l l 于1 9 8 6 年研制成功1 9 8 7 年获美 国专利，1 9 8 8 年由3 ds y s t e m 公司商品化。s l a 的工艺过程是，首先在计算机中 形成各薄层的几何形状数据文件，随后利用计算机控制的激光扫描系统在盛有光 敏树脂液体的池子的液面上逐点扫描，描绘出每个二维薄层。在激光扫描到的液 面，树脂固化，薄层由此形成。图1 3 是该方法的原理示意图。计算机控制支撑 机构下沉，使新成型的薄层浸入液池，浸入深度等于下一步待制作薄层的厚度。 此过程循环，层与层粘接在一起，直到零件制作完毕。取出零件，通过紫外光进 一步固化处理，按零件最终用途，还可进行喷砂、喷漆、电镀或压模等精加工。 丛左鎏星目煎丛! 丛垫查塑丝虫婴塑星墨盟虚壁! 遮莶量塑盛塾! 堡婆塑友鎏盟 华中理工大学博士学位论文 局5 艮性是：需要支撑、树脂收缩较大。 树脂零件 ! z 向支撑升降机构 图1 3 立体光刻成型技术示意图 熔化沉积造型( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ，f d m ) 熔化沉积造型( f d m ) 是美国学者d r s c o t tc r u m p 于1 9 8 8 年研制成功。f d m 方法的特点是不使用激光，而是用电加热的方法加热材料丝。材料丝在喷嘴中加 热变为粘性流体，这种连续粘性材料流通过喷嘴涂在基体上，经过自然冷却，形 成固态薄层。从理论上来说，热熔材料都可以使用。图l4 是该方法的示意图。 f d m 方法对材料喷射和扫描速度有较高的要求，并且从喷出到固化的时间很 短，温度不易把握。熔融温度 以高于熔点温度l 较为合 适。f d m 方法的优点是：成本 低( 由于不需激光器件) ；速度 快；材料广泛。f d m 方法最先 由s t r a t a s y s 公司商品化。 图i 4 熔化沉积造型技术示意图 液滴喷射打印( i n kj e tp r i n t i n g ，u p ) 图1 5 是浚方法的示意图。其原理类似于熔化沉积造型技术。液滴通过电子 喷嘴喷到基面上，自然冷却后形成圆体薄层，层层累加，制成零件。 支撑升降系统 图i 5 液滴喷射打印技术示意图 6 华中理工大学博士学位论文 2 固态：( s o l i d ) 分层实体制造( l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ，l o m ) 分层实体制造( l o m ) 是美国h e l i s y s ，i n c 的m i c h a e lf e y g i n 于1 9 8 7 年研制 成功的，1 9 8 8 年获得美国专利。该方法以纸、塑料薄膜或复合材料膜为材料， 在每层加热加压粘紧后，利用激光在加工平面上根据零件的截面形状切割最上 层，非零件部分切割成网格便于后处理。就这 样一层层加工最终完成实体模型。该方法原理 纸或薄膜进给方向匕= = ： 示意图如图1 6 所示。 该方法的优点是：材料适应性强，可切割 从纸、塑料到金属箔材、复合材料等；不需要 支撑：零件内部应力小，不易翘曲变形；由于 只是切割边缘线，因而制造速度快；易于制造 大型原型零件。 图1 6 分层实体制造示意图 3 粉末：( p o w d e r ) 三维印刷( t h r e ed i m e n s i o n a lp r i n t i n g ，3 d p ) 三维印刷( 3 d p ) 方法是美国麻省理工学院e m a n u e ls a c h s 和m i c h a e lc i m a 等人研制出来的。该方法可用于陶 瓷粉末和金属粉末。其原理是用喷 头将硅胶等粘结剂喷于粉永薄层 上，粘结制成薄层。逐层累加，制 成零件。图1 7 是三维打印技术原 理示意图。3 d p 方法的优点主要 有：不需要支撑；成本低。 激光涂覆( l a s e rc l a d d i n g ) 图i 8 是激光涂覆技术 原理示意图。金属粉末通过送 粉机构送到喷嘴腔中，受激光 加热熔化，喷嘴把熔液涂在基 粘结 系统 图1 7 三维印刷技术原理示意图 送粉机构 喷嘴 住土：自丛堡塑：剑盛鎏屋!里! ：! 堂堂塑堡垫查堡翌重墨里 7 华中理工大学博士学位论文 选择i 生激光烧结( s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ，s l s ) 选择性激光烧结( s l s ) 方法是美国德克萨斯大学奥斯汀分校的c r d e c k a r d 于1 9 8 9 年首先研制出来的，同年获美国专利。d t m 公司1 9 9 2 年首先推出了s l s 商品化产品“烧结站2 0 0 0 系统”。烧结站2 0 0 0 系统目前烧结的材料有标准铸造 蜡材，标准工程热塑性塑料如聚碳酸酯、尼龙、纤细尼龙、合成尼龙、覆膜金属 ( 金属和粘结剂的混合粉末) ，正在研究和开发陶瓷、金属粉末及其它工程材料。 s l s 是利用高功率激光器为能源，以各种粉末材料如塑料、蜡粉、陶瓷以及 金属为成型原料，激光束直接照射到粉末上进行烧结。一层加工完毕，然后再将 粉末铺于已烧结的层面上，这样一层层加工直至加工完毕。图1 9 是选择性激光 烧结技术示意图。选择性激光烧结技术是生长型制造技术的重要分支，是目前发 展最快和应用范围最广的技术之一，除了具有生长型制造技术的所有特点外，还 具有自己独特的地方。 图1 9s l s 工艺示意图 材料选择范围广。选择性激光烧结技术所用的材料为粉末材料，有石蜡、 塑料、金属和陶瓷等。 材料价格便宜，便于储存，对环境无污染，对人体无害，无毒性，可将 未烧结的粉末回收再用。 产品耐热、强度高。选择性激光烧结技术所用的材料既可以是石蜡，也 可以是塑料、金属和陶瓷，其产品具有耐热，强度高的特点，可直接制作功能零 件。 无需设计和建造复杂的支撑系统。在激光烧结中，未烧结的粉末仍留在 原处，可作为上层粉末的支撑。 ! ：冬查l ! 箜! 8 华中理工大学博士学位论文 选择性激光化学蒸气沉积( s e l e c t i v el a s e rc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n l 图1 1 0 是选择性激光化学蒸气沉积技术示意图。材料以气态进入沉积腔 遇激光产生化学反应，变为固态，沉积形成薄层。 出气 图1 1 0 选择性激光化学蒸气沉积示意图 1 2 5 生长型制造技术特点 虽然生长型制造方法有多种，每一种分别有各自的特点，它们对设备，造型 原料等的要求不尽相同，生成的实体零件用途也有差异，但与传统的；o n i 方法比 较，生长型制造技术具有以下共同特点和优点 6 “： 1 图形设计到实体输出的过程快，适合于快速生产零件，使产品迅速投放 市场，征求用户意见。产品更新换代容易，生产周期短。产品开发的总成本低： 2 对零件的复杂性几乎没有任何限制，特别适合于制作传统加工工艺难以 制造的具有复杂形状的零件； 3 可在一次操作( 即一次驱动成型设备) 中生成零件； 4 ，具有一定的重复精度，而手工制模重复精度差： 5 零件的生产不需要设计制作工装设备。 由于上述特点，生长型制造技术生产的产品，其造价几乎与产品的复杂性无 关，而传统的加工方法则不然，有些十分复杂的零件甚至无法生产。 生长型制造技术生产的产品，其造价与产品的批量关系不大。而传统的加工 方法则不同，小批量或单件的造价很贵，而大批量生产时，单价降低。这主要是 由于准备特殊的工具，如刀具、模其等，所花的费用需要大批量来分摊才能使单 价下降。 因此，生长型制造技术很适合于制造小批量零件，尤其是一些具有独特形 状的零部件。 华中理工大学博士学位论文 1 3 生长型制造技术国内外发展与现状 1 - 3 3 4 1 4 2 6 5 6 6 1 3 1 国外m i m 技术的发展状况 世界上首次报道m i m 技术的论文是由日本名古屋理工大学的克达马博士在 1 9 8 1 年发表的。七十年代末、八十年代初，美国的3 m 公司、日本的名古屋市工 业研究所以及美国的u v p 公司，分别提出了基于有选择地逐层固化光敏聚合物的 原理来制造三维物体的快速原型制造技术的概念。u v p 公司开发了立体光刻成型 系统( s l a ) ，1 9 8 6 年组建了3 ds y s t e m s 公司，开发出商品化s l a 生长型制造系 统。i 9 8 7 年1 1 月美国3 ds y s t e m s 系统公司在底特律专业博览会上展出了世界 上第一台生长型制造系统s l a i 。自1 9 8 8 年初，a m p 、g e n e r a lm o t o r s 、b a x t e r h e a l t hc a r e 和p r a t t w h i t n e y 等公司购置了s l a i 系统，许多大公司加入了 早期的s l a 用户行列，积累了丰富的经验，成立了s l a 用户集团，推动了m i m 技 术的发展。此外，美国还相继成立了一些m i m 公司，实现了一些不同类型的m i m 系统( 如l o m 、s l s 、f d m 等) 的商品化，如h e l i s y s 公司的l o m - 1 0 1 5 ，q a u d r a xl a s t e r t e c h n o l o g y 公司的m a r k 一1 0 0 0 、c u b i t a l 公司的s o l i d e r5 6 0 0 系统等等。到1 9 9 4 年，世界上已有超过1 7 家生产m i m 设备的公司。它们生产的8 0 0 多套m i m 系统 已投入使用，其中美国占绝大多数，日本有1 0 0 多套。1 9 9 7 年，售出了1 0 5 7 套 m i m 系统，使该类系统装机数达到3 2 8 9 套 。图1 1 1 是m i m 系统销售态势图， 表1 1 是1 9 9 7 年销售的各类m i m 系统的详细情况。目前，最为广泛应用的m i m 系统是立体光刻成型系统、熔化沉积造型系统、液滴喷射打印系统、层叠制造系 统和选择性激光烧结系统。 美国许多大学也在m i m 制造技术领域投入了大量的经费和人力，比较主要的 有：( 1 ) m i t ：它是3 d p 技术的发源地，包括金属型和陶瓷型；后者已商品化。目 前m i t 在直接金属熔化沉积制造方面取得了相当的进展；( 2 ) t h eu n i v e r s i t yo f d a y t o n ：从事包括s l a 在内的多种m i m 工艺； ( 3 ) t h eu n i v e r s i t yo ft e x a sa t a u s t i n ：与d t m 公司合作，主要研究s l s 工艺：( 4 ) c a r n e g i em e l i o nu n i v e r s i t y ： 主要从事基于m i m 的微型机械研究与开发；此外，d r e x e lu n i v e r s i t y ，n e wj e r s e y 理工学院，斯坦福大学以及其它许多大学都在进行这方面的研究工作。 同时，m i m 技术很快在日本和欧洲兴起，并影响世界范围的工业界。在日本， 大阪府立产业综合研究所的丸谷洋二氏是m i m 技术在日本应用的开拓者。1 9 8 8 华中理工大学博士学位论文 年三菱商社的s o u p 系统研制成功，并率先在日本市场出售。同年，美国3 ds y s t e m 公司在日本建立了子公司。随后，s o n y 公司的s o l i dc r e a t i o n 系统、三并造船 的c o l a m m 系统等相继出现。目前日本至少有八家公司从事m i m 技术的研究和开 发。另外，日本以东京大学为首，一批学术、研究单位也积极开展了这方面的研 究开发工作。 图1 1 1m i m 系统逐年销售趋势图 表1 11 9 9 7 年销售的各类m i m 系统 生妖型制造系统1 9 9 7 年销售情况 立体光刻成型3 u 系统公司：1 6 5 套( 1 6 ) 2 8 1 套( 2 6 )日本制造商：9 7 套( 9 ) e o s 立体成形公司：2 2 套( 2 ) 熔化沉积造型2 6 0 套( 2 5 )s t r a t a s y s 公司：2 6 0 套( 2 5 ) 液滴喷射打印s a n d e r s 公司：1 5 2 套( 1 4 ) 2 6 5 套( 2 6 )3 d 系统公司：1 1 3 套( 1 1 ) 分层实体制造h e l y s i s 公司：7 6 套( 7 ) k i r a 公司：2 0 套( 2 ) 1 6 2 套( 1 5 )k i n e r g y 公司： 2 套 s c h r o f f 公司：6 4 套( 4 ) 选择性激光烧结d t m 公司：4 2 套“) 7 5 套( 7 )e o g i n t 公司：3 3 套( 3 ) 华中理工大学博士学位论文 同样，欧洲国家不甘心落后于美国和日本，也相继开展了m i m 的研究工作， 其中最引人注目的是两个大的国际合作工程，分别称为i n s t a n t c a m 和n o r s l a ， 均开始于1 9 9 0 年。i n s t a n t c a m 项目的台义是“通过模型、原型和工具的即时制 造，减少从设计到产品的研制周期”，它涉及的领域有：( 1 ) 不同的l m t ( l a y e r m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ) 技术，机器的设计和材料的开发：( 2 ) c a d c a m 的集 成与l m t 过程的耦合；( 3 ) 不同的l m t 应用领域的物体制作和改进；( 4 ) 创造性设 计中l m t 的应用；( 5 ) 铸造工业的l m t 应用以及工具、模具制造的l m t 应用。n o r s l a 项目的含义为“立体光造型( s l a ) 模型生产的加工数据”。该研究的主要目标是确 定如何用s l a 技术制造最低成本的、具有最好尺寸精度和表面光洁度的零件，使 其成为实用的工业生产方法。这两个工程涉及欧洲主要工业国家的研究所、大学 和公司，如英国的n o t t i n g h a m 大学、d u n d e e 大学和l e e d s 大学等，芬兰的h e l s i n k i u n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y 、德国的e l e c t r oo p t i c a ls y s t e m s 公司、瑞典的s p a r x a b 公司、以色列的c u b i t a l 公司以及法国的l a s e r3 d 公司等。 另外，亚洲地区的中国香港、台湾和新加坡在r p m 方面也有相当的应用与研 究。香港起步较早，香港生产力促进局和亚洲殷发公司拥有s l a 2 5 0 设备，继 之香港科技大学、香港理工大学和香港大学都安装有s l a 、s l s 以及f d m 系列设 备。台湾大学拥有l o m 设备，台湾各单位及军方安装有多台s l a 系统设备。新加 坡南洋理工大学与华中理工大学合作研究开发l o m 设备一z i p p y 系列。 目前，m i m 技术日趋完善。美国、日本、英国、德国、加拿大、以色列、新 加坡等国的公司都推出了商品化产品，形成新型产业。美国则居于领先地位，比 较有名的有3 ds y s t e m s 公司、h e l i s y s 公司、d t m 公司、s t r a t a s y s 公司等。国 外公司目前正在加紧研制功率更大、制造体积更大的大型系统，向设备集成化、 技术集成化、制模材料多样化方向发展。 国际上有关m i m 方面的学术研究活动非常活跃。自1 9 9 0 年起，每年召开一 届固体自由成型国际会议( s o l i df r e e f o r mf a b r i c a t i o ns y m p o s i u m ) ；自1 9 9 1 年起，快速成型国际会议( i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c e o nr a p i dp r o t o t y p i n g ) 每年稆开一次；快速原型和制造欧洲会议( e u r o p e c o n f e r e n c eo nr a p i d p r o t o t y p i n ga n d m a n u f a c t u r i n g ) 已召开了七届；原型技术国际会议( p r o t o t y p i n g t e c h n 0 1 0 9 yi n t e r n a t i o n a l ) 也是每年一届。日本国内每年举行两次学术研讨会。 除了以上影响较大的会议以外，每年还有许多有关生长型制造技术的学术会议在 堂墨鱼丝塑翌! 垦匿占塑遒塑型塞坚型堇垄盥笪塑塑銎查圭塞亘! 苤垦坠型型 华中理工大学博士学位论文 出版公司出版的 r a p i dp r o t o t y p i n gr e p o r t ，美国制造工程师协会( a s m e ) 快 速造型分会( r a p i dp r o t o t y p i n ga s s o c i a t i o n ) 出版的快速造型报告 r a p i d p r o t o t y p i n g 一英国出版的快速造型学报r a p i dp r o t o t y p i n g7 0 u r n a l 等。 1 3 2 国内m i m 技术的发展状况 国内对j i l i m 技术的研究是从九十年代初开始的。最早开展此项研究的单位为 清华大学和华中理工大学，随后西安交通大学、浙江大学、南京航空航天大学和 上海交通大学等也开始从事这方面的研究。 清华大学快速成型中心的研究内容主要包括：( 1 ) 现代成形科学理论的研究； ( 2 ) s s m ( s 1 i c i n gs o l i dm a n u f a c t u r i n g ) 、s l a 和f d m 工艺的研究，其中s s m 工艺 于1 9 9 4