快速成形技术产生及发展中的科技创新

1、快速成形技术产生及发展中的科技创新 摘 要 随着我国经济和科技的发展，市场竞争日趋激烈，产品更新换代加速，能否对市场需求快速响应，关系到民族制造业的生存。快速成形技术就是因应这种发展而产生的一种先进制造技术。通过描述快速成形技术的产生及发展过程中的情况和技术特色，讲述了科技创新中的一些基本思路和方法，探讨了社会需求是科技创新的直接动力，多学科交叉渗透是科技创新的途径，逆向思维和发散思维是科学思维的主要思维形式及科技发展趋势等问题。 关键词 快速成形 科技创新 多学科交叉 逆向思维 中图分类号 F273.1 文献标识码 A1 引言 当今世界，科学技术的发展日新月异，科技竞争日益激烈。对于一名科技

2、工作者，必须熟悉各学科的发展状况及动态，掌握科技创新的客观规律。只有这样，才能尽可能处于学科发展的前沿，才能使自己在激烈的竞争中处于相对有利的位置。否则，跟在别人后面亦步亦趋，势必总是处于落后的地位，就很难在激烈的竞争中获得成功。下面结合先进制造技术的前沿快速成形技术的产生与发展情况，简单探讨一下科技创新的动力、途径、思维方法以及发展趋势等问题。2 社会需求是科技创新的直接动力 科技创新的直接动力是社会需求，而科学技术的发展又反过来促进社会的进步，对科学技术进一步产生新的需求，从而促进科学技术的进一步发展，如此循环往复，持继不断。人们对动力的需求使得瓦特发明了蒸汽机，从而引发了第一次工业革命，

3、而工业革命反过来又进一步促进人们对能源的更多需求，这样就使得人们开发、研究更多形式的能源（如电能、太阳能、核能等）。又比如，人们对数值计算、数据处理的需求使得电子计算机得以问世，计算机的出现和发展，又大大推动了社会进步及科学技术的发展，其应用范围也愈来愈深入到人们社会生活的各方面，为我们的各项工作提供了一个强有力的工具。而不同领域对计算机的不同需求又使得计算机技术进一步向更高层次发展以满足人们对它的需求。 电子计算机在机械制造行业的应用也得到了迅速发展，其中最突出的就是计算机辅助设计与计算机辅助制造技术（CADCAM）。虽然当今计算机辅助设计与计算机辅助制造技术已取得重大突破，但研制新产品样机

4、，仍然存在周期长和费用高昂的问题，很难对设计进行反复迭代，使新产品在开发阶段即达到优化和较为完美的程度。然而，随着现代经济和科学技术的发展，市场竞争日趋激烈，产品更新换代加速，这在电子、汽车、家电、玩具、轻工及模具等行业表现得尤为明显。用传统方法制造零件原型，需要几周或几个月的时间和昂贵的费用，远远不能满足市场竞争的要求。“一次成功”率低、开发费用高、投资风险大。正是为了解决这一问题，出现了一种全新的设计和制造技术快速成形技术(RP技术，Rapid Prototyping)，这是一种集CAD三维造型、计算机图形和数据处理、数控、检测、精密机械、激光、高分子材料于一体的高新技术，能在几小时或几十

5、小时内制造出不同大小和复杂程度的零件原型，用来验证设计或小批量制造塑料件和金属件，制成新产品试销，大大缩短了新产品的开发周期。 CAD模型经第一次评价后，用RP技术可以很快制造出原型，提高了CAD模型的可视性和直观性，以便对CAD模型进行第二次评价和修改。第二次修改后的模型，用RP技术和其它技术（如铸造技术、快速制模技术等）结合制作功能测试模型，经过功能测试（如风洞试验）后，对CAD进行第三次修改，再用RP技术和其它技术与工艺方法相结合，制成样件。对样件进行评价和第四次修改后的CAD模型，就可以作为产品的最终设计了。由于快速成形技术的出现，可使设计、评价、制造形成一个整体的闭环系统，不仅大大缩

6、短了新产品的研究、开发周期，还能使新产品在第一次投放市场时就达到比较完善的程度。3 多学科交叉渗透是科技创新的途径 快速成形技术（RP）的原理如下：由 CAD软件设计出零件的计算机三维曲面或实体模型。根据工艺要求，按照一定的厚度对CAD模型进行分层，生成二维平面信息（截面信息），再将分层后的数据进行一定的处理，输入加工参数，生成加工代码；然后利用数控装置精确控制激光束（或其它工具）的运动，在当前工作台上扫描出切片的截面形状；移动工作台，铺上新一层的成形材料，就这样一层一层地加工，直至整个零件加工完毕。很显然，这是一种离散堆积原理。要实现这一原理，任一单一学科都是难以完成的，必须利用多方面的技术

7、，交叉渗透，才可能使之成为现实。多学科的交叉渗透是现代科技创新的必由之路。快速成形技术正是综合利用CAD技术、数控技术、激光技术和材料科学技术集成起来的，从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术。由于在具体实施过程中所采用的技术多种多样，所以其工艺方法多达十多种。常见的方法有以下几种：立体平板印制技术、物体分层制造技术、选择性烧结技术、熔丝沉积制造技术、粘结成形三维印制技术、激光制模方法和固态固化方法等。 快速成形技术不仅涉及计算机、数字控制、激光和材料领域，还与物理、化学、电学及机械制造等密切相关。如果不利用多种学科的最新成果，不是多学科交叉渗透，快速成形技术是难以成功的。其它高、新、尖

8、技术的发展也无一不是多学科交叉渗透的结果。 由于取消了专用工具，在计算机管理和控制下，快速成形技术可以制造出任意复杂形状的零件，把可重编程、重组、连续改变的生产装备用信息方式集成到一个制造系统中，使制造成本完全与批量无关。当零件的形状、要求和批量改变时，无需重新设计、制造工装和专用工具，仅仅改变它的 CAD模型，重新调整和设置新的参数即可制造出新的零件。因此，这种技术十分符合当今制造技术的发展方向，具有高度柔性、高度技术集成、设计制造一体化、自由方式制造以及具有广泛的材料适应性等。4 逆向思维和发散思维是科学思维的主要思维形式 纵观快速成形技术的发展过程，逆向思维和发散思维是其主要的思维式。

9、传统的制造方法主要是去除成形法，它根据产品的最大尺寸准备材料（毛坯），且毛坯的体积大于零件的体积。然后通过切削加工的方法去除毛坯上多余的材料，从而得到所需的制件。 而快速原型制造所采用的是与传统方法完全相反的离散堆积成形法。该方法首先在CAD造型系统中获得一个三维的CAD模型，且沿某一方向进行模型离散化，然后通过一个CAM系统，一层一层堆积成制件，制件的体积大于材料的体积。由此可见，逆向思维是科技思维中的一种重要的思维方式。 从快速成形技术的发展过程来看，科技思维的另一个特点是思维的发散性。这一方面体现在成形材料的多样性上，另一方面也体现在成形方法的多样性上。成形材料的选择可以是光敏树脂、AB

10、S塑料、也可以是纸张、塑料薄膜或复合材料，还可以是金属、陶瓷、蜡粉或其它材料；材料的形状可以是片状的，也可以是粉末状的；材料可以是液态的，也可以是固态的。造型的方法可以用激光烧结、激光固化，也可以用激光切割；可以由平面构成立体，也可以由立体粘接而成；可以采用激光，也可以不采用激光。 对于一名科技工作者，在科研工作中具有科学的思维方法是至关重要的。一方面，科技工作者应该具有广博的知识、开阔的视野，能够举一反三，触类旁通。另一方面，科技工作者的思维不能局限于一种模式，不能是单一、单向、呆板的，而应是发散、多向、灵活的。一种方法不行，也可以考虑其他方法。只有掌握正确的思维方法，才能少走弯路，事半功倍

11、。正如朱熹诗中所言：“昨日江边春水生，艨艟巨舰一毛轻。向日枉费推移力，今日江中自在行。”参考文献1 Kidd P T. Agile manufacturing: forging new frontiersM. Workingham: Addison-Wesley Publishers, 19942 宋天虎.先进制造技术的发展与未来J.中国机械工程，1998（9）3 黄树槐，肖跃加，莫健华等. 快速成型技术的展望J. 中国机械工程，2000（11）4 Kruth J.P. Material Increase Manufacturing by Rapid Prototyping Technique

12、sJ. Annuals of CIRP, 1991（40）（责任编辑 晓 天 杨 柳）The Innovation in the Produce and Development of Rapid PrototypingAbstract: With the development of technology and economy in our country, the market competition is becoming fiercer and the refreshing of manufacture is becoming rapidly. Whether the manufact

13、ories can respond to the market immediately is a key element for their survival. One of the advanced manufacture technology rapid prototyping comes into being for this requirement. In this paper, through describing the produce and development of rapid prototyping, much basic ideas and methods in innovation of science and technology are narrated. And also some questions such as the social requirement is the directions drive for technology innovations, multi-subject intersecting is approach to science and technology innovations ,converse and emanative thinking is primary t