基于快速成型技術的數控機械制造措施

摘 要：作為制作領域的最新研究成果，快速成型技術是及分層制造技術、材料科學、CAD等為一體的制作技術，在計算機技術的支持下，數控機械制造也迎來了新的發展機遇。數控機械制造中引入快速成型技術能夠實現工程師設計思想向零件的轉化，有利于縮短產品生產周期，降低數控機械制造成本，為數控機械制造提供了必要的技術支持。研究介紹了快速成型技術原理及特點、工藝流程，并提出了快速成型技術下數控機械制造措施，以期為相關行業提供參考。

關鍵詞：快速成型技術;數控機械制造;CAD;分層實體制造;措施

快速成型技術最早興起于20世紀80年代，其作為現代先進制造技術的重要組成部分，能夠將設計構想或方案直接、快速通過模型的構建、切片處理等，轉變為零件原型，甚至直接制作成為零件，具有高效、低成本等優勢，是對傳統制造方法的改進與升級。近年來數控機械制造生產力水平得到了一定的提升，但也存在產品生產效率低、耗時長、費用高等問題[1]。在快速成型技術支持下，數控機械制造應抓住發展機遇，積極進行創新改革，注重對快速成型技術的應用，優化機械制造技術工藝及措施，提升機械制造整體效率及產品質量，這不僅是數控機械制造發展的內部要求，同時也是提升市場競爭力、促進機械生產企業多元化發展的必然趨勢。

1.快速成型技術相關概述

1.1快速成型技術原理

作為國際新型技術，快速成型技術主要核心內容為計算機與材料，該方法也是當前獲取數據模型最常用的方法。隨著反向工程技術的發展，反求所得到的模型精度越來越高，且方法簡便、快速，應用反向工程反求模型具有較高的可行性。快速成型技術摒棄了傳統機械加工方法，根據CAD技術生成零件的幾何信息，然后在三維數控成型系統下，采用激光束對材料進行堆積形成零件。利用快速成型技術制作零件耗費時間短，能夠實現對模具及工具等的精細化制造。在具體操作環節，僅需要借助計算機將相應參數輸入后，在設備中加入材料，生成零件[2]。快速成型技術的應用一方面能夠促進生產效率及產品質量的提升，另一方面有利于提升制造柔性。常見快速成型技術包括立體平板印刷法、激光分層燒結及熔化堆積法等，各具特色，工藝流程基本一致，為數控機械制造提供了技術支持。

快速成型技術除在制造思想及方法方面有一定的創新與改進外，還實現了零件制作質量、尺寸及速度等方面的重大突破。利用激光、新材料等進行新產品設計主要采用的是離散-堆積原理，其流程如圖1所示。先采用具有較高性能的計算機輔助設計軟件對零件模型或三維曲面進行設計，經過模型轉化，采用STL的格式輸出，結合工藝實際需求對厚度進行設定，選擇Z軸或其他方向切片分層CAD模型，確保二維平面信息在每個截面層都能夠得到顯示。在工藝處理環節，應結合從層面信息對加工參數作出相應的選擇。系統能夠自動生成刀具移動軌跡與數控加工的代碼，經過對加工過程的仿真能夠防止代碼錯誤[3]。數控裝置可輔助精確運動，選擇輪廓掃描將設計的截面形狀進行加工，并將成型材料正確鋪設，最終將零件加工完成。

1.2快速成型技術特點

快速成型技術在提升技術應用柔性方面有著突出的效果，能夠提升技術操作平臺的合理性與可行性，使得數控機械制造生產流程更加合理、規范，其主要特點如下：

（1）具有高度集成化。快速成型技術使得數控機械制造集成化得到提升，三維模型通常要求在切片之前進行格式轉換，利用現代先進的數控技術、計算機技術及激光技術等能夠實現離散運算分析，完成三維模型及復雜數據的轉換。由于三維模型一般都是由大量不規則的自由曲面構成，直接對三維模型進行切片的技術受制于技術的實現，目前還主要依靠各種三維造型軟件內核的強大處理功能，因而普適性較差[4]。常用的方法是把它轉換為STL格式。它是用一系列小三角面來逼近自由曲面。每個三角形曲面由三個頂點坐標和三個右手螺旋頂點組成。STL格式文件表達簡單，易于實現，幾乎為三維造型軟件所支持，已經成為快速成型的實際工業標準，能夠保障零件曲面與實體造型的規范性。不僅如此，快速成型技術采用二維掃描，具有較高的精確度，借助激光器件、功率控制技術能夠實現固化、燒結及切割，達到所需要的效果。

（2）具有快速響應效率。CAD設計工序維持原型處理，能夠提升綜合利用水平。進行幾小時或幾十小時處理工序，能夠促進開發效率的提升，使得零件效果得到較好的維持。需要注意的是在切層板選擇方面，要考慮成型效率和成型精度的因素。分層的高度直接影響物體的成型效率和精度，是快速成型的重要參數之一，需要仔細確定。層次化的大小根據零件成形精度和生產效率的要求而定。

（3）實現設計、制造一體化。成型精度和加工效率需要考慮對象的成型方向。單一對象的成形方向往往一目了然，而復雜物體的成形方向的選擇需要通過計算機進行精確的計算，如果放置方向不好，很容易打印失敗。快速成型技術可獲得較快的處理機制與模塊，柔性技術操作水平高，有利于促進操作模塊總體應用效率的提升。

2.快速成型技術的工藝流程

如圖2所示，為快速成型技術工藝流程，與傳統加工方法有所不同，快速成型技術加工方法為“增長法”，一方面能夠將復雜三維模型向二維模型組合轉化，另一方面其應用新型技術交叉學科，逐層進行增料，不僅耗費時間短，而且成本低，具有鮮明的優勢。隨著快速成型技術的發展，其被廣泛應用于模具制造過程中[5]。該技術可以進行新產品的快速試制，制作周期僅為傳統技術的1/4左右，可以有效提升模具制造的一次成功率。該技術是將模具的概念設計和生產工藝在CAD系統能進行綜合，利用計算機的模擬分析形成新型的模具設計制造系統，無需數控切削加工就可以制造出復雜的曲面等結構，有利于提高模具的制造柔性和質量。

3.快速成型技術下數控機械制造措施

3.1發展全新RP材料

數控機械制造工藝對金屬材料有著較高的要求，不僅要與快速成型加工出型特點相符，而且在材料方面要滿足硬度、強度及耐度等方面的要求，能夠便于快速制膜后續處理，但同時符合上述要求的材料收集存在一定的難度，進購困難，因此尋找一種全新的合成材料，經過試驗驗證，并挖掘能夠促進金屬材料快速成型的材料尤為重要。在快速成型技術下，應注重全身RP材料如納米材料、非均質材料及其他難以制造材料的發展。數控機械制造企業在開發新型RP材料時，應對RP材料有一個全面的認識與把握，掌握材料合成的原理及運行過程，統一整合并優化RP材料運行方法，利用快速成型技術對產品生產效率、運行能力等方面進行不斷完善與改進，提升金屬材料合成進度[6]。其次，針對金屬材料快速成型技術應結合工藝流程對計劃作出相應的調整，提升其精度。針對企業內部金屬材料快速成型技術應不斷改進探索，由專門的監督部門進行質量監督，組建專門的技術研發小組，開發具有較高性能的合成軟件。另外在快速成型技術支持下，應注重多種技術的融合發展，采用不同技術相結合的方法促進金屬材料測量精度的提升，進而實現對合成材料成型技術水平落后問題的結局。

3.2開發新的膜片方法

傳統數控機械制造企業多采用STL文件格式實現向材料合成方法的轉換，近年來，該方法的不足逐漸暴露，無法滿足機械制造工藝金屬材料合成的需求，因此尋求新型金屬材料合成方法尤為重要。由專業技術研發部門復雜研究快速成型技術制造工藝，引入新的模型切片方法，目前流行的曲面切片法、直接切片法等均能夠打破傳統STL轉變技術的不足，能夠針對CAD模型實施直接切片處理[7]。另外借助反求工程獲得的逐層切片數據，能夠將快速成型系統驅動，降低三角面產生的誤差。如在金屬材料合成工藝中，可以采用特征模型直接切片法，其所用軟件為PowerSHAPE造型軟件，能夠獲得截面輪廓，并將其分為線段、圓弧及自由曲線等不同類型，在彌補傳統SRL文件格式轉換方法不足的同時，促進了金屬材料快速成型精度的提升。

3.3引入分層實體制造技術

3.3.1切削層片輪廓傾斜遵循誤差最小原則

分層實體制造在對材料進行切割時主要依據的是造型零件曲面分層相關信息，然后堆積、重疊獲得的層片，借助適當連接技術形成一個三維實體，每一分層板及造型曲面間臺階會形成不同程度的加工誤差與殘留。在傾斜切削操作時遵循誤差最小原則能夠減少加工誤差。如一個半球曲面，其曲率半徑、分層厚度分別為100mm、1mm，通過計算可以發現其最大誤差為0.992mm，利用新型分層實體制造方法其最大誤差為0.124mm。按照傾斜切削能夠最大程度上降低加工誤差，將板材厚度適當提高，能夠在確保精度的基礎上達到厚度滿意。以1mm金屬板為例，應用傾斜切削對厚度為0.1mm的金屬板進行處理，所產生的誤差明顯較小，提示零件疊加層數降低，一方面能夠促進加工效率的提升，另一方面可減少連接面，使得零件強度、剛度得到了保障，有利于功能零件的精準制造。

3.3.2輪廓切削引入數控機床與金屬刀具

作為一種先進制造技術，RP/M由CAD模型直接驅動，能夠實現對復雜形狀三維零件的快速制造。在計算機數字控制技術支持下，CNC利用數字化信號能夠對零件成型過程予以控制，并按照計劃執行，常見方法為SLS、FDM等，通常需要將運動控制系統維數控制在2.5，因此選擇2.5軸以上聯動功能CNC機床，進而控制快速成型動作[8]。可采用CNC機床對RP/M系統多數功能進行替代，一方面可減少成本，另一方面能夠降低RP/M開發難度。

3.3.3層板連接采用真空固態壓力熱擴散焊接

作為新型連接工藝，真空固態壓力熱擴散焊接（熱擴散焊）具有較好的穩定性，在維持金屬原有物理與化學性能的同時，不需要進行填料，通過一次性裝卡整體焊接能夠促進加工效率及連接強度的提升。熱擴散焊條件為高溫、高壓，被焊零件結合面存在聚結現象，并與原子間相互擴散，在具體機械制造工藝中，應明確焊接對金屬板尺寸的影響，掌握焊接溫度、壓力，通過不同的焊接試驗明確技術指標，提升制作效率。

結束語

快速成型技術是現代計算機發展的產物，其在為數控機械制造提供技術支持的同時，縮短了數控機械制造的研發周期，降低了生產成本，具有鮮明的優勢。在多元市場背景下，數控機械制造引入快速成型技術有利于提升產品精細度及產品產量。但目前我國快速成型技術更多有賴于國外進口，缺乏自主研發，使用受到了一定的限制。因此需要不斷開發新材料與新工藝，進一步提升數控機械制造精度及效率，為數控機械行業發展注入新的生機與活力。

參考文獻

[1] 李書明. 基于機械制造工藝的金屬材料快速成型技術研究[J]. 內燃機與配件，2021（16）：42-43.

[2] DK R Robinson， Lagnau A ， Boon W . Innovation pathways in additive manufacturing： Methods for tracing emerging and branching paths from rapid prototyping to alternative applications[J]. Technological Forecasting and Social Change， 2018，12（14）： 146.

[3] 葉衛文. 快速成型技術在集成制造及數控機械制造中的應用探究[J]. 南方農機，2019，50（22）：173.

[4] 劉雯. 淺談逆向工程與快速成型技術在機械制造領域中的應用——評《逆向工程與快速成型技術應用》[J]. 材料保護，2020，53（4）：175.

[5] 宗學文，熊聰，張斌，等. 基于快速成型技術制造復雜金屬件的研究綜述[J]. 熱加工工藝，2019，48（1）：5-9，13.

作者簡介：車博亞（1991-8），男，漢族 甘肅蘭州人，職稱學歷：初級，碩士。研究方向：機械制造。