林承全

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        模具CAD/CAM领域的新技术简单介绍（二）

三、             几种常见的快速成形技术

从上世纪80年代开始至今，世界上已先后出现了30余种不同的快速成形技术，如SLA、SLS、FDM、LOM、3DP、光掩膜法、直接烧结法及尚处于研究之中的直接从C₂H₂中提取碳并通过三维堆积制造碳的原型件、使用三维焊接工艺制造钢和铝零件等，就其应用情况而言，SLA、SLS、FDM和LOM四种快速成形技术应用最广，是快速成形的主流技术。下面对这四种快速成形技术进行简单介绍。

1． SLA（立体印刷成形）

SLA是美国3D System公司开发的快速成形技术，也是研究最早、应用最广的一种快速成形技术，其制造系统称为Stereo Lithography Apparatus，简称SLA系统。SLA所用的成形材料是在激光或紫外线照射下能迅速凝固的液态光敏树脂，因此又常称为光敏树脂固化。目前国内的西安交通大学等单位也进行了有关的研究。

SLA成形技术的工作原理是：激光或紫外线在计算机的控制下，按零件切片时所生成的截面信息对零件该层截面进行扫描，扫描区域内的光敏树脂迅速凝固，从而成形出零件的一个薄层。一层成形结束后，工作台下降一个薄层的高度，在已成形好的零件表面覆上新的液态树脂，系统对该层进行扫描成形，周而复始，直至完成整个零件的成形。SLA技术的工作原理如图8-5所示。

2． SLS（选择性激光烧结）

SLS（Selected Laser Sintering）是美国DTM公司开发的一种快速成形技术，目前国内的北京隆源自动成形系统有限公司、华中科技大学和南京航空航天大学等几家单位也在进行有关的研究。

SLS成形技术的工作原理如8-6所示。在成形时，铺粉装置先在成形缸中铺上一层粉末材料，然后激光束在计算机的控制下，按照截面轮廓信息，对制件实体部分所在的区域进行扫描，使粉末的温度升高并达到熔点，粉末颗粒被熔化而相互粘结，激光束不断扫描直至完成一层截面的成形。在该层中，非烧结区的粉末未被激光扫描，因此仍然是松散的粉末，这些松散的粉末可作为工件和下一层粉末的支撑。完成一层的成形后，成形缸下降一个截面层的高度，同时料缸上升一定的高度，进行下一层的铺粉和扫描烧结，如此循环，最终完成整个制件的成形。

选择性激光烧结具有成形材料类型多、成形工艺简单、成形成本较低等特点。从成形原理上说，SLS成形方法可适用于任何粉末材料，是目前成形材料种类最多的一种快速成形技术。目前在实际应用中，工艺较成熟的成形材料有石蜡和塑料，陶瓷、金属等成形材料由于熔点较高，尚处于研究阶段。

3． FDM（熔融沉积成形）

FDM（Fused Deposition Modeling）又称为熔化堆积造型、丝材选择性熔积等。研究熔融沉积成形技术的主要有美国Stratasys公司和Med Modeler公司，其中以Stratasys公司开发的产品制造系统应用最广，Stratasys公司于1993年推出了第一台型号为FDM-1650的成形设备，此后又推出了FDM-2000、FDM-3000、FDM-8000等机型。1998年，Stratasys公司与Med Modeler公司合作开发了专用于医院或医学科研机构的Med Modeler机型，使用材料是ABS，逐渐将RP技术应用于医学领域。目前国内的清华大学等单位也进行了有关的研究。

FDM成形技术的工作原理是：加热喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息，作平面和高度方向的运动。丝状热塑性材料由供丝机构送至喷头并在喷头中加热至熔融态，然后被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成截面轮廓。完成一层成形后，喷头上升一个截面的高度，再进行下一层的涂覆，如此循环，最终完成整个的原型制作，如图8-7所示。

4． LOM（薄形材料选择性切割）

LOM（Laminated Object Manufacturing）的英文直译是分层物体制造，LOM是开发较早的快速成形技术之一，具有代表性的是美国Helisys Inc.公司，该公司1992年就推出型号为LOM-1015的快速成形设备。目前，国内的华中科技大学和清华大学等单位进行了有关的研究。LOM成形技术用的主要材料是纸张、塑料等，这些材料的特点是材料的一面有热熔胶或添加剂。

LOM成形技术的工作原理是：开始成形时，供料辊把薄形材料平铺在升降台的基面上，热压辊将薄形材料压平并粘在底层上，激光器产生的激光束按计算机数控系统所给出的移动指令进行运动，切割出工件截面轮廓，同时把周围多余的材料切碎。完成一层的切割后，工作台下降一个薄形材料的厚度，供料辊再铺上新的一层材料，通过热压辊将该层材料与下一层材料粘合在一起，然后激光器对该层进行切割。逐层粘合、逐层切割，如此反复， 直到完成整个原型的制作。LOM成形技术的工作原理如图8-8所示。

四、             RP技术的展望

RP技术经过十几年的发展，在成形设备和成形材料两大方面均有了长足的进步。由于目前该技术的成本较高、制件的精度、强度等许多性能尚未能完全满足用户的要求，因此，RP技术的推广应用受到了影响；同时，近年来数控机床的价格大幅度降低、高速度高精度数控机床的出现，不少企业和用户转向用CNC机床来加工金属或非金属零件、样件或模具，这些都向RP技术提出了挑战，但RP这种直接从概念设计迅速转为产品的设计制造模式必然是未来制造技术的主流。在21世纪，RP技术的发展趋势主要是：

1） 新型成形工艺的研究。SLA、SLS、FDM和LOM四种成形方法都是基于分层叠加的原理，目前一些相关的科研院所正在研究开发新的分层叠加成形工艺，目的是进一步改善制件的性能。如Connecticut大学提出了一种基于活性气体分解沉积的成形方法，它使用高功率激光的热能或光能分解出一种活性气体，从而沉积出一层一层的陶瓷或金属轮廓。

2） 数据接口的开发。提高数据处理速度和精度，研究开发新的数据转换接口，减少数据处理量和由STL数据接口在转换过程中产生的数据缺陷和轮廓失真。

3） 提高RP系统的速度、控制精度和可靠性，开发系列产品以满足不同用户的特殊要求。目前快速成形件的精度一般为±0.2mm，影响制件精度的因素主要有两个方面：一是由CAD模型转换成STL格式文件及切片处理时所产生的误差；二是成形过程中制件的翘曲变形及成形后制件受潮、内应力及温度变化等所造成的无法精确预计的变形。

4） 高性能成形材料的研究。目前用于快速成形的材料一般仅限于树脂、塑料、纸等，它们与产品的真实材料相比尚有不小的差别，因此在实际应用中，需要利用快速成形件进行二次复制。近年来，出现了像SLS这类可直接成形金属件或陶瓷件的快速成形机，使成形的制件与真实产品的差别不断缩小。

5） 新成形能源的研究开发。目前RP技术主流的SLA、SLS、LOM等成形方法均采用激光作为能源，而激光系统的价格及维护成本较高，研究新型、价格适中、维护成本低的成形能源也是RP技术的一个研究领域。

五 ，虚拟制造技术

随着产品个性化、复杂性越来越高、产品生命周期越来越短，传统的“试制原型→产品试验→投产”的产品开发模式由于产品需反复试制，造成产品开发周期长、成本高，这种模式已不能适应社会的发展，人们希望应用计算机技术，通过对产品的设计制造过程进行计算机模拟和仿真，来缩短产品的开发周期，提高产品开发的一次成功率。为解决上述问题，虚拟制造VM（Virtual Manufacturing）和虚拟制造系统VMS（Virtual Manufacturing System）诞生了。

（一）             虚拟制造和虚拟制造系统的基本概念

虚拟制造是新产品及其制造系统开发的一种哲理和方法论，可以看作是CAD/CAE/CAM集成化发展的高一层次，其本质是以新产品及其制造系统的全局最优化为目标，对设计、制造、管理等生产过程进行统一建模。它强调在实际投入原材料与产品实现过程之前，完成产品设计与制造过程的相关分析，以保证制造实施的可行性，虚拟制造技术是基于产品模型、计算机仿真技术、可视化技术及虚拟现实技术，在计算机内完成产品的制造、装配等制造活动的制造技术。

虚拟制造又称为拟实制造，在Lawrence Associates的Virtual Manufacturing User Workshop报告中，虚拟制造的定义是：它是一个集成的、综合的可运行制造环境，用来提高各个层次的决策和控制。定义中各部分的语义说明如下：

（1）      综合  指真实的和仿真的对象、活动和过程的混合状态。

（2）      环境  通过协同地提供分析工具、仿真工具、应用工具、控制工具、模型、设备以及组织方法的集合，用以支持构造和使用分布式制造仿真。

（3）      运行  用环境来构造和操作特定的制造仿真。

（4）      提高  增加它的精度和可靠性。

（5）      层次  是指从产品的概念设计到回收利用、从车间到执行位置、从物质的转换到信息的传递等各个方面。

（6）      决策  是指改变（可视化、组织、定义和选择）后的影响。

（7）      控制  预测效果的真实性。

从上述的定义可以看出，虚拟制造是以CAD/CAM/CAE技术、计算机技术、仿真技术和虚拟现实技术为基础，在一个统一的产品模型基础上，对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面仿真，模拟出产品未来制造的全过程（包括产品的设计、计算分析、加工、装配、物流、生产计划、组织、管理和试验等）乃至产品生命周期内各种活动对产品设计的影响，预计、检测、评价产品性能和产品的可制造性，及时发现设计制造中可能存在的问题并采取措施进行改进，从而更灵活地组织生产，实现产品的一次制造成功，最终达到缩短产品开发周期、降低产品开发成本、提高产品质量的目的。因为虚拟制造技术具有很强的快速建模性、事前预测纠错和过程仿真性，并能与网络技术、并行工程进行集成，因此具有很强的设计制造敏捷性、柔性和快速响应能力，正因如此，虚拟制造技术被认为是21世纪的新型生产模式。

虚拟制造的指导意义是：虚拟制造不但作为一种哲理、一种制造策略为制造企业实现从精良生产向敏捷制造的转变提供指导思想，而且作为企业实现多集成的一种方法，为整个产品开发过程提供各种技术和方法。通过虚拟制造系统实现制造企业产品开发过程的集成和制造企业的多集成，实现了虚拟产品设计、虚拟制造仿真闭环产品开发模式，提高产品开发过程中的决策和控制能力。

虚拟制造技术的研究与特定的应用环境及对象有关，由于应用要求的不同，侧重点也不同。按照与生产各个阶段的关系，虚拟制造可分为三种类型：

（1）        以设计为中心的虚拟制造（Design-centered VM）  以设计为中心的VM是通过把制造信息加到IPPD（Integrated Product Process Development）过程和在计算机中进行制造，仿真多种制造方案，并产生多种“软”的模型。因此它的短期目标是：为了达到特殊的制造目的（例如为了装配进行设计、精良操作或柔性），VM用以制造为基础的仿真来优化产品的设计和生产过程。它的长期目标是：VM在不同的层次上用仿真过程来评估生产情况，并且反馈给设计和生产控制。

（2）        以生产为中心的虚拟制造（Production-centered VM）  以生产为中心的VM是通过把仿真能力加到生产过程模型，达到了方便和评价多种加工过程的目的。它的短期目标是：VM是基于生产的IPPD的转换，用以优化制造过程和物理层。它的长期目标是：为了实现新工艺和流程的可信度，VM把生产仿真增加到其他的集成和分析技术。

（3）        以控制为中心的虚拟制造（Control-centered VM）  以控制为中心的VM是通过增加仿真到控制模型和实际生产过程，实现优化的真实仿真。

虚拟制造系统是基于虚拟制造技术实现的制造系统，是现实制造系统在虚拟环境中的映射。现实制造系统是对物质流、信息流和能量流的功能进行转换，通过投入信息、材料和能源，生产出产品及有关信息和残余能源，现实制造系统中的两个主要子系统----信息系统（Information System）和物理系统（Physical System）在虚拟制造系统也同样存在，只是虚拟制造系统生产出的是产品有关的信息，如图8-9所示。

虚拟制造的关键技术可分为软件方面的关键技术和硬件方面的关键技术，其中软件方面的关键技术包括可视化技术、仿真技术、信息描述技术、环境构造技术、集成结构技术、制造的特征化技术和VMS的检验、测试技术等，硬件方面的关键技术包括输入/输出设备（如头盔立体显示器、可视化眼镜、三维鼠标、数据衣服）、与输入/输出有关的存储信息设备、能支持各种设备、数据存储、高速计算和提供高质量画面的计算机系统、网络结构设备和不同站点的硬件设备等。

虚拟制造技术的作用是：①提供影响产品性能、影响制造成本、影响生产周期的相关信息，以便使管理者和决策者能够正确处理产品性能、制造成本、生产进度及投资风险之间的平衡关系，最终做出正确的决策；②提高产品的设计质量，减少设计缺陷，优化产品性能；③提高工艺规划和加工过程的合理性，提高制造质量；④通过生产计划的仿真，可以优化资源配置和物流管理，实现柔性制造和敏捷制造，缩短制造周期，降低生产成本；⑤通过提高产品质量、降低生产成本、缩短开发周期及提高企业的柔性，以适应用户的特殊要求和快速响应市场的变化，形成企业的市场竞争优势；⑥通过虚拟企业的概念及具体的实践和实施，组成快速联盟使企业在竞争中赢得机遇和优势。

（二）             虚拟制造技术与其他先进制造技术的关系

1. 敏捷制造技术

敏捷制造AM（Agile Manufacturing）的基本思想是通过将高素质的员工、动态灵活的组织机构、企业内部及企业之间的灵活管理以及柔性的先进生产技术进行全面集成，使企业能够对快速变化、难以预测的市场要求做出快速反应，并由此获得长期的经济效益。敏捷制造的基础是虚拟制造技术。

2. 并行工程

并行工程CE（Concurrent Engineering）是一个集成的、并行的方式设计产品及其相关过程的系统方法，它要求开发人员在设计开始就需考虑产品整个生命周期中的所有因素，包括产品质量、成本、进度计划、用户要求等。为达到并行的目的，需要建立高度集成的模型，应用仿真技术，实现异地人员的协同工作。

3. 精良生产

精良生产LP（Lean Production）的目的是简化生产过程、减少信息量、消除过分臃肿的生产组织，使产品及其生产过程尽可能简化和标准化。精良生产的核心是准时生产和成组技术，同时它又为虚拟制造技术创造条件。

（三）             虚拟制造技术的应用

1. 虚拟制造在汽车行业中的应用

在工业发达国家，虚拟技术在汽车行业中已得到广泛应用，如美国的GM公司、Ford公司、Allison发动机公司等。虚拟技术在汽车行业中的应用主要是虚拟设计技术、虚拟装配技术、虚拟实验技术、虚拟制造技术等。

在汽车设计阶段，应用虚拟设计技术，在计算机中完成整车及零部件的概念设计、造型设计、总体布局设计和结构设计等，同时对其刚度、强度、固有频率、动态响应及疲劳使用寿命和噪声等性能进行模拟分析，以便在设计阶段就发现问题并有针对性地解决有关问题。

使用虚拟装配技术，能避免传统装配方式常存在的装配干涉或装配不到位现象，同时可以通过机构运动虚拟软件仿真其运动轨迹，若存在问题，可以方便地修改并重新生成零部件模型，从而大大降低了零件制作的返工率。

虚拟实验技术可对汽车整车或零部件模型在真实实验环境、实验条件、实验负荷下进行模拟实验，预测产品的安全性、可靠性、经济性，有时还可以代替人们完成人类目前尚无法完成的实验，如深海底试验、太空试验等。

虚拟制造技术包括热加工工艺模拟，切削、冲压加工过程及生产过程仿真等。针对材料成形过程的特点，对虚拟样机的热加工工艺进行数值模拟和物理模拟，预测热加工后材料的组织和性能，再通过对热加工工艺的优化，最大限度地发挥材料的潜能。通过对产品加工过程的仿真模拟，检查产品设计的合理性、可加工性和工艺的正确性。对走刀路线、切削参数、加工程序等进行调整，最终实现优化。

2. 虚拟制造在板料成形中的应用

传统的板料成形过程通常是“模具设计→模具制造→试模→修改→再试模直至产品满意→制件生产”的生产模式，解决试模中的起皱、破裂、回弹等问题也主要靠技术人员的经验，这种方法成本高、产品开发周期长、对模具技术人员的要求高。将虚拟技术运用到板料成形中，可以使模具设计人员在计算机上进行模具的设计、调试和板料成形过程模拟，分析板料成形过程所存在的问题，提出适当的改进方案，力争使问题在模具制造之前即得以解决，以保证模具的一次成功率。

3. 在模具行业中的应用

虚拟制造技术在模具行业中的应用主要体现在进行产品设计、模具设计、模具制造、模具装配调试、试模等工作均在计算机上进行，从而大大提高了生产效率和产品质量。

4. 在航空航天行业中的应用

虚拟制造技术在航天航空行业中应用的典型例子是美国波音公司在进行新型客机机型设计过程中的应用。波音公司在777新型客机设计中，应用虚拟制造技术和三维模型进行管道布线等复杂装配过程的模拟装配，实现了设计制造过程的无纸化，是虚拟制造技术从理论研究转向工程实践的一个里程碑。

5. 建立虚拟企业、实现动态联盟

虚拟企业（Virtual Enterprise，VE）是敏捷制造基本的动态组织形态，是指为了赢得某一机遇性市场竞争，围绕某种新产品开发，通过选用不同组织或公司的优势资源，综合成单一的靠网络通信联系的阶段性经营实体。动态联盟具有集成性和时效性两个特点，它实质上是不同组织或企业间的动态集成，随市场机遇的有无而聚散。在具体表现上，结盟的可以是一个大公司的不同组织部门，也可以是不同国家的不同公司。在虚拟企业中伙伴能够共享生产、工艺和产品的信息，这些信息以数据的形式表示，能够分布到不同的计算环境中。

虚拟企业与虚拟制造的主要区别是，在信息集成和共享领域，虚拟企业主要强调网络，而虚拟制造主要强调产品的设计，而且在设计阶段虚拟制造的重点是仿真产品在生命周期中的各个活动。

随着信息时代的到来，地域差距正在逐渐缩小，制造业全球化是发展的必然趋势；制造业竞争不断加剧，使当前制造业面临极大的挑战，这一挑战主要来源于市场和技术两大方面。每个技术单元同时面向市场和合作伙伴，必须灵活地进行重组和集成，协调各方优势，达到优势互补。

逆向工程与RP技术可使设计概念转换为产品的时间缩短几倍乃至几十倍，实现逆向工程、RP技术与CAD/CAE/CAM虚拟环境的集成，构成一个快速产品开发及其模具制造的综合系统，可以实现从产品的设计、分析、加工到管理的灵活经济的组织方式。这种基于虚拟环境的集成化快速模具制造系统将在新产品开发、产品设计评估、装配检验、功能测试以及快速模具制造等方面将有很大的发展