三维快速制造技术的开发与应用

沈震新

摘要三维快速制造技术是近20年来随着市场经济飞速发展应运而生的一项新型技术。我国三维技术的开发与应用已步入产业化生产，取得了巨大的经济效益。本文从三维快速技术开发与应用的角度来探讨其发展前景。

关键词三维快速技术开发与应用发展前景

随着市场经济的发展，我国正从一个制造业大国走向制造业强国。三维快速制造技术是当今制造业的宠儿，它不仅能适应市场个性化的需要，而且能节约能源和节省人力。三维快速制造技术，主要有多轴联动加工技术、塑料模具和金属模具传统的快速削减加工技术以及快速堆积加工技术。多轴联动数控加工是实现阳面高难度、高精度和高效率加工的重要手段，是当今机械加工中的尖端技术。其关键技术包括：复杂形状零件的三维造型及定位、多轴联动刀位轨迹规划和计算、加工雕塑曲面体的刀轴控制技术、切削仿真及干涉检验、以及后处理技术，等等。这项系统技术在我国的应用正在迅速发展。塑料模具和金属模具快速堆积加工技术，包括快速软模制造技术、快速金属硬模制造技术。在快速金属硬模制造技术领域，包括铸造、粉末烧结、电铸、熔射等技术。从技术发展进程来看，快速金属硬模制造技术更符合快速、节能、低消耗的原则。上述这些快速加工技术，在原材料的开发、工艺与设备的改进等方面，都在不断创新。同时，在创新中也衍生出一些新的技术，诸如三维立体(实物)打印制造技术和三维电子粘土技术。

一、三维立体(实物)打印制造技术

据报道，美国加利福尼亚州的“创意实验室”公司生产的三维立体打印机，打印出来的模型从头到脚都是由一层层的薄膜叠加构成的，可以形成餐叉、牙刷、鞋子等多种物品。其原料主要是ABC塑料。其中还混合了铝和玻璃。一旦加热到适当程度，原料就能变成硬物。目前。这种小型设备的售价可望降到1000美元。

1、发展前景。笔者认为，这类设备是当今个性化设计和生产的典型，是三维快速制造设备家庭化的先导。目前，这种设备建立在二维叠加的基础上，产品由二维叠加形成的。因此，叠加的精度取决于特殊粉末材料制造技术、无溶剂喷粉技术、粉末材料熔融的控制技术以及计算机控制处理技术，等等。但这种设备还不是真正意义上的三维快速制造设备。三维快速制造设备是以削减加工形式存在的。譬如，目前的多轴联动数控铣削，而那种设备类似多层叠加激光削切技术。笔者认为，这种二维叠加加工法有着比多轴联动数控铣削这一类兰维快速制造设备突出的、不可取代的性能，它可以加工出凹面。因为，任何三维的立体都可以分解成一个个的平面，加工和叠加一个一个的平面，可以形成任何复杂的凹凸面。这也是快速加工成型时叠加法优于削减法的明显之处。然而，叠加法的缺点在于精度和材质的均匀性方面还无法和削减加工法相媲美，激光辅助削减使叠加法加工技术的精度得以修正或提高。此外，粉末制造技术和粉末材料局域熔融的控制技术，也可以大幅度提高精度。基于此，笔者以为，发展二维叠加快速制造技术是当今个性化设计和生产的需要，是三维快速制造设备小型化与家庭化的需要，是商品出售终端家庭化的需要，而对于目下职业教育中的制造专业尤为重要。这是因为：二维叠加快速技术可以同时快速制造出凹凸面，在制造业中是“全能”设备，可以快速制造各行业急需的大量中档模具；它特别适合新产品的快速试样生产，有助于加速新产品的研究与开发；它特别适应制造业的职业教育教学，诸如实物分解图、实物制造平面图、3D成像技术、数控加工技术。如果能结合二维叠加快速制造技术的诠释，学生就能更好地理解三维和平面(二维)的关系，就能直观地看到有凹凸实物的制造全过程。

2、技术要素：无溶剂粉末喷头设备；喷头二维移动装置；粉末熔融手段；粉末技术，材料选用，造粉，粉末表面处理，粉末加入技术；成型部分的自动光测量技术；成型部分的纠正技术。

二、三维电子粘土技术

“电子黏土”是一个研究项目的名称。2002年，这个项目由美国科学家塞特·格尔德斯坦(Seth Goldstein)和多德·莫里(Todd Mowry)酝酿而生。他们的目标是：创造出一种可以人工控制任意改变其形状、颜色、大小及其他任何特征的电子材料。这种听命于“程序”的“橡皮泥”由沙粒般大小的球体——电子黏土原子(Catoms)构成。这些电子黏土原子可以移动、互相黏连。还可以披上和所要模拟的物体一样的颜色。2007年。塞特·格尔德斯坦和多德·莫里研究成功3个直径为44毫米的可以移动、互相吸引和互相黏连的电子黏土原子。今后发展的趋势是：这些“原子”会变得更小更圆，每个“原子”的直径缩小到1毫米以下。

1、发展前景。目前，由电脑展示的3D图像，是一种由视觉差错而使人感觉到的三维图像，而电子粘土形成的实物是真正意义上的三维图像。笔者认为，电子粘土技术是一项顶尖的快速仿真技术，在空气动力学、流体力学、节能等诸多方面可以提供瞬时连续变化的新型实体模型，尤其在动力学研究方面将起着巨大的促进作用。结合职业教育的特点。电子粘土在机械加工的教学尤其在三维成像方面的教学效果更为直观。在民用方面，电子粘土是一种高端智能玩具的制作材料……可见，电子粘土一旦商业化和市场化，其经济效益是相当可观的。

2、技术要素。单个微小电子粘土相互结合的方式；单个微小电子粘土的储能器；无线储能方式的研究；单个微小电子粘土和计算机的无线联系技术；单个微小电子粘土可以看作是一个微小的自动化机械。必须解决它的机械化大规模生产技术；单个微小电子粘土的计算机识别和控制技术。

综上所述，“快速制造技术”基于知识和信息网络正在向可视化及多模态人机交互方向发展，“三维立体(实物)打印制造技术”与“三维电子粘土技术”拓展了制造技术的新领域。为用户的个性化需要开辟了新的市场。因此，在市场激烈竞争的大环境中。应该密切关注国外关于“快速制造技术”的研究动向，建立一套支持敏捷制造数字化、智能化、集成化的多模态人机交互信息处理与应用理论及方法，有效地组织敏捷制造动态联盟，充分利用各种资源进行多模态人机协同的敏捷制造，激活国内市场，在制造业方面将国际金融风暴带来的恶劣影响降低到最低限度。