Applications of Rapid Prototyping Technique in the Field of Ceramics

Abstract：Some rapid protoptyping mathods were introduced briefly with emphasis on applications of rapid prototyping technique in the field of ceramics.The problems and prospect of ceramics preparation with the technique were also discussed.
Key words：rapid prototyping,；ceramics

　　快速成形(Rapid Prototyping and Manufacturing,，簡(jiǎn)稱RP或RP&M)或自由實(shí)體造型(Solid Freeform Fabrication，簡(jiǎn)稱SFF)是80年代中期發(fā)展起來(lái)的一種造形新技術(shù),，它將傳統(tǒng)的“去除”加工法改變?yōu)椤霸黾印奔庸し?。RP技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、激光,、光化學(xué)和高分子聚合物等多種技術(shù),，并且隨著RP技術(shù)與其它材料加工技術(shù)的結(jié)合，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,。RP技術(shù)的基本原理是,，首先根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙或“反求法”得到一系列橫截面，數(shù)控激光束按每一層的輪廓線或內(nèi)部網(wǎng)格線對(duì)材料逐層加工并疊加,，直至完成整個(gè)制件,。RP技術(shù)無(wú)需機(jī)械加工或任何模具，直接從CAD模型生成復(fù)雜形狀的制件,，因而產(chǎn)品研制周期縮短,，生產(chǎn)率提高，生產(chǎn)成本降低,。
　　1987年,，美國(guó)3D Systems公司展出第一代商用RP系統(tǒng)SLA-1，之后RP技術(shù)迅速發(fā)展，在許多部門都得到應(yīng)用,。其用途主要包括,，快速成形技術(shù)制作模型對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證、評(píng)價(jià),、性能測(cè)試等,，制作注塑模、功能材料制件,，與傳統(tǒng)制造工藝相結(jié)合制造模具和金屬零件等,。

1　RP技術(shù)種類［1～4］

　　目前比較成熟的快速成形方法有SLA，LOM,，SLS,，F(xiàn)DM，3DP等,。
　　立體光刻裝置(Stereo-Lithography Apparatus, 簡(jiǎn)稱SLA)是最早的RP技術(shù)實(shí)用化產(chǎn)品,，SLA工藝如圖1所示。其工藝過(guò)程是,，首先通過(guò)CAD設(shè)計(jì)出三維實(shí)體模型,，將模型轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)格式的STL文件，利用離散程序?qū)⒛Ｐ瓦M(jìn)行切片處理,，設(shè)計(jì)掃描路徑,，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將精確控制掃描器和升降臺(tái)的運(yùn)動(dòng)；激光器產(chǎn)生的激光束經(jīng)聚焦照射到容器的液態(tài)光敏樹(shù)脂表面,，使表面特定區(qū)域內(nèi)的一層樹(shù)脂固化后,，升降臺(tái)下降一定距離，這樣SLA裝置逐層地生產(chǎn)出制件,。

圖1　SLA工藝示意圖

Fig.1　Schematic representation of SLA process

　　SLA技術(shù)的常用原料是熱固性光敏樹(shù)脂,，主要用于制造多種模具、模型等,，還可以通過(guò)加入其它成分用SLA原型模代替熔模精密鑄造中的蠟?zāi)?。SLA技術(shù)成形速度較快，精度較高,，但由于樹(shù)脂固化過(guò)程中產(chǎn)生收縮,，不可避免地會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力或引起形變。開(kāi)發(fā)收縮小,、固化快,、強(qiáng)度高的光敏材料是其發(fā)展趨勢(shì)。
　　分層實(shí)體造型(Laminated Object Manufacturing,，簡(jiǎn)稱LOM)是將薄膜材料逐層激光切割成所需形狀,，然后疊加在一起的造形方法,。LOM工藝與SLA工藝的區(qū)別在于將SLA中的光致固化的掃描運(yùn)動(dòng)變?yōu)長(zhǎng)OM中的激光切割運(yùn)動(dòng)。
　　LOM技術(shù)常用材料是紙,、金屬箔,、塑料膜、陶瓷膜等,，除了可以制造模具,、模型外，還可以直接制造結(jié)構(gòu)件或功能件,。LOM技術(shù)成形速度快,，制造成本低，但由于材料薄膜厚度有限制,，未經(jīng)處理的表面不光潔,，需要進(jìn)行再處理,。
　　選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering,，簡(jiǎn)稱SLS)是將粉末材料用輥輪鋪開(kāi)成一定厚度薄層，激光掃描使一定區(qū)域的粉體燒結(jié),，再鋪粉于燒結(jié)層上,，如此逐層燒結(jié)得到實(shí)體零件。其技術(shù)關(guān)鍵是調(diào)整激光束進(jìn)行粉末燒結(jié),。
　　SLS技術(shù)常用原料是塑料,、蠟、陶瓷,、金屬,，以及它們的復(fù)合物的粉體，用蠟可做精密鑄造蠟?zāi)?，用熱塑性塑料可做消失模,，用陶瓷可做鑄造型殼、型芯和陶瓷件,，用金屬可做金屬件,。此技術(shù)成本較低，可制備復(fù)雜形狀零件,，但成形速度較慢,，由于粉體鋪層密度低導(dǎo)致精度較低和強(qiáng)度較低。
　　熔融沉積成形(Fused Deposition Modeling, 簡(jiǎn)稱FDM)是將線材液化后通過(guò)噴嘴逐層沉積成復(fù)雜形狀制件,。FDM工藝用液化器代替了激光器,，其技術(shù)關(guān)鍵是得到低粘度、易沉積,、具有可控制的穩(wěn)定“路”寬的熔體,。
　　FDM技術(shù)所用線材包括石蠟、塑料、低熔點(diǎn)金屬和陶瓷等,，可直接制備金屬件和多種模型,。FDM技術(shù)成本較低，同時(shí)成形速度較慢,，精度較低,。
　　三維打印(Three-Dimensional Printing，簡(jiǎn)稱3DP)的工作原理類似于噴墨打印機(jī),，利用噴嘴將液態(tài)粘結(jié)劑噴在預(yù)先鋪好的粉層特定區(qū)域,，再鋪粉噴粘結(jié)劑，