多功能激光快速成形（RP）技术研究与应用

一、项目的意义和内容

快速成形（ RP ）技术是制造业向现代化进展的核心技术之一。其推广应用，为机械制造业由刚性自动化向柔性自动化的过渡和发展做出了重要的贡献。制造业广泛采用 RP 技术，不仅可以把传统机械加工装备的性能和质量提高到一个新的水平，而且可以极大地提高加工效率、提高零件的加工质量，解决复杂零件的加工制造技术，同时还可以对制造业的产品结构、生产方式、管理模式、生产组织等产生巨大的影响。 RP 技术和装备的普及，将促进制造业向柔性化、集成化方向发展，使现代制造业产生巨大的变革。因此，本项目涉及的技术是发展高新技术和产品的关键技术，除了应用于汽车工业之外，还是发展航空、航天、微电子、信息技术和国防现代化的急需。它不仅代表了国家制造水平的标志，更是其国力和国威所在。

RP 技术是将 CAD/CAM/CAE 、数字控制和新材料等先进技术集于一体，依据产品的三维设计模型，分层切片得到各层截面的信息，并通过 RP 设备得到各层截面实体并累加层面最终得到三维原型。它彻底摆脱了传统的 “ 去除 ” 成形法，将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合，这就缩短了传统制造中需要几周或几个月设计 / 制造的时间，降低了昂贵的费用。 RP 技术只需传统加工方法 30~50% 的工时和 20~35% 的成本就能直接制造产品样品或模具，已广泛地应用于机械、电子、汽车、航空、航天领域，随着 RP 技术的日臻完善，应用将更广泛。

在制造业中开展 RP 技术的研究、推广与应用将有效地提高制造业综合竞争能力。我国制造业无论在设计技术、制造工艺、自动化技术，还是管理技术等方面与发达国家相比存在着阶段性的差距，导致了我国的产品的性能和质量不稳定，产品在国际市场上缺乏竞争力。特别是在新品开发方面，用户对产品要求日益提高，新品能否满足市场的需要，在试制阶段企业难以判断。推广和应用 RP 技术，为企业快速制造少量的样品以便进行分析和判断，可大大地缩短研究开发的周期和费用，无疑给企业参与市场竞争增添了有力的手段。本项目提出了基于 RP 技术的集成制造系统，应用对象为采用 RP 技术的快速模具（ RT ）制造技术，以用于新产品开发与试制，例如应用于汽车新车型开发及其模具制造。

从应用的层面来看，上述技术在汽车工业中的应用最为广泛。由于人民生活水平的日益提高，对于汽车的需求正处于不断高涨之中。我国每年均有 15 个以上的新车型投放市场，同时有 15 个以上的新车型进入开发试制阶段。每个车型的试制费用在 2000-5000 万元。其中，采用新的快速模具技术，可以直接带来试制成本的降低。如果在可能的情况下尽量采用这种新技术，则可以使得模具费用降低 50 ％以上，从而导致新车型开发成本降低 20 ％以上。

二、项目研究工作的开展情况

项目组与 烟台泰利快速模具有限公司签订科研合同，开展实质性的合作，将金属模具的成形制造安排在该公司，将它作为本项目的应用示范基地。

（ 1 ）大型 LOM 原型的无拼接制造

分层实体制造 (SSM — Slicing Solid Manufacturing 或 LOM — Laminated Object Manufacturing) 工艺的主要特点是适合于制造大型原型。 它的工艺流程是根据零件连续的分层几何信息切割层片涂覆纸，将所获层片粘结成三维实体。 这种成形方法的主要优点为：由于成形过程无材料相变，故内应力较小，不易发生翘曲变形；不需要加支撑；由于激光束只切割原型外围轮廓线，因而成形速度快；制作的原型强度大，韧性好，外观像木质，易于翻制模具或零件；原型的精度较高。 这就决定了在多种 RP 工艺中， LOM 工艺最适合于制造大型原型。 清华大学的目前世界上最大的 分层实体制造设备—— SSM-1600 系统被用于制造大型 LOM 原型。

（ 2 ）金属微滴沉积法模具的直接型面成型

为实现基于 RP 的快速模具的制造，本专题研究主要完成了下列工作：

1 ）保证模具尺寸精度与表面质量的研究

2 ）等离子喷涂制造金属模具的工艺研究

3 ）电弧喷涂制造金属模具的工艺研究

（ 3 ）汽车车身试制模具制造及样件压制

本研究工作是与烟台泰利快速模具有限公司共同承担 , 并且围绕着汽车试制用大型金属微滴沉积模具的快速制造来开展，主要分为下面四个方面的内容：

1 ）模具的选择与设计

2 ）大型无拼接 SSM 原型的制作

3 ）喷射沉积制造金属模具

4 ） 喷射沉积法金属模具的考核

三、应用示范基地的建设情况

烟台泰利公司以清华大学提供的 RP 原型（导流罩中面板、后横梁地板凸、凹模等）作为样模，用电弧喷涂技术制作了模具型腔的金属壳体，再填充基体材料，制作成了完整的电弧喷涂模具，取得了良好的效果。主要研究工作包括：

1 ）主模型制作方案的选择

考虑到喷涂模具的快速、经济的要求，同时需保证其高精度的原则，汽车主模型采用稳定性极强的 PU （可加工聚酯）板材，采用 CNC 进行加工。

2 ）工艺过渡模制作方案的选择

适合于基于 RP 原型的喷涂模具需要工艺过渡模，其主要的技术要求是转换精度高、表面质量好、无涨缩、无变形、耐高温，同时还应当有较高的强度。经过反复实验，摸索出具有自己工艺特色的方案。

3 ）最佳喷涂工艺参数的确定

对于大型模具，通过大量、多次实验，最终摸索出最佳的喷涂工艺参数，并且进行了规范化的工作，对这些参数加以确定。

4 ）制件的冲压成形工艺的确定

在进行模具设计时，就必须依据数字模型或图纸，利用 UG 软件，建立 CAD 模型，进行冲压成形分析。模具完成后，安装在液压机上，经过反复校核，试压，为最终生产出合格的样件打下基础。然后，根据长期工作经验，细致地进行加工。

5 ）精度测量

本专题的提高成品率的关键在于精度。因此，在各个制造环节，都需要上三坐标测量仪进行测量。这些环节包括： RP 原型、过渡模、喷涂模、制件。测量时，通常采取以中心线为基准，间隔 100mm 。有时还需要按照厂家的特殊要求，进行精度测量。根据检测结果，本专题的整套制模工艺过程中的尺寸精度控制非常理想，制件的尺寸精度可达到 ± 0.5mm ，制模周期可控制在 8 ～ 10 天内完成。投入批量生产后，产生的经济、社会效益将十分可观。

烟台泰利公司在生产喷涂快速模具、低熔点合金（ Bi-Sn ）快速模具、中熔点合金（ Zn 基）快速模具、硅胶快速模具等方面，获得了大量的生产订单，有突出的经济效益。就多项科研难题与高校和科研院所开展共同研究，是其成功的一个重要经验。

该项目获得 2001 年北京市科技进步一等奖 , 2002 年获国家科技进步二等奖。