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发布时间:2024-01-09 15:59:16 阅读: 来源:加湿器厂家

快速成形制造技术与国际发展潮流合拍

我国快速防水箱成形制造技术能迅速、健康、有序发展的重要原因之一是自始至终充分注意进行国际交流,这种发展模式可以给诸多领域的专家学者以启迪。

快速成型的发展现状

快速原型(Rapid P软件和硬件rototyping, 简称RP)技术是1987年出现的应用于制造业的高新技术。它采用离散/堆积的概念制造零件,可以制造任意复杂形状的三维实体,而不需要特殊的模具、工具或人工干涉,具有高度的柔性。RP技术首先对零件的三维CAD模型进行分层处理,得到零件的二维截面数据信息,然后根据每层的截面数据,以特定的方法生成与该层截面形状一致的薄片,这一过程反复进行,逐层堆积,直至完成实体模型。

RPM正在向零件直接制造的方向发展,则被称之为快速制造(RM)技术。新型喷射技术、直写技术和微单元的制造、装配技术以及各种先进成形制造技术集成到RPM工艺中,使得RM展现出广阔的发展前景。同时,与这些新技术、新工艺相结合,也为RPM开辟了新的应用领域,例如生物制造(BM),就是与RPM学术思想极其相近、发展非常突出的新兴科技领域。

随着快速成形制造(RPM)技术的不断发展,其在国内外的研究越来越深入、应用也越来越广泛,尤其在经济较发达的地区和经济发展迅速的地区,该技术正发挥着真正生产力的作用。我国目前拥有RPM设备占全球的比例越来越高,发展势头远远高于国际平均水平。国产RPM设备在国内市场份额进一步提高,并且已经有出口记录,表明我国民族RPM产业已基本形成气候。国产RPM设备按照台数计算,已经超过全球的10%。快速成形制造技术的研究和应用正如火如荼。

由RP向RM的发展

RP技术发展早期主要应用于产品设计和测试过程,因此有人提出了RP与虚拟现实(VR)技术之间的竞争问题。但是随着RPM技术的发展和广泛应用,人们意识到物理原型在产品开发过程中是不可替代的。随后,高速切削技术的发展又对RP的“快速”提出挑战,但是由于RP的“离散-堆积”的特殊成形思想,它拥有能同时处理多种材料和复杂结构的功能,使得其成为制造领域的一个独特分支。

由于RM工艺能制造复杂结构和同时处理多种材料,因此在特殊材料的成形和材料梯度与结构梯度成形方面RM亦具有强大的优势,被广泛应用于航天航空、生物医学和微细加工等领域的特殊成形场合,RM的高度的个性化成形水平和工艺柔性得到充分发挥。

RM的最重要的获益是∶①直接快速制造可以避免繁复的工、模具制造;②产品制造的耗时可有实质性的降低;③从而使产品的制造成本有较大的下降。其它方面的获益也是不可忽视的,例如,可增加产品设计的自由度,可采用非均质材料,可采用客户定制以及及时制造的生产方式,易于实行异地制造等等。由图1可见,越是对于形状复杂且批量小的零件,越应当采用快速制造技术,RM与传统加工互为补充。

RM是基于离散-堆积成形原理的先进制造技术的总称。基于RM概念,可以构成现代成形制造科学与技术的发展链(图2)。快速原型(RP)技术是制造大家族中最先产生的制成形造技术,在此基础上,又出现了快速工具、快速模具和快速生物支架制造等等。RM的主要特点有:①产品的三维CA新材料细分的超导材料、石墨烯、液态金属等25个行业中D设计是RM的前提;②无需任何专用工具,产品的设计数据直接驱动RM设备堆积材料而进行成形制造过程;③所完成的是具有使用功能的零件(Functional Parts);④所完成的功能零件之结构与形状无限制,可以是具有材料梯度、结构梯度和特殊孔隙的复杂形状。快速制造的内涵主要体现为:制造过程中信息过程与物理过程相统一、材料制备与材料成形相统一、结构梯度与材料梯度相统一。由于这些统一,使得RM具有非常光明的应用前景。

快速制造技术的类型繁多,许多还处于研究阶段,已经或即将在工业实际中得到应用的相关的主要工艺有:高能束流(激光束、电子束)金属直接熔敷/烧结成形、基于电沉积的纳米结构金属零件制造、基于激光的化学沉积的金属零件制造等。近年来国内外RM的发展非常迅速,在新材料、新工艺、新应用等方面都得到了开拓和发展,可以说,快速制造正逐渐成为一种修版笔新的生产方式。如德国EOS公司的Direct Steel 20-V1、美国密西根大学的DMD (Direct Metal Deposition)的POM (Precision Optical Manufacturing)、AeroMet的MIS System Corp开发的LAM(laser Additive Manufacturing)、我国清华大学激光加工中心、有色金属研究总院、625研究所均在金属直接熔敷/烧结成形取得大量成果,成形件的内部质量及精度均超过传统铸、锻的水平。美国斯坦福大学的Prinz等采用形状沉积制造(SDM)工艺直接制造出含复杂内流道的多组元材料注射模,经过一定的后处理之后,模具的尺寸精度与表面光洁度均达到要求,而这种注射模由于包含其它方法所不能做到的内流道,注射时的冷却效果非常好,因此受到人们的重视。

由RP向BM的发展

世纪之交,在制造科学和生命科学的交叉领域产生了生物制造的新的方向,它基于快速成形制造的理念,在宏观尺度、细胞尺度和分子尺度的科学层次上,通过受控肠粉机组装完成组织、器官与仿生产品的组装制造和组织工程培养,与此相关涉及了从设计、制造、材料、工艺和设备到信息化等各项技术。目前已经开始用于辅助诊断和手术规划的体外人体器官、组织模型设计与制造;人体器官和组织的再生修复;以及在生理环境下组装成生物活体、组织等广泛的领域。具体可以将它分为狭义和宽泛的两种定义。狭义的定义为:主要指生物体制造,是运用现代制造科学和生命科学的原理和方法,通过单个细胞或细胞团簇的直接和间接受控组装,完成具有新陈代谢特征的生命体成形和制造,经培养和训练,完成用以修复或替代人体病损组织和器官。宽泛的定义为:包括仿生制造、生物质和生物体制造,涉及到生物学和医学的制造科学和技术均可视为生物制造。

组装技术是生物制造的核心。细胞需要在计算机的直接操纵或间接控制下,根据设计装配成活的“零件”。从本质上说,生物制造就是用包括活的单元在内的各种单元来实现制造。现在人们可以在体外大量培养增殖各种细胞,但是将各种细胞按其特定的结构和功能进行装配,形成一定形态的结构,从而实现其生理学功能,还有一些困难,是一项极具挑战性的任务。然而,完成此任务并没有不可逾越的鸿沟。细胞可以通过各种操纵手因此段直接组装起来,也可以通过支架中所包含的生物信息的诱导作用间接组装起来。具体的组装工艺和相关的设备研发是生物制造的重要内容。

RP在组织工程支架成形中的应用

目前组织工程支架的成形大都采用手工方式,只能成形长方体、圆柱体、球体等简单几何形状的孔隙体,还没有专用的管结构支架的成形设备。手工方式效率低下,不同批次之间质量差异大,无法完成复杂形状的精密成形,成形效果主要依赖于操作者的熟练程度。而采用计算机控制的机械加工方式可以使支架的成形更为稳定高效,特别是当组织工程进入临床后,大批量的临床需求使机械加工方式的采用更显迫切。

由于组织工程支架的复杂性,特别是管结构支架的空间内腔的成形,传统的成形加工无法通过测力传感器、放大器和数据处理系统来实现丈量满足需要,基于离散/堆积原理的RP技术是组织工程支架理想的成形方式。所谓离散/堆积是将原料制成小尺度的加工单元,然后将加工单元以一定的方式堆积粘连成三维结构,得到成形件。计算机控制的RP设备不存在加工死角。RP加工更大的优势在于它适用的材料广泛。组织工程支架所使用的材料种类繁多,按材料的成分和性质可将其分为医用金属和合金、高分子生物材料、生物陶瓷、生物复合材料等,其形态又有固体、液体、凝胶等。对RP而言,只要材料能分离成一定尺度的加工单元,又能以一定的方式粘连起来,它就可以用RP技术来加工。

结论

当前,我国在快速制造和生物制造方面与国际先进水平并无很大的差距,在某些方面还保持着自己鲜明的特点,有一定的优势。通过国际学术交流,可望取得更大的进步,主要表现在:

(1)进一步促进我国RPM技术的应用,提高我国RPM设备的国际竞争力,RP设备展示会将起到此作用;

(2)提高我国高等院校、研究院所在RM方面的科研水平,特别是金属零件的直接制造,而新型喷射技术、直写技术和微单元的制造、装配技术等与RP工艺的集成,可促进RPM产业发展;

(3)RPM技术用于生物材料甚至直接应用于细胞,拓宽了RPM 的领域,发展成为生物制造,可保持我国的先进及在某些方向上哺乳睡衣的领先地位。(end)

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