閻漢生 周渝明 徐勇軍

(①廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系， 廣東 廣州 510510；② 華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 廣東 廣州 510640)

自2014年李克強(qiáng)總理首次提出“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的概念以來，“雙創(chuàng)”大潮席卷我國各行各業(yè)。國務(wù)院出臺(tái)的《關(guān)于大力推進(jìn)大眾創(chuàng)業(yè)萬眾創(chuàng)新若干政策措施的意見》文件指出，雙創(chuàng)的重要形式是支持各類市場主體不斷開辦新企業(yè)、開發(fā)新產(chǎn)品、開拓新市場，培育新興產(chǎn)業(yè)，打造新引擎、形成新動(dòng)力[1]?？梢婋p創(chuàng)的核心仍是制造業(yè)企業(yè)創(chuàng)新產(chǎn)品研發(fā)，實(shí)現(xiàn)升級和發(fā)展，其他方面都是圍繞這個(gè)核心并為之服務(wù)的[2]。

《中國制造2025》提出我國要加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合，走創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、綠色發(fā)展的道路。以3D打印為代表的快速成型技術(shù)就是一種信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合的典型范例[3]。

隨著國際競爭的加劇，筆者所在的珠三角地區(qū)近年來也需要大力推進(jìn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級。研究表明當(dāng)前制造業(yè)企業(yè)升級發(fā)展關(guān)鍵在以下3個(gè)方面[4]：

(1)提高產(chǎn)品的科技含量和創(chuàng)新水平，成為企業(yè)發(fā)展的核心動(dòng)力。

(2)縮短從提出設(shè)計(jì)創(chuàng)意到制作產(chǎn)品原型的流程時(shí)間，成為企業(yè)能否抓住市場機(jī)會(huì)、搶占商機(jī)的重要能力。

(3)為細(xì)分市場人群提供個(gè)性化、可定制的小批量產(chǎn)品，是企業(yè)發(fā)展的未來方向。

以上3個(gè)方面，與快速成型和快速模具技術(shù)的特點(diǎn)十分契合，這已成為很多高校和企業(yè)的研究熱點(diǎn)。本文研究將對快速成型技術(shù)和快速模具技術(shù)的特點(diǎn)、方法和案例做出分析。

1 快速成型技術(shù)的特點(diǎn)與實(shí)踐

現(xiàn)今移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代的消費(fèi)主導(dǎo)型社會(huì)中，產(chǎn)品更新?lián)Q代的時(shí)間越來越快，一款新產(chǎn)品創(chuàng)意如果因?yàn)檠兄屏鞒淘虻⒄`6個(gè)月以上，就基本上失去了市場，所以加快新產(chǎn)品研發(fā)過程對于制造業(yè)企業(yè)的升級乃至生存都至關(guān)重要，快速成型技術(shù)特別適合對創(chuàng)新設(shè)計(jì)進(jìn)行原型方案驗(yàn)證。

快速成型技術(shù)是上世紀(jì)八九十年代發(fā)展起來一種先進(jìn)制造方式，它不同于傳統(tǒng)耗時(shí)耗材的機(jī)械切削加工，而是一種綠色快捷的“增材”制造，通過成型機(jī)對離散型材料進(jìn)行精細(xì)分層堆積疊加直接形成產(chǎn)品[5]。根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品類型和生成規(guī)模的不同，快速成型技術(shù)總體上可以縮短新產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間30%～60%[6]?？焖俪尚透鶕?jù)成型材料和工藝的不同主要有4類，分別是光固化成型(SLA)、熔融沉積制造(FDM)、疊層制造(LOM)和選擇性激光燒結(jié)(SLS)[7]。本文以熔融沉積制造(Fused Deposition Manufacturing，簡稱FDM)為例進(jìn)行分析。

FDM分層厚度依據(jù)成型機(jī)性能不同，一般在0.050～0.254 mm之間選擇。成型材料一般為ABS或PLA，支撐材料多為水溶性PVA。工作原理如圖1所示。

以筆者單位的校企合作企業(yè)佛山市順德區(qū)某快速制造科技公司的一個(gè)熱水器配件產(chǎn)品為例，分析其加工過程。使用設(shè)備是美國Stratasys公司生產(chǎn)的Dimension bst1200es工業(yè)級3D打印機(jī)，模型材料為ABSplus，支撐材料為BST可分離材料，控制軟件為CatalystEX。

首先在三維工程軟件(如Creo、UG)中構(gòu)建該柱形支撐座產(chǎn)品的三維CAD模型，導(dǎo)出為STL圖形文件，然后在CatalystEX軟件中導(dǎo)入該STL文件，調(diào)整零件方向和位置，并設(shè)置基本參數(shù)，如圖2所示。本例中，“層厚”設(shè)為0.254 mm，“STL比例”設(shè)為1，“模型內(nèi)部”設(shè)為疏松-高密度，“支撐填充”設(shè)為基礎(chǔ)。在方向調(diào)整時(shí)應(yīng)調(diào)整到零件盡量靠自身支撐，減少出現(xiàn)懸臂、懸空情形，這樣可以減少支撐材料使用，降低成本的同時(shí)縮減了模型后處理耗費(fèi)的工時(shí)。

然后點(diǎn)擊“添加到模型包”，軟件會(huì)自動(dòng)對圖形文件進(jìn)行分層，在需要的情況下還會(huì)生成支撐結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建準(zhǔn)確的堆積成型路徑，生成加工程序，如圖3所示。也可根據(jù)需要進(jìn)行排版，一次加工多個(gè)工件。最后點(diǎn)擊“打印”，加工程序會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)傳到FDM成型機(jī)，控制其熔融擠壓堆積成型的工序，最終生成的零件取出后還需進(jìn)行后處理方可使用。

原型后處理是指對由快速成型制作的零件毛坯進(jìn)行后續(xù)處理并拼接裝配為產(chǎn)品部件的過程。其中主要的處理工序有打磨、噴漆等，完整的工藝流程如圖4、5所示。

可見應(yīng)用快速成型技術(shù)及其后處理工藝可以快捷的進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)，具有周期短、經(jīng)濟(jì)性好、模型方案靈活的許多優(yōu)點(diǎn)。

2 快速成型工藝中的幾點(diǎn)技巧

由于零件的具體形狀、結(jié)構(gòu)、尺寸的多樣，實(shí)際使用快速成型機(jī)對CAD模型進(jìn)行3D打印時(shí)，會(huì)遇到各種問題，有的會(huì)過多耗材耗時(shí)，有的導(dǎo)致打印的產(chǎn)品表面不美觀，嚴(yán)重的甚至造成成型失敗。列舉如下：

(1)零件的擺放方向不對而導(dǎo)致成型時(shí)間增加。如圖6所示零件，在筆者的一臺(tái)深圳產(chǎn)的SKYCUBE三維打印機(jī)上打印，分層層高設(shè)為0.1 mm。兩塊模型板本身是一樣的，其他條件相同的情況下，左邊平放的一塊分為32層，打印時(shí)間為40 min15 s，右邊豎直的一塊分為617層，則需要58 min46 s，多耗時(shí)達(dá)46%，多花的時(shí)間用在打印頭的Z軸升高上了。可見，在不影響成型表面質(zhì)量和過多花費(fèi)耗材的情況下，類似的零件應(yīng)盡量平放著布置，使打印頭在X/Y方向多移動(dòng)，Z方向少移動(dòng)，從而節(jié)省打印時(shí)間。

(2)零件底部在打印平臺(tái)上“抓”不牢，發(fā)生翹曲、脫落的問題。如圖7a所示的圓柱體，為保證圓周面光滑，必須垂直放置，這時(shí)底部面積較小，打印過程中容易發(fā)生上述問題[8]。對PLA(聚乳酸)材料來說，主要的解決方法有幾種：清潔打印平臺(tái)并涂一層固體膠，以增大粘結(jié)力；為零件底部增加包圍裙邊(圖7b)，以擴(kuò)大零件底部的粘結(jié)面積；在零件底部增加打印一塊底板(圖7c)，改變粘結(jié)界面材料進(jìn)而增大粘結(jié)力。

(3)靈活調(diào)整零件打印姿態(tài)，優(yōu)化主要表面質(zhì)量。以一輛T99坦克模型為例，按默認(rèn)停放姿態(tài)打印，履帶和打印平臺(tái)平行，底部表面非常光滑，而車身上表面由于本身有微小的前傾角，在分層打印的原理下，形成了明顯的臺(tái)階，如圖8a所示，對一個(gè)產(chǎn)品的主要表面來說，顯得不夠美觀，且車身上表面面積較大，后期打磨這些臺(tái)階的工作量也非常大。優(yōu)化的方法是在打印控制軟件中，將車身頭部向上旋轉(zhuǎn)一個(gè)微小的角度，使得車身上表面接近水平，如圖8b所示，打印出來這個(gè)主要表面會(huì)較為光滑，而履帶底部由于要去除支撐材料，會(huì)變得粗糙一些，但這沒關(guān)系，因?yàn)槁膸У撞康拿娌恢匾乙话憧床坏健?/p>

(4)合理分拆零件打印。雖然快速成型的一個(gè)特點(diǎn)是可以一次成型整個(gè)產(chǎn)品，但在實(shí)際操作中，有時(shí)由于加工難度的原因，有時(shí)由于零部件直接需要保留裝配關(guān)系，往往會(huì)將一個(gè)產(chǎn)品合理拆分為數(shù)個(gè)零件后打印。仍以T99坦克模型為例，為了使坦克的炮塔和車身間能轉(zhuǎn)動(dòng)，將炮塔和車身分別打印，并增加了一個(gè)轉(zhuǎn)軸零件。另外，炮管直徑2～3 mm，長度達(dá)50 mm，如果連同炮塔一起打印，這樣一個(gè)細(xì)長、懸挑且傾斜的圓柱體，極有可能打印失敗，即使成功，表面光滑程度也會(huì)很差。所以比較好的方案是，炮管單獨(dú)作為零件，水平放置在平臺(tái)上打印，同時(shí)在炮塔上相應(yīng)位置留孔。零件打印完成后在預(yù)留孔里注膠，將炮管插入即可。圖9為整個(gè)模型。

(5)學(xué)會(huì)自定義三維切片軟件，筆者常用的分層軟件是CuraEngin，如圖10a所示，一般打印機(jī)供貨商會(huì)附送一個(gè)設(shè)置好參數(shù)的預(yù)設(shè)文件，導(dǎo)入分層軟件即可正常使用，滿足大多數(shù)情況需求。但在某些特殊情況下，還是要自定義某些參數(shù)方可順利完成整個(gè)模型的打印、裝配。比如，筆者收到的預(yù)設(shè)文件中，支撐材料的懸掛角度默認(rèn)為60°，在打印一個(gè)罐子模型時(shí)，軟件不產(chǎn)生支撐，但罐子的下半部向外側(cè)懸空的部分與水平面夾角約65°，事實(shí)外表面上仍產(chǎn)生了明顯的不均勻臺(tái)階和些許掛落，質(zhì)量較差，如圖10b所示。這時(shí)應(yīng)調(diào)整懸掛角度為20°甚至更小，強(qiáng)制軟件產(chǎn)生支撐。

(6)后處理階段選擇合適的工具進(jìn)行打磨、拋光。除了手工砂紙打磨外，筆者常用一些小型的電磨工具。例如寶工的MINI電磨組，如圖11a所示，配有各種磨頭，砂紙輪可以打磨、磨石和布輪可以拋光，砂輪片可以切割、其他的一些可以進(jìn)行鉆孔和雕刻。圖11b、c是一個(gè)罐子的瓶口位置在打磨前后的對比，如圖11b、c所示，打磨前瓶口有明顯的臺(tái)階和膠粒結(jié)節(jié)，簡單打磨后已光滑很多，這種狹小的弧形位置，手工用砂紙打磨會(huì)非常困難，使用合適的電動(dòng)工具效果較好。

3 快速模具技術(shù)的特點(diǎn)與實(shí)踐

在雙創(chuàng)的過程中，要鼓勵(lì)中小微企業(yè)乃至個(gè)人創(chuàng)業(yè)者的發(fā)展。這類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)主體的特點(diǎn)是規(guī)模小，方向靈活，訂單總量不大，流動(dòng)資金不多。多品種、小批量的生產(chǎn)模式比較適合這類企業(yè)[9]。這種生產(chǎn)模式下，往往對結(jié)構(gòu)工藝的穩(wěn)定性和加工精度要求不太高，對產(chǎn)品樣式更新的速度要求比較高，特別適合采用快速模具技術(shù)進(jìn)行小批量生產(chǎn)。

快速模具技術(shù)(rapid tooling technology)無需數(shù)控切削加工就能制造出較復(fù)雜的型腔曲面，可以將傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)和制造的時(shí)間縮短2/3左右，生產(chǎn)成本僅為原來的1/5～1/10[10]。針對不同行業(yè)產(chǎn)品的特殊性，可以選擇不同的快速制模技術(shù)，例如用于制作小家電外殼的鋁基環(huán)氧樹脂模具，壽命可達(dá)500～2 000件，用于制作樣件模型的硅橡膠模具，其壽命只有10～80件[11]，不過硅橡膠模具制作成本最為低廉，一般低于10元。

以筆者指導(dǎo)的一個(gè)省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目來分析利用硅膠模復(fù)制生產(chǎn)憤怒小鳥玩偶的過程。使用的快速成型機(jī)是Stratasys的FDM 200mc，真空注型機(jī)是HVC-0，烤箱是HRCH-1，模具材料為硅膠、固化劑，復(fù)模成型材料為8150A、B膠。

首先根據(jù)客戶的喜好訂制，選擇流行游戲“憤怒的小鳥”中的一個(gè)角色模型作為生產(chǎn)對象。小鳥三維模型可以在互聯(lián)網(wǎng)下載，也可以自己建模，用成型機(jī)加工出來，并進(jìn)行簡單的后處理，打磨光滑即可，用黑色筆畫出分模線，作為母件。由于硅膠模具具有很好的彈性和一定的強(qiáng)度，小鳥模型上一些細(xì)節(jié)，如突出的眉毛，無需考慮脫模方向，直接拔出即可[12]。將模型在分模線以下的部分，壓入模型油泥，油泥的分型面需修得盡量光滑，噴脫模劑，并做出10余個(gè)定位孔，用塑料板圍成?？?，如圖12所示。

第二步制作硅膠上、下模。硅膠和固化劑按10:1進(jìn)行混合，在真空注型機(jī)中進(jìn)行攪拌脫泡。約10 min后，進(jìn)行澆注。澆筑完后將整個(gè)?？蚍湃肟鞠洌?00 ℃下，烘干約2 h，使硅橡膠充分固化。硅膠凝固后取出，去除油泥，得到上模，然后進(jìn)行修模，割出注膠口，排氣孔，如圖13a所示。將母件和一半硅膠模用?？蚬潭ǎ辞笆霾襟E，制作下模，合模后如圖13b所示。

最后制作環(huán)氧樹脂復(fù)模件。首先稱量母件重量用于估算復(fù)模件所需材料重量，模型重106 g，A、B膠按1∶1混合，考慮各種損耗因素，A、B膠各取60 g。在真空注型機(jī)中，先把A、B膠分開放置，進(jìn)行5～8 min抽真空后，把A膠倒入B膠并進(jìn)行攪拌，在1 min 左右進(jìn)行澆注，如圖14所示。在烤箱中烘烤1 h后，拆模，取出復(fù)模件，進(jìn)行打磨，去除飛邊毛刺，外觀達(dá)到光滑要求后上色。上色前后復(fù)模件效果如圖15所示?？梢姽枘z復(fù)模技術(shù)成本低廉、產(chǎn)品樣式更新快、適合進(jìn)行時(shí)尚、新潮、多變的流行玩偶、飾品的小批量定制生產(chǎn)。

4 結(jié)語

本文研究從“雙創(chuàng)”理念的提出背景深入，分析了制造業(yè)企業(yè)的研發(fā)創(chuàng)新在實(shí)現(xiàn)國家戰(zhàn)略中的核心地位。結(jié)合筆者所在的珠三角區(qū)域發(fā)展，說明了快速成型和快速模具技術(shù)對企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵作用。通過企業(yè)真實(shí)的快速成型產(chǎn)品和高校的大學(xué)生雙創(chuàng)訓(xùn)練項(xiàng)目，展示了兩種新技術(shù)的工藝過程和特點(diǎn)，并總結(jié)提出了一些針對常見技術(shù)問題的有效解決方案。文章研究為制造業(yè)企業(yè)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)提供了有效的參考，也為初創(chuàng)的小微企業(yè)提供了可行的路徑，為“雙創(chuàng)”理念落地提供了有益的技術(shù)支持。

[1]國務(wù)院.國務(wù)院關(guān)于大力推進(jìn)大眾創(chuàng)業(yè)萬眾創(chuàng)新若干政策措施的意見(國發(fā)〔2015〕32號) [EB/OL]. http://www.gov.cn/zhengce/content/2015-06/16/content_9855.htm，2015.

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