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2008-08-26 21:08 |
快速成形制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀解析
我國快速成形制造技術(shù)能迅速、健康、有序發(fā)展的重要原因之一是自始至終充分注意進(jìn)行國際交流，這種發(fā)展模式可以給諸多領(lǐng)域的專家學(xué)者以啟迪。 W,_2JqQp
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快速成型的發(fā)展現(xiàn)狀 I`i"*z
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快速原型（Rapid Prototyping, 簡稱RP）技術(shù)是1987年出現(xiàn)的應(yīng)用于制造業(yè)的高新技術(shù)。它采用離散/堆積的概念制造零件，可以制造任意復(fù)雜形狀的三維實體，而不需要特殊的模具、工具或人工干涉，具有高度的柔性。RP技術(shù)首先對零件的三維CAD模型進(jìn)行分層處理，得到零件的二維截面數(shù)據(jù)信息，然后根據(jù)每層的截面數(shù)據(jù)，以特定的方法生成與該層截面形狀一致的薄片，這一過程反復(fù)進(jìn)行，逐層堆積，直至完成實體模型。 {];-b0MS~
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RPM正在向零件直接制造的方向發(fā)展，則被稱之為快速制造（RM）技術(shù)。新型噴射技術(shù)、直寫技術(shù)和微單元的制造、裝配技術(shù)以及各種先進(jìn)成形制造技術(shù)集成到RPM工藝中，使得RM展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。同時，與這些新技術(shù)、新工藝相結(jié)合，也為RPM開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域，例如生物制造（BM），就是與RPM學(xué)術(shù)思想極其相近、發(fā)展非常突出的新興科技領(lǐng)域。 ,H^! G\
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隨著快速成形制造（RPM）技術(shù)的不斷發(fā)展，其在國內(nèi)外的研究越來越深入、應(yīng)用也越來越廣泛，尤其在經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的地區(qū)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速的地區(qū)，該技術(shù)正發(fā)揮著真正生產(chǎn)力的作用。我國目前擁有RPM設(shè)備占全球的比例越來越高，發(fā)展勢頭遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國際平均水平。國產(chǎn)RPM設(shè)備在國內(nèi)市場份額進(jìn)一步提高，并且已經(jīng)有出口記錄，表明我國民族RPM產(chǎn)業(yè)已基本形成氣候。國產(chǎn)RPM設(shè)備按照臺數(shù)計算，已經(jīng)超過全球的10%�？焖俪尚沃圃旒夹g(shù)的研究和應(yīng)用正如火如荼。 0'YJczDq:7
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由RP向RM的發(fā)展 )} t't"
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RP技術(shù)發(fā)展早期主要應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計和測試過程，因此有人提出了RP與虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)之間的競爭問題。但是隨著RPM技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，人們意識到物理原型在產(chǎn)品開發(fā)過程中是不可替代的。隨后，高速切削技術(shù)的發(fā)展又對RP的“快速”提出挑戰(zhàn)，但是由于RP的“離散－堆積”的特殊成形思想，它擁有能同時處理多種材料和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的功能，使得其成為制造領(lǐng)域的一個獨特分支。 xtLP 4VL
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由于RM工藝能制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)和同時處理多種材料，因此在特殊材料的成形和材料梯度與結(jié)構(gòu)梯度成形方面RM亦具有強(qiáng)大的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于航天航空、生物醫(yī)學(xué)和微細(xì)加工等領(lǐng)域的特殊成形場合，RM的高度的個性化成形水平和工藝柔性得到充分發(fā)揮。 mVh;=>8K
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RM的最重要的獲益是∶①直接快速制造可以避免繁復(fù)的工、模具制造；②產(chǎn)品制造的耗時可有實質(zhì)性的降低；③從而使產(chǎn)品的制造成本有較大的下降。其它方面的獲益也是不可忽視的，例如，可增加產(chǎn)品設(shè)計的自由度，可采用非均質(zhì)材料，可采用客戶定制以及及時制造的生產(chǎn)方式，易于實行異地制造等等。由圖1可見，越是對于形狀復(fù)雜且批量小的零件，越應(yīng)當(dāng)采用快速制造技術(shù)，RM與傳統(tǒng)加工互為補充。 M CP GDr
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RM是基于離散－堆積成形原理的先進(jìn)制造技術(shù)的總稱�；赗M概念，可以構(gòu)成現(xiàn)代成形制造科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展鏈（圖2）。快速原型（RP）技術(shù)是制造大家族中最先產(chǎn)生的制成形造技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了快速工具、快速模具和快速生物支架制造等等。RM的主要特點有：①產(chǎn)品的三維CAD設(shè)計是RM的前提；②無需任何專用工具，產(chǎn)品的設(shè)計數(shù)據(jù)直接驅(qū)動RM設(shè)備堆積材料而進(jìn)行成形制造過程；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結(jié)構(gòu)與形狀無限制，可以是具有材料梯度、結(jié)構(gòu)梯度和特殊孔隙的復(fù)雜形狀�？焖僦圃斓膬�(nèi)涵主要體現(xiàn)為：制造過程中信息過程與物理過程相統(tǒng)一、材料制備與材料成形相統(tǒng)一、結(jié)構(gòu)梯度與材料梯度相統(tǒng)一。由于這些統(tǒng)一，使得RM具有非常光明的應(yīng)用前景。 4"\cA:9a
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快速制造技術(shù)的類型繁多，許多還處于研究階段，已經(jīng)或即將在工業(yè)實際中得到應(yīng)用的相關(guān)的主要工藝有：高能束流（激光束、電子束）金屬直接熔敷/燒結(jié)成形、基于電沉積的納米結(jié)構(gòu)金屬零件制造、基于激光的化學(xué)沉積的金屬零件制造等。近年來國內(nèi)外RM的發(fā)展非常迅速，在新材料、新工藝、新應(yīng)用等方面都得到了開拓和發(fā)展，可以說,快速制造正逐漸成為一種新的生產(chǎn)方式。如德國EOS公司的Direct Steel 20-V1、美國密西根大學(xué)的DMD (Direct Metal Deposition)的POM (Precision Optical Manufacturing)、AeroMet的MIS System Corp開發(fā)的LAM(laser Additive Manufacturing)、我國清華大學(xué)激光加工中心、有色金屬研究總院、625研究所均在金屬直接熔敷/燒結(jié)成形取得大量成果，成形件的內(nèi)部質(zhì)量及精度均超過傳統(tǒng)鑄、鍛的水平。美國斯坦福大學(xué)的Prinz等采用形狀沉積制造（SDM）工藝直接制造出含復(fù)雜內(nèi)流道的多組元材料注射模，經(jīng)過一定的后處理之后，模具的尺寸精度與表面光潔度均達(dá)到要求，而這種注射模由于包含其它方法所不能做到的內(nèi)流道，注射時的冷卻效果非常好，因此受到人們的重視。 ?,8+1"|$A]
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由RP向BM的發(fā)展 a ~ W
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世紀(jì)之交，在制造科學(xué)和生命科學(xué)的交叉領(lǐng)域產(chǎn)生了生物制造的新的方向，它基于快速成形制造的理念，在宏觀尺度、細(xì)胞尺度和分子尺度的科學(xué)層次上，通過受控組裝完成組織、器官與仿生產(chǎn)品的組裝制造和組織工程培養(yǎng)，與此相關(guān)涉及了從設(shè)計、制造、材料、工藝和設(shè)備到信息化等各項技術(shù)。目前已經(jīng)開始用于輔助診斷和手術(shù)規(guī)劃的體外人體器官、組織模型設(shè)計與制造；人體器官和組織的再生修復(fù)；以及在生理環(huán)境下組裝成生物活體、組織等廣泛的領(lǐng)域。具體可以將它分為狹義和寬泛的兩種定義。狹義的定義為：主要指生物體制造，是運用現(xiàn)代制造科學(xué)和生命科學(xué)的原理和方法，通過單個細(xì)胞或細(xì)胞團(tuán)簇的直接和間接受控組裝，完成具有新陳代謝特征的生命體成形和制造，經(jīng)培養(yǎng)和訓(xùn)練，完成用以修復(fù)或替代人體病損組織和器官。寬泛的定義為：包括仿生制造、生物質(zhì)和生物體制造，涉及到生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的制造科學(xué)和技術(shù)均可視為生物制造。 V xARJ*4=Y
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3.
組裝技術(shù)是生物制造的核心。細(xì)胞需要在計算機(jī)的直接操縱或間接控制下，根據(jù)設(shè)計裝配成活的“零件”。從本質(zhì)上說，生物制造就是用包括活的單元在內(nèi)的各種單元來實現(xiàn)制造�，F(xiàn)在人們可以在體外大量培養(yǎng)增殖各種細(xì)胞，但是將各種細(xì)胞按其特定的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行裝配，形成一定形態(tài)的結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)其生理學(xué)功能，還有一些困難，是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。然而，完成此任務(wù)并沒有不可逾越的鴻溝。細(xì)胞可以通過各種操縱手段直接組裝起來，也可以通過支架中所包含的生物信息的誘導(dǎo)作用間接組裝起來。具體的組裝工藝和相關(guān)的設(shè)備研發(fā)是生物制造的重要內(nèi)容。 s f->8
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RP在組織工程支架成形中的應(yīng)用 vLyazVj..
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目前組織工程支架的成形大都采用手工方式，只能成形長方體、圓柱體、球體等簡單幾何形狀的孔隙體，還沒有專用的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)支架的成形設(shè)備。手工方式效率低下，不同批次之間質(zhì)量差異大，無法完成復(fù)雜形狀的精密成形，成形效果主要依賴于操作者的熟練程度。而采用計算機(jī)控制的機(jī)械加工方式可以使支架的成形更為穩(wěn)定高效，特別是當(dāng)組織工程進(jìn)入臨床后，大批量的臨床需求使機(jī)械加工方式的采用更顯迫切。 Pz\K3-
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由于組織工程支架的復(fù)雜性，特別是管網(wǎng)結(jié)構(gòu)支架的空間內(nèi)腔的成形，傳統(tǒng)的成形加工無法滿足需要，基于離散/堆積原理的RP技術(shù)是組織工程支架理想的成形方式。所謂離散/堆積是將原料制成小尺度的加工單元，然后將加工單元以一定的方式堆積粘連成三維結(jié)構(gòu)，得到成形件。計算機(jī)控制的RP設(shè)備不存在加工死角。RP加工更大的優(yōu)勢在于它適用的材料廣泛。組織工程支架所使用的材料種類繁多，按材料的成分和性質(zhì)可將其分為醫(yī)用金屬和合金、高分子生物材料、生物陶瓷、生物復(fù)合材料等，其形態(tài)又有固體、液體、凝膠等。對RP而言，只要材料能分離成一定尺度的加工單元，又能以一定的方式粘連起來，它就可以用RP技術(shù)來加工。 sowwXrECg@
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結(jié)論 cC+2%q B
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當(dāng)前，我國在快速制造和生物制造方面與國際先進(jìn)水平并無很大的差距，在某些方面還保持著自己鮮明的特點，有一定的優(yōu)勢。通過國際學(xué)術(shù)交流，可望取得更大的進(jìn)步，主要表現(xiàn)在： Z@f{f:Jc/"
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（1）進(jìn)一步促進(jìn)我國RPM技術(shù)的應(yīng)用，提高我國RPM設(shè)備的國際競爭力，RP設(shè)備展示會將起到此作用； , sL%Ykr
（2）提高我國高等院校、研究院所在RM方面的科研水平，特別是金屬零件的直接制造，而新型噴射技術(shù)、直寫技術(shù)和微單元的制造、裝配技術(shù)等與RP工藝的集成，可促進(jìn)RPM產(chǎn)業(yè)發(fā)展； xIC@$ GP
（3）RPM技術(shù)用于生物材料甚至直接應(yīng)用于細(xì)胞，拓寬了RPM 的領(lǐng)域，發(fā)展成為生物制造，可保持我國的先進(jìn)及在某些方向上的領(lǐng)先地位。
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