【解析】快速成型技術在航空航天業(yè)的應用與發(fā)展

與傳統(tǒng)的切削加工去除成型的減法原理不同，這種基于離散的增長方式成型技術是以加法的方式來獲得產品，可直接從 CAD 文件快速地制作產品物理原型（樣件），用以驗證產品外觀造型、零件裝配關系或進行功能試驗，從而提供了一種可測量、可觸摸的直觀手段，改善了設計過程中的人機交流，縮短了產品的開發(fā)周期�？焖俪尚图夹g是繼數控技術之后制造業(yè)的又一次重大革命。

快速成型技術是20世紀80年代中后期發(fā)展起來的新型數字制造工藝技術。RP技術的加工原理是基于離散堆積成形思想，由CAD模型直接驅動，把零件的三維數字模型進行離散化，然后按照數字積分的思路進行逐層加工，以快速完成任意復雜形狀三維實體零件的制作加工。 快速成型的加工過程可分為前 中的人機交流，縮短了產品的開發(fā)周 期�？焖俪尚图夹g是繼數控技術之后制造業(yè)的又一次重大革命。

快速成型技術的工藝特點
RP采用逐層材料累加法加工實體模型，也稱為增材制造或分層制造技術，這種特殊的加工方式決定了它具有以下與傳統(tǒng)加工方法完全迥然的技術特性。
（1）高度柔性。可以制造任意復雜形狀的三維實體。加工過程無需進行刀具、模具或工裝夾具等生產準備，對于不同的零件模型，只需重新輸入CAD數據，或調整設置不同 馬勁松 上海聯泰科技有限公司副總經理，長期從事立體、光固化激光快速成型技術的應用和市場研究工作。 Application of Rapid Prototyping in Aviation Industry 期的數據處理（離散）和之后的物理實現（堆積）2個階段（見圖1）：在離散過程中，將零件的三維CAD模型沿一定方向分解得到一系列的截面數據，在此基礎上獲得控制成型頭的運動軌跡；在堆積過程中，成型頭在運動軌跡的控制下，逐層加工出零件的每一個截面，如此反復進行層層截面的堆積連接，最終獲得加工零件。 與傳統(tǒng)的切削加工去除成型的減法原理不同，這種基于離散的增長方式成型技術是以加法的方式來獲得產品，可直接從 CAD 文件快速地制作產品物理原型（樣件），用以驗證產品外觀造型、零件裝配關系或進行功能試驗，從而提供了一種可測量、可觸摸的直觀手段，改善了設計過程的工藝參數即可，其單件生產成本幾乎與產品的復雜程度和產品批量無關。

（2）CAD/CAM高度一體化。RP技術由CAD模型直接驅動，不同的零件生產無需考慮專用工具和工裝的設計使用，可避免繁瑣的CAPP瓶頸，制作過程完全數字化，真正實現了CAD/CAM之間的無縫銜接。
（3）成型全過程的快速性。從CAD設計到原型零件制成，一般只需幾個小時至幾十個小時，即可得到高精度和高還原性的產品，遠遠超出了傳統(tǒng)加工的速度。
（4）高度自動化。工藝過程全自動，加工過程無需人員干預，零件加載后，設備可做無人值守工作。   

快速成型技術的應用方向
從20世紀80年代以來，RP技術發(fā)展迅速，廣泛應用于汽車、航空航天、醫(yī)學、輕工等諸多方面，其應用方向主要有3個方面（見圖2）。

（1）模型。 RP技術成功地解決了三維造型“看得見，摸不著”的問題，其最大特點是能以最快的速度將設計思想轉變?yōu)榫哂幸欢ńY構功能的產品原型，使設計模型從“看得見”(三維數模)到“摸得著”(實體模型)。因此RP技術一個主要的作用是還原設計思想，快速獲得概念產品，側重于外觀的還原和展示效果，通常用于新產品的銷售演示和市場推廣，測試市場反應，從而提高新產品開發(fā)的市場反應速度，降低開發(fā)風險。

（2）原型。利用RP技術得到的快速原型，可以對產品的可裝配性及可制造性兩方面進行充 分評估。 由于RP技術的CAD/CAM的高度一體性，它不僅可以快速地還原產品外觀，也同樣能夠快速制成產品零件和結構部件，從而可以對產品進行結構、裝配的驗證和分析，對產品設計進行快速評估、測試，縮短產品開發(fā)的研制周期，減少開發(fā)費用，提高參與市場競爭的能力。 此外，在快速獲得的產品原型�；�礎上還能對后期的產品模具設計、生產工藝、裝配流程，甚至是批生產工夾具的設計等后續(xù)制造進程進行校核和測評，避免進入批生產流程之后由于設計缺陷可能導致的生產問題和巨大損失，從而能以最快的速度、最低的成本和最好的品質將產品投入市場。事實上，如果研發(fā)/生產 體系結合得當， 快速成型技術將 成為實現并行工程和敏捷制造一 個非常有效的技術手段。

（3）單元制造/小批量直接 生產。使用間接制模的方法，結合各種轉換技術將RP原型轉換成各種快速模具，如硅膠模技術、RIM技術、消失模鑄造等，可便捷地實現單件或小批量產品生產，滿足產品更新換代快、批量小的發(fā)展趨勢。

快速成型技術在航天航空領域的應用實例
航空航天產品具有形狀復雜、批量小、零件規(guī)格差異大、可靠性要求高等特點，產品的定型是一個復雜而精密的過程，往往需要多次的設計、測試和改進，耗資大、耗時長，RP技術以其靈活多樣的工藝方法和技術優(yōu)勢而在現代航空航天產品的研制與開發(fā)中具有獨特的應用前景。 在各類已經商業(yè)化運用的快速成型工藝中，立體光固化成型（Stereolithography Apparatus，SLA）技術應用最為成熟，是工業(yè)領域中應用最廣、最主流的RP技術。SLA技術依靠光聚合反應來進行固化成型，不產生熱擴散和熱形變，加上鏈式反應能作精確控制，可保證聚合反應不發(fā)生在激光點之外，因而加工精度高，表面質量好，原材料的利用率接近100%，成型效率高。 此外，由于SLA技術沒有熱效應，能制成各類大小規(guī)格的復雜精細零件，適用范圍廣泛，具有良好的綜合穩(wěn)定性，是唯一能滿足航空航天產品的精度、表面質量和穩(wěn)定性

工業(yè)設計，快速獲得概念產品，還原設計概念展會展示 市場/銷售演示 用于投標的實物展示設計驗證及分析 設計的反復性及優(yōu)化結構、裝配及功能驗證ModelsConceptualization &Presenlation真空注型（硅膠模）低壓注型（RIM，環(huán)氧樹脂模） 快速鑄造（QuickCasting）PrototypesDesign,Analysis,Verification &Testing Patterns/Parts Secondary Molding&Casting Operations&Small-lotprduction（數據）離散（物理）堆積CAD模型 前處理快速成型 后處理CAD數據 構建支撐 .STL模型 制作原型STLLOMSLSFDMTDP 生成.STL要求的快速原型技術。目前，比利時Materialise公司的Mammoth激光快速成型系統(tǒng)，其一次性最大加工尺寸可達2200mm；在國內，上海聯泰科技有限公司的RS800型設備最大可提供800×600×500mm的成 型空間，最小薄壁厚度可做到0.4～0.6mm，可滿足大部分航空航天快速原型件的要求。下面以快速成型技 術在航天航空行業(yè)的部分實際應用案例來作一些簡要說明。

（1）展示模型——制導炸彈彈 翼組件。圖3為2008珠海航展上展出的空軍某型250kg級制導炸彈。該彈是在現有的老式航彈彈體上加裝彈翼組件后改裝而來的。展出的綠色彈體為常規(guī)航空炸彈，白色部分為彈翼組件，由聯泰科技RS6000激光快速成型機全尺寸制作完成。其（單邊）翼展最大尺寸約為1.2m長，整個組件在10天內即全部完成，其 中SLA制作7天，表面處理時間3天，為模型及時參與航展提供了有效保障。

（2）功能講解演示模型——航空發(fā)動機。圖4為美國通用公司全尺寸航空發(fā)動機模型，所有零部件均由SLA技術實現。制作過程中甚至可在外殼上特別設計出可打開的剖面機構，以充分暴露其內部結構，利 于進行產品內部組件的展示和功能 講解。

（3）涂裝方案評估模型——C919外形模型。圖5為利用聯泰科技RS6000按1：100的比例制作得到 的C919縮比模型，主要用于多種機身涂裝方案的效果快速評估。首先將IGS格式的數據導入Magics軟件進行缺陷數據的處理和修復，主要 包括對法向方向定義相反的曲面、沒有進行正常連接的曲面（曲面之間有交叉和縫隙）或在數據轉換過程中出現輪廓缺失的曲面進行統(tǒng)一修整，將修整好的數據按2mm的壁厚進行抽殼后加載到RS6000設備上進行原型加工， 原型制成后按不同的涂裝方案要求進行表面噴涂處理。相比傳統(tǒng)的手工制模， 利用SLA工藝進行涂裝模型的制作有2個明顯優(yōu)勢： ·速度快，效率高：數據處理時間約為1天； SLA制作縮比模型時間約為13h； 后處理時間為4天�！づc手工模型相比，SLA原型的精度高、 數據還原性高，如翼身融合部、引擎部分、舵面線等細節(jié)。

（4）風洞模型——某無人機風洞試驗模型。風洞試驗是任何飛機研制必不可少的一個關鍵進程， 以試驗飛機各項氣動外形性能和飛行性能等。低速風洞試驗模型， 要求模型數據準確， 具備一定的強度，一般采用金屬CNC加工， 后期還需人工進行表面打磨光順， 加工周期長，成本高， 由于比較重，試驗操作也不方便�，F階段的快速成型技術在精度和強度上還不能完全滿足整體風洞模型的要求。聯泰科技采用國產碳纖維，結合快速成型、快速模具工藝，以低成本快速制作某無人機項目的風洞試驗模型（1：13），滿足了其低速試驗要求。整個模型制作時間為5 周， 而傳統(tǒng)金屬風洞模型的制作通常需要3～5個月的時間， 碳纖維模型成本也僅為鋼制模型的1/4左右。 采用碳纖維代替鋼質材料來制作風洞試驗模型， 降低了制造成本和生產周期， 機械性能較高，綜合經濟性優(yōu)越， 可滿足低速風洞試驗需要。但由于復合材料目前在精度控制方面與金屬材料的CNC加工方式相比 還有一定的差距， 對于精度要求更高的高速吹風試驗，還需要工藝上的進一步改進和優(yōu)化。

（5）單件產品快速制造——某型導彈彈體的快速精鑄件。 在航空 零件中，精密鑄件所占的比重很大、特點是品種多、形狀復雜，傳統(tǒng)的鑄造方法周期長、成本高。RP技術與鑄造技術相結合，為鑄造原型和模殼的制作提供了速度更快、精度更高、結構更復雜的技術保障，是快速制得金屬零件的有效途徑，尤其適合單件小批量鑄件的生產。SLA工藝由于優(yōu)越的尺寸穩(wěn)定性和良好的表面質 量，對于航空航天領域中常見的一些薄壁、 大框架尺寸的結構復雜件，更是具有不可替代的技術優(yōu)勢。

由聯泰科技制作的某型導彈彈體的快速鑄造SLA原型件，其彈體由5段組成，單段彈體最大長度為550mm，壁厚僅為2.5mm，鈦合金澆鑄。這樣的鑄件若使用常規(guī)的消失鑄造技術， 其原型模具和蠟型的制取都非常困難， 鑄造難度也很高。而利用SLA可輕易制得大尺寸、高精度的原型件。彈體的SLA原型件經特殊的數據處理，內部呈蜂窩狀中空結構，在獲得較好焙燒性能的同時，還能保持原型有足夠的強度用于掛漿制殼。從前期的數據處理到后處理（后固化及氣密測試）完成，一套彈體SLA原型件的制成僅需7天左右的時間，生產效率非常高。 使用SLA工藝進行快速鑄造生產，其目的有二：一是由于鑄件鑄造難度高，快速獲得原型用于鑄造，以及時獲取各項鑄造參數，驗證零件的可鑄造性，為后續(xù)批生產鑄造工藝的完善和定型提供依據；二是對于小批量或單件零件生產，用SLA原型直接替代蠟型進行消失鑄造，獲得最終產品，避免復雜蠟型模具巨大的開發(fā)成本和漫長的生產周期。

我國快速成型技術的應用現狀及分析
20世紀80 年代以來,RP 技術發(fā)展迅速。2000年前后，我國的快速成型應用開始進入推廣普及階段，并日趨成熟，到2006年前后到達一個高峰期，此后逐步進入一個平臺發(fā)展期。 綜合來看，我國快速成型產業(yè)現階段有以下幾個特征：

（1）對RP技術的理解和認識存 在誤區(qū)。快速成型技術由于其迥異于傳統(tǒng)加工的獨特工藝及其優(yōu)越性，在初期始引入階段對其的認識始終帶有一層神秘色彩，因此我國工業(yè)界對快速成型技術的認識其實還很概念化，并不十分成熟；與國外情況相比，大部分應用模式還僅停留在手板的概念上，對其本質的理解和認識仍不是非常深刻。這種認識誤區(qū)在初期雖然對技術推廣起到了積極作用， 但同時也對快速成型的產業(yè)深化發(fā)展及持續(xù)使用產生了消極影響。

（2）RP技術的普及使用南北差異大：由于我國改革開放進程的特性，工業(yè)產業(yè)是由南方沿海向內陸北 方逐步擴展蔓延的，新技術的引進和應用也相應地會隨同這種趨勢進行梯度擴散。目前，快速成型技術在南方沿海已經成為一種比較成熟的工藝手段，甚至出現了過度競爭的情況，但更為廣袤的內陸企業(yè)對RP技術的認識和接受卻是才剛剛起步，整個產業(yè)呈南重北輕的態(tài)勢。由于我國航空航天工業(yè)大部分都分布于內陸北方，這種布局的失衡也導致了RP技術在我國航空航天業(yè)的應用和推廣仍處于比較初級的局面。

（3）RP技術的應用需求未得到充分的發(fā)掘：隨著我國制造水平的 發(fā)展，各種國際前沿的制造軟件和設備陸續(xù)引入，我們的數字化設計和數字化制造能力得到了很大程度的提升，但由于我國制造企業(yè)多年來傳統(tǒng)體制上的慣性和制約，設計和工藝、研發(fā)和制造二者之間的脫節(jié)現象仍然比較明顯，設計和生產部門固守和維持原有的工作思維和工作習慣， 各行其事， 難以真正實現設計制造一體化的生產模式。這種意識和體系上的脫節(jié)使得RP技術作為CAD/CAM 之間的有機橋梁的核心意義被嚴重忽視，利用RP技術來進行問題解決的意識和意愿都非常低下， 大量可能的應用需求未被充分激發(fā)。

（4）RP技術的投入產出效果不明顯， 應用價值未得到充分體現：相比傳統(tǒng)加工方法， 雖然在制作周期、柔性等方面有較大優(yōu)勢， 但快速成型設備及制作成本還相對較高。從國內目前快速成型設備的采購用戶來看， 主要集中在國有大中型制造企業(yè)、 高校、政府主導的各地促進中心、南方沿海大型OEM/ODM企業(yè)以及民營性質的手板服務中心等。 對于大中型國有企業(yè)，其體制上的限制導致對新技術新工藝的使用意愿不強，設備使用效率較低；而高校及促進中心， 由于缺乏必要的市場運行機制、 管理體系以及成熟的配套技術，與市場的實際需求還有一定距離，無法深入地提出系統(tǒng)性的解決方案，導致RP技術的應用比較形式化，客戶使用體驗差，技術價值未能得到充分體現。RP技術的投入產出比不高，很大程度上跟我國現階段的運用水平較低有非常大的關系，快速成型技術巨大的隱性經濟價值并沒有得到正確、充分的認識和評估。

發(fā)展建議
綜上所述，快速成型技術是一種正在迅速發(fā)展、完善的高新技術，它的優(yōu)越性和應用前景已為越來越多的人所認識，RP技術應用的基礎是 快速原型， 它使直接從概念設計迅速轉為產品設計的生產模式成為可能�，F階段我國對快速成型技術的認識 和應用水平仍然較低， 在航空航天行業(yè)則處于起步階段， 應用程度仍比較淺，也正是如此，我們能想象的需求空間也非常巨大。 在推動快速成型技術的普及應用過程中，我們應堅持做好2方面的工作。

（1）對快速成型技術能有一個比較準確的理解。任何一種技術工 藝都不是十全十美的，不能對其抱有不切實際的過高期望。理性認識快速成型技術的本質，回歸其于常態(tài)，才能保證RP技術在實際生產過程中得到準確應用。

（2）同時，我們要對快速成型技術在研發(fā)和生產之間的巨大縫合作用予以充分的認識。在系統(tǒng)性的設 計制造一體化方面， 我們在理念、思維和體系設計等各方面還有很大程度的滯后，必須打破那種條塊分割的固有體系， 建立正確的設計和工藝之間的有序化。解決了這2點，快速成型技術的作用和價值才能在國民經濟的主戰(zhàn) 場得到相應的重視和體現，為推動我國航空航天的技術發(fā)展發(fā)揮其應有的作用。

作者：上海聯泰科技有限公司    馬勁松