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现代快速成型新时代
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《现代模具工业》2008
年以来,一直关注快速成型市场,2009年尤其是7月以来,以中国为龙头的经济开始回暖,通过广泛的调研访问,中国的产品研发,无论是量还是质,都有很大的飞跃。本期论坛就以快速成型为主题,让现代工业企业用户对这一行业有更加深入的了解。


快速成型(Rapid Prototyping)技术简介

快速成形是近30年来发展起来的特种加工技术,是为制造业企业新产品开发服务的一项关键共性技术, 对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极的推动作用。其优势在于三维结构的快速和自由制造。它被广泛应用于新产品开发及单件小批量制造。

快速成形(Rapid Prototyping简称RP)技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。RP技术采用逐点或逐层成型方法制造物理模型、模具和零件的一种先进制造技术。它是计算机辅助设计及制造技术、逆向工程技术、分层制造技术(SFF)、材料去除成形(MPR)、材料增加成形(MAP)技术以及它们的集成。

不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同,成形原理和系统特点也各有不同。但是,其基本原理都是一样的,那就是“分层制造,逐层叠加”,通俗地说,快速成形技术就是利用三维CAD的数据,通过快速成型机,将一层层的材料堆积成实体原型。形象地讲,快速成形系统就像是一台“立体打印机”。

自该技术问世以来,已经在发达国家的制造业中得到了广泛应用,并由此产生一个新兴的技术领域。它可以在无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下,直接接受产品设计(CAD)数据,快速制造出新产品的样件、模具或模型。因此,RP技术的推广应用可以大大缩短新产品开发周期、降低开发成本、提高开发质量。由传统的“去除法”到今天的“增长法”,由有模制造到无模制造,这就是RP技术对制造业产生的革命性意义。
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Objet 大中华区经理朱国先生    上海福斐科技市场经理 张乐奎先生 \     \
Solido Itzik Marchand         天津天大银泰 崔国起 先生
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神州数码 陈守君 先生
快速成型技术应用的主要行业:
◆汽车、摩托车:外形及内饰件的设计、改型、装配试验,发动机、汽缸头试制。
◆家电:各种家电产品的外形与结构设计,装配试验与功能验证,市场宣传,模具制造。
 ◆通讯产品:产品外形与结构设计,装配试验,功能验证,模具制造。
◆航空、航天:特殊零件的直接制造,叶轮、涡轮、叶片的试制,发动机的试制、装配试验。
 ◆轻工业:各种产品的设计、验证、装配,市场宣传,玩具、鞋类模具的快速制造。 
◆医疗:医疗器械的设计、试产、试用,CT扫描信息的实物化,手术模拟,人体骨关节的配制。 
◆国防:各种武器零部件的设计、装配、试制,特殊零件的直接制作,遥感信息的模型制作。 

\Objet Geometries公司,树脂喷射成型技术的先锋,致力于为快速原型和快速制造进行研发,生产以及在全球销售超薄层厚三维打印解决方案。经市场验证的Eden产品系列是基于Objet专利的具有办公室友好设计的PolyJet™技术。Objet FullCure®系列材料提供高精度,洁净的,光顺的和高细节度的三维模型件。即使是最复杂的三维模型也可以被高质量,高精确度,快速的打印出来。Connex500™,Objet公司最新产品,是基于ObjetPolyJet Matrix™技术,可以支持多种型号材料同时喷射。PolyJet Matrix通过喷射数字材料Digital Materials™进行即时打印来构建复合型材料。

 

\Z Corporation开发、制作和销售着世界上打印速度最快的三维打印成型机,可以快速、轻松、廉价地从计算机辅助设计(CAD)和其它数字数据中制作出小型模型,公司产品还包括具有世界最高便携性的三维扫描仪。 Z Corp三维打印机应用于各类公司,用于制作各类原型,其范围从制作玩具以征求市场反馈信息,一直到制作风扇叶片以进行功能测试。就象传统桌面打印机为计算机用户提供了文档纸质输出的方法一样,三维打印机为3D CAD用户提供了真实世界物品的实体原型,例如移动手机、发动机总管或照相机。

 

\美国Stratasys公司成立于1990年,总部位于美国明尼苏达州,是快速成型机市场的领导者。生产适合办公室环境使用的快速成型系统(快速成型机),广泛应用于汽车/摩托车,航空/航天,电子,医疗,教育,各种家用电器制造厂。Stratasys快速成型机利用FDM(熔融层积原理)专利技术,根据CAD档案直接制造精密快速成型件,可用于外观测试,概念验证,功能测试。大量节省开发新品的时间。

 

 \Solido公司成立于2000年,总部位于以色列拉托维夫。 “让每个设计师都拥有一台买得起用得起的三维打印机”是公司创始人的梦想,也是公司每一位员工的使命。随着技术的不断突破,尤其是Solido独创的“覆膜切割”技术,让三维打印机走入每个工程师的办公室的时间越来越近了。

 

\上海福斐科技发展有限公司(以下简称“福斐科技”)是提供快速成型整体解决方案的高科技企业,是专业从事快速成型、三维扫描及小批量产品快速制作等整体解决方案的专业设备供应商和服务提供商 公司是美国Stratasys,以色列Objet,韩国solutionix,日本柯尼卡美能达,比利时Materialise以及美国Geomagic等正式授权认可的中国区一级合作伙伴,主要产品有:Stratasys公司出品的 FortusDimension系列多功能快速成型机;Objet公司出品的 Eden系列高精度快速成型机;柯尼卡美能达公司出品的RangeVIVID系列三维扫描仪,Solutionix品牌的Rexcan3三维扫描仪;3D触觉式自由建模系统FreeformClaytoolsMaterialise的正向工程3-matic、医学用MimicsMagicRP三类快速成型软件及Geomagic的逆向软件studioqualify;福斐科技FF系列的真空浇注机。
\Geomagic是一家世界级的软件及服务公司,总部设在美国北卡罗来纳州的三角开发区,在欧洲和亚洲有分公司,经销商分布在世界各地。在众多工业领域,比如汽车、航空、医疗设备和消费产品,许多专业人士在使用Geomagic软件和服务。Geomagic企业愿景是不断改进并应用三维技术,使人类从中受益。通过为顾客获取最大价值,Geomagic每年快速成长,正成为数字形状采样及处理(DSSP)的领导者。数字形状采样及处理(DSSP)是通过使用光学或激光测量系统和三维数据处理软件,数字化采集实物对象并自动创建精确的三维模型的过程。
话题:作为快速成型技术的提供者,贵公司应用在快速成型的技术优势是什么?

张乐奎:我们公司(编者注:上海福斐科技发展有限公司)作为快速成型整体解决方案的供应商,在快速成型行业具备一定的技术实力和技术优势。
   快速成型(RP)只是整个新产品开发周期中的一个环节,再整条研发试制的链条上,还有逆向工程,自由建模,数字化制造及小批量生成等等。我们公司专注于快速成型行业的发展,并在把快速成型做的更专业化的同时,还涉及逆向工程及小批量生产领域。传统的抄数服务,手板加工服务,工业设计服务及小批量生产服务,都能在我们自己的技术中心得到实现。
   福斐科技在整合了逆向工程(三维扫描仪、逆向软件等)、数字化制造(FORTUS900MC系统,FORTUS400MC系统等),手板加工(CNC加工)及小批量生产(真空浇注机)后,综合实力有了非常大的提升,能够满足不同客户的不同需求。各个环节相辅相成,更加有效的完善快速成型领域的技术要求和技术缺陷。即使在快速成型这个环节,我们公司的快速成型设备也不局限于一种工艺一种设备。FDMOBJETSLAZCORP等工艺和技术我们都有涉及和研究。目前我们的主打品牌是美国STRATASYS公司的FORTUS系列(FDM)和以色列的OBJET设备,两种工艺相辅相成,针对不同的客户需求提供不同的选择方案。
我们拥有自己的技术团队,所有的技术工程师都亲自到厂家接受培训,并获得相关资质证书。我们所有售出的设备都是依靠自己的力量进行售后维护,确保不耽误客户时间,并节省一切能节约的费用。
Itzik Marchand快速成型技术类似于医院里使用的CT(磁共振扫描),先用软件将一个实体“切”成很多很多薄层,然后软件控制快速成型设备,先制作最底层的薄层,再依次向上一层一层制作,不断“叠”加,直到完成整个实体的制作。不同的快速成型技术,都是先用软件“切”,再用设备“叠”的思路,差别主要在于如何制作薄层的工艺。光敏树脂固化(SL)和粉末烧结(SLS),都是采用“点”的方式,就是在一个薄层上,一个点一个点地“粘合”而成。熔融沉积(FDM)是采用“线”的方式,就是在一个薄层上,一条线一条线地“编织”在一起。Solido SD300 Pro采用的“覆膜”技术,即采用“面”的方式:每一个薄层用一张完整的工程塑料薄膜来制作。相比其他工艺,其平面的强度和韧性要高得多。而且,模型制作完成以后,放置再长时间,也不会产生变型的问题。
Solido SD300 Pro的“覆膜”技术中采用的薄膜厚度为0.168毫米,在垂直Z方向上最大公差为±0.084毫米(8.4 丝)。而在水平XY方向上,Solido SD300 Pro的“覆膜”技术采用在整张薄膜上切割的方法,因此对切割刀的控制精度决定了整台设备在水平方向上的精度。Solido SD300 Pro采用日本和德国原装的刀具、导轨、马达、齿轮和齿轮带,装备了数十个高精度和高灵敏度的传感器,即时“诊断”设备状态和调整设备参数,确保Solido SD300 Pro在长期持续工作环境下,仍能将水平方向的公差保持在±0.1毫米(10丝)之内。
大部分快速成型技术采用激光设备和高温熔融设备来完成薄层制作,因此核心器件的制造成本和维护成本都很高。Solido SD300 Pro采用最简捷的“切割”技术,使用刀具在工程塑料薄层上进行切割来完成每个薄层的制作。简捷的机械结构不仅使客户的购买成本大幅下降,耐用性提高,而且后期的使用维护成本更是接近于零,从而使得Solido SD300 Pro真正成为一台买得起用得起的快速成型设备。
Solido SD300 Pro的覆膜切割技术,在制作过程无需高温,无需高电压,无需高电流,因此可以使用220V电压,最高工作功率仅为600瓦,低于一台微波炉,并且可以在无人看管的情况下连续工作。一套耗材可以支持不间断工作48小时。Solido SD300 Pro使用非常方便,智能提醒功能会在操作者误操作的时候,停止工作并提醒操作者如何消除错误。操作者只需简单的培训即可操作设备,无需担心操作不慎损坏设备或对操作者造成伤害。
综上所述,采用了覆膜切割技术的Solido SD300 Pro精度高,成本低,可靠,安全,是一台值得设计师信任的快速成型设备。
话题:作为快速原型制造技术生产力促进中心,请概述贵公司的一些基本情况。
崔国起:天津市天大银泰科技有限公司是由天津大学投资创办的高新技术企业,是国家首批技术转移示范机构,是“天津市快速成形技术工程中心”的挂靠单位,2001年转制为独立法人,其前身是由国家科技部支持成立的“快速原型制造技术生产力促进中心”。中心的建设被列入天津市国民经济和社会发展“十五”规划,并得到了天津滨海新区和TEDA开发区的大力支持。公司是我国载人航天工程配套科研单位、天津市制造业信息化工程先进单位、天津开发区文明企业,并下设企业博士后科研工作站。
公司主要研究方向和业务领域有:节能减排技术开发及技术转移、激光快速成形、快速制模、快速铸造、快速测量、液压及光机电产品开发、内燃机工作过程仿真、强度和流场计算、光弹应力分析,CAD/CFD /CAE/ CAM技术集成及产品优化设计。公司成立以来,已经凝聚了一支多学科交叉、高层次的人才梯队,研究开发了多项关键技术,开发集成了一个与国际先进水平接轨的、由多项数字化设计与制造技术(ID/CAD/CAE/CAM/ RE/RP/RT)构成的软硬件服务平台。技术服务范围辐射国内23个省市的近千家企业,产品出口5个国家。公司以出色的科技成果和经营业绩先后受到天津市市委市政府、中国航天科技集团、天津市科委和天津经济技术开发区的表彰,并荣获天津市科技进步一等奖1项,三等奖3项,发明专利多项。
话题:您认为快速成型技术对新一轮的产品研发热潮有何影响?
Itzik Marchand快速成型技术可以让工程师马上得到自己设计的实样,用以和其他设计部门,生产部门,销售部门乃至客户进行沟通,比图纸和三维图要有效得多,也方便迅速地多。因此,快速成型技术的普遍使用,将使得“边设计边验证”真正在企业中得到实践,从而大幅度缩短了企业的设计开发周期并减少了设计开发中各部门之间的理解偏差。
张乐奎:快速成型技术作为一种新兴的新产品研发手段,已经拥有近20年的历史。早在20年前,国外的一些企业就开始尝试使用快速成型技术来加快他们的研发进程。在10年前快速成型进入国内市场,从而带动国内的快速成型行业的发展和壮大。从目前的所有快速成型工艺来看,高端的技术和产品仍然以进口设备为主,国产化的设备在技术竞争力上还有所欠缺。但是国产化的设备近几年做的越来越好,价格也非常有优势。
 随着国产化设备的成熟与市场竞争导致的价格下滑,国内的很多中小企业都将会采用快速成型设备来加快他们的研发进程,缩短研发周期,来拉近与大企业产品研发上的差距,增强自己产品的市场竞争力和新品市场占有率。快速成型技术将不在是那些大型企业的专有,快速成型设备将走入更多的中小型企业。最近几年,国内的工业设计领域发展迅猛,工业设计公司与团队如雨后春笋般,数目越来越多。快速成型技术作为工业设计的一个强力工具,肯定会被更多的人更加看重。所以,快速成型技术将对未来的新一轮产品设计和研发产生更大的影响。
利用快速成型工艺和其他更先进的制造方法,人们将不再局限于传统的加工方式和研发手段。拥有更加宽阔的思维和更加充裕的时间来获得他们的设计体现。每种新技术只要能运用到生产过程中转化为生产力,都将对整个社会产生巨大的推动作用。快速成型作为一种手段一种技术,也必将逐步转化成真正的生产力,推动整个工业设计和新品研发的领域的向前发展。
话题:请您谈谈您理解的中国快速成型市场的情况和特点?
崔国起:总体来看,我们国家制造能力比较强,而在研发方面的能力比较弱,特别是在金融危机情况下,使我们更加深刻的认识到提高设计研发的能力,更多的控制市场的发展方向,避免过多的受到外界市场的影响,实现转型,提高核心竞争力的重要性。这样我们可以比较少的受制于人,走到制造业的高端市场。
目前,国内快速成型技术方面的需求还是有的,而且成型机的数量不在少数,但距饱和还有一定的距离,大家对激光成型技术还是比较认可的,成型机的配置还可以,但是研发的力度还不够,这是一个突出的问题。从上下游的关系来讲,激光成型机的数量能满足市场的需要,只是在设计方面还不足。对企业来说重点的还是围绕着自己的产品,如何提高设计开发能力,不要搞大而全的模式,特别对中小企业而言,就可以把相关的服务托给我们这种服务中心,这是一种比较科学的运行模式。就我们自身而言,我们的方向,就是如何帮助企业做设计研发,不单单是快速成型服务的业务,能够在企业设计开发的过程中介入,帮助他们承担这些方面的工作,尽量走在产业的上游。
Itzik Marchand中国快速成型市场是全球第四大市场。目前的主要消费群体是大型企业和教育机构。和全球市场一样,快速成型市场还只是在培育期,市场还没有真正启动。阻碍市场启动的最重要的原因是价格。几十万元一台的快速成型设备以及高昂的后期使用成本,让很多有兴趣的客户只能望而兴叹。“让每个设计师都拥有一台买得起用得起的三维打印机”是Solido公司创始人的梦想,也是公司每一位员工的梦想!随着技术的不断突破,尤其是Solido独创的“覆膜切割”技术,让三维打印机走入每个工程师的办公桌上的时间越来越近了。
2008年是中国改革开放三十年,也是中国经济升级换代的开始。其中一项重要升级就是:从依靠低附加值的加工大国,转变为高附加值的精密制造大国。在这个过程中,设计师将取代工人成为创造价值的主力。也正是这一年,Solido来到了中国。我们相信在未来的十年,甚至五年内,中国将取代美国、德国、日本和意大利,成为三维打印机最大的市场。Solido立足于在中国的长远发展,来到中国的第一件大事就是和中国本地合作伙伴共同投资3000万美元设立中国组装厂。有了本地工厂,不仅可以帮助我们降低成本,更重要的是,我们将有能力为中国的客户提供更快捷的技术支持和售后服务,并且更快地响应中国市场的需求变化。
话题:您认为现代快速成型技术的发展的方向是什么?
张乐奎:快速成型技术走过了二十年的发展后,未来的方向在哪里,其实早有人做过预测。我在这里只是做个简单的重复说明。
快速成型从最早的LOM机(切纸法)到后来的三维打印,具有代表性的工艺有SLA,SLS,FDM,POLYJET等等。所用的材料有类石膏粉末,尼龙粉,ABSPC,光敏树脂及蜡材料,目前还有一种可以直接使用合金粉末。所有的快速成型技术都是把目标定位在研发周期的前端,概念模型的制作上面。但是,面对市场经济的竞争和全球经济一体化的发展趋势,未来的竞争就表现在新品推出的速度上及整个产品周期的成本上。所以,越来越多的企业,迫切需求一种技术,能在缩短研发周期的基础上,加快成品制造的速度并降低成本。这就要求快速成型技术必须要突破现有的材料,来适应未来的市场需求。面对这种局面,美国STRATASYS公司,率先推出DDM系统,直接数字化制造。
直接数字化制造可以说是为了满足JIT生产需求而提出来的一种新的生产方式。在快速成型的基础上,通过改进设备性能和材料,可以直接小批量生产成品,以规避开模的风险,加快生产进度。
DDM系统的目标是要把快速成型技术从研发手段推进到生产手段。这将是未来整个快速成型技术发展的大体方向。与此同时,我们更迫切的希望能有更好更先进的快速成型技术出现,能有更新更广泛的材料出现。
Itzik Marchand快速成型技术的发展方向有两个方向,一个方向是往高端发展,在精度、硬度、强度等方面可以完成取代批量制造的产品。另一个方向是往低端发展,在成本、易用性方面不断突破,让三维打印机成为一个像普通打印机一样的办公室必备设备。Solido更专注于后一种发展方向。
 
崔国起:从技术发展来看,首先,近年来技术本身还在进步,但进展的速度比较缓慢,没有一个跨越式的发展,只是在原有的基础上进行完善,下一步的发展方向主要是如何降低成本,包括设备的购置成本,运营成本;其次,快速成型上下游的配套,综合的运用;此外,根据每个工艺的特点,市场更加细化,每个工艺的不同,采用的设备也会不同,定位越来越细,越来越专业化,不同的行业适合不同的工艺,不同的产品适合不同的设备。
 
请您介绍贵公司应用在快速成型技术方面的优势?
Itzik Marchand目前Solido在全球主推一款产品:SD300 Pro我们认为简单就是美。Solido在制定产品定位策略时,精准地将低成本,高性能,高产品质量做一个最佳的结合,呈现给我们的用户一个最好用、最简单的三维打印的体验。
 
崔国起:我们中心的工艺方法齐全,可以根据客户的需求来选择合适的工艺;具备丰富的行业经验,质量管理体系也比较健全,能为客户提供优质的服务;产品的设计开发,模具设计的综合服务,提供一站式的服务;在设计方面依托天津大学的资源,对中小企业而言,很多问题都可以得到很好的解决,解决问题的综合能力比较强,效率高。
就不同的工艺而言,使用各种设备都有其优缺点,而我们公司在多年来为企业提供服务的过程中积累了丰富的经验,对各种工艺都以及各种设备都比较了解,能够最大程度根据工艺的特点选用合适的设备。就高端的科研方面,我们依托天津大学的技术平台,能够从图纸的设计到技术处理在到制造,提供一整套的服务。就目前的状况而言,今后企业更加重视对研发的投入,这也是未来市场的趋势,当然这种趋势对我们来说会起到一个拉动的作用,给我们下一步的发展提供了机会。
近年来,随着市场的发展,有些企业开始买设备,但是,很多企业买的激光成型的设备利用率不太高,没有市场营销和共享的机制,有相当多的企业,买了激光成型机,但没有用起来,实际上是一种浪费。而我们在成立之初就是按照服务中心的模式来运行,提供专业服务。特别是一些中小企业,他们的研发能力不是很强,而且经验也不足,做出来质量也不太好,技术不到位,所以也就需要我们这样的服务中心,依据我们的技术优势和十多年的行业经验,来为他们提供专业化的服务,这些就是我们的优势所在。
贵公司典型的用户与成功的应用案例。
Itzik MarchandSolido的三维打印机能帮助设计、制造企业大幅地加快,并优化产品开发的工作。举例来讲,前段时间,一家以色利公司和中国公司需共同开发一款专用设备,限期在一个月内完成设计。产品部分设计需要在以色列完成,部分需要在北京完成,整个项目涉及到四个设计小组。通常来说这样的设计任务来来回回需要两个月的时间。这次,他们用SD300 Pro在仅仅一个晚上的时间内制作了八组该设备的外部结构件,并寄给不同的设计小组。设计小组以此结构件作为设计的参考,分别将各自的设计装入结构件,避免了以前常常会遇到的设计冲突。更有意思的是,当产品设计完成同时,生产部甚至已经完成了产品包装的设计,最后是样品连包装一起送给客户评估,一次通过。
崔国起:作为载人航天工程配套科研单位,从航天员的使用的座椅的设计,到模具的成型,再到激光成型的验证,都是采用我们自己的体系,在我们的平台上完成的,神五、神六、神七三次载人航天的工程都用到我们设计的产品,都用到了激光成型的技术。在汽车方面,如天津一汽夏利,长安汽车,在汽车开发方面需要很多新产品的零件,无论是塑料件还是金属件,我们都提供服务。电子行业,如摩托罗拉,松下电工等。
朱国:我们产品的应用范围是很广泛的,在世界各地各行各业的数百套装置中,Objet 具有创新性的、基于PolyJet的三维印刷系统得到了广泛使用。Objet 活跃在以下主要市场上:汽车、消费产品、玩具、服务、电子、运动物品、医学、教育、工业、助听器、国防、珠宝。具体的案例如下:
从汽车内饰件和车身大大小小各种塑料零部件的设计开发由Objet的帮助而大大提高开发的效率,事先在CAD设计的阶段就能够迅速知道实际效果,并且可以在真实的车体进行装配测试.特别是内饰件,由于Objet数码复合材料的使用,模拟出类似橡胶的材料,非常直观的帮助工程师在设计先期预见到最终产品的外观和功能。
 
医学上可以直观的观察到人体结构的不同部分的细节和内部结构,对于治疗方案的确定以及手术预案的准备有很大的帮助。同时也是非常好的,直观的教学和演示实体。
玩具的开发和设计中,各种不同的设计可以用三维打印快速成型来进行验证,大量的工作可以得到实际的检验。例如BandaiHasbro等大型玩具厂商多年前就开始了这方面的应用。
卫浴产品的设计和试样,用Objet成型的样件可以直接试水进行测试,完美模拟最终产品的效果.比用传统方法要提高几倍以上的速度,试件时间可以缩短到2-3天。
 
手机的开发设计从CAD到实物,可以直接由三维数据得到样件,并且进行原型机的实际装配和试用。大大提高了开发的速度和产品上市的时间。
Logitec使用Objet验证CAD产品设计,成型的样件用来直接装配测试,最后确定无误后才进行开模生产。
Adidas使用Objet样件制作样鞋,进行完全数字化的设计和制造,从设计伊始到最后生成样品,都是全数字化的,没有任何信息的错误和丢失.样鞋经过喷漆和表面处理,外观跟真鞋完全一致。
不同配比的Digital Material数码材料,有不同的弹性系数,shore index,可以一次打印成型出不同弹性的样件,设计师可以一次就拿到不同性能的样件供选择参考,确定设计方案和定型。

 


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