自由成形技术面临的挑战

2025-09-29 历史故事版权反馈

【摘要】：回顾这一阶段的进程，自由成形技术的研究人员主要致力于提高成形件的精度，试图使其具有与减成法竞争的能力。通俗地说，目前商品化自由成形机制作的工件多数只能做到“形似”，而难以做到“神似”。这些自由成形机适用的原材料通常不能由用户自行选定，并且与用户所需的最终材料可能有很大的差别。

经过近20年的不懈努力，用来实现三维自由成形工艺的机器已有如下五种商品化的定型产品（见图1-2）：激光固化自由成形机（SLA）、熔融挤压自由成形机

图1-2 商品化的自由成形机

（FDM）、三维打印自由成形机（3DP）、激光烧结自由成形机（SLS）和激光切割自由成形机（LOM）。回顾这一阶段的进程，自由成形技术的研究人员主要致力于提高成形件的精度，试图使其具有与减成法竞争的能力。从努力的结果来看，工件精度确实有了长足的进步，但是还难以达到减成法的水平，特别是现有自由成形机制作的工件大多还是只能用于形体观测的样品，其机械、电气、力学、生物性能等与真实产品的要求相比还有较大的差距，只有少数成形件（如激光烧结的蜡模、树脂砂模）的功能满足相应真实产品的要求。通俗地说，目前商品化自由成形机制作的工件多数只能做到“形似”，而难以做到“神似”。

从工艺方法论来看，自由成形采用的加成法工艺有其独到的优点，但也有其固有的局限性，造成上述现象的主要原因是：

（1）逐层堆积引起的台阶效应

自由成形的基本出发点是分层成片—堆积成体，因此，成形前必须对成形件的设计模型进行切片处理。由于受材料厚度、成形效率等因素的限制，切片层的层高不能太小（以免成形效率太低），这必然出现台阶效应，并引起误差（见图1-3）。

（2）材料状态变化导致的翘曲变形(https://www.chuimin.cn)

成形时，原材料由液态变为固态，或由固态变为液态再凝结成固态，而且可能同时伴随加热作用，这会引起工件的翘曲变形，造成形状和尺寸的变化。

（3）适用原材料有限

现有商品化的自由成形机所能适用的材料类型和规格有限，例如，激光固化自由成形机（SLA）使用的原材料只能是液态光敏树脂，熔融挤压自由成形机（FDM）使用的原材料只能是给定直径和给定成分的塑料丝，三维打印自由成形机（3DP）使用的原材料只能是给定成分的石膏粉、陶瓷粉等粉材，激光烧结自由成形机（SLS）使用的原材料只能是给定成分的塑料粉、树脂砂和金属粉等粉材，激光切割自由成形机（LOM）使用的原材料只能是给定成分的纸材等。这些自由成形机适用的原材料通常不能由用户自行选定，并且与用户所需的最终材料可能有很大的差别。

图1-3 成形件的台阶效应

另外，在基于加成法的自由成形技术（简称为加式快速成形）发展的同时，又出现了基于减成法的快速成形工艺（SRP，简称为减式快速成形），即首先将工件的设计图形分解为若干块，使每块能在三轴CNC机床上加工；其次，用高速三轴加工中心切削ABS塑料板（或铝合金板），成形工件的每一块；其次，用强力胶将若干块粘接成完整的工件。

减式快速成形只需采用比较廉价的三轴CNC机床高速铣削加工，就能使生产效率、制件精度和强度明显优于加式快速成形，因此对加式快速成形技术造成了极大的威胁，使加式快速成形只在一些特别复杂样品的制作方面才体现出较大的优势。

自由成形技术面临的挑战

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