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關(guān)鍵字： 概念設(shè)計(jì)；塑料成形；生物醫(yī)學(xué)；組織工程 摘　要： 快速成形與快速模具技術(shù)是近20年來(lái)制造領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，它在成形原理上與傳統(tǒng)方法迥然不同，可以顯著地縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低成本，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，因此在許多行業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。按照應(yīng)用的領(lǐng)域，可將這些應(yīng)用歸納為工業(yè)領(lǐng)域和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

快速成形與快速模具技術(shù)是近20年來(lái)制造領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，它在成形原理上與傳統(tǒng)方法迥然不同，可以顯著地縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低成本，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，因此在許多行業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。按照應(yīng)用的領(lǐng)域，可將這些應(yīng)用歸納為工業(yè)領(lǐng)域和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域兩大方面（見(jiàn)圖1）。

1  快速成形與快速模具技術(shù)應(yīng)用的流程

采用快速成形與快速模具技術(shù)，實(shí)現(xiàn)上述應(yīng)用的流程如下（見(jiàn)圖2）：

（1）用快速成形機(jī)制作原型件

根據(jù)正向設(shè)計(jì)或逆向設(shè)計(jì)得到的產(chǎn)品三維圖形文件，選用適合類(lèi)型的快速成形機(jī)，在很短的時(shí)間內(nèi)制作出產(chǎn)品的原型件。

（2）借助原型件，征求修改意見(jiàn)

向設(shè)計(jì)人員和用戶(hù)提供快速成形的產(chǎn)品原型件，使他們能直觀地進(jìn)行觀察、測(cè)試，并與原始設(shè)想和要求進(jìn)行比對(duì)，從而可以及時(shí)提出修改意見(jiàn)。

（3）修改有關(guān)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)人員根據(jù)快速成形的原型件和各方面提出的意見(jiàn)，迅速修改產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，產(chǎn)生新的三維圖形文件。

（4）用快速成形機(jī)再制作原型件，反復(fù)征求意見(jiàn)和修改設(shè)計(jì)

根據(jù)產(chǎn)品的新三維圖形文件，用快速成形機(jī)再制作原型件，反復(fù)征求意見(jiàn)和修改設(shè)計(jì)，直到滿(mǎn)意為止。

（5）將原型件當(dāng)作母模，制作硅橡膠模

采用快速模具技術(shù)，將快速成形的原型件做母模，澆注硅橡膠模，借助這種模具可以試制產(chǎn)品的少量塑料件或金屬件。

（6）借助試制產(chǎn)品，再征求意見(jiàn)、修改設(shè)計(jì)和制作原型件

用硅橡膠模試制的產(chǎn)品不僅在性能上更接近真實(shí)產(chǎn)品，而且有一定的數(shù)量，因此可以據(jù)其進(jìn)行更全面、更深層次的檢驗(yàn)和征求意見(jiàn)，并在此基層上再修改設(shè)計(jì)和制作原型件。

（7）將原型件當(dāng)作母模，制作快速過(guò)渡模

采用快速模具技術(shù)，將快速成形的最新原型件做母模，復(fù)制快速過(guò)渡模，借助這種模具可以生產(chǎn)幾百至上千件的產(chǎn)品。

（8）將原型件當(dāng)作母模，制作快速批量生產(chǎn)模

采用快速模具技術(shù)，將快速成形的最新原型件做母模，復(fù)制快速批量生產(chǎn)模，借助這種模具可以大批量生產(chǎn)產(chǎn)品。

2  快速成成形與快速模具技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

快速成成形與快速模具技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域有如下四個(gè)方面的主要應(yīng)用。

2.1 產(chǎn)品外觀評(píng)價(jià)

新產(chǎn)品的研發(fā)往往是從外形設(shè)計(jì)開(kāi)始的，外形是否美觀、實(shí)用是現(xiàn)代產(chǎn)品極為重要的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。為此，設(shè)計(jì)師必須首先進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，畫(huà)出產(chǎn)品的二維或三維草圖，再通過(guò)CNC機(jī)床和手工加工制作原型件（即樣品，俗稱(chēng)手板或首板），并根據(jù)這種原型件來(lái)評(píng)價(jià)產(chǎn)品的外觀。有些急于投放市場(chǎng)的產(chǎn)品由于時(shí)間倉(cāng)促，或者形狀太復(fù)雜、缺乏原型件制作手段等原因，甚至只好直接根據(jù)初始設(shè)計(jì)進(jìn)行批量生產(chǎn)，而無(wú)法預(yù)先評(píng)價(jià)外觀并進(jìn)行修改。 

采用快速成形技術(shù)能及時(shí)、方便地制作原型件，特別是形狀復(fù)雜的原型件，與CNC機(jī)床和手工加工相比，原型件的形狀愈復(fù)雜，快速成形的優(yōu)勢(shì)愈明顯，從而為新產(chǎn)品的外觀評(píng)價(jià)能提供十分優(yōu)越的條件。

圖3～圖5是一些用快速成形機(jī)制作的原型件，從這些例子可見(jiàn)，如果不用快速成形而用其它方法來(lái)制作這類(lèi)復(fù)雜原型件，勢(shì)必相當(dāng)困難，因此能充分反映快速成形技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、尺寸與裝配關(guān)系的驗(yàn)證  

通常，一個(gè)產(chǎn)品是由若干個(gè)零部件構(gòu)成的，決定產(chǎn)品性能的因素不僅僅是零部件本身的結(jié)構(gòu)與尺寸，而且還包括他們之間的配合關(guān)系，因此，設(shè)計(jì)者迫切希望在產(chǎn)品正式生產(chǎn)之前，盡早地發(fā)現(xiàn)并糾正零部件的結(jié)構(gòu)、尺寸和裝配關(guān)系上的錯(cuò)誤。

用快速成形機(jī)制作原型件無(wú)需傳統(tǒng)的機(jī)床與工模具，這些原型件既可用于檢驗(yàn)零部件本身的結(jié)構(gòu)與尺寸，也可用來(lái)檢驗(yàn)彼此的裝配關(guān)系，從而能在設(shè)計(jì)初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)與糾正錯(cuò)誤，顯著縮短研發(fā)周期，減少或避免返工，提高產(chǎn)品性能。

圖6和圖7是用快速成形原型件檢驗(yàn)裝配關(guān)系的兩個(gè)例子，其中，圖7b是用快速成形機(jī)制作的汽車(chē)空調(diào)葉輪的裝配件。

2.3 產(chǎn)品的性能分析與測(cè)試

許多重要產(chǎn)品在其研發(fā)階段必須進(jìn)行性能分析與測(cè)試，如有限元分析、應(yīng)力測(cè)試、空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試等。圖8是可用于風(fēng)洞中進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的快速成形飛機(jī)模型。據(jù)報(bào)道，如果用CNC機(jī)床或手工來(lái)制作風(fēng)洞試驗(yàn)的飛機(jī)模型，需要幾周的時(shí)間，而且精度也不如快速成形件理想。圖7a中箭頭所指的是汽車(chē)空調(diào)，其中安裝了用于測(cè)試的快速成形葉輪原型件。

2.4 模具/工具的快速制作

（1）鑄造模具的快速制作

在傳統(tǒng)的鑄造生產(chǎn)中，鑄造模具（如模板、芯盒、蠟?zāi)�壓型）等一般是用機(jī)加工和手工完成的，不僅加工周期長(zhǎng)，費(fèi)用高，而且精度不易保證。對(duì)于一些形狀復(fù)雜的鑄件，模具的制造一直是老大難問(wèn)題。快速成形與快速模具技術(shù)為使鑄造工藝縮短周期、降低費(fèi)用、提高精度提供了一條捷徑，例如：

1）快速成形木模的替代模。砂型鑄造中廣泛采用木模（包括木芯盒），這種模具用木材經(jīng)干燥防腐處理及切削加工而成。各種快速成形的原型件都可以替代木模，其優(yōu)點(diǎn)是：無(wú)需高水平的木模工和相應(yīng)的木工機(jī)械，根據(jù)鑄件的設(shè)計(jì)圖紙，就能在很短的時(shí)間內(nèi)，用快速成形機(jī)制作出高精度的“木�！保�特別是形狀復(fù)雜、難于加工和需要多塊組合的木模，其優(yōu)勢(shì)更為突出。用快速成形件做母模澆注而成的鋁填充環(huán)環(huán)氧樹(shù)脂模，可以替代木模，用于重復(fù)制作50～100件砂型。

2）直接成形砂型(無(wú)木模鑄造)。采用激光燒結(jié)快速成形機(jī)可以直接燒結(jié)樹(shù)脂砂得到砂型，而無(wú)需制作產(chǎn)生砂型的木模(或金屬模)。

3）成形失蠟鑄造用蠟?zāi)�。失蠟鑄造是一種常見(jiàn)的精密鑄造方法，它使用的蠟?zāi)ＭǔＳ脵C(jī)加工的金屬壓型注射蠟而成。為避免制作金屬壓型，可以用激光燒結(jié)快速成形機(jī)燒結(jié)蠟粉，直接得到蠟?zāi)�；或者用快速成形件做母模澆注而成硅橡膠壓型，這種壓型可以在真空澆注機(jī)上澆注蠟?zāi)�；或者用快速成形件做母模澆注而成鋁填充環(huán)氧樹(shù)脂模壓型，這種壓型可重復(fù)注射1000～10000件蠟?zāi)！?/P>

（2）塑料件與塑料成形模具的快速制作

塑料成形包括注射成形（又稱(chēng)注塑成形）、真空成形與中空成形等幾種成形工藝�？焖俪尚闻c快速模具技術(shù)在塑料成形中的應(yīng)用如下：

1）用快速成形機(jī)直接制作塑料件

熔融擠壓、激光固化和激光燒結(jié)快速成形機(jī)能直接制作塑料件。

2）用快速成形件做母模澆注而成的硅橡膠模或環(huán)氧樹(shù)脂模，借助雙組分聚氨酯的反應(yīng)成形得到塑料件。

3）用快速成形件做母模澆注而成的鋁填充環(huán)氧樹(shù)脂模，或電鑄而成的ExpressTool模，通過(guò)熱注射成形或中空成形工藝制作塑料件。

4）用快速成形件做母模澆注而成的鋁填充環(huán)氧樹(shù)脂模，通過(guò)真空成形工藝制作塑料件。

（3）板金成形模具的快速制作

快速模具在板金成形中的典型應(yīng)用有拉深模與液壓成形模，這兩種模具都用于金屬板材的拉深成形。

可用于板材拉深成形的快速模具有：低熔點(diǎn)合金模、聚氨酯模、電鑄鎳殼－陶瓷背襯(NCC)模和氣相沉積鎳殼－背襯(NVD)模。

（4）電火花成形電極的快速制作

電火花成形最適合成形難加工的金屬及特征(如不規(guī)則的孔)，常用于制作復(fù)雜的注射成形模與鍛模。其中，電極應(yīng)有良好的熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率、機(jī)加工性與高熔點(diǎn)，通常用銅及其合金、石墨經(jīng)機(jī)加工而成，其制造周期長(zhǎng)，成本高。快速制作電極的方法主要有如下幾種：

1）用快速成形母模澆注碳化硅研磨模，再用此模研磨石墨塊，逐步切出與其形狀相反的精密輪廓，構(gòu)成所需的石墨電極。

2）用快速成形件做母模，通過(guò)電鑄得到電極的鎳殼，再澆注銅或錫背襯構(gòu)成電極。

3．燒結(jié)金屬電極。采用激光燒結(jié)快速成形機(jī)燒結(jié)青銅合金粉，能直接成形電極，用于制作注射成形�；蝈懩�。

3  快速成成形與快速模具技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

快速成形與快速模具技術(shù)的應(yīng)用起源于工業(yè)領(lǐng)域，但是，近年來(lái)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展得非常快，主要有以下四個(gè)方面。

3.1 手術(shù)策劃   

醫(yī)生診斷病情和確定手術(shù)方案的一個(gè)重要手段是CT / MRI（磁共振）掃描， 這些掃描的結(jié)果是人體器官的一組二維截面（切片）照片。由于病人缺乏人體解剖和病理知識(shí)，難于根據(jù)器官的二維掃描照片想象出三維實(shí)體的形貌，因此，醫(yī)生要想通過(guò)CT / MRI掃描照片向病人解釋病情并非易事。對(duì)于經(jīng)驗(yàn)不足的年輕醫(yī)生，要根據(jù)CT / MRI掃描照片準(zhǔn)確判斷病情也有一些困難。

顯然，借助快速成形技術(shù)，能將CT / MRI掃描的結(jié)果變成實(shí)體模型，無(wú)疑對(duì)于醫(yī)生判斷病情，以及向病人解釋病情都有很大的幫助，所以，快速成形是CT / MRI掃描的延伸與發(fā)展，一些專(zhuān)家預(yù)言，如同X光、CT一樣，快速成形機(jī)即將成為醫(yī)院的一種必備設(shè)備。

利用快速成形的病人器官的實(shí)體模型，醫(yī)生可以直觀地討論手術(shù)方案，并在模型上預(yù)先模擬手術(shù)的操作過(guò)程，從而為完善和最終確定手術(shù)方案提供依據(jù)。例如，圖9a是根據(jù)一位盆骨損傷導(dǎo)致嚴(yán)重畸形病人的CT掃描轉(zhuǎn)換而成的STL格式圖形，圖9b是用熔融擠壓快速成形機(jī)制作的實(shí)體模型，醫(yī)生借助此模型能準(zhǔn)確地判斷骨折的類(lèi)型、部位和嚴(yán)重程度，從而能制定切實(shí)可行的手術(shù)方案。

3.2 植入性假體的制作

醫(yī)療用植入性假體用金屬、塑料、陶瓷等材料，經(jīng)過(guò)鑄造、鍛造、沖壓、切削加工或模壓、燒結(jié)而成，并且，一般為制造廠(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品，很少有針

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