| 加成法製造是快速成形和快速模具製造的總稱，其常用的原材料與所用製造系統的類型有密切關系。隨着新型加成法製造系統的迅速發展，可用原材料的局限正不斷被突破，為成形新型功能器件創造了有力的手段。 |
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加成法製造（Additive Fabrication）基於添加式自由成形原理，是製造業近二十年來最重要的一種成形方法新發展，但是由於可用原材料的局限性導致了這種方法致命的弱點。開發可用多種多樣原材料的新型加成法製造系統，實現功能器件的自由成形，是創造加成法自由成形工藝新輝煌的方向。
加成法製造是快速成形（Rapid Prototyping）和快速模具（Rapid Tooling）製造的總稱，它們都是基於添加式自由成形原理。加成法製造常用的原材料與所用製造系統（即快速成形機）的類型有密切的關系，目前，典型商品化的快速成形機有激光固化(SLA) 、熔融擠壓（FDM）、三維打印(TDP)、激光燒結(SLS)和激光切紙(LOM)等5種。
最常見的快速模具是矽橡膠模，它可以用快速成形機製作的工件作為母模，然後借助母模和真空澆注機成形矽橡膠模，這種矽橡膠模可以用於澆注雙組分聚氨酯材料並經反應成形塑料件。
可用原材料的局限性是現有加成法製造的致命弱點
加成法製造的過程中所用原材料往往有較大的溫度變化、相變（固相-液相或液相-固相）或化學反應，因此工件不可避免地會有翹曲變形；同時，由於加成法的基礎是逐層添加成形，所以必然存在“臺階效應”，即使選取盡可能小的層高，在工件表面上的“階梯”仍無法消除。
上述兩個因素使得快速成形工件的精度不可能達到切削加工的水平，通常尺寸精度只有±0.1mm左右。
典型商品化的快速成形機可用的原材料基本上是由製造商專門製作的，其品種、型號和性能十分有限；矽橡膠模可以用於澆注成形的塑料的品種與性能也是非常有限。因此，快速成形工件的性能也難於有顯著的提高，無法與切削加工競爭。
現有加成法製造可用原材料的局限性可歸納為以下兩方面：
（1）可用原材料的成分並非用戶工件真正所需材料的成分，性能往往有較大的差別，通常快速成形工件只能是“形似”的樣品，不可能是“神似”的功能器件。
（2）可用原材料的形態、尺寸有很大的限製，例如，激光固化快速成形機(SLA)只能用某些液態光敏樹脂，熔融擠壓快速成形機（FDM）只能用一定直徑的某些塑料絲，三維打印 (TDP) 和激光燒結 (SLS) 快速成形機只能用某些粉材，激光切紙快速成形機 (LOM)只能用某些塗覆黏結劑的紙。矽橡膠模可以用於澆注成形的原材料只能是某些液態雙組分聚氨酯。
開創新輝煌：開發可用原材料廣泛的新型加成法製造系統
變革加成法製造可用原材料和創造新型加成法製造系統的目標是，使基於加成法製造的系統能廣泛、方便、有效地成形各種新型功能器件（functional device）。
用加成法自由成形工藝直接製作新型功能器件的首要關鍵是：實現成形工藝的系統必須能採用成分、形態和規格廣泛的多種成形原材料。其中，成分涉及有機、無機、金屬、非金屬等類材料中的諸多成分，形態涉及固態、液態、流體、膠體、懸浮液等，規格涉及不同尺寸和不同黏度範圍等。
為實現上述目標，通過以下幾種途徑使原材料變成流體，以便能順利地從噴頭中微小的噴嘴射至基材上，然後借助不同的措施使流體材料固化成形：
將可溶化原材料配成溶液，噴射後借助溶劑揮發而固化成形，或者借助冷凍而固化成形。
將可熔化原材料加熱成熔融狀，噴射後借助降低至室溫而固化成形。
將可實現化學反應的兩種原材料配成液體，噴射後借助化學反應而固化成形。
將不能溶化的金屬或非金屬（如陶瓷）微粒用分散劑配成膠體或懸浮液，噴射後借助加熱使分散劑揮發、金屬或非金屬微粒燒結而固化成形。微粒最好呈納米狀，以便能在較低溫度下燒結。
圖1 壓電式噴頭
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新型加成法製造功能器件的主流系統
為實現上述4項措施，目前新型加成法製造功能器件的主流系統有以下兩種：
1.以多噴嘴壓電式噴頭為核心的加成法製造系統
壓電式噴頭（piezoelectric jet，見圖1）廣泛用於噴墨打印機，隨著個人計算機的普及與發展，這種噴頭的性能有了顯著的提高，其噴嘴直徑和相鄰間距可縮小至微米級，有非常高的打印分辨率，噴射的液滴容積可以小至皮升級（pL,1pL=10-12L）。
為適應工業領域高生產率的需求，一個70mm長的壓電式噴頭上已經可以製作出1000個微細噴嘴（見圖2），並且可以組成噴嘴陣列，實現無需掃描運動的單程打印，其打印速度可達25m/min以上。
圖2 多噴嘴壓電式噴頭
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與上述噴頭配套的各種各樣“墨水”也正在商品化。採用這些“墨水”可以直接成形功能機電器件、功能陶瓷器件、功能梯度材料構件和功能生物醫學器件等，例如打印形成PCB板上的字符、阻焊層、電路圖形或元器件（電阻、電容、電感、傳感器、顯示器、RFID電子標簽等），以及功能生物醫學器件中的組織工程支架等。
2.以電機助推微注射器式噴頭為核心的加成法製造系統
上海富奇凡機電科技有限公司經過多年的努力，研製了以MAM（Motor Assisted Microsyringe，電機助推微注射器）為核心的加成法製造系統（見圖3）。
圖3 以電機助推微注射器式噴頭為核心的加成法製造系統
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這種系統可以配置1～3個噴頭，噴頭為全不鏽鋼結構，噴射推力大；能噴射用戶自行設計或選擇的由聚合物、金屬或陶瓷等構成的溶液（水溶液或溶劑溶液）、膠體、懸浮液、漿料或熔體；噴頭中設有加熱裝置（最高可達250℃），能根據需要通過加熱改變原材料的黏度，以便獲得所需噴射性能的流體；噴嘴不易堵塞，可快速、方便地進行拆卸、清洗和安裝；料筒易於清洗，可方便地更換其中的成形原材料；系統運行時，可實時在線調整噴頭的加熱溫度、噴射流量和移動速度，以及工作臺的移動速度，以便優化成形工藝；工作臺上還可設置附加中空冷卻/加熱臺，能通入循環冷卻介質或加熱介質，以便冷卻/加熱正在成形的工件。因此系統有很強的通用性和適應性，能廣泛用於各種工件的自由成形（快速成形），特別是組織工程支架、功能梯度材料構件、功能機電器件和功能陶瓷器件等的自由成形。
隨着新型加成法製造系統的迅速發展，這種工藝必然可以突破可用原材料的局限，為成形新型功能器件創造極為有力的手段。
數字製造技術中心：搭建與世界接軌的數字製造實訓平臺
文中提及的上海富奇凡機電科技有限公司，曾為上海市職業培訓指導中心內的快速成型與快速模具製造實訓室提供了成套設備。而本刊記者就在不久前走訪了這一以提供“與世界接軌的數字製造實訓平臺”著稱的培訓指導中心，採訪到該中心實訓項目管理科史哲先生。
這一職業培訓指導中心是上海市勞動和社會保障局在分析借鑒發達國家的職業技能發展趨勢的基礎上，通過政府集中投資建成的。是一個面向社會培訓機構免費開放，且功能齊全、技術先進的公共實訓基地。指導思想是“用明天的需求來培訓今天的學員”，在建設中引入了世界級硬件和軟件。
史先生帶本刊記者參觀了該指導中心內的“數字製造技術中心”，在這座總建築面積16,000平方米的四層樓內，設有以下五個實訓室：數字化設計與製造實訓室、數控機床應用技術實訓室、快速成型與快速模具製造實訓室、綜合加工實訓室、現代模具製造技術實訓室。其籌建過程中，先後與美國UGS、德國DMG、日本MAZAK等知名公司合作，引入國際一流的數字製造技術、職業培訓方法和理念。
工作人員特意為記者展示多款矽橡膠模具樣品
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史先生稱，數字製造技術中心旨在培養中高端人才，也即與世界先進製造業接軌的數字化設計、製造及生產管理的高技能人才。“正因為我們是一個可供社會培訓機構無償使用的平臺，上機培訓的又多為新手，我們必須花很多精力管理設備，確保其一直處於正常運轉狀態。”他強調道：“目前中心內所有設備，均聘請SIEMENS集團的專業團隊負責，為此我們投入數百萬元，實踐驗証這一管理任務完成得相當出色。”
據介紹，該中心覆蓋到多個新興數字製造產業的職業群，力求提升上海市先進製造業競爭力，通過為機械製造、汽車製造、船舶製造、航空航天製造等上海龍頭發展行業培養所急需的製造業一流人才。圖示為在該中心一層的快速模具與精密鑄造區域內，工作人員所展示的一些矽橡膠模具樣品，其中部分便由學員製作完成。■
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