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快速成型

快速成型(RP)技术是二十世纪九十年代发展起来的一项先进制造技术,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。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。

快速原型制造技术,又叫快速成形技术,(简称RP技术); [1]

英文:RAPID PROTOTYPING(简称RP技术),或 RAPID PROTOTYPING MANUFACTURING,简称RPM。在汽车应用行业叫RP样件。

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。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", 类似于数学上的积分过程。形象地讲,快速成形系统就像是一台"立体打印机"。

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。

RP技术将一个实体的复杂的三维加工离散成一系列层片的加工,大大降低了加工难度,具有如下特点:

⑴成型全过程的快速性,适合现代激烈的产品市场;

⑵可以制造任意复杂形状的三维实体;

⑶用CAD模型直接驱动,实现设计与制造高度一体化,其直观性和易改性为产品的完美设计提供了优良的设计环境;

⑷成型过程无需专用夹具、模具、刀具,既节省了费用,又缩短了制作周期。

⑸技术的高度集成性,既是现代科学技术发展的必然产物,也是对它们的综合应用,带有鲜明的高新技术 特征。

以上特点决定了RP技术主要适合于新产品开发,快速单件及小批量零件制造,复杂形状零件的制造,模具与模型设计与制造,也适合于难加工材料的制造,外形设计检查,装配检验和快速反求工程等。

形象地比喻:快速成形系统相当于一台"立体打印机"。

它可以在没有任何刀具、模具及工装卡具的情况下,快速直接地实现零件的单件生产。根据零件的复杂程度,这个过程一般需要1~7天的时间。换句话说,RP技术是一项快速直接地制造单件零件的技术。

3D打印技术是一系列快速原型成型技术的统称,其基本原理都是叠层制造,由快速原型机在X-Y平面内通过扫描形式形成工件的截面形状,而在Z坐标间断地作层面厚度的位移,最终形成三维制件。目前市场上的快速成型技术分为3DP技术、FDM熔融层积成型技术、SLA立体平版印刷技术、SLS选区激光烧结、DLP激光成型技术和UV紫外线成型技术等。

3DP技术:采用3DP技术的3D打印机使用标准喷墨打印技术,通过将液态连结体铺放在粉末薄层上,以打印横截面数据的方式逐层创建各部件,创建三维实体模型,采用这种技术打印成型的样品模型与实际产品具有同样的色彩,还可以将彩色分析结果直接描绘在模型上,模型样品所传递的信息较大。

FDM熔融层积成型技术:FDM熔融层积成型技术是将丝状的热熔性材料加热融化,同时三维喷头在计算机的控制下,根据截面轮廓信息,将材料选择性地涂敷在工作台上,快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后,机器工作台下降一个高度(即分层厚度)再成型下一层,直至形成整个实体造型。其成型材料种类多,成型件强度高、精度较高,主要适用于成型小塑料件。

SLA立体平版印刷技术:SLA立体平版印刷技术以光敏树脂为原料,通过计算机控制激光按零件的各分层截面信息在液态的光敏树脂表面进行逐点扫描,被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化,形成零件的一个薄层。一层固化完成后,工作台下移一个层厚的距离,然后在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂,直至得到三维实体模型。该方法成型速度快,自动化程度高,可成形任意复杂形状,尺寸精度高,主要应用于复杂、高精度的精细工件快速成型。

SLS选区激光烧结技术:SLS选区激光烧结技术是通过预先在工作台上铺一层粉末材料(金属粉末或非金属粉末),然后让激光在计算机控制下按照界面轮廓信息对实心部分粉末进行烧结,然后不断循环,层层堆积成型。该方法制造工艺简单,材料选择范围广,成本较低,成型速度快,主要应用于铸造业直接制作快速模具。

DLP激光成型技术:DLP激光成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似,不过它是使用高分辨率的数字光处理器(DLP)投影仪来固化液态光聚合物,逐层的进行光固化,由于每层固化时通过幻灯片似的片状固化,因此速度比同类型的SLA立体平版印刷技术速度更快。该技术成型精度高,在材料属性、细节和表面光洁度方面可匹敌注塑成型的耐用塑料部件。

UV紫外线成型技术:UV紫外线成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似类似,不同的是它利用UV紫外线照射液态光敏树脂,一层一层由下而上堆栈成型,成型的过程中没有噪音产生,在同类技术中成型的精度最高,通常应用于精度要求高的珠宝和手机外壳等行业。 [2]

快速成型技术是将计算机辅助设计 ( CAD) [3] ,计算机辅助制造 ( CAM ) ,计算机数字控制 ( CNC) ,精密伺服驱动、激光和材料科学等先进技术集于一体的新技术,其基本构思是: 任何三维零件都可以看作是许多等厚度的二维平面轮廓沿某一坐标方向叠加而成.因此依据计算机上构成的产品三维设计模型 ,可先将 CAD系统内的三维模型切分成一系列平面几何信息 ,即对其进行分层切片 ,得到各层截面的轮廓 ,按照这些轮廓 ,激光束选择性地切割一层层的纸(或固化一层层的液态树脂,烧结一层层的粉末材料) ,或喷射源选择性地喷射一层层的粘接剂或热熔材料等 ,形成各截面轮廓并逐步叠加成三维产品 .

[3] 快速成型技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法 (即:部分去除大于工件的毛坯上的材料 ,而得到工件 ) ,采用全新的“增长”加工法 (即:用一层层的小毛坯逐步叠加成大工件 ) ,将复杂的三维加工分解成简单二维加工的组合 ,因此 ,它不必采用传统的加工机床和工模具 ,只需传统加工方法 30%~ 50%的工时和 20%~ 35%的成本 ,就能直接制造产品样品或模具 .通过快速成型技术 ,可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的模型或直接制造产品 ,从而可以对产品设计进行快速评估、修改及功能试验 ,大大缩短了产品的研制周期.将快速成型技术用于企业的新产品研发过程 ,可以大大缩短新产品的研制周期 ,确保新产品的上市时间 ,提高企业对市场的快速反应能力;同时也可以降低开模风险和新产品研发成本;及时发现产品设计的错误 ,做到早找错、早更改 ,避免更改后续工序所造成的大量损失 ,提高新产品投产的一次成功率 .因此 ,快速成型技术的应用已成为制造业新产品开发的一项重要策略.

RP系统可以根据零件的形状,每次制做一个具有一定微小厚度和特定形状的截面,然后再把它们逐层粘结起来,就得到了所需制造的立体的零件。当然,整个过程是在计算机的控制下,由快速成形系统自动完成的。不同公司制造的RP系统所用的成形材料不同,系统的工作原理也有所不同,但其基本原理都是一样的,那就是"分层制造、逐层叠加"。这种工艺可以形象地叫做"增长法"或"加法"。

每个截面数据相当于医学上的一张CT像片;整个制造过程可以比喻为一个"积分"的过程。

RP技术的基本原理是:将计算机内的三维数据模型进行分层切片得到各层截面的轮廓数据,计算机据此信息控制激光器(或喷嘴)有选择性地烧结一层接一层的粉末材料(或固化一层又一层的液态光敏树脂,或切割一层又一层的片状材料,或喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂)形成一系列具有一个微小厚度的的片状实体,再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐层堆积成一体,便可以制造出所设计的新产品样件、模型或模具。自美国3D公司1988年推出第一台商品SLA快速成形机以来,已经有十几种不同的成形系统,其中比较成熟的有UV、SLA、SLS、LOM和FDM等方法。其成形原理分别介绍如下:

"Stereo lithography Appearance"的缩写,即立体光固化成型法.

用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面,使之由点到线,由线到面顺序凝固,完成一个层面的绘图作业,然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度,再固化另一个层面.这样层层叠加构成一个三维实体.

SLA是最早实用化的快速成形技术,采用液态光敏树脂原料,工艺原理如图所示。其工艺过程是,首先通过CAD设计出三维实体模型,利用离散程序将模型进行切片处理,设计扫描路径,产生的数据将精确控制激光扫描器和升降台的运动;激光光束通过 数控装置控制的扫描器,按设计的扫描路径 照射到液态光敏树脂表面 , 使表面特定区域内的一层树脂固化后, 当一层加工完毕后,就生成零件的一个截面;然后 升降台下降一定距离 , 固化层上覆盖另一层液态树脂,再进行第二层扫描,第二固化层牢固地粘结在前一固化层上,这样一层层叠加而成三维工件原型。将原型从树脂中取出后,进行最终固化,再经打光、电镀、喷漆或着色处理即得到要求的产品。

SLA技术主要用于制造多种模具、模型等;还可以在原料中通过加入其它成分,用SLA原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。SLA技术成形速度较快,精度较高,但由于树脂固化过程中产生收缩,不可避免地会产生应力或引起形变。因此开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。

3D Systems 推出的Viper Pro SLA system

SLA 的优势

⒈ 光固化成型法是最早出现的快速原型制造工艺,成熟度高,经过时间的检验.

⒉ 由CAD数字模型直接制成原型,加工速度快,产品生产周期短,无需切削工具与模具.

⒊可以加工结构外形复杂或使用传统手段难于成型的原型和模具.

⒋ 使CAD数字模型直观化,降低错误修复的成本.

⒌ 为实验提供试样,可以对计算机仿真计算的结果进行验证与校核.

⒍ 可联机操作,可远程控制,利于生产的自动化.

SLA 的缺憾

⒈ SLA系统造价高昂,使用和维护成本过高.

⒉ SLA系统是要对液体进行操作的精密设备,对工作环境要求苛刻.

⒊ 成型件多为树脂类,强度,刚度,耐热性有限,不利于长时间保存.

⒋ 预处理软件与驱动软件运算量大,与加工效果关联性太高.

⒌ 软件系统操作复杂,入门困难;使用的文件格式不为广大设计人员熟悉.

⒍ 立体光固化成型技术被单一公司所垄断.

SLA 的发展趋势与前景

立体光固化成型法的的发展趋势是高速化,节能环保与微型化.

不断提高的加工精度使之有最先可能在生物,医药,微电子等领域大有作为.

选择性激光烧结(以下简称SLS)技术最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl ckard于1989年在其硕士论文中提出的。后美国DTM公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备Sinter Sation。几十年来,奥斯汀分校和DTM公司在SLS领域做了大量的研究工作,在设备研制和工艺、材料开发上取得了丰硕成果。德国的EOS公司在这一领域也做了很多研究工作,并开发了相应的系列成型设备。

国内也有多家单位进行SLS的相关研究工作,如西安交通大学机械学院,快速成型国家工程研究中心,教育部快速成型工程研究中心,华中科技大学、南京航空航天大学、西北工业大学、中北大学和北京隆源自动成型有限公司等,也取得了许多重大成果,如南京航空航天大学研制的RAP-I型激光烧结快速成型系统、北京隆源自动成型有限公司开发的AFS一300激光快速成型的商品化设备。

选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末,并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。SLS技术的快速成型系统工作原理见图1。

整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成,工作时粉末缸活塞(送粉活塞)上升,由铺粉辊将粉末在成型缸活塞(工作活塞)上均匀铺上一层,计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹,有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉末完成一层后,工作活塞下降一个层厚,铺粉系统铺上新粉.控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复,层层叠加,直到三维零件成型。最后,将未烧结的粉末回收到粉末缸中,并取出成型件。对于金属粉末激光烧结,在烧结之前,整个工作台被加热至一定温度,可减少成型中的热变形,并利于层与层之间的结合。

与其它快速成型(RP)方法相比,SLS最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。从理论上说,任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料。可成功进行SLS成型加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。由于SLS成型材料品种多、用料节省、成型件性能分布广泛、适合多种用途以及SLS无需设计和制造复杂的支撑系统,所以SLS的应用越来越广泛。

SLS技术的金属粉末烧结方法

3.1金属粉末和粘结剂混合烧结

首先将金属粉末和某种粘结剂按一定比例混合均匀,用激光束对混合粉末进行选择性扫描,激光的作用使混合粉末中的粘结剂熔化并将金属粉末粘结在一起,形成金属零件的坯体。再将金属零件坯体进行适当的后处理,如进行二次烧结来进一步提高金属零件的强度和其它力学性能。这种工艺方法较为成熟,已经能够制造出金属零件,并在实际中得到使用。南京航空航天大学用金属粉末作基体材料(铁粉),加人适量的枯结剂,烧结成形得到原型件,然后进行后续处理,包括烧失粘结剂、高温焙烧、金属熔渗(如渗铜)等工序,最终制造出电火花加工电极(见图2)。并用此电极在电火花机床上加工出三维模具型腔(见图3)。

3.2金属粉末激光烧结

激光直接烧结金属粉末制造零件工艺还不十分成熟,研究较多的是两种金属粉末混合烧结,其中一种熔点较低,另一种较高。激光烧结将低熔点的粉末熔化,熔化的金属将高熔点金属粉末粘结在一起。由于烧结好的零件强度较低,需要经过后处理才能达到较高的强度。美国Texas大学Austin分校进行了没有聚合物粘结剂的金属粉末如CuSn NiSn青铜镍粉复合粉末的SLS成形研究,并成功地制造出金属零件。他们对单一金属粉末激光烧结成形进行了研究,成功地制造了用于F1战斗机和AIM9导弹的工NCONEL625超合金和Ti6A 14合金的金属零件。美国航空材料公司已成功研究开发了先进的钦合金构件的激光快速成形技术。中国科学院金属所和西安交通大学等单位正致力于高熔点金属的激光快速成形研究,南京航空航天大学也在这方面进行了研究,用Ni基合金混铜粉进行烧结成形的试验,成功地制造出具有较大角度的倒锥形状的金属零件(见图4)。

3.3金属粉末压坯烧结

金属粉末压坯烧结是将高低熔点的两种金属粉末预压成薄片坯料,用适当的工艺参数进行激光烧结,低熔点的金属熔化,流人到高熔点的颗粒孔隙之间,使得高熔点的粉末颗粒重新排列,得到致密度很高的试样。吉林大学郭作兴等用此方法对FeCu,Fe C等合金进行试验研究,发现压坯激光烧结具有与常规烧结完全不同的致密化现象,激光烧结后的组织随冷却方式而异,空冷得到细珠光体,淬火后得到马氏体和粒状。

4 SLS技术金属粉末成型存在的问题

SLS技术是非常年轻的一个制造领域,在许多方面还不够完善,如制造的三维零件普遍存在强度不高、精度较低及表面质量较差等问题。SLS工艺过程中涉及到很多参数(如材料的物理与化学性质、激光参数和烧结工艺参数等),这些参数影响着烧结过程、成型精度和质量。零件在成型过程中,由于各种材料因素、工艺因素等的影响,会使烧结件产生各种冶金缺陷(如裂纹、变形、气孔、组织不均匀等)。

4.1粉末材料的影响

粉末材料的物理特性,如粉末粒度、密度、热膨胀系数以及流动性等对零件中缺陷形成具有重要的影响。粉末粒度和密度不仅影响成型件中缺陷的形成,还对成型件的精度和粗糙度有着显著的影响。粉末的膨胀和凝固机制对烧结过程的影响可导致成型件孔隙增加和抗拉强度降低。

4.2工艺参数的影响

激光和烧结工艺参数,如激光功率、扫描速度和方向及间距、烧结温度、烧结时间以及层厚度等对层与层之间的粘接、烧结体的收缩变形、翘曲变形甚至开裂都会产生影响。上述各种参数在成型过程中往往是相互影响的,如Yong Ak Song等研究表明降低扫描速度和扫描间距或增大激光功率可减小表面粗糙度,但扫描间距的减小会导致翘曲趋向增大。

因此,在进行最优化设计时就需要从总体上考虑各参数的优化,以得到对成型件质量的改善最为有效的参数组。制造出来的零件普遍存在着致密度、强度及精度较低、机械性能和热学性能不能满足使用要求等一些问题。这些成型件不能作为功能性零件直接使用,需要进行后处理(如热等静压HIP、液相烧结LPS、高温烧结及熔浸)后才能投人实际使用。此外,还需注意的是,由于金属粉末的SLS温度较高,为了防止金属粉末氧化,烧结时必须将金属粉末封闭在充有保护气体的容器中。

5 总结与展望

快速成型技术中,金属粉末SLS技术是人们研究的一个热点。实现使用高熔点金属直接烧结成型零件,对用传统切削加工方法难以制造出高强度零件,对快速成型技术更广泛的应用具有特别重要的意义。展望未来,SLS形技术在金属材料领域中研究方向应该是单元体系金属零件烧结成型,多元合金材料零件的烧结成型,先进金属材料如金属纳米材料,非晶态金属合金等的激光烧结成型等,尤其适合于硬质合金材料微型元件的成型。此外,根据零件的具体功能及经济要求来烧结形成具有功能梯度和结构梯度的零件。我们相信,随着人们对激光烧结金属粉末成型机理的掌握,对各种金属材料最佳烧结参数的获得,以及专用的快速成型材料的出现,SLS技术的研究和引用必将进入一个新的境界。

分层实体制造(LOMLaminated Object Manufacturing)法,LOM又称层叠法成形,它以片材(如纸片、塑料薄膜或复合材料)为原材料,其成形原理如图所示,激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据,将背面涂有热熔胶的纸用激光切割出工件的内外轮廓。切割完一层后,送料机构将新的一层纸叠加上去,利用热粘压装置将已切割层粘合在一起,然后再进行切割,这样一层层地切割、粘合,最终成为三维工件。LOM常用材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等,此方法除了可以制造模具、模型外,还可以直接制造结构件或功能件。该方法的特点是原材料价格便宜、成本低。

成形材料:涂敷有热敏胶的纤维纸;

制件性能:相当于高级木材;

主要用途:快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。

熔积成型(FDMFused Deposition Modeling)法,该方法使用丝状材料(石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝)为原料,利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度(约比熔点高 1℃),在计算机的控制下,喷头作x-y平面运动,将熔融的材料涂覆在工作台上,冷却后形成工件的一层截面,一层成形后,喷头上移一层高度,进行下一层涂覆,这样逐层堆积形成三维工件。该方法污染小,材料可以回收,用于中、小型工件的成形。下图为FDM成形原理图。

成形材料:固体丝状工程塑料;

制件性能:相当于工程塑料或蜡模;

主要用途:塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。

特点:1、优点:(1)操作环境干净,安全,在办公室课进行;(2)工艺干净、简单、易于操作且不产生垃圾;(3)尺寸精度高,表面质量好,易于装配,可快速构建瓶状或中空零件;(4)原材料以卷轴丝的形式提供,易于搬运和金额快速更换;(5)原料价格便宜;(6)材料利用率高;(7)可选用的材料较多,如染色的ABS、PLA和医用ABD、PC、PPSF、人造橡胶、铸造用蜡。

2、缺点:(1)精度较低,难以构建结构复杂的零件;(2)与截面垂直方向的强度小;(3)成型速度相对较慢,不适合构建大型零件。

快速成型的过程 [3] 包括:前处理 (三维模型的构造、三维模型的近似处理、三维模型的切片处理 )、分层叠加成型 (截面轮廓的制造与截面轮廓的叠合 )和后处理 (表面处理等 ) 。

快速成型制造中的数据准备

1) 三维模型的建立

由于实现快速成型的系统只能接受计算机构造的产品三维模型 (立体图 ) ,然后才能进行切片处理 ,因此 ,首先应在计算机上实现设计思想的数字化,即将产品的形状、特性等数据输入到计算机中。 目前快速成型机的数据输入主要有两种途径:一是设计人员利用计算机辅助设计软件 (如 Pro /Engineering , SolidWo rks, IDEAS, M DT, Auto CAD等 ) ,根据产品的要求设计三维模型 ,或将已有产品的二维三视图转换为三维模型; 另一种是对已有的实物进行数字化 , 这些实物可以是手工模型、工艺品或人体器官等。这些实物的形体信息可以通过三维数字化仪、 CT和 MRI等手段采集处理 ,然后通过相应的软件将获得的形体信息等数据转化为快速成型机所能接受的输入数据 。

2) 三维模型的近似处理

由于产品上往往有一些不规则的自由曲面 ,因此加工前必须对其进行近似处理。在目前快速成型系统中 ,最常见的近似处理方法是 ,用一系列的小三角形平面来逼近自由曲面 。其中 ,每一个三角形用 3个顶点的坐标和 1个法相量来描述。三角形的大小是可以选择的 ,从而能得到不同的曲面近似精度。经过上述近似处理的三维模型文件称为 STL格式文件 (许多 CAD软件都提供了此项功能 ,如Pro/Engineering , SolidW orks, IDEAS, Auto C AD, M DT等 ) ,它由一系列相连的空间三角形组成 。典型的计算机辅助设计都有转换和输出 ST L格式文件的接口 ,但是 ,有时输出的三角形会有少量错误,需要进行局部的修改。

3)三维模型的切片处理

由于快速成型是按一层层截面轮廓来进行加工 ,因此 ,加工前必须从三维模型上沿成型的高度方向 ,每隔一定的间隔进行切片处理 ,以便提取截面的轮廓 。间隔的大小根据被成型件精度和生产率的要求选定 ,间隔愈小 ,精度愈高 ,成型时间愈长;;间隔的范围为 0. 05~ 0. 5 mm , 常用 0. 1 m m左右 ,在此取值下 ,能得到相当光滑的成型曲面 。切片间隔选定之后 ,成型时每层叠加的材料厚度应与其相适应.。各种快速成型系统都带有切片处理软件 ,能自动提取模型的截面轮廓。

截面轮廓的制造

根据 [3] 切片处理得到的截面轮廓 ,在计算机的控制下 ,快速成型系统中的成型头 (激光头或喷头 )在 x-y平面内 ,自动按截面轮廓运动 ,切割纸 (或固化剂,热熔材料 ) ,得到一层层截面轮廓.每层截面轮廓成型后 ,快速成型系统将下一层材料送至成型的轮廓面上 ,然后进行新一层截面轮廓的成型 ,从而将一层层的截面轮廓逐步叠合在一起 ,最终形成三维产品。

当前较成熟和典型的快速成型工艺

随着 [3] 新型材料特别是能直接快速成型的高性能材料的研制和应用 ,产生了越来越多的更为先进的快速成型工艺技术 。目前快速成型已发展了十几种工艺方法 ,其中较成熟和典型的工艺有:

1) 液态光敏树脂选择性固化( Stereo Lithog ra phy Apparatus,简称SLA)

液态光敏树脂选择性固化是最早出现的一种快速成型技术 。快速成型机上有一个盛满液态光敏树脂的液槽 ,这种液态树脂在紫外线的照射下会快速固化。成型开始时 ,可升降工作台处于液面下一个截面厚度的高度 ,聚焦后的紫外激光束 ,在计算机的控制下 ,按截面轮廓的要求 ,沿液面进行扫描 ,使扫描区域固化 ,得到该截面轮廓.。然后 ,工作台下降一层高度 ,其上覆盖另一层液态树脂 ,以便进行第二层扫描固化 ,新固化的一层牢固地粘结在前一层上.如此重复直到整个产品成型完毕 。

2)薄型材料选择性切割 ( Laminated Object M anufacturing ,简称 LOM )

这种方法根据三维模型每个截面的轮廓线 ,在计算机的控制下 ,用 CO2激光束对薄型材料(如底面涂胶的卷状纸)进行切割 。逐步得到各层轮廓 ,并将其粘结在一起 ,形成三维产品。

3)粉末材料选择性烧结 ( Selected Laser Sintering,简称 SLS)

它采用 CO2激光器和粉末状材料 (如塑料粉 ,陶瓷和粘结剂的混合粉、金属与粘结剂的混合粉 ) 。 成型时 ,先在工作台上铺一层粉末材料 ,然后 ,激光束在计算机的控制下 ,按照截面轮廓的信息 ,对制件的实心部分所在的粉末进行烧结 ,逐步得到各层轮廓。一层成型完成后 ,工作台下降一截面层的高度 ,再进行下一层的烧结 ,如些循环 ,最终形成三维产品。

4) 丝状材料选择性熔覆( Fused Deposition M odeling,简称FDM )

快速成型机的加热喷头在计算机的控制下 ,可根据截面轮廓的信息 ,作 x-y平面运动和 z方向的运动.。丝材 (如塑料丝 )有供丝机送至喷头 ,并在喷头中加热、熔化 ,然后被选择性地涂覆在工作台上 ,快速冷却后形成截面轮廓。一层成型完成后 ,工作台下降一截面层的高度 ,再进行下一层的涂覆 ,如此循环 ,最终形成三维产品.。

5) 粉末材料选择性粘结( Th ree-Dimensional Printing ,简称TDP)

快速成型机的喷头在计算机的控制下 ,按照截面轮廓的信息 ,在铺好的一层层粉末材料上 ,有选择性地喷射粘结剂 ,使部分粉末粘结 ,形成截面轮廓.一层成型完成后 ,工作台下降一截面层的高度 ,再进行下一层的粘结 ,如此循环 ,最终形成三维产品 。

在实际应用中 [3] ,很多产品必须通过模具才能加工出来 。用成型机先制作出产品样件再翻制模具 ,是一种既省时又省费用的方法。

如新型火箭液氧发动机泵壳 ,用传统机加工方法很难加工 ,必须通过模具成型 。据估算 ,开模时间要 8个月 ,费用至少 30万。如果产品设计有误 ,整套模具就全部报废.。可以用快速成型法为该产品制作塑料样件 ,作为模具母模用于翻制硅胶模.。将该母模固定于铝标准框中 ,浇入配好的硅橡胶 ,静置 12~ 20小时。硅橡胶完全固化 ,打开模框 ,取出硅橡胶用刀沿预定分型线划开 ,将母模取出 ,用于浇铸泵壳蜡型的硅胶模既翻制成功 。通过该模制出蜡型 ,经过涂壳、焙烧、失蜡、加压浇铸、喷沙 ,一件合格的泵壳铸件在短短的两个月内就制造出来了 ,经过必要的机加工 ,即可装机运行 ,使整个试制周期比传统方法缩短了 2 /3,费用节省了 3 /4。

大大缩短新产品研制周期,确保新产品上市时间;

------使模型或模具的制造时间缩短数倍甚至数十倍;

提高了制造复杂零件的能力;

------使复杂模型的直接制造成为可能;

显著提高新产品投产的一次成功率;

------可以及时发现产品设计的错误,做到早找错、早更改,避免更改后续工序所造成的大量损失;

支持同步(并行)工程的实施;

------使设计、交流和评估更加形象化,使新产品设计、样品制造、市场定货、生产准备、等工作能并行进行;

支持技术创新、改进产品外观设计;

------有利于优化产品设计,这对工业外观设计尤为重要。

成倍降低新产品研发成本;

------节省了大量的开模费用

快速模具制造可迅速实现单件及小批量生产。使新产品上市时间大大提前,迅速占领市场。

总而言之,RP技术是九十年代世界先进制造技术和新产品研发手段。在工业发达国家,企业在新产品研发过程中采用RP技术确保研发周期、提高设计质量已成为一项重要的策略。当前,市场竞争愈演愈烈,产品更新换代加速。要保持我市产品在国内外市场的竞争力,迫切需要在加大新产品开发投入力度、增强创新意识的同时,积极采用先进的创新手段。RP技术在不需要任何刀具、模具及工装卡具的情况下,可实现任意复杂形状的新产品样件的快速制造。用RP技术快速制造出的的模型或样件可直接用于新产品设计验证、功能验证、外观验证、工程分析、市场订货等,非常有利于优化产品设计,从而大大提高新产品开发的一次成功率,提高产品的市场竞争力,缩短研发周期,降低研发成本。快速原型制造技术生产力促进中心的成立为本市企业应用RP技术开展产品创新活动提供了很好的前提条件。

RP技术已经在许多领域里得到了应用,其应用范围主要在设计检验、市场预测、工程测试(应力分析、风道等)、装配测试、模具制造、医学、美学等方面。RP技术在制造工业中应用最多(达到67%),说明RP技术对改善产品的设计和制造水平具有巨大的作用。

快速成形技术还存在许多不足,下一步研究开发工作主要在以下几方面:

⑴改善快速成形系统的可靠性、生产率和制作大件能力,尤其是提高快速成形系统的制作精度;

⑵开发经济型的快速成形系统;

⑶快速成形方法和工艺的改进和创新;

⑷快速模具制造的应用;

⑸开发性能良好的快速成形材料;

⑹开发快速成形的高性能软件等。

1 制造快速

RP技术是并行工程中进行复杂原型或者零件制造的有效手段,能使产品设计和模具生产同步进行,从而提高企业研发效率,缩短产品设计周期,极大的降低了新品开发的成本及风险,对于外形尺寸较小,异形的产品尤其适用。

2 CAD/CAM技术的集成

设计制造一体化一直来说是一个难点,计算机辅助工艺(CAPP)在现阶段由于还无法与CAD、CAM完全的无缝对接,这也是制约制造业信息化一直以来的难点之一,而快速成型技术集成CAD、CAM、激光技术、数控技术、化工、材料工程等多项技术,使得设计制造一体化的概念完美实现。

3 完全再现三维数据

经过快速成型制造完成的零部件,完全真实的再现三维造型,无论外表面的异形曲面还是内腔的异形孔,都可以真实准确的完成造型,基本上不再需要再借助外部设备进行修复。

4 成型材料种类繁多

各类RP设备上所使用的材料种类有很多,树脂、尼龙、塑料、石蜡、纸以及金属或陶瓷的粉末,基本上满足了绝大多数产品对材料的机械性能需求。

5 创造显著的经济效益

与传统机械加工方式比较,开发成本上节约10倍以上,同样,快速成型技术缩短了企业的产品开发周期,使的在新品开发过程中出现反复修改设计方案的问题大大减少,也基本上消除了修改模具的问题,创造的经济效益是显而易见的。

6 应用行业领域广

RP技术经过这些年的发展,技术上已基本上形成了一套体系,同样,可应用的行业也逐渐扩大,从产品设计到模具设计与制造,材料工程、医学研究、文化艺术、建筑工程等等都逐渐的使用RP技术,使得RP技术有着广阔的前景。

在现代化工业生产中,60%~90%的工业产品需要使用模具加工,模具工业已经成为制造业中的一项基础工业,是技术成果转化的手段,同时又是高新技术产业的重要领域,在欧美等工业发达国家被成为“点铁成金”的“磁力工业”。可见,模具工业在世界各国经济发展中具有重要的显著地位。

西安交通大学机械学院,快速制造国家工程研究中心,教育部快速制造工程研究中心,总结当前制造业呈现如下发展趋势:

1、生产、经营及市场全球化;

2、用户需求个性化、多样化;

3、产品生命周期短,更新换代加速;

4、产品技术高科技化;

5、市场竞争激烈化。

据统计,我国新产品的平均开发周期为18个月,产品的生命周期为10.5年。而美国1990年已实现“3个3”,即产品的生命周期为3年,产品的试制周期为3个月,产品的设计周期为3周。因此,制造企业要想在21世纪求得生存和发展,就必须面对这一新的形势,不断研究或引进新的技术。

过去,传统的零件成型方法是采用多种机械加工机床,以及刀具和模具,还要有高水平的技工,成本高,制造周期往往长达几星期,甚至几个月,不能适应新产品的更新。为克服上述问题,近几年来开发成功了快速成型制造技术和相应的快速成型机。它是利用激光等物理方法,向用户提供物理模型和快速修改设计方案,从而大大减少了新产品开发前期的时间和费用。快速成型技术广泛应用于航空航天、汽车、电子、通讯、医疗、建筑、家电、玩具、家具、日用五金及工艺品制作等众多领域。

快速成型技术使之在以下四方面受益:

在设计产品时,通常分为概念设计及详细设计。由于设计者的能力有限,不可能在短时间内,仅凭图纸上的思维,就把结构、形状及尺寸等问题考虑得很周全并使结果优化,不但费时费力,往往难免有所疏漏,从而造成返工。为解决上述问题,在现代制造技术领域中,提出了并行工程的方法,它以小组协同工作为基础,通过网络共享数据等信息资源,来同步考虑产品设计、制造的有关技术问题,从而实现并行设计的思想。然而,仅仅依靠计算机及数字模拟,没有必要的物理模拟手段,也难于完美地进行并行设计。

快速模型采用快速成型技术之后,设计者在设计的最初阶段,就能拿到实在的产品样品,并可在不同阶段快速地修改、重做样品,甚至做出试制用工模具及少量的产品,据此判断有关的各种问题。这给设计者创造了一个优良的设计环境,无需多次反复思考、修改,即可尽快得到优化结果。因此,快速成型技术是真正实现并行设计的强有力手段。

制造者在产品设计的最初阶段,也能拿到实在的产品样品、甚至试制用的工模具及少量产品,这使得他们能及早地对产品设计提出意见,做好原材料、标准件、外协加工件、加工工艺和批量生产用工模具等准备,最大限度地减少失误和返工,大大节省工时、降低加工成本和提高产品质量。

推销者在产品设计的最初阶段,也可拿到产品样品、甚至少量产品,这使得他们能据此及早、实在地向用户宣传,征求意见,并进行比较准确的市场需求预测,而不是仅凭抽象的产品描述或一张图纸、一份样本来推销。所以,快速成型技术的应用可以显著地降低新产品的销售风险和成本,大大缩短其投放市场的时间和提高竞争能力。

用户在产品设计的最初阶段,也能见到产品样品,甚至少量产品,这使得他们及早、深刻地认识产品,进行必要的测试,并且提出有关的意见,从而可以在尽可能短的时间内,以合理的价格得到性能最符合要求的产品。

综上所述,快速成型技术必将能承担起21世纪制造业持续高速发展的重任,为现代制造业提供源源不断的超动力。


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