快速原型制造技术论文肖月美

快速原型制造技术扬州大学14届机械工程硕士肖月美摘要：快速成型加工技术作为一种先进的制造技术近年来得到了快速的发展，快速原型技术（RPT）被用于许多工业领域，尤其是新产品的开发方面。现有的工艺能直接利用CAD的三维数据使一些材料（比如光固化树脂、粉纸）快速成型为实体零件。本文目的是对这项技术的关键原理、典型的工艺方法和适用对象等分析研究。关键词：先进制造技术快速原型加工一、先进制造技术（一)先进制造技术的概念先进制造技术(AdvancedManufactuingTechnology),人们往往用AMT来概括由于微电子技术、自动化技术、信息技术等给传统制造技术带来的种种变化与新型系统。具体地说，就是指集机械工程技术、电子技术、自动化技术、信息技术等多种技术为一体所产生的技术、设备和系统的总称。(二)先进制造技术类型1、先进的工程设计技术先进的工程设计技术包括众多的现代设计理论与方法。包括CAD、CAE、CAPP、CAT、PDM、模块化设计、DFX、优化设计、三次设计与健壮设计、创新设计、反向工程、协同产品商务、虚拟现实技术、虚拟样机技术、并行工程等。2、先进制造工艺技术（1）高效精密、超精密加工技术，包括精密、超精密磨削、车削，细微加工技术，纳米加工技术。超高速切削。（2）精密成型制造技术，包括高效、精密、洁净铸造、锻造、冲压、焊接及热处理与表面处理技术。（3）现代特种加工技术，包括高能束流（主要是激光束、以及电子束、离子束等）加工，电解加工与电火花（成型与线切割）加工、超声波加工、高压水加工等。（4）快速成型制造（RPM)。快速成形技术是在计算机控制下，基于离散堆积原理采用不同方法堆积材料最终完成零件的成型与制造的技术。二、快速原型制造技术（一）RP技术的诞生与发展历史快速成形技术（RapidPrototyping，简称RP）20世纪80年代末RPM技术首先在美国问世，它综合了机械工程、CAD、数控技术、激光技术及材料科学技术，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原型或直接制造零件，从而大大缩短产品的研制周期。工业国家称RPM技术是继数控技术后又一场技术革命。目前美国在RP领域处于主导地位，我国92年进入RPM领域，清华大学、西安交通大学、华中科技大学、北京隆源等单位在RMP设备、材料和软件方面先后完成了开发和产业化过程，我国MRP许多关键技术达到或领先国际先进水平。（二）RPM技术原理RPM技术的原理主要是以下几个方面：CAD模型建立；STL文件生成；分层切片；快速堆积成型。（三）典型的RPM工艺方法目前RP技术的快速成型工艺方法有十多种。现简要介绍四种比较成熟且常用的四种成型方法：1、光敏树脂液相固化成形（SLA）（1）基本原理：SL工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作。这种液态材料在一定波长和功率的紫外线的照射下能迅速发生光聚合反应，相对分子量急剧增大，材料也由液态变成固态。SLA工艺原理图（2）特点：优点：①原材料利用率将近100%②成型精度高(±0.1mm)③可成型任意结构复杂的零件缺点：①所需的设备及材料价格昂贵②光敏树脂有一定的毒性，不符合绿色制造趋势。2、选区片层粘结法（LOM）（1）基本原理：LOM工艺是利用薄片材料，如纸、塑料薄膜等作为成形材料，片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，用CO2或刀在计算机控制下按照CAD分层模型轨迹切割片材，然后通过热滚压，是当前层与下面已成形的工件层粘结，从而堆积成形。LOM工艺原理图（2）特点：优点：①使用胶纸作为成型材料，成本低，原材料易于获得，无交变，无热应力；②无化学反应，绿色环保；③成型件尺寸可以制得很大；缺点：①成型后去除模型周边的废料费时；②成型后的模型需密封保存以免吸潮；③模型有类木纹的纹理，表面精度不高；3、选择性激光烧结成形（SLS）（1）基本原理：SLS工艺是利用粉末材料（金属粉末或非金属粉末）在高功率的激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成形。SLS工艺原理图1-激光器2-铺粉滚筒3-激光窗4-加工平面5-原料粉末6-生成零件（2）特点：优点：①材料适应面广，能制造塑料零件，陶瓷、蜡、尼龙等材料的零件，能制造出直接使用的金属零件。②不需加支撑。③精度不高。平均精度为±0.15～±0.2mm，缺点：①表面粗糙度不好，不宜做薄壁件。4、熔融沉积快速成型(FDM)（1）基本原理：又称熔丝沉积，它是将丝状的热熔性材料加热融化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，挤出的材料迅速固化并与周围材料粘结，层层堆积而成。FDM工艺原理图（2）特点：优点：①由于热融挤压头系统构造原理和操作简单，维护成本低，系统运行安全；②原材料在成型过程中无化学变化，较为环保③原材料利用率高，且材料寿命长。缺点：①需要设计与制作支撑结构（四）RPM技术的应用快速成型技术的最初应用主要集中在产品开发中的设计评价、功能试验上。设计人员根据快速成型得到的试件原型对产品的设计方案进行试验分析、性能评价,借此缩短产品的开发周期、降低设计费用。经过十几来的发展,快速成型技术已经向新的领域发展。尤其在家用电器、汽车、玩具、轻工业产品、建筑模型、医疗器械及人造器官模型、航天器、军事装备、考古、工业制造、雕刻、电影制作以及从事CAD的部门都得到了良好的应用.（五）RPM发展趋势RPM技术的发展趋势：1、不同制造目标相对独立发展从制造目标来说，RPM主要用于①快速概念设计原型制造，②快速模具原型制造，③快速功能测试原型制造，④快速功能零件制造。2、向大型制造与微型制造进军3、追求RPM更快的制造速度、更高的制造精度、更高的可靠性。4、RPM设备的使用外设化，操作智能化。使RPM设备的安装和使用变得非常简单，不需专门的操作人员。5、RPM行业标准化，并且与整个产品制造体系相融合。现代RPM技术发展的一个重要特点就是快速自动成型与其它先进的设计制造技术的结合越来越紧密。目前，快速原型制造技术朝着工业化、产业化方向迈进。完善制造工艺、系统与CAD等软件的接口,制定统一的数据交换标准,进一步提高成型速度和精度,降低系统价格和运行成本,开发出满足工程要求的材料和扩大应用领域等都是人们关注的焦点。另一方面，与因特网结合的专业化RP服务机构正蓬勃发展，通过网络为客户进行离线或交互式在线服务，深受中小企业的欢迎，其业务量不断增加。所有这些，都表明RP技术正进入加速发展阶段，其应用将越来越普及。参考文献【1】刘伟军，快速成型技术及应用，机械工业出版社【2】王运赣，快速成型技术，华中科技大学出版社【3】快速原型制造，【4】房贵如,刘维汉。先进制造技术的总体发展过程和趋势[J].中国机械工程,1995(3):7-10.【5】杨叔子,李斌,吴波.先进制造技术发展与展望[J].机械制造与自动化,2004(2):1-6.【6】赵晓梅,李爱荣.先进制造技术体系结构及特点[J].机械管理开发,2001(2);30-31【7】李长文.先进制造技术在机械制造业中的应用[J].2009(03)