快速成形技术的发展及应用

快速成形技术的发展及应用摘要快速成形技术（RapidPrototyping，RP）是一种借助计算机、激光，精密传动和数控等现代手段，将计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)集成于一体，根据在计算机上构造的三维模形，以逐层累计的建造方式在很短时间内直接制造产品样品的技术，无需传统的机械加工机床和模具。该项技术创立了产品开发的新模式，使设计师以前所未有的直观方式体会设计的感觉，感性而迅速的验证和检查所设计的产品结构和外形，从而使设计工作进入了一种全新的境界，改善了设计过程中的人机交流，缩短了产品开发的周期，加快了产品更新换代的速度，降低了企业投资新产品的风险，加强了企业引导消费者的力度。关键词快速成形先进技术高效制造正文快速成形技术又称快速原型制造技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，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，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。即，快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。下面我将从RP起源、RP技术分类、RP特点、RP应用四个方面来讲解。1、RP起源分层制造三维物体的思想雏形可追溯到4000年前。中国出图的漆器用粘结剂把丝、麻粘结起来铺敷在底胎（类似RP的基板）上，待漆干后挖去底胎成形。人们发现，古埃及人在公元前就已经将木材切成板后重新铺叠，制成像现代胶合板似的叠合材料。1892年，Blanther主张用分层方法制作三维地图模形。1979年，东京大学的中川威雄教授利用分层技术制造了金属冲裁模、成形模和注塑模。20世纪70年代末到80年代初，美国3M公司的AlanJ.Hebert（1978年）、日本的小玉秀男（1980年）、美国UVP公司的CharlesW.Hull（1982年）和日本的丸谷洋二（1983年），各自独立的提出了RP的概念，即利用连续层的选取固化制作三维实体的新思想。CharlesW.Hull在UVP的资助下，完成了第一个RP系统—SLA。1986年，该系统获得专利，这是RP发展的一个里程碑。随后许多快速成形的概念、技术及相应的成形机也相继出现。2、RP技术分类迄今为止，国外、国内已经开发成功了十多种成熟的快速成型工艺，其中商品化比较好的主要有SLA、LOM、SLS、FDM、TDP等原理的快速成型系统。①立体光固化成型法立体光固化成型法(SLA，Stere-lithographyApparatus)以液态光敏树脂为原材料，在计算机控制下的紫外激光束按预定零件各分层截面的轮廓轨迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂层产生聚合（固化）反应，从而形成零件的一个薄层截面，最后将形成好的所有薄层截面进行固化以形成整体零件。SLA工艺的优点是精度高，可以控制在0.01mm，表面质量好；原材料利用率接近100%，能够制造形状特别复杂、精细的零件；缺点是需要设计支撑，原材料价格昂贵，可以选择的材料种类有限，加工成本高；制件容易发生翘曲变形。②分层实体制造法分层实体制造法(LOM，LaminatedObjectManufacture)是将单层涂有热熔胶的纸片通过加辊加热粘结在一起，利用上方的激光切割器按照CAD分层模型所获数据，用激光束切割形成零件。该法无需设计支撑，只需切割轮廓，无需填充扫描，制件的翘曲变形小，制造加工成本低。但是表面质量差，废料分离麻烦，材料利用率低，种类有限，后处理难度大。③选择性激光烧结法选择性激光烧结法(SLS，SelectiveLaserSintering)是利用激光器对热塑粉末进行分层烧结固化堆积成形零件。其优点是原型件机械性能好，强度高；无需设计和构建支撑；成型材料选择性广泛，并且利用率高(100%)；缺点是制件精度低，表面粗糙，需要后处理。④熔融沉积成型法熔融沉积成型法(FDM，FusedDepositionModeling)是将丝状材料在喷头中加热至略高于熔点（比熔点高1℃左右），呈半流动状态，从喷头中挤压出来，很快凝固，形成精确的层，层层相叠，最后形成整体。其优点是材料利用率高，材料成本低，可选材料种类多，速度快。缺点是精度低，悬臂件需要支撑，且成型加工中易堵丝。⑤三维印刷系统法三维印刷系统(TDP，ThreeDimensionalPrinting)是使用专用粉末材料和粘结剂，用类似打印喷头在一层铺好的粉末材料上有选择地喷射粘结剂，在有粘结剂的地方粉末被粘结在一起，其他地方仍为粉末，这样层层粘结形成空间实体。TDP法的优点是成本低，速度块。主要问题是表面粗糙。3、RP特点快速成型技术较之传统的诸多加工方法展示了以下的优越性.①可以制成几何形状任意复杂的零件,而不受传统机械加工方法中刀具无法达到某些型面的限制.②曲面制造过程中,CAD数据的转化(分层)可百分之百的全自动完成,而不像数控切削加工中需要高级工程人员数天复杂的人工辅助劳动才能转化为完全的工艺数控代码.③不需要传统的刀具或工装等生产准备工作。任意复杂零件的加工只需要在一台设备上完成，因而大大的缩短了新产品的开发成本和周期，其加工效率亦远胜于数控加工。④属于非接触式加工，没有刀具、夹具的磨损和切削力所产生的影响。⑤加工过程中无振动、噪声和切削废料。⑥设备购置投资低于数控机床。4、RP应用目前，RP技术在国外已经取得较广泛的应用，主要应用于家电、玩具、汽车、轻工、医疗、航空航天、国防等行业，并取得巨大的经济效益。如美国PRATT5CWHITNCY公司采用RP技术快速制造了2000个铸件，如按常规方法每个铸件约需要700美元，而用此技术每个铸件只需300美元，同时，生产时间节约了70%~90%。①新产品开发过程中的设计验证与功能验证。在新产品造型设计过程中应用RP技术可以为设计开发人员建立一种崭新的产品开发模式，运用该技术能够快速、直接、精确地将设计思想模型转化为具有一定功能的实体模型（样件），可以方便验证设计人员的设计思想和产品结构的合理性、可装配性、美观性，及时发现设计中的问题并修改完善产品设计。这样不仅大大缩短了开发周期，降低了开发成本，使企业在激烈的市场竞争中占有了先机。就西安交通大学的西北RPM应用服务中心为例，他们运用RPM技术为TCL公司设计了多种新款手机样品，从工业造型设计到样品全过程仅用了7天时间，这用传统设计制造技术是无法实现的。②单件、小批量和特殊复杂零件的直接生产。在机械制造领域里有些特殊复杂制件只需单件或少于50件的小批量生产，这样的产品通过制模再生产，成本高，周期长。RP技术以自身独有的特点可以直接成型生产，成本低，周期短。以北京隆源自动成型系统有限公司试制发动机涡轮2件为例，采用快速成型技术制造仅仅用了两天的时间就完成了用于生产的蜡型，传统工艺需要4个月。③产品展示。RP原型是产品从设计到商品化各个环节中进行交流的有效手段。在全球经济经济化的今天，许多外向型企业都经常面临外商要求看样订货。如何在不可能开模试生产的情况下最快提供样品，抢占市场先机。在这种环境下，RP技术又体现了明显的优势。④快速模具制造。将快速成型技术与传统的模具制造技术相结合，可以大大缩短模具制造的开发周期，提高生产效率，是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径。快速成型技术在模具制造方面的应用可分为直接制模和间接制模两种。参考文献[1]杨继全,徐国财.快速成形技术（M）.北京：化学工业出版社,2006.3-8.[2]王广春.快速原型技术及其应用（M）.北京：化学工业出版社,2006.1-2.