快速原型先进制造技术

快速原型制造技术摘要：本课程主要学习了几种先进制造技术（包括超高速加工、超精密加工、微细加工、高能束加工及快速原型制造技术）、制造自动化技术以及现代管理模式。针对先进制造技术的发展方向，并结合课题研究，本文简要介绍快速原型制造技术（RP）的基本原理、特点、加工制造过程、6种主要的PR技术及其应用与发展趋势。关键词：先进制造；快速原型制造；课题研究；基本原理；发展趋势1.什么是快速原型（RapidPrototyping）借助电脑辅助设计或由实体逆向方法取得原型或零件几何形状、结构，并以此建立数位化模型，再利用电脑控制的机电集成制造系统，通过逐点、逐面进行材料“三维堆砌”成型，再经过必要处理，使其在外观、強度和性能等方面达到设计要求，达到快速、准确地制造原型或实际零件的方法。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，如下图1所示。图1快速原型示意图2.RP技术的基本工作原理：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。快速原型技术的原理是：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。比如要做一个小圆球，电脑将圆球的实体数据，通过专用的软件，转化成一个一个薄片的数据。第一个薄片是一个点，第二个薄片是一个小圆片，第三个薄片是一个稍大一点的圆片……，一片一片粘在一起，就成了一个圆球。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。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，每个截面数据相当于医学上的一张CT像片；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。整个制造过程可以比喻为一个积分的过程。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。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。3.快速原型制造技术的加工制造过程目前进入应用领域的各种快速原型制造技术采用的成型机理有所不同，但它们的加工制造过程类似，均大致包括以下五个步骤：图2快速原型制造加工过程1、生产CAD设计模型。首先利用计算机辅助设计（CAD）软件包生成制件的三维实体模型。目前常用的实体造型软件有：Pro/E、UG—Ⅱ、PowerShape等，也可通过反求工程来获得制件的三维描述信息。2、将三维CAD设计模型转换成STL（STL为RP技术工业标准）格式，在转换过程中，要综合考虑加工精度、加工工作量和文件容量等因素。3、用预加工软件将STL模型转换成加工文件，即根据制造工艺不同，将STL模型切割成0.01~0.7mm薄片层。在这一过程中，要根据性能要求和尽量减少加工时间的原则选择被加工工件的坐标和加工方向，同时考虑工件加工过程中的支撑。4、实际加工过程，不同的RP技术，设备和加工原理有所不同，但大多是一层一层地制造。所用的材料有聚脂材料、纸、粉末陶瓷或金属等。加工过程自动化很高，不用人工干预。5、后处理工序，包括从机器中取出工件，进行必要的清理和表面处理如：封蜡、涂漆等，以增加外观质量和耐用性，最新的后处理加工如：采用高温渗入环氧树脂和静电镀镍等技术可获得表面质量很高的制品。4.主要的快速原型制造（RP&M）技术RP&M的制造技术、原理和设备类型有多种，但较成熟的和具有影响的主要有以下六种。4.1.立体光造型（SLA）立体光造型是研究最早和较为成熟的一项快速原型制造技术。它是利用液体光敏聚脂材料在紫外光照射下固化的特点而实现三维造型的。首先将造型平台置于液体聚脂材料液面以下，在紫外光激光器照射下，要成型的部分液体固化在平台上，其余部分保持液体状态，然后将平台下移微小距离，刮平固化表面并涂上第二层液体，激光光源再对第二层实施加工，这种过程重复进行直至完成模型制造，最后完成取模、清理工作。立体光造型技术可以顺利成型各种形状复杂零件，包括薄壁件、透明件、异形件以及传统方法不可能加工的各种零件。该技术具有制造精度高，生产零件强度和硬度好等特点。由于使用透明材料，模型可用于光弹应力分析和可视化研究，生产的模型柔性化好，可随意拆装，是间接制模的理想方法，缺点是清洗和养护等后处理工序较费时。如下图3所示。图3立体光造型（SLA）原理图4.2.分层实体制造技术LOM(LaminatedObjectManufacturing)工作时，先放置成型基底，工作台下降一层高度，送纸辊送纸，收纸辊同步回收废料，在工作台上铺一层簿型材料，热压辊筒加热后，碾压材料表面，使它与已成型层牢牢粘合在一起，再使用激光扫描，切割出当前层的轮廓，这样逐层加工，直到制件完成。激光扫描时，首先在材料表面切割出截面的轮廓线，然后在废料部分切割出X—Y方向交叉网格。生成网格的主要目的是为了方便废料的剥离。最后从连续的材料带上切下整个平面扫描部分，为下一层加工作好准备。激光扫描是分层实体制造中的关键工序，它直接影响着制件的成型精度。如下图4：图4LOM成型原理4.3.选择性激光烧结SLS（SelectingLazetSintering）择性激光烧结，是使用粉状固体材料（如：石蜡、聚碳酸脂、石英砂、合金粉等）进行加工的一种快速成型方法。它在储料缸中放入加工原料，在工作缸中完成原型加工。选择性激光烧结加工时，原料缸上升一个层厚，成型缸下降一个层厚，铺粉机构把粉料从原料缸快速铺向成型缸，然后，激光在工作台面上作选择性扫描，扫描过的部分连接成一个整体,没有扫描过的部分仍然保持粉状结构.截面完成后,再进行下一个工作周期,层层烧结形成制件。图5SLS成型原理图4.4.熔丝沉积成型FDM(FuseDepositionModeling)在加热室下连接着制作喷头和支撑喷头。制作支撑时，支撑丝连续地送进，支撑喷头在基底或已成型层上逐线扫描，形成辅助支撑。制件加工时，制件丝连续送进，制作喷头在已成型层上逐线扫描，制作丝送入喷头，在喷头中熔化，喷出，在已成型层上固化，形成制件的二维截面。每加工一层，工作台下降一次，新层添加在已加工层上，固化在一起。多次重复，就可以形成具有直接实用价值的塑料件。FDM成型原理4.5.光面固化成形SGC（SolidGroundCuring）SGC技术是由Cubital公司开发的，其原理有点像SLA技术，所不同的是SGC技术不是逐点成型，而是同时制造一层，因此也称为固化过程。其基本原理是：先在制造平台上撒一层液体感光树脂材料，然后利用类似复印机的静电过程在制造平台上方的透明玻璃板上打印出具有模型第一层形状的遮光膜。用紫外光源照射遮光膜，则光线只能穿过透明部分而选择固化这一层。接着，用真空吸除余下的液体树脂，而将这部分涂上蜡以支撑模型，这一层制好后，下降平台再制造第二层直至模型制成。模型制好后，要放入溶剂池中除蜡，该技术的特点是制造速度快，制件尺寸大，并可同时制造多件制品。图6SGC技术加工原理图4.6.喷墨打印（Ink—JetPrinting）喷墨打印指的是利用喷墨原理制造模型或零件的一类技术或设备。该技术的制造平台置于粉末材料中，喷墨打印头喷出熔结剂将第一层中模型实体部分和粉末熔结在一起，未熔结的粉末作为支撑，然后将平台下移，加入粉末，抹平，再制造第二层，制成后，零件烧结，然后从粉末中取出。图7喷墨打印技术原理图年来，MIT（麻省理工学院）的研究人员对于3DP技术进行了更广泛和深入的研究，开发了用多种打印头的局部成份控制（LocalCompositionControl）技术，其原理如图所示。其过程和步骤类似其它喷墨打印技术，但它通过材料成份、性能分析程序结合造型CAD数据，复合生成LCC模型从而实现模型内部局部成份控制，不同的打印头控制不同的材料成份，使制成的零件或模型内部具有不同的成份和特性，如不同的折射系数、不同的导电率、不同的韧性和成形性能、不同的耐腐蚀性、不同的强度和硬度，以满足不同的要求。图83DP的局部成份控制（LLC）技术5.快速原型制造技术的特点快速原型制造技术作为机械制造、激光、计算机、新材料和自动控制等技术综合应用的一项新的加工制造技术，是对传统制造方法的一项根本变革。与传统的制造技术相比，快速原型制造技术具有如下优点：（1）减少制造成本，缩短制造周期。由于可以应用CAD数据直接制造原型、模具或零件，从而减少了生产准备和加工过程时间，同时也降低了生产成本。（2）传统的模具、零件制造常常采用设计→试制→实验→修改设计→再制造这一过程，采用RP技术可进行前期实验，即在设计的同时进行性能实验，节约实验时间和费用。（3）最新的RP技术与传统的有限元（FEM）相结合，根据几何设计和性能分析结果制造模具和零件。先进的3DP（ThreeDimensionalPrinting)技术采用局部成份控制（LLC）原理，可控制RP制件内部的成份和各种性能。这些成就更扩大了RP技术的应用范围。（4）RP技术可以生产任意几何形状包括空心、薄壁和具有复杂内部结构的零件或模型，尤其适合于生产批量较小而生产周期要求又短的制造领域。6.快速原型制造技术的应用一个新产品在开发过程中，总是要经过对初始设计的多次修改，才有可能真正推向市场。通常，产品到了经销商或客户的手中，很快就会有各种反馈的意见，认为这个产品如果能够再修改一下就会更好。于是厂家就会根据所搜集到的意见，对产品进行改型。“修改”，在制造业中，是个谈谈容易做起来难的事。哪怕是外观上的一点修改，往往就要重新制作模具。而模具的制作是一件非常费钱费时的事情，比如，一个制造普通电话机外壳的模具，就要花费好几万元才能做出来。更严重的是，当你在花钱制作新模具的时候，并不知道这一次是不是一定能够满意。万一再不满意，再花钱是小事，拖延了时间就可能意味着失去市场。虽然利用电脑的虚拟技术可以非常逼真地再屏幕上显示所设计的产品的外观，但是，视觉上再逼真，也无法与实物相比。只要想一想，单凭广告的精美图片，是没有多少人敢马上花钱去买一件贵重商品的，非要亲自到商场，亲手摸一摸，摆弄摆弄，才敢真的下决心。因此在市场上，眼见还不能为实，非要手摸才能为实。买一件商品尚且如此，如果是商家成千上万地向厂家定货，就更不是单纯看看电脑屏幕就可以下决心的事了。由于全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分剧烈，产品开发周期的长短直接影响到一个企业的生死存亡。因此，客观上需要一种可以直接地将设计数据快速地转化为三维实体的技术。这样，不但可以快速直观地验证设计的正确性，而且可以向客户、甚至仅仅是有意向的潜在客户提供未来产品的实体模型，从而达到迅速占领市场的目的。快速原型技术（RapidPrototyping，简称RP）就是在这样的社会背景下于1988年诞生于美国，迅速扩展到欧洲和日本，并于九十年代初期引进我国。快速原型技术综合应用各种现代技术，直接快速地将电脑设计数据转化为实物，形象地说，快速原型技术实现了所谓“心想事成”的梦想。快速原型技术已广泛应用于快速概念模型制造（比如检验所设计的产品样子好看不好看、新潮不新潮）、快速测试模型制造（比如检验所设计的产品好用不好用、性能怎么样）、快速模具制造（直接制造模具）和快速功能零件制造（直接制造零件）等领域。近年来，国内外众多高等院校、科研机构、设备制造单位和商用服务机构的研究人员对快速原型制造技术进行着不断的研究和完善，新技术不断涌现，新设备、新材料层出不穷，制造周期大大缩短，制品质量不断提高，应用范围不断扩大。其应用范围大致可以分为以下几类：1、制造原型（Prototyping）快速原型制造技术最初是为了交换信息和实验的目的用来制造原型。用三维实体