(RP)-快速成型技术

快速成型技术(RP)快速成型技术(RP)的起源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），各自独立地首次提出了RP的概念，即利用连续层的选区固化制作三维实体的新思想。CharlesW.Hull在UVP的资助下，完成了第1个RP系统StereolithographyApparatus（SLA），并于1986年获得专利，这是RP发展的一个里程碑。随后许多快速成形概念、技术及相应的成形机也相继出现。a）b）传统加工与快速成型比较模具模具设计铸造焊接锻压毛坯（大于工件）半成品半成品工件去除加工设计模具样品快速成形快速成型技术(RP)的定义快速成型技术(RapidPrototyping&Manufacturing,缩写为(RP)技术，又叫快速原型技术。RP技术是将计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机数控技术(CNC)、材料学和激光结合起来的综合性造型技术。快速成型技术(RP)的基本原理快速成型技术是对零件的三维CAD实体模型，生成STL文件、按照一定的厚度进行分层切片处理，生成二维的截面信息，然后根据每一层的截面信息，利用不同的方法生成截面的形状，借助计算机控制的成型机完成材料的形体制造。这一过程反复进行，各截面层层叠加，最终形成三维实体。分层的厚度可以相等，也可以不等。分层越薄，生成的零件精度越高，采用不等厚度分层的目的在于加快成型速度。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。快速成型技术(RP)的成型过程快速成型技术(RP)的成型过程：首先建立目标件的三维计算机辅助设计(CAD3D)模型,然后对该实体模型在计算机内进行模拟切片分层,沿同一方向(比如Z轴)将CAD实体模型离散为一片片很薄的平行平面;把这些薄平面的数据信息传输给快速成型系统中的工作执行部件,将控制成型系统所用的成型原材料有规律地一层层复现原来的薄平面,并层层堆积形成实际的三维实体,最后经过处理成为实际零件。快速成型过程喷粘结剂喷热熔材料三维产品（样品/模具）表面处理构造三维模型模型近似处理切片处理激光喷射源固化树脂切割箔材烧结粉末快速成型技术(RP)的技术体系一个比较完整的快速成型技术的技术体系包含CAD造型、反求工程、数据转换、原型制造以及物性转换等基本环节。1、三维CAD造型三维造型包括实体造型和曲面造型。利用各种三维CAD软件进行几何造型,得到零件的三维CAD数学模型，这是快速成型制造技术的重要组成部分，是获得初始信息的最常用方法，也是制造过程的第一步。目前较著名的CAD软件系统主要有Pro／Engineer，AutoCAD，I—DEAS，Unigraphics，CATIA，CADKEY等，其三维造型方式主要有实体造型和曲面造型，三维数据格式主要有IGES，DXF，VDA—FS，Uni—versallFiles等。目前许多CAD软件在目前系统中加入一些专用模块，将三维造型结果进行离散化，生成面片模型文件(STL文件、CFL文件等)或层片模型文件(LEAF文件、CLI文件、HPGL文件等。2、反求工程物理形态的零件是快速成型制造技术中零件几何信息的另一个重要来源。这里既包括天然形成的各种几何形体，也包括利用各种技术手段，如锻造、锻压、焊接、车、铣、刨、磨、堆积等传统工艺加工而成的几何实体。几何实体包含了零件的几何信息,但这些信息必须经过反求工程将三维物理实体的几何信息数字化,将获得的数据进行必要的处理后,实现三维重构而得到CAD三维模型。反求工程是将三维的物理实体几何信息数字化的一系列技术手段的总称，它完成实物信化的功能。反求工程的整个过程主要由两个部分组成，首先是零件表面数字化，提取零件的表面三维数据。主要的技术手段有三坐标测量仪、三维激光数字化仪、工业CT和磁共振成像MRI，以及自动断层扫描仪等。通过三维数字化设备得到的数据往往是一些散乱的无序点或线的集合，还必须对其进行三维重构得到三维CAD模型，或者层片模型等。3、数据处理与转换快速成型系统比绘图仪、打印机要复杂得多，同时设备工艺也具有更大的多样性，因此利用快速成型系统制造零件并不像使用打印机、绘图仪那样简单，只要将CAD系统的文件发送过去就行了。三维CAD造型或反求工程得到的数据必须进行大量处理，才能用于控制RP成型设备制造零件。数据处理的主要过程包括表面离散化，生成STL文件或CFL文件，分层处理生成SLC、CLI、HPGL等层片文件，根据工艺要求进行填充处理，对数据进行检验和修正并转换为数控代码。表面离散化是在CAD系统上对三维的立体模型或曲面模型内外表面进行网络化处理,即用离散化的小三角形平面片来代替原来的曲面或平面,经网络化处理后的模型即为STL文件.该文件记录每个三角形平面片的顶点坐标和法向矢量.然后用一系列平行于X2Y平面(可以是等间距或不等间距)对基于STL文件表示的三维多面体模型用分层切片算法对其进行分层切片,然后对分层切片信息进行数控后处理,生成控制成型机运动的数控代码.目前已经有许多比较成熟的RP专用数据处理软件面市。如BridgeworksandSolidView，Brockware，StlView，Velocity，Z_Shifter，RapidTools，RapidPrototypingModule，RapidTools，以及清华大学激光快速成型中心开发的Lark’98等。4、原型制造即利用快速成型设备将原材料堆积成为三维物理实体。材料、设备、工艺是快速原型制造中密切相关的三个基本方面。不同的工艺要求不同的材料，要求不同的设备来实现。这里材料问题是一个基本的问题。目前许多制造商可以提供多种快速原形设备，而且新的工艺设备也在不断出现。常见的系统有3DSystems的SLA—250，Helisys的LOM—2030，Stratasys的FDM1650，FDM2000，FDM8000，国内清华大学激光快速成型中心的MRPMS—II等。各种设备具有不同的特点和局限，有着不同的应用范围。5、物性转换通过快速原形系统制造的零件的力学、物理性质往往不能直接满足需要，仍然需要进一步的处理，即对其物理性质进行转换。该环节是RP&M实际应用的一个重要环节，包括精密铸造、金属喷涂制模、硅胶模铸造、快速EDM电极、陶瓷型精密铸造等多项配套制造技术，这些技术与RP技术相结合，形成快速铸造、快速模具制造等新技术。在目前RP制造技术尚不能直接制造满足工业要求的结构和功能零件的情况下，这是RP技术走向工业应用的重要桥梁。快速成型技术(RP)系统分类RP系统可分为两大类：1、基于激光或其它光源的成形技术，如：立体光造型（Stereolithography：SL）、迭层实体制造（LaminatedObjectManufacturing：LOM）、选择性激光烧结（SelectedLaserSintering：SLS）、形状沉积制造（ShapeDepositionManufacturing：SDM）等；2、基于喷射的成形技术，如：熔融沉积制造（FusedDepositionModeling：FDM）、三维打印制造（ThreeDimensionalPrinting：3DP）等。快速成型技术(RP)的划分方法目前基于快速成型技术(RP)开发的工艺种类较多,可以分别按所用材料划分,成型方法划分为1)利用激光或其它光源的成型工艺的成型:---立体光造型(简称SL),或光固化快速成型;---叠层实体造型(简称LDM)---选择性激光烧结(简称SLS)---形状层积技术(简称SDM);2)利用原材料喷射工艺的成型:---熔融层积技术(简称FDM)---三维印刷技术(简称3DP)其它类型工艺有:---树脂热固化成型(LTP)---实体掩模成型(SGC)---弹射颗粒成型(BFM)---空间成型(SF)---实体薄片成型(SFP)目前较为成熟的快速成型方法及典型成形工艺目前快速成型技术的成型工艺方法有十几种,各种方法有自身的特点和实用范围。比较成熟并已商品化的成型方法有：1、立体光固化成型法(SM)2、选择性激光烧结法(SLS)3、叠层制造法(UM)4、熔融沉积造型法(FDM)5、LSL(LaserSteroLithography)法自美国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SLA、SLS、LOM和FDM等方法。其成形原理分别介绍如下：（1）光固化成形（简称：SLA或AURO）(SL—Stereolithography)光敏树脂为原料：SLA快速成形系统的成形原理：--成形材料：液态光敏树脂；--制件性能：相当于工程塑料或蜡模；--主要用途：高精度塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。光固化成形是最早出现的快速成形工艺。其原理是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。光固化工艺的设备做出的零件其优点是精度较高、表面效果好，零件制作完成打磨后，将层层的堆积痕迹去除,但运行费用高，且强度低，无法进行装配。例如：光敏树脂固化成型原理：基于光敏树脂受紫外光照射凝固的原理，计算机控制激光逐层扫描固化液槽中的光敏树脂。每一层固化的截面是由零件的三维CAD模型软件分层得到，直至最后得到光敏树脂实物原型。（2）粉末烧结成形（简称：SLS(SelectiveLaserSintering)）蜡粉为原料：SLS快速成形系统的成形原理：--成形材料：工程塑料粉末；--制件性能：相当于工程塑料、蜡模、砂型；--主要用途：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。SLS法采用各种粉末(金属、陶瓷、蜡粉、塑料等)为材料，在激光照射下烧结的原理，利用滚子铺粉，用CO2高功率激光器对粉末进行加热，在计算机控制下堆积成形，直至烧结成块。其优点是多零件制作时速度快；但精度较低，后处理工艺复杂。利用该方法可以加工出能直接使用的金属件。（3）SLA使用二氧化碳激光器烧结粉末材料（如蜡粉，PS粉，ABS粉，尼龙粉，覆膜陶瓷和金属粉等）。成型时先在工作台上铺一层粉末材料，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。一层完成后，工作台下降一个层厚，再进行后一层的铺粉烧结。如此循环，最终形成三维产品。特点：这种方法适合成型中小型零件，能直接制造蜡模或塑料，陶瓷和金属产品。制件的翘曲变形比SLS工艺小，但仍需对容易发生变形的地方设计支撑结构。这种工艺要对实心部分进行填充扫描烧结，因此成型时间较长。和、可烧结覆膜陶瓷粉和覆膜金属粉，得到成型件后，将制件置于加热炉中，烧掉其中的粘结剂，并在孔隙渗入填充物。它最大的优点在与适用材料很广，几乎所用的粉末都可以使用，所以其应用范围也最广。（4）LSL(LaserSteroLithography)法LSL法是以各类树脂为成形材料，以氦-镉激光器为能源，以树脂受热固化为特征的快速成形方法。具体做法是，由CAD系统设计出零件的三维模型，然后分属设定工艺参数，由数控装置控制激光束的扫描轨迹。当激光束照射到液态树脂时，被照射的液态树脂固化。当一层加工完毕后，就生成零件的一个截面，然后移动工作台。加上一层新的树脂，进行第二层扫描，第二层就牢固地粘贴到第一层上，就这样一层一层加工直至整个零件加工完毕。（5）分层实体成形（简称：LOM(LaminatedObjectManufacturing)或SSM）纸为原料快速成形系统的成形原理：--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。LOM法的特点是以片材(如纸片、塑料薄膜或复合材料)为材料，片材表面事先涂覆上一层热熔胶，根据三维模型每一个截面的