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文檔簡介
1、<p> 快速成型技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展</p><p><b> 張鵬飛</b></p><p> 天津大學(xué)機械學(xué)院機械工程專業(yè)2011級碩士生</p><p> 摘要: 概括地介紹了快速成型技術(shù)的起源,簡要介紹快速成型技術(shù)(Rapid Photograph Manufacturing——RPM)的工作原理,描述了快速成型技術(shù)的發(fā)
2、展現(xiàn)狀;根據(jù)快速成型技術(shù)的特點,提出了快速成型技術(shù)在現(xiàn)階段存在的問題及其以后在其它行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展前景。</p><p> 關(guān)鍵詞:快速成型、應(yīng)用、特點、發(fā)展</p><p><b> 0 前言</b></p><p> 快速成型技術(shù)又稱快速原型制造( 簡稱RPM)技術(shù),誕生于20 世紀(jì)80 年代末期,是基于材料堆積法的一種高新制造工藝,
3、被認為是近20 年來制造領(lǐng)域的一個重大成果。它集機械工程、CAD、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、激光技術(shù)于一身,可以自動、直接、快速、精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)變成原形或零件,從而為新設(shè)計思想的校驗提供了一種高效低成本的實現(xiàn)手段。快速成型技術(shù)是在計算機的控制下,基于離散、堆積的原理,采用不同方法堆積材料,最終完成零件的成型與制造?,F(xiàn)以廣泛運用于家電、汽車、航空航天、船舶、工業(yè)設(shè)計、醫(yī)療、藝術(shù)、建筑等領(lǐng),為這些領(lǐng)域的發(fā)展提供了強大的推動作用。域但快速成型畢
4、竟是屬于新興的先進制造技術(shù),其在擁有諸多優(yōu)點的同時也不可避免的存在缺點。[1]</p><p><b> 快速成型技術(shù)的起源</b></p><p> 1979年,東京大學(xué)的中川威雄教授利用分層技術(shù)制造了金屬沖裁模、成型模和注塑模。20世紀(jì)70年代末到80年代初,美國3M公司的AIanJ.Hebert(1978年)、日本的小玉秀男(1980年)、美國UVP公司的C
5、harles W. Hull (1982年)和日本的丸谷洋二(1983年),各自獨立地首次提出了RP的概念,即利用連續(xù)層的選區(qū)固化制作三維實體的新思想。Charles W.Hull在UVP的資助下,完成了第1個RP系統(tǒng)Stereo lithography Apparatus (SLA),并于1986年獲得專利,這是RP發(fā)展的一個里程碑。隨后許多快速成型概念、技術(shù)及相應(yīng)的成型機也相繼出現(xiàn)。[2]</p><p>
6、 快速成型技術(shù)的工作原理特點及其應(yīng)用現(xiàn)狀</p><p> 2.1.1快速成型技術(shù)的工作原理[3]</p><p> 快速成型技術(shù)不是采用一般意義上的模具或刀具加工零件,而是采用了一種新型工具能源加工原理,即利用光、熱、電等手段,通過固化、燒結(jié)、粘結(jié)、熔結(jié)、聚合作用或化學(xué)作用等方式,有選擇地固化(或粘結(jié)) 液體(或固體) 材料,從而實現(xiàn)材料的轉(zhuǎn)移與堆積,形成需要的原型零件。快速成型制造
7、思想的初始思路來源于將三維實體截成一系列連續(xù)薄切片的逆過程,即首先對零件的三維CAD 實體模型進行分層處理,獲得零件的二維截面數(shù)據(jù)信息,然后根據(jù)每一層的截面數(shù)據(jù),采用上述方法生成與該層截面形狀一致的薄片,反復(fù)進行這一過程,薄片逐層累加,直至“生長”出所需實體零件。產(chǎn)品CAD實體模型構(gòu)建方法有兩種,一是可通過概念設(shè)計,設(shè)計出所需零件的計算機三維模型(數(shù)字模型、CAD模型);二是可通過逆向工程,通過三維數(shù)字掃描儀對產(chǎn)品原型進行掃描,而后結(jié)合
8、逆向工程對掃描數(shù)據(jù)進行處理。然后按照一定的規(guī)律將該模型離散為一系列有序的單元, 通常在Z向?qū)⑵浒匆欢ê穸冗M行離散(習(xí)慣稱為分層),把原來的三維CAD模型變成一系列的層片。根據(jù)每個層片的輪廓信息,輸入加工參數(shù),自動生成數(shù)控代碼。由成形系統(tǒng)成形一系列層片并自動將它們聯(lián)接起來,得到一個三維物理實</p><p> 常用的快速成型的方法有:</p><p> (1) 光固化立體造型(SLA):
9、 以光敏樹脂為原料,采用計算機控制下的紫外激光束以原型各分層截面輪廓為軌跡進行逐點掃描,使被掃描區(qū)</p><p> 內(nèi)的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)后固化,從而形成</p><p> 制件的一個薄層截面。一層固化完畢后,向下移</p><p> 動工作臺,在剛剛固化的工作表面布放一層新的光敏樹脂以便進行循環(huán)掃描、固化。新固化的一層牢固地粘結(jié)在前一層上,如此重復(fù)堆積
10、成整個原型。采用這種方法成型的零件有較高的精度且表面光潔, 但可用材料的范圍較窄。</p><p> (2) 分層物件制造(LOM): LOM 的層面信息通過每一層的輪廓來表示, 激光掃描器的動作由這些輪廓信息控制, 它采用的材料是具有厚度信息的片材。這種加工方法只需加工輪廓信息, 所以可以達到很高的加工速度,但材料的范圍很窄, 每層厚度不可調(diào)整是最大缺點。</p><p> (3)
11、選擇性激光燒結(jié)(SLS):SLS 使用固體粉末材料, 該材料在激光的照射下, 能吸收能量, 發(fā)生熔融固化, 從而完成層信息的成型。這種方法適用的材料范圍廣(適用于聚合物、鑄造用蠟、金屬或陶瓷粉末), 特別是在金屬和陶瓷</p><p> 材料的成型方面具有獨特的優(yōu)點。SLS 無材料浪費現(xiàn)象, 未燒結(jié)的粉末可重復(fù)使用。目前成熟的工藝材料為蠟粉及塑料粉, 用金屬粉或陶瓷粉進行粘結(jié)或燒結(jié)的工藝還正在實驗階段。<
12、/p><p> (4) 熔融沉積造型(FDM) :采用熱熔噴頭,使半流動狀態(tài)的材料流體按模型分層數(shù)據(jù)控制的路徑擠壓出來,并在指定的位置沉積、凝固成型,這樣逐層沉積、凝固后形成整個原型。這種方法的能量傳輸和材料傳輸均不同于前面三種方法, 系統(tǒng)成本較低; 但由于噴頭的運動是機械運動, 速度有一定限制,所以加工時間較長, 且其材料使用范圍不廣。</p><p> (5)三維打?。?DP):先鋪粉
13、,利用噴嘴按指定路徑將液態(tài)粘結(jié)劑噴在粉層上的特定區(qū)域,粘結(jié)后去除多余的材料便得到所需的原形或零件。這種方法適合成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。</p><p> 各種方法間的比較如表1所示:</p><p> 表1 各種成型方法的比較</p><p> 2.1.2快速成型技術(shù)的特點</p><p> ?。?) 產(chǎn)品靈活性。RP技術(shù)采用離散/堆積成
14、型的原理,將十分復(fù)雜的三維制造過程簡化為二維制造過程的疊加,使復(fù)雜模型直接制造成為可能,越是復(fù)雜的零件越能體現(xiàn)RP技術(shù)的優(yōu)越性;</p><p> ?。?) 快速性。從CAD 設(shè)計到完成原型制作通常只需幾個小時到幾十個小時,加工周期短,可節(jié)約70%時間以上,能夠適應(yīng)現(xiàn)代競爭激烈的產(chǎn)品市場;</p><p> ?。?) 低成本。與產(chǎn)品的復(fù)雜程度無關(guān),節(jié)省了大量的開模時間,一般制作費用降低50
15、%,特別適合新產(chǎn)品的開發(fā)和單件小批量零件的生產(chǎn);</p><p> (4) 成型過程中信息過程和材料過程一體化,制作原型所用的材料不限,各種金屬和非金屬材料均可使用,尤其適合成型材料為非均質(zhì)并具有功能剃度或有孔隙要求的原形;</p><p> ?。?) 適應(yīng)于加工各種形狀的零件,制造工藝與零件的復(fù)雜程度無關(guān),不受工具的限制,可實現(xiàn)自由制造(Free Form Fabrication),原
16、型的復(fù)制性、互換性高;</p><p> (6) 使設(shè)計、交流和評估更加形象化,使新產(chǎn)品設(shè)計、樣品制造、市場定貨、生產(chǎn)準(zhǔn)備、等工作能并行進行,支持同步(并行)工程的實施;</p><p> ?。?) 具有高柔性,采用非接觸加工的方式,無需任何工夾具,即可快速成型出具有一定精度和強度并滿足一定功能的原型和零件。</p><p> (8) 高集成化,RP 技術(shù)是集計
17、算機、CAD/CAM、數(shù)控、激光、材料和機械等一體化的先進制造技術(shù),整個生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化、數(shù)字化、與CAD模型具有直接的關(guān)聯(lián),所見即所得,零件可隨時制造與修改,實現(xiàn)設(shè)計制造一體化。</p><p> ?。?) 加工過程中無振動、噪聲和廢料,可實現(xiàn)無人值守長時間自動運行。</p><p> 2.1.3快速成型技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀</p><p> 從整個世界范圍內(nèi)而言
18、,快速成型術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于家電、汽車、航空航天、船舶、工業(yè)設(shè)計、醫(yī)療等領(lǐng)域。藝術(shù)、建筑等領(lǐng)域的工作者也已開始使用RPM設(shè)備。根據(jù)14個RPM設(shè)備供應(yīng)商和43個RPM服務(wù)商的統(tǒng)計數(shù)據(jù),所有RP模型的近41%用于裝配和功能型零件:約27%用于工程、工具制造、報價和投標(biāo):約23%用于原型模具、金屬鑄造及模芯制造。隨著RPM技術(shù)本身的發(fā)展和完善,其應(yīng)用領(lǐng)域在不斷拓展截至2001年7月,全球共有355家RPM服務(wù)機構(gòu),30家設(shè)備制造商,12家材料
19、供應(yīng)商,35家咨詢機構(gòu),14家專門的軟件供應(yīng)商,67個教育及研究機構(gòu)。分布于全球58個國家的RP系統(tǒng)有6755臺套。根據(jù)其中6521個系統(tǒng)的分布情況統(tǒng)計出:北美(主要是美國)占45.3%,亞洲/環(huán)太平洋地區(qū)占28.6%,歐洲占24.6%,其它地區(qū)只占1.5%。近年來,采用RP設(shè)各最積極的地區(qū)是東亞(尤其是韓國、香港、新加坡)[4]。在具體的應(yīng)用上它可以用于新產(chǎn)品開發(fā)過程中的設(shè)計驗證與功能驗證。在新產(chǎn)品造型設(shè)計過程中應(yīng)用RPM 技術(shù)可以為
20、設(shè)計開發(fā)人員建立一種嶄新的產(chǎn)品開發(fā)模式,運用該技術(shù)能夠快速、直接、精確地將設(shè)計思想模型轉(zhuǎn)化為具有一定</p><p> 在我國,為了加快快速成型技術(shù)(RPM)在我國的發(fā)展,國家已組織實施了快速成型技術(shù)應(yīng)用研究和推廣服務(wù)工作。經(jīng)過國內(nèi)多所大學(xué)及公司幾年的努力,已經(jīng)研制開發(fā)出與國外SLA, LOM、SLS, FDM工藝相類似的一批設(shè)備。這些設(shè)備都是多種技木的集成.主要是為了提高RPM制作精度和可靠性,涉及工藝原理、
21、工藝方法、溫度控制、激光及冷卻系統(tǒng)、精密機械傳動等硬軟件方面。但RPM技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用還不十分廣泛,設(shè)備安裝臺數(shù)不多,目前僅限于大型企業(yè)。與國外相比,我們的RPM技術(shù)沒有得到充分的發(fā)展與應(yīng)用。[6]</p><p> 3 快速成型技術(shù)所存在的不足以及其在未來的發(fā)展</p><p> RPM 技術(shù)雖然有其巨大的優(yōu)越性,但是也有它的局限性,由于可成型材料有限,同時成型材料價格一般都比較昂
22、貴。由于是逐層堆積,層與層之間總有一定厚度從而造成零件精度低,表面粗糙度高。成型的原料一般式塑料、樹脂、尼龍,當(dāng)然還有個別的金屬,如銅、鋁等但總之達不到正常鑄件或者加工件的硬度或者強度要求,即原型零件的物理性能較差。機器的成本比較高,特別對于國內(nèi)而言,從機器設(shè)備到加工原材料都要大量的依靠進口,所以運行制作的成本很高,只有一些大公司才有這樣的資金進行這方面的投入,而小型的公司只能望塵莫及。所以在一定程度上成為該技術(shù)的推廣普及的瓶頸。也正是
23、由于這些缺點致使快速成型技術(shù)還主要用于模型的加工,而一般不能用于加工用于生產(chǎn)的工件,特別是金屬件。針對上述缺點我們提出如下的發(fā)展方向[7]:</p><p> ?。?)大力改善現(xiàn)行快速成型制作機的制作精度、可靠性和制作能力,提高生產(chǎn)效率,縮短制作周期。尤其是提高成型件的表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能,為進一步進行模具加工和功能試驗提供平臺。</p><p> ?。?)隨著成型工藝的進步和應(yīng)用的擴
24、展,其概念逐漸從快速成型向快速制造轉(zhuǎn)變,從概念模型向批量定制轉(zhuǎn)變,成型設(shè)備也向概念型、生產(chǎn)型和專用型三個方向分化。</p><p> ?。?)開發(fā)性能更好的快速成型材料。材料的性能既要利于原型加工,又要具有較好的后續(xù)加工性能,還要滿足對強度和剛度等不同的要求。</p><p> (4)提高RPM 系統(tǒng)的加工速度和開拓并行制造的工藝方法。目前即使是最快的快速成型機也難以完成象注塑和壓鑄成型
25、的快速大批量生產(chǎn)。將來的快速成型機需要向快速和多材料的制造系統(tǒng)發(fā)展,以便可以直接面向產(chǎn)品制造。</p><p> ?。?)開發(fā)直寫技術(shù)。直寫技術(shù)對于材料單元有著精確的控制能力,開發(fā)直寫技術(shù),是快速RPM技術(shù)的材料范圍擴大到細胞等活性材料領(lǐng)域,加深學(xué)科間的交叉,擴大RPM的適用范圍。</p><p> ?。?)RPM 與CAD、CAM、CAPP、CAE 以及高精度自動測量、逆向工程的集成一體
26、化。該項技術(shù)可以大大提高新產(chǎn)品的第一次投入市場就十分成功的可能性,也可以快速實現(xiàn)反求工程。</p><p> ?。?)研制新的快速成型方法和工藝。除了目前SLA、LOM、SLS、FDM 外,直接金屬成型工藝將是以后的發(fā)展焦點。</p><p> ?。?)提高網(wǎng)絡(luò)化服務(wù),進行遠程控制,實現(xiàn)全球化異地協(xié)同合作。同時這也是所有機械化生產(chǎn)必然的趨勢。</p><p><
27、;b> 4 結(jié)論</b></p><p> 快速成型技術(shù)是一種正在不斷完善的先進制造技術(shù),它是伴隨激光技術(shù)、計算機技術(shù)、新</p><p> 材料技術(shù)及其它先進技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展和進步的,正在不斷的完善,具有廣泛的應(yīng)用前景。目前RPM 技術(shù)在歐美、日本等發(fā)達國家應(yīng)用較為廣泛,我國僅僅一些高等院校及有關(guān)廠家在吸收消化國外技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出了快速成型機,但是在質(zhì)量和數(shù)量以
28、及應(yīng)用領(lǐng)域方面,遠比不上發(fā)達國家。21世紀(jì)將是以知識經(jīng)濟和信息社會為特征的時代, 制造業(yè)面臨信息社會中瞬息萬變的市場對小批量多品種產(chǎn)品要求的嚴峻挑戰(zhàn)。作為當(dāng)今制造行業(yè)中急劇潛力的工藝技術(shù),快速成型技術(shù)(RPM)是當(dāng)今制造業(yè)贏得市場的法寶,在未來的幾年內(nèi)將會有更大的發(fā)展, 尤其是在RP 系統(tǒng)的制作精度、可靠性以及RP 材料、RP 軟件等方面的改進和創(chuàng)新將會更快??焖俪尚图夹g(shù)以其獨特的優(yōu)勢和魅力,在制造業(yè)領(lǐng)域起到越來越重要的作用,并將給制造
29、業(yè)帶來深遠的影響。</p><p><b> 參考文獻</b></p><p> [1] 張世昌. 先進制造技術(shù),天津大學(xué)出版社,2004.</p><p> [2] 袁祁剛. 楊繼全.快速制造技術(shù)的新進展,西安光電學(xué)報,2007,26(4):20-23.</p><p> [3] 陳雪芳. 逆向工程與快速
30、成型技術(shù)應(yīng)用,機械工業(yè)出版社,2009.</p><p> [4] 陳肚利. 快速成形技術(shù)及其發(fā)展趨勢[J]制造業(yè)自動化.2009.</p><p> [5] 馮濤 李志剛.快速成型與快速制模技術(shù)的最新發(fā)展[J]磨具工業(yè),2003.</p><p> [6] 林天青. 快速成型技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展研究[J]工程技術(shù),2011.</p><
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