快速原型制造技術的應用

1、快速原型制造技術的應用康米（南京農(nóng)業(yè)大學，車輛工程91班，30309124）摘要：關鍵字：快速原型，模具制造，空腔醫(yī)學，飛行系統(tǒng)0引言制造業(yè)是一個國家的重要基礎產(chǎn)業(yè)，它為國民經(jīng)濟的各個部門提供先進的手段和裝備。在新的世紀，隨著市場多樣化需求的發(fā)展, 產(chǎn)品競爭日益激烈, 加速新產(chǎn)品的開發(fā)和提高制造技術的柔性、敏捷性已成為企業(yè)贏得競爭的關鍵, 在此背景下快速原型制造技術 (Rapid Prototyping Manufacturing, 簡稱 RPM 或 RP 應運而生?？焖僭图夹g是一項綜合了機械、CAD 、計算機、數(shù)控、檢測、激光及材料等多學科的先進制造技術, 20 世紀 80 年代起源于日本

2、, 很快在世界各國得到推廣應用, 目前已成為制造業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)服務的一項關鍵共性技術。并且，快速原型技術在各個領域都在發(fā)展，應用。不管是其基礎應用，還是快速成型的思想。它的前景是寬廣的，美好的，相信不久的將來，它會為世界帶來另一個工業(yè)革命。1 快速原型制造技術的基本原理 快速原型技術是用離散分層的原理制作產(chǎn)品原型的總稱，其原理為：產(chǎn)品三維CAD 模型分層離散按離散后的平面幾何信息逐層加工堆積原材料生成實體模型。該技術集計算機技術、激光加工技術、新型材料技術于一體，依靠CAD 軟件，在計算機中建立三維實體模型，并將其切分成一系列平面幾何信息，以此控制激光束的掃描方向和速度，采用粘結(jié)、熔結(jié)、聚合或化

3、學反應等手段逐層有選擇地加工原材料，從而快速堆積制作出產(chǎn)品實體模型。2 快速原型制造技術的工藝方法2.1 立體印刷成型工藝( Stereo Lithography Apparatus又稱激光立體造型、激光立體光刻技術, 是快速成型技術中最早、技術最成熟、應用最廣泛的一種方法。圖 1 為 SLA 的原理圖, 其工作過程為: 先在工作臺上鋪上一層設定層厚的液態(tài)樹脂, 光源在計算機的控制下按截面輪廓要求作橫向和縱向掃描, 使輪廓內(nèi)的樹脂固化;然后工作臺下降, 在上一層的基礎上再鋪上另一層樹脂, 刮板刮平樹脂后, 光源再縱向掃描固化樹脂, 新固化的一層就牢固地粘接在先前固化的一層上, 如此重復直到整個

4、原型成型完圖1 SLA 畢。該工藝制造精度可達±0.1mm, 可成型任意復雜形狀的三維實體、精細首飾、工藝品等零件, 仿真性強, 成形精度和材料利用率高。2.2 迭層實體成型工藝 (Laminated Object Manufacturing圖 2 為 LOM的原理圖, 它是由原材料存儲及送進機構、熱壓機構、激光切割系統(tǒng)及計算機等組成。LOM 工藝將單面涂有熱熔膠的紙片通過加熱輥加熱粘接在一起, 位于上方的激光器按照 CAD 分層模型所獲數(shù)據(jù), 用激光束將紙切割成所制零件的內(nèi)外輪廓, 然后新的一層紙再疊加在上面通過熱壓裝置和下面已切割層粘合圖2 LOM 在一起, 激光束再次切割, 這

5、樣反復逐層切割、粘合、切割, 直至整個零件模型制作完成。該方法適用于成形中、大型件, 變形小, 尺寸精度較高, 成形時間較短, 激光器使用壽命長, 常用于金屬薄板成型件的制作。2.3 選域激光燒結(jié)成型工藝( Selected Laser Sintering圖 3 為 SLS 的原理圖。與 SLA 類似, 用激光對金屬粉末或塑料粉末一層一層地掃描加熱使其達到燒結(jié)溫度, 最后燒結(jié)出由金屬或塑料制成的立體結(jié)構。成型時, 隨著工作臺的分步下降, 鋪粉器將粉末一層一層地撒在工作臺上, 再用滾筒將粉末滾平、壓實, 每層粉末的厚度均對應于 CAD 模型的切片厚度。各層經(jīng)激光掃描加熱的粉末被燒結(jié)到其基體上,

6、圖3 SLS 而未被激光掃描的粉末仍留在原處起支撐作用, 直至燒結(jié)出整個零件。該工藝造型速度快、造型精度高( 每層粉末最小厚度約 0.07mm,激光動態(tài)精度可達±0.09mm, 并具有自動激光補償功能 、原型強度高( 聚碳酸脂的彎曲強度可達 34.5MPa, 尼龍可達 55MPa 。2.4 熔融沉積造型工藝 (Fused Deposition Modeling圖 4 為 FDM的原理圖。在計算機控制下, 加熱噴頭根據(jù)截面輪廓的信息, 作 X- Y 平面運動和高度 Z向的運動。加熱熔化的絲材(如塑料絲、尼龍等 被選擇性地涂覆在工作臺上, 快速冷卻后形成截面輪廓, 如此反復一層一層地涂覆

7、, 最終得到三維產(chǎn)品。該工藝的關鍵是保持半流動成型材料剛好在熔點之上(通?？刂圃诒热埸c高 1左右, 噴頭受 CAD 分層數(shù)據(jù)控制, 使半流動狀態(tài)的熔絲材料(絲材直徑一般在 1.5mm 以上從噴頭中擠壓出來, 凝固形成輪廓形狀的薄層 ( 每層厚度范圍在0.0250.76mm , 層層相疊最后形成整個零件模型。該方法成型速度快, 適合成形小塑料件, 可用的材料有蠟、尼龍、塑料等。 圖4 FDM2.5 三維打印成型工藝 (Three DimensionalPrinting圖5 為 3DP 的原理圖, 零件由粉末和膠水組成的。左面是儲粉筒, 材料被放置在快速成型過程的起始位置。在工作平臺的里面是一個平

8、整的金屬盤, 上面一層層微細的粉末材料由滾筒鋪開, 在制作過程中圖5 TDP 由打印頭噴出粘結(jié)劑進行粘結(jié)。相對于其他工藝方法,3DP 成型速度快, 運行成本低, 原型材料可用石膏粉、淀粉及熱塑材料等, 原材料利用率高,適用于制作任意形狀及結(jié)構的零件。3 快速原型制造技術目前的應用3.1 在工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)中的應用隨著快速成型軟硬件設備與快速成型材料的不斷發(fā)展和完善， 快速原型件的強度和精度得到不斷的提高，其快速設計、快速制造、快速校驗產(chǎn)品生產(chǎn)的特性尤其適合模具的快速制造，快速成型技術已經(jīng)逐漸地深入到模具制造領域。1）用快速成形機直接制作模具快速成形件可直接用作模具，如同制作單個或者小批量注塑模具一

9、樣。選擇性激光燒結(jié)快速成型工藝能夠?qū)崿F(xiàn)金屬粉末燒結(jié)，所制作出來的部件本身就具有較高的強度，如果再配合后續(xù)的金屬溶滲，則可以制作成強度足夠高的金屬模。此外，對于試制用注塑模或低熔點合金鑄造模，由于對模具的強度、熔點要求不高，可以直接用硅橡膠、環(huán)氧樹脂模，也可以采用快速模具制造方法直接制作硅橡膠、環(huán)氧樹脂模。2）用快速成形件作為母模，翻制軟模具 當制造小批量零件時，或者對于試制用注塑?；虻腿埸c合金鑄造模，可以采用以快速成型原型作母模，采用硅橡膠澆注制作硅橡膠?；蛘邩渲瑵沧⒊森h(huán)氧樹脂模。硅橡膠良好的柔性和彈性，對于結(jié)構復雜、花紋精細、無拔模斜度以及具有深凹槽的零件來說，制件澆注完成后均可直接取出。如

10、熔模鑄造用的蠟模，就可以采用這種方法來制作軟模具，對于形狀復雜的蠟模采用快速成型技術更能體現(xiàn)其優(yōu)勢性。這種方法還被大量的運用到文物、工藝品等形狀特別復雜、紋理特別清晰物件的原型翻制硅橡膠軟模具上。3）用快速成形件作為母模，翻制硬模具 軟模具的用途是有限的，很多情況下是要求制作的模具具有一定的強度、較高的熔點和適當?shù)膲勖?，這就必須要制造出硬模具。 采用快速模具制造方法制造硬模具的基本方法是：用快速成形件作母模，或根據(jù)快速成型件復制得到的軟模具，澆注(或涂覆 石膏、陶瓷、金屬基合成材料、金屬，構成硬模具(如各種鑄造模、注塑模、蠟模的壓型、拉伸模 ，從而批量生產(chǎn)塑料件或金屬件。這種模具有良好的機械加

11、工性能，可進行局部切削加工，以便獲得更高的精度，或鑲?cè)肭秹K、冷卻系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)等。4）用快速成形系統(tǒng)制作電脈沖機床用電極 用電火花電極加工是制造鋼制模具的一個重要方法，特別是對于形狀復雜的型腔，電火花電極加工應用廣泛，可以將快速成型技術和電火花加工技術結(jié)合起來提高模具生產(chǎn)效率。其基本方法是：用快速成型件作為母體，然后通過噴鍍或涂覆金屬、粉末冶金、精密鑄造、澆注石墨粉或特殊研磨，制作成良好導電性和足夠強度的金屬電極，用于電火花加工型腔，能大幅降低模具的生產(chǎn)成本和時間。電動工具產(chǎn)品的設計開發(fā)具有下面幾個特點:1）外形結(jié)構復雜。電動工具的表面90%都是由復雜的自由曲面所構成(如圖1所示 。由于手持電

12、動工具直接由使用者手持操作, 因此對其人機工程性能提出了較高要求, 設計時既要滿足手感要求, 又要考慮外形美觀, 還需根據(jù)不同客戶的地域性差異、不同的手型大小等進行針對性設計。2）設計周期短。電動工具產(chǎn)品更新?lián)Q代快, 企業(yè)為了提高產(chǎn)品的市場競爭力, 每一款新產(chǎn)品從市場調(diào)研、概念設計、結(jié)構設計到產(chǎn)品定型、模具設計及制造等, 需要在較短時間內(nèi)完成。在電動工具產(chǎn)品中, 精密零件占據(jù)了一定的比重, 其品種多、形狀復雜的特點使得采用傳統(tǒng)制造方法周期長、成本高?？焖俪尚渭夹g與材料的迅速發(fā)展, 實現(xiàn)了將產(chǎn)品設計、模具設計和加工過程組合在一起, 產(chǎn)生了快速模具制造(見圖4 ?？焖倌＞呒夹g集成度高, 由數(shù)字原型

13、到物理原型轉(zhuǎn)換速度快, 與采用傳統(tǒng)數(shù)控技術制造模具相比, 制造周期僅為前者的1/10-1/3,生產(chǎn)成本為前者的1/5-1/3。在快速制模技術中, 先做出快速原型、然后由原型復制得到模具的方法, 應用非常普遍。因此開發(fā)直接面向最終模具的快速原型工藝及設備, 一直是快速原型研究者追求的目標。據(jù)報道, 歐洲最大的快速原型生產(chǎn)商EOS 公司最新推出了用選擇性激光燒結(jié)(SLS方法直接制作金屬零件和模具的技術和設備。3.1 在口腔下頜骨相關治療中的應用大體上可分為3個階段, 初級階段:用于診斷學和操作的生物實體模型; 中級階段(相容性生物模型: 用于治療學和康復工程的植入體; 高級階段(高級生物模型: 人

14、工器官(可參與代謝過程的“ 真正”骨 。目前主要集中在前兩個階段。在口腔科其他領域, RPMT 同樣對傳統(tǒng)工藝提出挑戰(zhàn)。在口腔修復領域中有許多應用實例, 他們利用 RPMT 技術制作患者牙冠、牙槽骨等的三維模型, 根據(jù)模型設計、制作、和安裝義齒。Witkowski 等利用 SLA 技術與失蠟法相結(jié)合給患者制作可摘義齒, 效果滿意且大大縮短了制作時間。Wu 等利用 RPMT 方法輔助制作了鑄鈦牙冠, 且澆鑄前使用商用軟件對鑄道進行了優(yōu)化設計。他認為此技術在替代傳統(tǒng)的“ 取印模和上蠟”等步驟上有著巨大的潛力。美國麻省理工學院的強度, 并可加熱至幾百度以縮短干燥時間。國內(nèi)高勃等利用 LOM 法制作全

15、牙列模型, 有很好的幾何相似性, 為進一步應用激光燒結(jié)金屬或陶瓷粉末直接制作口腔修復體奠定了基礎。做種植義齒時,CT 等 影 像 技 術 對 周 密 的 手 術 計 劃 有 很 大 幫 助 ,RPMT 在口腔領域的應用使得這些數(shù)字影像發(fā)揮了更大的作用。Sarment 等發(fā)現(xiàn)僅在 CT 影像指導下進行種植手術, 術前計劃與術后相比, 在牙槽嵴植入點平均相差 1.5mm., 骨內(nèi)種植體頂點相差 2.1mm; 在SLA 模 型 指 導 下 進 行 手 術 這 兩 個 值 分 別 減 小 到0.9mm 和 1.0mm。Sader 等對 23 個患者利用 RPMT的可視化實體預測上頜牙槽骨重度萎縮的患者

16、上頜竇提升并植入種植體后頜面部的外形輪廓, 指導手術, 結(jié)果全部患者對手術效果滿意。Kim 等報道了一個接受口腔內(nèi)科治療的患者, 甲狀腺功能減退 1 年后發(fā)現(xiàn)有多發(fā)側(cè)副根管侵入性牙根吸收, 他利用 RPMT 制作了一副牙齒后, 很快明確了發(fā)生的位置和面積。健康的牙周膜中活性細胞的保持對于牙齒自體移植的成功起著非常重要的作用, 因而縮短體外操作時間意義重大。Lee 等利用 RPMT 制作了供區(qū)牙齒模型, 在受區(qū)比測合適后再取供區(qū)牙齒進行移植, 結(jié)果減少了手術時間, 總共移植的 22 顆牙齒的牙周膜良好。SLA 、LOM 、SLS 、FDM 、TDP 等技術先后用于這一領域, 在輔助診斷(骨折、關

17、節(jié)強直甚至是阻生齒 、制定計劃、模擬手術、治療等方面發(fā)揮了重要作用。如邱明國等曾用 LOM 法制出顳骨的紙質(zhì)實物模型, 可用于復雜耳神經(jīng)外科術前設計, 也可模擬手術操作。3.2 在軟件無線電中的應用快速原型技術與軟件無線電技術各自存在著一些固有的特性。應用系統(tǒng)日益復雜, 對產(chǎn)品開發(fā)周期的要求越來越高; 同時, 大量軟硬件模塊具備了可重用能力。原型不再只用于評測, 而直接進化為最終產(chǎn)品。模塊庫與IP 核(Intelligent Property Core 簡化了超大規(guī)模集成電路的設計, 快速原型技術在嵌入式系統(tǒng)的設計中得到了廣泛的應用。在FPGA 的開發(fā)環(huán)境中, 采用已有的描述模塊, 將DSP

18、核以及與之配合的外圍電路在FPGA 陣列中同時實現(xiàn); 并利用軟件工具對FPGA-DSP 核進行DSP 指令編程。軟件和硬件的快速原型結(jié)合到了一起。首先對目標系統(tǒng)采用DFL 語言進行說明, 然后使用Mistral 的結(jié)構級綜合工具, 翻譯為VHDL, 描述了DSP 核以及周邊的控制邏輯、接口和加速的數(shù)據(jù)通道等輔助單元。接下來使用Design Compiler進行綜合, 進而應用Concept Si-licon將綜合的結(jié)果下載到FPGA 中。而軟件環(huán)節(jié)的工作相對簡單, 即利用DSP 核的指令系統(tǒng)編寫匯編語言程序, 生成軟件系統(tǒng), 并將軟件也同時下載到FPGA 中。這樣, 軟硬件都存在于FPGA 中, 具有完整功能的系統(tǒng)原型產(chǎn)生了。這一方案并不是在FP-GA 上實現(xiàn)DSP 核, 而是將核的內(nèi)容作為一個宏模塊來對待,FPGA 得到更加有效的利用, 而DSP 核和其它模塊化核的重用率也提高了。3.3 在航空領域中的應用為了加快亞軌道飛行器再入段導航制導系統(tǒng)從算法設計到硬件