快速成型論文0003

1、快速成型技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與趨勢(shì) 摘 要: 快速成型技術(shù)以其獨(dú)特的特點(diǎn)和長(zhǎng)處,成為加速新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及實(shí)現(xiàn)并行工程的有效技術(shù),具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用價(jià)值,發(fā)展十分迅猛,該技術(shù)的重要性已不容忽視?？焖俪尚图夹g(shù)問(wèn)世以來(lái)，已實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)大的市場(chǎng)，發(fā)展非常迅速。人們對(duì)材料逐層添加法這種新的制造方法已逐步適應(yīng)。該技術(shù)通過(guò)與數(shù)控加工、鑄造、金屬冷噴涂、硅膠模等制造手段結(jié)合，已成為現(xiàn)代模型、模具和零件制造的強(qiáng)有力手段，在航空航天、汽車(chē)摩托車(chē)、家電等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用?？焖俪尚图夹g(shù)是基于離散/ 堆積的原理。在計(jì)算機(jī)的控制下快速成型機(jī)的成型頭選擇性地固化一層層的液體材料(或選擇性的切割一層層的紙、燒結(jié)一層層的粉末材料、

2、噴涂一層層的熱熔性材料等) ,形成各個(gè)截面輪廓并逐步順序疊加成三維工件實(shí)體。RP 技術(shù)的主要方法有:光固化立體造型SLA、分層物件制造、選擇性激光燒結(jié)法、熔融沉積造型。關(guān)鍵詞: 快速成型技術(shù); 應(yīng)用現(xiàn)狀; 發(fā)展趨勢(shì)1 快速成型技術(shù)原理和特點(diǎn)當(dāng)今時(shí)代，制造業(yè)市場(chǎng)需求不斷向多樣化、高質(zhì)量、高性能、低成本、高科技的方向發(fā)展，一方面表現(xiàn)為消費(fèi)者興趣的短時(shí)效和消費(fèi)者需求日益主體化、個(gè)性化和多元化；另一方面則是區(qū)域性、國(guó)際市場(chǎng)壁壘的淡化或打破，要求制造業(yè)的廠商必須著眼于全球市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)。因此快速地將多樣化、性能好的產(chǎn)品推向市場(chǎng)成為了制造業(yè)廠商把握市場(chǎng)先機(jī)的關(guān)鍵，由此導(dǎo)致了制造價(jià)值觀從面向產(chǎn)品到面向顧客的

3、重定位，制造戰(zhàn)略重點(diǎn)從成本與質(zhì)量到時(shí)間與響應(yīng)的轉(zhuǎn)移，也就是各國(guó)致力于并行工程、敏捷制造等現(xiàn)代制造模式的研究與實(shí)踐的原因?？焖俪尚停≧apid Prototyping）技術(shù)正是在這種時(shí)代的需求下應(yīng)運(yùn)而生的。它是由三維CAD模型直接驅(qū)動(dòng)的快速制造任意復(fù)雜形狀三維實(shí)體的總稱(chēng)。它集成了CAD 技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等現(xiàn)代科技成果，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分?；诓牧侠奂釉淼目焖俪尚筒僮鬟^(guò)程實(shí)際上是一層一層地離散制造零件。為了形象化這種操作，可以想象一整條面包的結(jié)構(gòu)是一片面包落在另一片面包之上一層層累積而成的?？焖俪尚陀泻芏喾N工藝方法，但所有的快速成型工藝方法都是一層一層地制造零件，區(qū)別

4、是制造每一層的方法和材料不同而已。1. 1 快速成型的一般工藝過(guò)程原理1.1.1 三維模型的構(gòu)造在三維CAD設(shè)計(jì)軟件(如Pro/EUGSolidWorksSolidEdge等)中獲得描述該零件的CAD文件。目前一般快速成型支持的文件輸出格式為STL模型，即對(duì)實(shí)體曲面近似處理，即所謂面型化處理，是用平面三角面片近似模型表面。這樣處理的優(yōu)點(diǎn)是大大地簡(jiǎn)化了CAD模型的數(shù)據(jù)格式，從而便于后續(xù)的分層處理。由于它在數(shù)據(jù)處理上較簡(jiǎn)單，而且與CAD系統(tǒng)無(wú)關(guān)，所以很快發(fā)展為快速成型制造領(lǐng)域中CAD系統(tǒng)與快速成型機(jī)之間數(shù)據(jù)交換的準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)三角面片用4個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)表示，即3個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)和法向矢量，而整個(gè)CAD模型就是這

5、樣一組矢量的集合。在三維CAD設(shè)計(jì)軟件對(duì)CAD模型進(jìn)行面型化處理時(shí)，一般軟件系統(tǒng)中有輸出精度控制參數(shù)，通過(guò)控制該參數(shù)，可減小曲面近似處理誤差。如Pro/E軟件是通過(guò)選定弦高值(eh-chord height)作為逼近的精度參數(shù)，如圖1為一球體，給定的兩種CH值所轉(zhuǎn)化的情況。對(duì)于一個(gè)模型，軟件中給定一個(gè)選取范圍，一般情況下這個(gè)范圍可以滿足工程要求。但是，如果該值選的太小，要犧牲處理時(shí)間及存貯空間，中等復(fù)雜的零件都要數(shù)兆甚至數(shù)十兆左右的存貯空間。并且這種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中無(wú)法避免地產(chǎn)生錯(cuò)誤，如某個(gè)三角形的頂點(diǎn)在另一三角形邊的中間、三角形不封閉等問(wèn)題是實(shí)踐中經(jīng)常遇到的，這給后續(xù)數(shù)據(jù)處理帶來(lái)麻煩，需要進(jìn)一

6、步檢查修補(bǔ)。1.1.2 三維模型的離散處理通過(guò)專(zhuān)用的分層程序?qū)⑷S實(shí)體模型(一般為STL模型)分層，分層切片是在選定了制作(堆積)方向后，需對(duì)CAD模型進(jìn)行一維離散，獲取每一薄層片截面輪廓及實(shí)體信息。通過(guò)一簇平行平面沿制作方向與CAD模型相截，所得到的截面交線就是薄層的輪廓信息，而實(shí)體信息是通過(guò)一些判別準(zhǔn)則來(lái)獲取的。平行平面之間的距離就是分層的厚度，也就是成型時(shí)堆積的單層厚度。在這一過(guò)程中，由于分層，破壞了切片方向CAD模型表面的連續(xù)性，不可避免地丟失了模型的一些信息，導(dǎo)致零件尺寸及形狀誤差的產(chǎn)生。切片層的厚度直接影響零件的表面粗糙度和整個(gè)零件的型面精度，分層切片后所獲得的每一層信息就是該層片

7、上下輪廓信息及實(shí)體信息，而輪廓信息由于是用平面與CAD模型的STL文件(面型化后的CAD模型)求交獲得的，所以輪廓是由求交后的一系列交點(diǎn)順序連成的折線段構(gòu)成，所以，分層后所得到的模型輪廓已經(jīng)是近似的，而層層之間的輪廓信息已經(jīng)丟失，層厚大，丟失的信息多，導(dǎo)致在成型過(guò)程中產(chǎn)生了型面誤差。1.2 快速成型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)1)快速成型作為一種使設(shè)計(jì)概念可視化的重要手段，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)零件的實(shí)物模型可以在很短時(shí)間內(nèi)被加工出來(lái)，從而可以很快對(duì)加工能力和設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。2)由于快速成型技術(shù)是將復(fù)雜的三維型體轉(zhuǎn)化為兩維截面來(lái)解決，因此，它能制造任意復(fù)雜型體的高精度零件，而無(wú)須任何工裝模具。3)快速成型作為一種重要

8、的制造技術(shù)，采用適當(dāng)?shù)牟牧?，這種原型可以被用在后續(xù)生產(chǎn)操作中以獲得最終產(chǎn)品。4)快速成型操作可以應(yīng)用于模具制造，可以快速、經(jīng)濟(jì)地獲得模具。5)產(chǎn)品制造過(guò)程幾乎與零件的復(fù)雜性無(wú)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)自由制造,這是傳統(tǒng)制造方法無(wú)法比擬的。2 快速成型技術(shù)在發(fā)展中所存在的主要問(wèn)題在制造業(yè)日趨國(guó)際化的狀況下，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和減少開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品投資風(fēng)險(xiǎn)，成為企業(yè)賴以生存的關(guān)鍵。因此，快速成型、快速制模、快速制造技術(shù)將會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展。2. 1 快速成型技術(shù)研究中存在的問(wèn)題。1)材料問(wèn)題.目前快速成型技術(shù)中成型材料的成型性能大多不太理想，成型件的物理性能不能滿足功能性、半功能性零件的要求，必須借助于后處理或二次開(kāi)發(fā)才能

9、生產(chǎn)出令人滿意的產(chǎn)品。由于材料技術(shù)開(kāi)發(fā)的專(zhuān)門(mén)性，一般快速成型材料的價(jià)格都比較貴，造成生產(chǎn)成本提高。2)高昂的設(shè)備價(jià)格.快速成型技術(shù)是綜合計(jì)算機(jī)、激光、新材料、CAD/CAM集成等技術(shù)而形成的一種全新的制造技術(shù)，是高科技的產(chǎn)物，技術(shù)含量較高，所以，目前快速成型設(shè)備的價(jià)格較貴，限制了快速成型技術(shù)的推廣應(yīng)用。3)功能單一.現(xiàn)有快速成型機(jī)的成型系統(tǒng)都只能進(jìn)行一種工藝成型，而且大多數(shù)只能用一種或少數(shù)幾種材料成型。這主要是因?yàn)榭焖俪尚图夹g(shù)的專(zhuān)利保護(hù)問(wèn)題，各廠家只能生產(chǎn)自己開(kāi)發(fā)的快速成型工藝成型設(shè)備，隨著技術(shù)的進(jìn)步，這種保護(hù)體制已成為快速成型技術(shù)集成的障礙。4)成型精度和質(zhì)量問(wèn)題.由于快速成型的成型工藝發(fā)展

10、還不完善，特別是對(duì)快速成型軟件技術(shù)的研究還不成熟，目前快速成型零件的精度及表面質(zhì)量大多不能滿足工程直接使用的需要，不能作為功能性零件，只能作原型使用。為提高成型件的精度和表面質(zhì)量，必須改進(jìn)成型工藝和快速成型軟件。5)應(yīng)用問(wèn)題.雖然快速成型技術(shù)在航空航天、汽車(chē)、機(jī)械、電子、電器、醫(yī)學(xué)、玩具、建筑、藝術(shù)品等許多領(lǐng)域都已獲得了廣泛應(yīng)用，但大多僅作為原型件進(jìn)行新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及功能測(cè)試等，如何生產(chǎn)出能直接使用的零件是快速成型技術(shù)面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。隨著快速成型技的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，直接零件制造是快速成型技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。6)軟件問(wèn)題。隨著快速成型技術(shù)的不斷發(fā)展，快速成型技術(shù)的軟件問(wèn)題越來(lái)越突出，快速成型軟件

11、系統(tǒng)不但是實(shí)現(xiàn)離散/堆積成型的重要環(huán)節(jié)，對(duì)成型速度，成型精度，零件表面質(zhì)量等方面都有很大影響，軟件問(wèn)題已成為快速成型技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。2. 2 快速成型技術(shù)軟件系統(tǒng)存在的問(wèn)題1)快速成型軟件大多是隨機(jī)安裝，無(wú)法進(jìn)行二次開(kāi)發(fā);2)各公司的軟件都是自行開(kāi)發(fā)，沒(méi)有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口;3)隨機(jī)攜帶的快速成型軟件都只能完成一種工藝的數(shù)據(jù)處理和控制成型;4)已商品化的通用性軟件價(jià)格較貴，功能單一，只能進(jìn)行模型顯示、加支撐、錯(cuò)誤檢驗(yàn)與修正等中的一種或幾種功能，而且也存在數(shù)據(jù)接口問(wèn)題，不易集成;5）商品化的軟件還不完善，不能滿足當(dāng)前快速成型技術(shù)對(duì)成型速度、成型精度和質(zhì)量的要求;6)當(dāng)前的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模型缺陷較多，對(duì)CAD模型的描述不夠精確，從而影響了快速成型的成型精度和質(zhì)里。3 快速成型技術(shù)的發(fā)展方向RP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，零件精度低，表面粗糙度高，原型零件的物理性能較差，成型機(jī)的價(jià)格較高，運(yùn)行制作的成本高等，所以在一定程度上成為該技術(shù)的推廣普及的瓶頸。從目前國(guó)內(nèi)外RP 技術(shù)的研究和應(yīng)用狀況來(lái)看，快速成型技術(shù)的進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)的方向主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）大力改善