快速成形制造技術(shù)的基本原理與方法

1、第16卷第4期第56頁總第58期1999年河北工業(yè)科技HEBEI JOU R N AL O F I ND U ST RI ALSCI EN CE &T ECHN O L OG YV ol. 16N o. 4P. 56Sum 581999文章編號:1008-1534(1999 04-0056-04快速成形制造技術(shù)的基本原理與方法崔世強, 李蘭芬*, 崔波*(河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 河北石家莊050054摘要:快速成形制造技術(shù)(RPM 是近十幾年在國際上出現(xiàn)的一種現(xiàn)代先進制造技術(shù)。本文對RPM 技術(shù)的基本原理和主要工藝方法進行論述, 并對工藝方法的應(yīng)用進行了比較。關(guān)鍵詞:快速成形制造;

2、快速原型; 先進制造; 現(xiàn)代制造中圖分類號:T H 164文獻標識碼:A T he T heory and M ethod for Rapid Prototypeand M anufacture T echnolog yCU I Shiqiang , LI Lanfen, CUI Bo(Colleg e of M aterial Science &Eng ineering ,Hebei U niv er sity o f Science and T echnolog y, Hebei Shijiazhuang 050054, ChinaAbstract :Rapid pr ot oty pe

3、a nd manufact ur e (R PM is a kind of advanced manufacturing techno -log y , it appear s in recent ten y ears in the w or ld. T he basic theor y and main methods of RPM ar e discussed and the applicat ions of differ ent methods are co mpar ed.Key words :rapid pr oto type and manufacture ; r apid pro

4、 toty pe ; a dv anced manufacture ; mo der nma nufacture20世紀80年代后期, 國際上出現(xiàn)了一種全新的成形技術(shù)快速成形制造技術(shù)(Rapid Pro totyping and M anufacturing RPM , 又稱快速原型制造技術(shù)、自由成形制造、直接CAD 制造等。這是一種集CA D, CAM , CNC,收稿日期:1998-12-07; 修回日期:1999-10-11責(zé)任編輯:卞銅身*工作單位:河北省廣播電視廳*工作單位:信息產(chǎn)業(yè)部電子第13研究所:, 激光及材料科學(xué)于一體的新型制造技術(shù)。它不采用傳統(tǒng)的機械加工方法, 而是將CAD

5、 系統(tǒng)的三維造型自動、快速地轉(zhuǎn)變?yōu)閷嵨锬Ｐ突虍a(chǎn)品零件, 以進行對產(chǎn)品設(shè)計的快速評估、實驗、修改和生產(chǎn), 以滿足市場的急需和提高企業(yè)競爭力。目前, 該項技術(shù)已成為現(xiàn)代制造業(yè)的支柱技術(shù), 是實現(xiàn)并行工程、集成制造技術(shù)和工藝開發(fā)的重要手段。現(xiàn)代經(jīng)濟市場的激烈競爭是RPM 技術(shù)產(chǎn),第4期崔世強等快速成形制造技術(shù)的基本原理與方法57產(chǎn)生的基礎(chǔ)。該項技術(shù)首先出現(xiàn)在美國, 很快發(fā)展到日本和西歐。我國快速成形技術(shù)的研究進展迅速, 從1998年5月在上海舉行的第七屆國際模具技術(shù)展覽會來看, 我國成功地研制開發(fā)了多種RPM 設(shè)備, 已在會上展出并實現(xiàn)商品化, 達到了國際水平。本文主要論述快速成形技術(shù)(RPM 的基

6、本原理和主要工藝方法。實體CAD 模型z 向分離(分層層面信息處理1快速成形制造技術(shù)的基本原理傳統(tǒng)的零件制造成形方法有去除成形和受迫成形兩種方法。去除成形是利用材料分離的方法, 把一部分材料有序地從基體上分離出去使其成形的方法。通常機械冷加工方法屬于此類, 例如, 車、銑、刨、磨等加工方法。受迫成形是利用材料的可成形性(例如塑性和高溫流動性 , 在特定外界約束(例如成形模具 條件下的成形方法, 通常機械熱加工方法屬于此類, 例如鍛壓、鑄造和粉末冶金等。去除成形常采用刀具對基體材料進行切割, 因此要產(chǎn)生切屑; 受迫成形一般也都產(chǎn)生工藝廢料, 如鍛造飛邊、澆冒口、機械加工余量、余塊等, 因此材料利

7、用率較低。目前也有一些受迫成形工藝直接用于最終零件成形, 如精密鍛造、精密鑄造和注塑成形等, 屬凈成形或近凈成形范疇。傳統(tǒng)加工方法加工周期較長, 另外由于受刀具和模具形狀及壽命的限制, 無法制造具有異形深孔和復(fù)雜曲面的零件。RPM 技術(shù)是應(yīng)用20世紀80年代提出的一種全新成形法累加成形原理發(fā)展起來的。累加成形即將一個空間實體分層離散加工, 再堆積成形得到所需零件(離散-堆積成形 ?；痉椒ㄊ?首先利用計算機建立實體的三維CAD 模型, 再將CAD 模型進行分層離散化, 即將實體沿z 方向分層切片, 得到各層截面輪廓的幾何信息。然后轉(zhuǎn)換為控制成型機工作的NC 代碼, 將成形材料按截面輪廓進行分層

8、加工再疊加起來, 即得到所需實體。因此, 累加成形是通過分層離散把三維實體制造問題轉(zhuǎn)化為二維問題, 再疊加成為三維實體的方法。RPM 圖1N層面制造與連接層面全部完成?Y 后處理RPM 技術(shù)成形原理圖2快速成形制造技術(shù)的主要方法快速成形制造技術(shù)現(xiàn)在已有十幾種, 其基本原理都是相同的, 即上面所述的累加成形原理, 其區(qū)別主要是所用成形材料和工藝方法不同。目前較成熟并已得到應(yīng)用的典型工藝方法有4種。2. 1立體印刷(Stereolithogr aphy Apparatus SLA該技術(shù)以光敏樹脂為成SLA 如圖2所示。形原料, 如環(huán)氧樹脂、乙烯酸樹脂或丙烯酸樹脂, 在一定波長和強度的紫外光照射下可

9、固化。液態(tài)光敏樹脂裝在液槽中。SLA 首先由CAD 系統(tǒng)對準備制造的實體零件進行三維造型設(shè)計, 再由專門的計算機切片軟件將三維實體切割成若干薄層平面(沿z 方向 數(shù)據(jù)模型。然后, CAM 軟件再根據(jù)各薄層的平面運動指令和提升機構(gòu)沿z 軸方向的間隙運動, 形成整體零件的數(shù)控加工指令。成形開始時, 工作臺在液面下某一確定的深度(相當于接著X -Y 激光CAD 模型最下層切片的厚度 。掃描器根據(jù)第1層切片的平面幾何信息對液面逐點進行掃描, 光敏樹脂逐點被固化在底板上,58河北工業(yè)科技第16卷降裝置帶動工作臺使其下降到相當于第2層切片的高度, 已成形的層面上又布滿一層樹脂, 再進行第2層掃描固化, 第

10、2層固化樹脂牢固地粘在第1層上。如此重復(fù)直到整個實體零件完 全成形。熱滾輾壓并加熱, 以固化樹脂粘接劑, 使新鋪上的一層箔帶與下面切割層粘接在一起, 再切割該層的輪廓。如此反復(fù)進行, 直到加工完整個實體。最后將切碎部分去除, 得到所需實體零件。LOM 技術(shù)不需激光掃描整個實體截面, 只需切出各層內(nèi)外輪廓, 因此成形速率較高。2. 3選擇性激光燒結(jié)(Selected LaserSintering SLSSLS 是采用CO 2激光器對粉末(金屬粉末或塑料粉末 逐層地進行掃描加熱, 使其達到燒結(jié)溫度, 最后燒結(jié)出由粉末制成的立體實型, 如圖4所示。圖2SLA 法原理圖SLA 是最早應(yīng)用的RPM 技術(shù)

11、。主要特點是精度高, 表面質(zhì)量好, 原材料利用率近100%, 能制造形狀特別復(fù)雜的空心零件和特別精細的手飾、工藝品等零件。2. 2分層實體制造(Laminated ObjectManufacturing LOM 圖4SLS 法原理圖工作開始時, 首先在工作臺上均勻鋪上一層厚度為100200L m 的薄層粉末, 激光束在計算機控制下按照實體零件分層輪廓有選擇性地進行燒結(jié), 燒結(jié)完一層后再進行下一層燒結(jié)。全部燒結(jié)完后去除多余的粉末, 再進行打磨、烘干等處理得到所需實體零件。2. 4熔絲沉積制造(Fused DepositionM odeling FDM 圖3LOM 法原理圖LOM 的生產(chǎn)程序與立體

12、印刷法(SLA 相似, 但它所用的成形材料為箔材, 通常為單面涂有熱熔膠的紙帶。LOM 的主要特點是根據(jù)CAD 模型各層切片的平面幾何信息對箔材進行分層實體切割, 如圖3所示。工作時, 首先在工作臺上鋪上一層箔帶, 然后用2040W 的CO 2激光在計算機控制下切出本層內(nèi)外輪廓, 而非零件部分全部切碎成小塊以便去除, 如圖FDM 原理如圖5所示。第4期崔世強等快速成形制造技術(shù)的基本原理與方法593典型RPM 工藝方法比較此法不采用激光器, 而是利用噴頭。噴頭受CAD 分層數(shù)據(jù)控制沿x -y 方向移動。線絲(如石蠟等 在噴頭中被加熱熔化, 從噴頭中擠壓出來并很快凝固成一薄層, 每層厚度為0. 0

13、250. 762m m , 層層疊加并牢固地連結(jié)在一起, 最后形成實體零件。FDM 法的關(guān)鍵是保持半流動成形材料溫度略高于熔點, 通?？刂圃诒热埸c高1左右。由于各種RPM 工藝方法所采用的成形材料和成形手段的不同, 因此材料價格、設(shè)備費用和運行成本有較大差別, 成形件的精度和成形速度也有所不同。表1給出了典型RPM 工藝的應(yīng)用情況, 用戶可根據(jù)使用要求選擇適當?shù)墓に嚪椒?。?典型RPM 工藝方法應(yīng)用對比工藝方法SL A LOM SL S FDM成形精度較高較高較低較低成形速度較快快較慢較慢制造成本較高低較低較低設(shè)備費用較高較低較高較低常用材料熱固性光敏樹脂等紙、金屬箔、塑料薄膜等石蠟、塑料、金

14、屬、陶瓷等粉末石蠟、塑料、低熔點金屬等市場占有率/%787. 36. 06. 14結(jié)束語快速成形制造技術(shù)(RPM 是根據(jù)材料累加成形原理實現(xiàn)的一種全新制造技術(shù), 是制造技術(shù)上的一次革命。由于它不需制造刀具和模具, 直接使材料成形, 一般每件生產(chǎn)速度僅為幾小時或幾十小時, 因此大大縮短了研究和制造周期, 現(xiàn)已在機械、電子、汽車、航空、家電、醫(yī)學(xué)、建筑和工藝品制作等多個領(lǐng)域中得到應(yīng)用, 并顯示出強大的生命力。RPM 技術(shù)將成為21世紀先進制造技術(shù)的重要組成部分。參考文獻1國家自然科學(xué)基金委員會工程與材料科學(xué)部. 機械工程科學(xué)技術(shù)前沿M . 北京:機械工業(yè)出版社, 1996. 8297.2顏永年, 張偉, 盧清萍. 基于離散/堆積成形概念的RPM 原理與發(fā)展J . 中國機械工程,