快速成型技術及其向產品化生產發(fā)展所面臨的技術問題

1、快速成型技術及其向產品化生產發(fā)展所面臨的技術問題梁江波陜西科技大學, 陜西咸陽 (712081摘要:介紹了目前常見的快速成型方法,并分析了各種方法的優(yōu)缺點,闡述了目前快速成型制造中及其向產品化生產發(fā)展所面臨的一系列技術問題,最后針對成型制造自身的結構特點,對進一步的研究提出一些建議。關鍵詞:快速成型成型工藝精度數(shù)據接口1. 前言在新產品的開發(fā)過程中,總是需要對所設計的零件或整個系統(tǒng)在投入大量資金組織加工或裝配之前加工一個簡單的例子或原型。這樣做主要是因為生產成本昂貴,而且模具的生產需要花費大量的時間準備,因此,在準備制造和銷售一個復雜的產品系統(tǒng)之前,工作原型可以對產品設計進行評價、修改和功能驗

2、證。一個產品的典型開發(fā)過程是從前一代的原型中發(fā)現(xiàn)錯誤或從進一步研究中發(fā)現(xiàn)更有效和更好的設計方案,而一件原型的生產極其費時,模具的準備需要幾個月,一個復雜的零件用傳統(tǒng)方法加工非常困難?？焖俪尚?Rapid Prototyping技術是近年來發(fā)展起來的直接根據CAD模型快速生產樣件或零件的成組技術總稱,它集成了CAD技術、數(shù)控技術、激光技術和材料技術等現(xiàn)代科技成果,是先進制造技術的重要組成部分。與傳統(tǒng)制造方法不同,快速成型從零件的CAD幾何模型出發(fā),通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng),用激光束或其他方法將材料堆積而形成實體零件。由于它把復雜的三維制造轉化為一系列二維制造的疊加,因而可以在不用模具和工具

3、的條件下生成幾乎任意復雜的零部件,極大地提高了生產效率和制造柔性1。一個更為人們關注的問題是一個產品從概念到可銷售的成品的流程速度。在市場競爭中,眾所周知,產品在競爭對手之前進入市場更為有利可圖并能享有更大的市場氛圍。同時,還有一個更為令人關心的問題是產品的高質量生產。由于這些原因,努力使高質量的產品快速的進入市場就顯得極為重要?？焖俪尚图夹g問世這些年,已實現(xiàn)了相當大的市場,發(fā)展非常迅速。人們對材料逐層添加法這種新的制造方法已逐步適應。該技術通過與數(shù)控加工、鑄造、金屬冷噴涂、硅膠模等制造手段結合,已成為現(xiàn)代模型、模具和零件制造的強有力手段,在航空航天、汽車摩托車、家電等領域得到了廣泛應用2?？?/p>

4、速原型技術的優(yōu)點:1.快速原型作為一種使設計概念可視化的重要手段,計算機輔助設計的零件的實物模型可以在很短時間內被加工出來,從而可以很快對加工能力和設計結果進行評估。2.由于它是將復雜的三維型體轉化為兩維截面來解決,因此,它能制造任意復雜型體的高精度零件,而無須任何工裝模具。3.快速原型作為一種重要的制造技術,采用適當?shù)牟牧?這種原型可以被用在后續(xù)生產操作中以獲得最終產品。4.快速原型操作可以應用于模具制造,可以快速、經濟地獲得模具。5.產品制造過程幾乎與零件的復雜性無關,可實現(xiàn)自由制造(Free Form Fabrication,這是傳統(tǒng)制造方法無法比擬的3。2. 快速成型的基本原理基于材料

5、累加原理的快速成型的操作過程實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構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)別是制造每一層的方法和材料不同而已?？焖俪尚偷囊话愎に囘^程原理如下:1.三維模型的構造。在三維CAD設計軟件(如Pro/E、UG、SolidWorks、SolidEdge等中獲得描述該零件的CAD文件,如圖1-2(a中所示的三維零件。目前一般快速成型支持的文件輸出格式為STL模型,即對實體曲面近似處理,即所謂面型化(Tessallation處理,是用平面三角面片近似模型表面

6、。這樣處理的優(yōu)點是大大地簡化了CAD模型的數(shù)據格式,從而便于后續(xù)的分層處理。由于它在數(shù)據處理上較簡單,而且與CAD系統(tǒng)無關,所以很快發(fā)展為快速成型制造領域中CAD系統(tǒng)與快速成型機之間數(shù)據交換的準標準,每個三角面片用四個數(shù)據項表示,即三個頂點坐標和法向矢量,而整個CAD模型就是這樣一組矢量的集合。在三維CAD設計軟件對CAD模型進行面型化處理時,一般軟件系統(tǒng)中有輸出精度控制參數(shù),通過控制該參數(shù),可減小曲面近似處理誤差4。如Pro/E軟件是通過選定弦高值(ch-chord height作為逼近的精度參數(shù),如圖1-1為一球體,給定的兩種ch值所轉化的情況。對于一個模型,軟件中給定一個選取范圍,一般情

7、況下這個范圍可以滿足工程要求。但是,如果該值選的太小,要犧牲處理時間及存貯空間,中等復雜的零件都要數(shù)兆甚至數(shù)十兆左右。并且這種數(shù)據轉換過程中無法避免地產生錯誤,如某個三角形的頂點在另一三角形邊的中間、三角形不封閉等問題是實踐中經常遇到的,這給后續(xù)數(shù)據處理帶來麻煩,需要進一步檢查修補。 圖 1-1 不同ch值時的效果2.三維模型的離散處理。通過專用的分層程序將三維實體模型(一般為STL模型分層(圖1-2b,分層切片是在選定了制作(堆積方向后,需對CAD模型進行一維離散,獲取每一薄層片截面輪廓及實體信息。通過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,而實體信息是通

8、過一些判別準則來獲取的。平行平面之間的距離就是分層的厚度,也就是成型時堆積的單層厚度。在這一過程中,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,導致零件尺寸及形狀誤差的產生。切片層的厚度直接影響零件的表面粗糙度和整個零件的型面精度,分層切片后所獲得的每一層信息就是該層片上下輪廓信息及實體信息,而輪廓信息由于是用平面與CAD模型的STL文(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順序連成的折線段構成,所以,分層后所得到的模型輪廓已經是近似的,而層層之間的輪廓信息已經丟失,層厚大,丟失的信息多,導致在成型過程中產生了型面誤差4。綜上所述,為

9、提高零件精度,應該考慮更小的切片層厚度。 (a 零件的三維模型(b 零件被分層離散 (c 支撐材料(d 采用熔積法對圖(c A-A截面加工的擠壓路徑圖1-2 快速成型原理圖3. 快速成型的工藝方法目前快速成型主要工藝方法及其分類見圖1-3所示。本書僅介紹目前工業(yè)領域較為常用的工藝方法。RP 工藝方法及其分類圖1-3 目前快速成型主要工藝方法及其分類3.1熔積成型法(Fused Deposition Modeling在熔積成型法(FDM的過程中(圖1-4龍門架式的機械控制噴頭可以在工作臺的兩個主要方向移動,工作臺可以根據需要向上或向下移動。熱塑性塑料或蠟制的熔絲從加熱小口處擠出。最初的一層是按照

10、預定的軌跡(如圖1-2d以固定的速率將熔絲擠出在泡沫塑料基體上形成的。當?shù)谝粚油瓿珊?工作臺下降一個層厚并開始迭加制造一層。FDM工藝的關鍵是保持半流動成型材料剛好在熔點之上(通常控制在比熔點高1左右。FDM 制作復雜的零件時,必須添加工藝支撐。如圖1-5(a所示零件很難直接加工,因為一旦零件加工到了a的高度,下一層熔絲將鋪在沒有材料支撐的空間。解決的方法是獨立于模型材料單獨擠出一個支撐材料,支撐材料可以用低密度的熔絲,比模型材料強度低,在零件加工完成后可以將它拆除。FDM的優(yōu)點是材料的利用率高;材料的成本低;可選用的材料種類多;工藝干凈、簡單、易于操作且對環(huán)境的影響小。缺點是精度低;結構復雜

11、的零件不易制造;表面質量差;成型效率低,不適合制造大型零件。該工藝適合于產品的概念建模以及它的形狀和功能測試,中等復雜程度的中小原型,由于甲基丙烯酸ABS材料具有較好的化學穩(wěn)定型,可采用伽馬射線消毒,特別適用于醫(yī)用5。 (a 熔積法成型的示意圖(b 熔積成型5000,熔積成型設備圖1-4 熔積成型法原理圖 (a 有一個突出截面需要支撐材料的零件 (b 在快速原型機器中常用的支撐結構圖1-5 快速原型支撐結構圖3.2 光固化法(Stereolithography 光固化法是目前應用最為廣泛的一種快速原型制造工藝,它實際上比熔積法發(fā)展的還要早。光固化采用的是將液態(tài)光敏樹脂固化(硬化到特定形狀的原理

12、。以光敏樹脂為原料,在計算機控制下的紫外激光按預定零件各分層截面的輪廓為軌跡對液態(tài)樹脂逐點掃描,使被掃描區(qū)的樹脂薄層產生光聚合反應,從而形成零件的一個薄層截面。如圖1-6所示零件,成型開始時工作臺在它的最高位置(深度a ,此時液面高于工作臺一個層厚,激光發(fā)生器產生的紫外激光在計算機控制下聚焦到液面并按零件第一層的截面輪廓進行掃描,使掃描區(qū)域的液態(tài)光敏樹脂固化,形成零件第一個截面的固化層。然后工作臺下降一個層厚,使先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂然后重復掃描固化,與此同時新固化的一層牢固地粘接在前一層上,該過程一直重復操作到達到b 高度。此時已經產生了一個有固定壁厚的圓柱體環(huán)形零件。這時可以注意到工作臺在垂直方向下降了距離ab 。到達b 高度后,光束在x -y 面的移動范圍加大從而在前面成型的零件部分上生成凸緣形狀(一般此處應添加類似于FDM 的支撐。當一定厚度的液體被固化后,該過程重復進行產生出另 一個從高度b 到c 的圓柱環(huán)形截面。注意,周圍的液態(tài)樹脂仍然是可流動的,因為它并沒有在紫外線光束范