快速原型制造技術(shù)的應(yīng)用

快速原型制造技術(shù)的應(yīng)用康米(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，車輛工程91班，30309124)摘要：關(guān)鍵字：快速原型，模具制造，空腔醫(yī)學(xué)，飛行系統(tǒng)0引言制造業(yè)是一個國家的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，它為國民經(jīng)濟的各個部門提供先進(jìn)的手段和裝備。在新的世紀(jì)，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(shù)的柔性、敏捷性已成為企業(yè)贏得競爭的關(guān)鍵，在此背景下快速原型制造技術(shù)(RapidPrototypingManufacturing,簡稱RPM或RP)應(yīng)運而生。快速原型技術(shù)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(xué)科的先進(jìn)制造技術(shù)，20世紀(jì)80年代起源于日本，很快在世界各國得到推廣應(yīng)用，目前已成為制造業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)服務(wù)的一項關(guān)鍵共性技術(shù)。并且，快速原型技術(shù)在各個領(lǐng)域都在發(fā)展，應(yīng)用。不管是其基礎(chǔ)應(yīng)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(shù)的基本原理快速原型技術(shù)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模型一分層離散一按離散后的平面幾何信息逐層加工堆積原材料一生成實體模型。該技術(shù)集計算機技術(shù)、激光加工技術(shù)、新型材料技術(shù)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)、聚合或化學(xué)反應(yīng)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(shù)的工藝方法2.1立體印刷成型工藝(StereoLithographyApparatus)圖1SLA仿真性強，成形精度和材料利用率高。又稱激光立體造型、激光立體光刻技術(shù)，是快速成型技術(shù)中最早、技術(shù)最成熟、應(yīng)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(shè)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(chǔ)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(fù)直到整個原型成型完畢。該工藝制造精度可達(dá)土0.1mm，可成型任意復(fù)雜形狀的三維實體、精細(xì)首飾、工藝品等零件,

2.2迭層實體成型工藝(LaminatedObjectManufacturing)圖1SLA仿真性強，成形精度和材料利用率高。圖2為LOM的原理圖，它是由原材料存儲及送進(jìn)機構(gòu)、熱壓機構(gòu)、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在一起，激光束再次切割，這樣反復(fù)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（SelectedLaserSintering）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(dá)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(gòu)。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(yīng)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，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(dá)±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(dá)34.5MPa,尼龍可達(dá)55MPa）。2.4熔融沉積造型工藝（FusedDepositionModeling）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(fù)一層一層地涂覆，最終得到三維產(chǎn)品。該工藝的關(guān)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°C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0.025?0.76mm）,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。2.5三維打印成型工藝（ThreeDimensionalPrinting）圖4FDM捕撒粉末單上卬刷活塞‘I」降循環(huán).頃豆mm?圖5TDP?立=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圖4FDM捕撒粉末單上卬刷活塞‘I」降循環(huán).頃豆mm?圖5TDP?立=3快速原型制造技術(shù)目前的應(yīng)用3.1在工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用3.1.1應(yīng)用于模具制造隨著快速成型軟硬件設(shè)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(shè)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(shù)已經(jīng)逐漸地深入到模具制造領(lǐng)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?；虻腿埸c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(dāng)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(gòu)復(fù)雜、花紋精細(xì)、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。如熔模鑄造用的蠟?zāi)?，就可以采用這種方法來制作軟模具，對于形狀復(fù)雜的蠟?zāi)２捎每焖俪尚图夹g(shù)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(fù)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(dāng)?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(fù)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(gòu)成硬模具（如各種鑄造模、注塑模、蠟?zāi)５膲盒汀⒗炷＃瑥亩可a(chǎn)塑料件或金屬件。這種模具有良好的機械加工性能，可進(jìn)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(fù)雜的型腔，電火花電極加工應(yīng)用廣泛，可以將快速成型技術(shù)和電火花加工技術(shù)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(dǎo)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。3.1.2應(yīng)用于電動工具的開發(fā)電動工具產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)具有下面幾個特點：1）外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜。電動工具的表面90%都是由復(fù)雜的自由曲面所構(gòu)成（如圖1所示）。由于手持電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(shè)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(jìn)行針對性設(shè)計。2）設(shè)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(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計到產(chǎn)品定型、模具設(shè)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(fù)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(shù)與材料的迅速發(fā)展，實現(xiàn)了將產(chǎn)品設(shè)計、模具設(shè)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(shù)集成度高,由數(shù)字原型到物理原型轉(zhuǎn)換速度快,與采用傳統(tǒng)數(shù)控技術(shù)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(shù)中，先做出快速原型、然后由原型復(fù)制得到模具的方法，應(yīng)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(shè)備，一直是快速原型研究者追求的目標(biāo)。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(shù)和設(shè)備。3.1在口腔下頜骨相關(guān)治療中的應(yīng)用大體上可分為3個階段，初級階段:用于診斷學(xué)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(xué)和康復(fù)工程的植入體；高級階段（高級生物模型）：人工器官（可參與代謝過程的“真正”骨）。目前主要集中在前兩個階段。3.1.1在口腔修復(fù)領(lǐng)域中的應(yīng)用在口腔科其他領(lǐng)域，RPMT同樣對傳統(tǒng)工藝提出挑戰(zhàn)。在口腔修復(fù)領(lǐng)域中有許多應(yīng)用實例，他們利用RPMT技術(shù)制作患者牙冠、牙槽骨等的三維模型，根據(jù)模型設(shè)計、制作、和安裝義齒。Witkowski等利用SLA技術(shù)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(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。他認(rèn)為此技術(shù)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(xué)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法制作全牙列模型，有很好的幾何相似性，為進(jìn)一步應(yīng)用激光燒結(jié)金屬或陶瓷粉末直接制作口腔修復(fù)體奠定了基礎(chǔ)。3.1.2在口腔種植領(lǐng)域中的應(yīng)用做種植義齒時,CT等影像技術(shù)對周密的手術(shù)計劃有很大幫助，RPMT在口腔領(lǐng)域的應(yīng)用使得這些數(shù)字影像發(fā)揮了更大的作用oSarment等發(fā)現(xiàn)僅在CT影像指導(dǎo)下進(jìn)行種植手術(shù)，術(shù)前計劃與術(shù)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(dǎo)下進(jìn)行手術(shù)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(yù)測上頜牙槽骨重度萎縮的患者上頜竇提升并植入種植體后頜面部的外形輪廓，指導(dǎo)手術(shù)，結(jié)果全部患者對手術(shù)效果滿意。3.1.3在口腔內(nèi)科及正畸科領(lǐng)域中的應(yīng)用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(xì)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(jìn)行移植，結(jié)果減少了手術(shù)時間，總共移植的22顆牙齒的牙周膜良好。3.1.4口腔頜面外科領(lǐng)域的應(yīng)用SLA、LOM、SLS、FDM、TDP等技術(shù)先后用于這一領(lǐng)域，在輔助診斷（骨折、關(guān)節(jié)強直甚至是阻生齒）、制定計劃、模擬手術(shù)、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(fù)雜耳神經(jīng)外科術(shù)前設(shè)計，也可模擬手術(shù)操作。3.2在軟件無線電中的應(yīng)用快速原型技術(shù)與軟件無線電技術(shù)各自存在著一些固有的特性。應(yīng)用系統(tǒng)日益復(fù)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(jìn)化為最終產(chǎn)品。模塊庫與IP核（IntelligentPropertyCore）簡化了超大規(guī)模集成電路的設(shè)計，快速原型技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。在FPGA的開發(fā)環(huán)境中，采用已有的描述模塊，將DSP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(jìn)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(biāo)系統(tǒng)采用DFL語言進(jìn)行說明，然后使用Mistral的結(jié)構(gòu)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DesignCompiler進(jìn)行綜合，進(jìn)而應(yīng)用ConceptSi-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(lǐng)域中的應(yīng)用為了加快亞軌道飛行器再入段導(dǎo)航制導(dǎo)系統(tǒng)從算法設(shè)計到硬件產(chǎn)品的實現(xiàn)過程，可以采用快速原型技術(shù)進(jìn)行設(shè)計。借助基于RTX的快速原型開發(fā)平臺，利用Matlab/Simulink/RTW將導(dǎo)航制導(dǎo)模型自動生成C代碼，對自動生成代碼做出相應(yīng)修改以滿足系統(tǒng)實時性要求，再編譯鏈接生成可執(zhí)行DSP代碼，加載到DSP(數(shù)字信號處理器),實現(xiàn)了亞軌道飛行器再入段導(dǎo)航制導(dǎo)系統(tǒng)的DSP硬件在回路仿真。該系統(tǒng)的實時仿真結(jié)果與Simulink數(shù)字仿真結(jié)果一致，表明快速原型系統(tǒng)設(shè)計的正確性。該方法具有開發(fā)周期短、實時性能好等優(yōu)點。參考文獻(xiàn)陳森昌，莫建華，史玉升.應(yīng)用RP技術(shù)快速制造金屬/陶瓷零件和模具[J].金屬成形工藝，2001，(5):