快速原型制造技術(shù)論文1

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院課程論文題目：快速原型制造技術(shù)分析研究學(xué)院：專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：職稱：教授2013年6月21日TOC\o"1-5"\h\z摘要2前言3\o"CurrentDocument"1RPM技術(shù)的基本原理3\o"CurrentDocument"2技術(shù)概述和指標(biāo)3\o"CurrentDocument"3快速原型制造技術(shù)目前的適用對(duì)象33.1在工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用3\o"CurrentDocument"3.1.1應(yīng)用于模具制造4\o"CurrentDocument"3.1.2應(yīng)用于電動(dòng)工具的開發(fā)43.2在口腔下頜骨相關(guān)治療中的應(yīng)用5\o"CurrentDocument"3.2.1在口腔修復(fù)領(lǐng)域中的應(yīng)用5\o"CurrentDocument"3.2.2在口腔種植領(lǐng)域中的應(yīng)用53.2.3在口腔內(nèi)科及正畸科領(lǐng)域中的應(yīng)用5\o"CurrentDocument"3.2.4口腔頜面外科領(lǐng)域的應(yīng)用53.3在軟件無線電中的應(yīng)用63.4在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用6\o"CurrentDocument"4結(jié)論7參考文獻(xiàn)8，快速原型制造技術(shù)分析研究摘要：制造業(yè)是一個(gè)國(guó)家的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，它為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門提供先進(jìn)的手段和裝備。在新的世紀(jì)，隨著市場(chǎng)多樣化需求的發(fā)展，產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵，在此背景下快速原型制造技術(shù)（RapidPrototypingManufacturing,簡(jiǎn)稱RPM或RP）應(yīng)運(yùn)而生。快速原型技術(shù)（RPT）被用于許多工業(yè)領(lǐng)域，尤其是新產(chǎn)品的開發(fā)方面?，F(xiàn)有的工藝能直接利用CAD的三維數(shù)據(jù)使一些材料（比如光固化樹脂、粉紙）快速成型為實(shí)體零件。關(guān)鍵字：快速原型；三維；制造；工業(yè)刖言快速原型制造(RapidPrototypingManufacturing,簡(jiǎn)稱RPM)技術(shù)是二十世紀(jì)九十年代后期起源于美國(guó)，并很快發(fā)展起來的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，他是近二十年來制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破?？焖僭椭圃旒夹g(shù)是通過CAD、數(shù)控、激光和材料等高新技術(shù)的集成而發(fā)展起來的，它是一種嶄新的CAD/CAM技術(shù)，可以自動(dòng)快速地將思想物化為具有一定結(jié)構(gòu)和性能的原型或直接制造零部件，從而可以對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行快速評(píng)價(jià)、修改，以響應(yīng)市場(chǎng)需求，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能。本文目的是對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵原理、技術(shù)指標(biāo)和和適用對(duì)象等分析研究。1RPM技術(shù)的基本原理將計(jì)算機(jī)內(nèi)的三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分層切片得到各層截面的輪廓數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)據(jù)此信息控制激光器(或噴嘴)有選擇性地?zé)Y(jié)一層接一層的粉末材料(或固化一層又一層的液態(tài)光敏樹脂，或切割一層又一層的片狀材料，或噴射一層又一層的熱熔材料或粘合劑)形成一系列具有一個(gè)微小厚度的片狀實(shí)體，再采用熔結(jié)、聚合、粘結(jié)等手段使其逐層堆積成一體，便可以制造出所設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品樣件、模型或模具，簡(jiǎn)單描述就是“分層制造，逐層疊加”，類似于積分過程。如圖1-1，RP技術(shù)在不需要任何刀具、模具及工裝卡具的情況下，直接接受產(chǎn)品計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜形狀新產(chǎn)品的快速制造，快速制造出新產(chǎn)品的樣件、模具或模型，優(yōu)越性顯而易見。用RP技術(shù)快速制造出的模型或樣件可直接用于新產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證、功能驗(yàn)證、外觀驗(yàn)證、工程分析、市場(chǎng)訂貨等，有利于優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，大大提高新產(chǎn)品開發(fā)的一次成功率，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。圖1-12技術(shù)概述和指標(biāo)所有制造技術(shù)被分為材料去除型和材料累積型兩類。現(xiàn)有的制造技術(shù)要么是這兩種類型中的一種，要么是這兩種類型的混合。快速原型技術(shù)特點(diǎn)是一旦加工過程開始，就幾乎不需要人工的參與，完全在計(jì)算機(jī)的控制下完成°Burns(1993)在他的書中寫到RPT是一種自動(dòng)化制造°Burns用五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來判斷一種工藝是否為快速原型工藝。這五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是：

（1）利用塊狀、薄片或者液體之類的原材料來制造有特定形狀的實(shí)體。（2）加工過程中必須沒有過多人的參與。（3）必須是制造有一定復(fù)雜度的三維實(shí)體，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是用來排除了在薄片材料通過沖壓、剪切或者鉆削來制造簡(jiǎn)單的孔的加工方法。（4）不需要為每個(gè)不同的零件制造對(duì)應(yīng)的加工工具（專用工具）。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)排除了所有類型的模制、鑄造、線切割加工和仿形銑。這就排除了膠粘、焊接和（5）制造目標(biāo)必須是一個(gè)整體，不是組件裝配而成，鉚接之類連接方法。這就排除了膠粘、焊接和工：「I-格武:'切片心工：「I-格武:'切片心或如圖2-1所示符合這些標(biāo)準(zhǔn)的制造技術(shù)就是自動(dòng)制造技術(shù)。3快速原型制造技術(shù)目前的適用對(duì)象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(qiáng)度和精度得到不斷的提高，其快速設(shè)計(jì)、快速制造、快速校驗(yàn)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(jī)直接制作模具快速成形件可直接用作模具，如同制作單個(gè)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(qiáng)度，如果再配合后續(xù)的金屬溶滲，則可以制作成強(qiáng)度足夠高的金屬模。此外，對(duì)于試制用注塑?；虻腿埸c(diǎn)合金鑄造模，由于對(duì)模具的強(qiáng)度、熔點(diǎn)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(shí)，或者對(duì)于試制用注塑?；虻腿埸c(diǎn)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(duì)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)＃涂梢圆捎眠@種方法來制作軟模具，對(duì)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(shì)性。這種方法還被大量的運(yùn)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(qiáng)度、較高的熔點(diǎn)和適當(dāng)?shù)膲勖@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＃?，從而批量生產(chǎn)塑料件或金屬件。這種模具有良好的機(jī)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(jī)床用電極用電火花電極加工是制造鋼制模具的一個(gè)重要方法，特別是對(duì)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(qiáng)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(shí)間。3.1.2應(yīng)用于電動(dòng)工具的開發(fā)電動(dòng)工具產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)具有下面幾個(gè)特點(diǎn)：1）外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜。電動(dòng)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(dòng)工具直接由使用者手持操作，因此對(duì)其人機(jī)工程性能提出了較高要求，設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)性設(shè)計(jì)。2）設(shè)計(jì)周期短。電動(dòng)工具產(chǎn)品更新?lián)Q代快，企業(yè)為了提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，每一款新產(chǎn)品從市場(chǎng)調(diào)研、概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到產(chǎn)品定型、模具設(shè)計(jì)及制造等，需要在較短時(shí)間內(nèi)完成。在電動(dòng)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(diǎn)使得采用傳統(tǒng)制造方法周期長(zhǎng)、成本高。快速成形技術(shù)與材料的迅速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了將產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)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(bào)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。3.2在口腔下頜骨相關(guān)治療中的應(yīng)用大體上可分為3個(gè)階段，初級(jí)階段:用于診斷學(xué)和操作的生物實(shí)體模型；中級(jí)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(jí)階段（高級(jí)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(gè)階段。3.2.1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(duì)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(shí)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(jì)、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(shí)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(duì)鑄道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(guó)麻省理工學(xué)院的強(qiáng)度，并可加熱至幾百度以縮短干燥時(shí)間。國(guó)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)。3.2.2在口腔種植領(lǐng)域中的應(yīng)用做種植義齒時(shí)，CT等影像技術(shù)對(duì)周密的手術(shù)計(jì)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。Sarment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(jì)劃與術(shù)后相比，在牙槽嵴植入點(diǎn)平均相差1.5mm.,骨內(nèi)種植體頂點(diǎn)相差2.1mm;在SLA模型指導(dǎo)下進(jìn)行手術(shù)這兩個(gè)值分別減小到0.9mm和1.0mm。Sader等對(duì)23個(gè)患者利用RPMT的可視化實(shí)體預(yù)測(cè)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(duì)手術(shù)效果滿意。3.2.3在口腔內(nèi)科及正畸科領(lǐng)域中的應(yīng)用Kim等報(bào)道了一個(gè)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(duì)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(shí)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(cè)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(shí)間，總共移植的22顆牙齒的牙周膜良好。3.2.4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(qiáng)直甚至是阻生齒）、制定計(jì)劃、模擬手術(shù)、治療等方面發(fā)揮了重要作用。如邱明國(guó)等曾用LOM法制出顳骨的紙質(zhì)實(shí)物模型，可用于復(fù)雜耳神經(jīng)外科術(shù)前設(shè)計(jì)，也可模擬手術(shù)操作。3.3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(duì)產(chǎn)品開發(fā)周期的要求越來越高；同時(shí)，大量軟硬件模塊具備了可重用能力。原型不再只用于評(píng)測(cè)，而直接進(jìn)化為最終產(chǎn)品。模塊庫與IP核（IntelligentPropertyCore）簡(jiǎn)化了超大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)，快速原型技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)實(shí)現(xiàn);并利用軟件工具對(duì)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(duì)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(jí)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(duì)簡(jiǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)DSP核，而是將核的內(nèi)容作為一個(gè)宏模塊來對(duì)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。3.4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(jì)到硬件產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)過程，可以采用快速原型技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。借助基于RTX的快速原型開發(fā)平臺(tái)，利用Matlab/Simulink/RTW將導(dǎo)航制導(dǎo)模型自動(dòng)生成C代碼,對(duì)自動(dòng)生成代碼做出相應(yīng)修改以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(hào)處理器），實(shí)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(shí)時(shí)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(jì)的正確性。該方法具有開發(fā)周期短、實(shí)時(shí)性能好等優(yōu)點(diǎn)，如圖3-1所示。Realtimelorkshop冊(cè)1NGN9按口+~~AnJ㈡部竺竺可二工|_^當(dāng)槐報(bào)器輔入戡口住:冊(cè)1NGN9按口+~~AnJ㈡部竺竺可二工|_^當(dāng)槐報(bào)器輔入戡口住:1__D通遇輸出榛口]1￥圖3-14結(jié)論正如上文所說，由于RP技術(shù)獨(dú)特和高度柔性的制造原理及其在產(chǎn)品開發(fā)過程中所起的作用，已越來越受到制造廠商和科技界人士的重視。其應(yīng)用也正從原型制造向最終產(chǎn)品制造方向發(fā)展，特別是RP與RT技術(shù)的結(jié)合，已取得較明顯的成果。但是，RP技術(shù)本身目前的發(fā)展水平，也還存在一些局限性。成形精度不高。影響RP成形精度的因素很多，它既包括前處理（數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換）與后處理（含與環(huán)境和時(shí)間相關(guān)的制件尺寸變化）所引起的誤差，更因?yàn)槌尚芜^程自身伴隨著材料的相變和溫度變化，是一個(gè)復(fù)雜的熱力學(xué)過程，其尺寸控制遠(yuǎn)比機(jī)械加工困難，所以目前日？技術(shù)所能達(dá)到的最佳尺寸精度大概在±0.1mm左右。而且成形速度與成形精度之間還存在矛盾，為提高成形精度而減少切片層厚會(huì)降低成形效率。由于精度不夠，目前RP技術(shù)尚難于制造精度較高的最終產(chǎn)品，一般只能作為一種準(zhǔn)凈成形（NearNetShape）技術(shù)。處理工藝成熟的材料范圍有限。前文已經(jīng)提到，目前比較成熟的RPX藝所處理的材料大概只限于樹脂、蠟、某些工程塑料和紙等幾種。用這些材料制成的零件，即使經(jīng)過后處理也大多不能作為真正的機(jī)械零件使用。而以金屬材料作為RP的處理對(duì)象來直接生產(chǎn)金屬零件和模具的工藝尚不十分成熟，如何提高直接金屬成形件的尺寸精度、表面質(zhì)量和機(jī)械性能并降