快速成型(RP)的原理方法及應(yīng)用

快速成型(RP)的原理方法及應(yīng)用快速成型(RP)技術(shù)是一種集計算機(jī)、數(shù)控、激光和材料技術(shù)于一體的先進(jìn)制造技術(shù)。本文通過介紹快速成型系統(tǒng)的原理方法和特點(diǎn)，闡述其工藝特點(diǎn)及開發(fā)和應(yīng)用，探討快速成型技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)中起到的重要作用和產(chǎn)生的巨大效益，分析快速成型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并提出快速成型技術(shù)未來的發(fā)展方向和深遠(yuǎn)意義。1前言當(dāng)今時代，制造業(yè)市場需求不斷向多樣化、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)者興趣的短時效和消費(fèi)者需求日益主體化、個性化和多元化；另一方面則是區(qū)域性、國際市場壁壘的淡化或打破，要求制造業(yè)的廠商必須著眼于全球市場的激烈競爭。因此快速地將多樣化、性能好的產(chǎn)品推向市場成為了制造業(yè)廠商把握市場先機(jī)的關(guān)鍵，由此導(dǎo)致了制造價值觀從面向產(chǎn)品到面向顧客的重定位，制造戰(zhàn)略重點(diǎn)從成本與質(zhì)量到時間與響應(yīng)的轉(zhuǎn)移，也就是各國致力于CIMS(ComputerIntegratedManufactureSystem)、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?RapidPrototyping)技術(shù)正是在這種時代的需求下應(yīng)運(yùn)而生的。它是由三維CAD模型直接驅(qū)動的快速制造任意復(fù)雜形狀三維實(shí)體的總稱。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。2快速成型的原理及特點(diǎn)快速成型技術(shù)采用離散/堆積成型原理，根據(jù)三維CAD模型，對于不同的工藝要求，按照一定厚度進(jìn)行分層，將三維數(shù)字模型變成厚度很薄的二維平面模型。再將數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，加入加工參數(shù)，產(chǎn)生數(shù)控代碼，在數(shù)控系統(tǒng)控制下以平面加工方式連續(xù)加工出每個薄層，并使之粘結(jié)而成形。實(shí)際上就是基于“生長”或“添加”材料原理一層一層地離散疊加，從底到頂完成零件的制作過程。它是計算機(jī)輔助設(shè)計與制造技術(shù)、逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)、材料去除成形、材料增加成形技術(shù)以及它們的集成的總稱。快速成型技術(shù)系統(tǒng)的工作流程如圖1所示：點(diǎn)擊圖片查看大圖圖1快速成型技術(shù)系統(tǒng)的工作流程RP技術(shù)有以下特點(diǎn)及優(yōu)越性：(1)快速性，從CAD設(shè)計到完成原型制作通常只需幾個小時到幾十個小時，加工周期短，可節(jié)約70%時間以上。(2)低成本，與產(chǎn)品的復(fù)雜程度無關(guān)，一般制作費(fèi)用降低50%，特別適合新產(chǎn)品的開發(fā)和單件小批量零件的生產(chǎn)。(3)制作原型所用的材料不限，各種金屬和非金屬材料均可使用，可以制造樹脂類、塑料類、紙類、石蠟類、復(fù)合材料以及金屬材料和陶瓷材料的原型。(4)適應(yīng)于加工各種形狀的零件，制造工藝與零件的復(fù)雜程度無關(guān)，不受工具的限制，可實(shí)現(xiàn)自由制造(FreeFormFabrication)，原型的復(fù)制性、互換性高。(5)具有高柔性，采用非接觸加工的方式，無需任何工夾具，即可快速成型出具有一定精度和強(qiáng)度并滿足一定功能的原型和零件。(6)高集成化，RP技術(shù)是集計算機(jī)、CAD/CAM、數(shù)控、激光、材料和機(jī)械等一體化的先進(jìn)制造技術(shù)，整個生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)自動化、數(shù)字化、與CAD模型具有直接的關(guān)聯(lián)，所見即所得，零件可隨時制造與修改，實(shí)現(xiàn)設(shè)計制造一體化。(7)加工過程中無振動、噪聲和廢料，可實(shí)現(xiàn)無人值守長時間自動運(yùn)行。3目前快速成型的典型工藝及特點(diǎn)迄今為止，國外、國內(nèi)已經(jīng)開發(fā)成功了十多種成熟的快速成型工藝，其中商品化比較好的主要有SLA、LOM、SLS、FDM、TDP等原理的快速成型系統(tǒng)。3.1立體光固化成型法立體光固化成型法(SLA，Stere-lithographyApparatus)以液態(tài)光敏樹脂為原材料，在計算機(jī)控制下的紫外激光束按預(yù)定零件各分層截面的輪廓軌跡對液態(tài)樹脂逐點(diǎn)掃描，使被掃描區(qū)的樹脂層產(chǎn)生聚合（固化）反應(yīng)，從而形成零件的一個薄層截面，最后將形成好的所有薄層截面進(jìn)行固化以形成整體零件。SLA工藝的優(yōu)點(diǎn)是精度高，可以控制在0.01mm，表面質(zhì)量好；原材料利用率接近100%，能夠制造形狀特別復(fù)雜、精細(xì)的零件；缺點(diǎn)是需要設(shè)計支撐，原材料價格昂貴，可以選擇的材料種類有限，加工成本高；制件容易發(fā)生翹曲變形。3.2分層實(shí)體制造法分層實(shí)體制造法(LOM，LaminatedObjectManufacture)是將單層涂有熱熔膠的紙片通過加輥加熱粘結(jié)在一起，利用上方的激光切割器按照CAD分層模型所獲數(shù)據(jù)，用激光束切割形成零件。該法無需設(shè)計支撐，只需切割輪廓，無需填充掃描，制件的翹曲變形小，制造加工成本低。但是表面質(zhì)量差，廢料分離麻煩，材料利用率低，種類有限，后處理難度大。3.3選擇性激光燒結(jié)法選擇性激光燒結(jié)法(SLS，SelectiveLaserSintering)是利用激光器對熱塑粉末進(jìn)行分層燒結(jié)固化堆積成形零件。其優(yōu)點(diǎn)是原型件機(jī)械性能好，強(qiáng)度高；無需設(shè)計和構(gòu)建支撐；成型材料選擇性廣泛，并且利用率高(100%)；缺點(diǎn)是制件精度低，表面粗糙，需要后處理。3.4熔融沉積成型法熔融沉積成型法(FDM，F(xiàn)usedDepositionModeling)是將絲狀材料在噴頭中加熱至略高于熔點(diǎn)（比熔點(diǎn)高1℃左右），呈半流動狀態(tài)，從噴頭中擠壓出來，很快凝固，形成精確的層，層層相疊，最后形成整體。其優(yōu)點(diǎn)是材料利用率高，材料成本低，可選材料種類多，速度快。缺點(diǎn)是精度低，懸臂件需要支撐，且成型加工中易堵絲。3.5三維印刷系統(tǒng)法三維印刷系統(tǒng)(TDP，ThreeDimensionalPrinting)是使用專用粉末材料和粘結(jié)劑，用類似打印噴頭在一層鋪好的粉末材料上有選擇地噴射粘結(jié)劑，在有粘結(jié)劑的地方粉末被粘結(jié)在一起，其他地方仍為粉末，這樣層層粘結(jié)形成空間實(shí)體。TDP法的優(yōu)點(diǎn)是成本低，速度塊。主要問題是表面粗糙。4快速成型技術(shù)的應(yīng)用快速成型技術(shù)的應(yīng)用是不斷提高RP技術(shù)發(fā)展的重要因素，目前RP技術(shù)已在工業(yè)造型、文化藝術(shù)、機(jī)械制造（汽車、摩托車）、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫(yī)學(xué)、考古、文化藝術(shù)、雕刻、首飾等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。并且隨著這一技術(shù)本身的發(fā)展，其應(yīng)用將不斷拓展。4.1RP技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用主要集中在以下幾個方面(1)新產(chǎn)品開發(fā)過程中的設(shè)計驗(yàn)證與功能驗(yàn)證。在新產(chǎn)品造型設(shè)計過程中應(yīng)用RP技術(shù)可以為設(shè)計開發(fā)人員建立一種嶄新的產(chǎn)品開發(fā)模式，運(yùn)用該技術(shù)能夠快速、直接、精確地將設(shè)計思想模型轉(zhuǎn)化為具有一定功能的實(shí)體模型（樣件），可以方便驗(yàn)證設(shè)計人員的設(shè)計思想和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性、可裝配性、美觀性，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題并修改完善產(chǎn)品設(shè)計。這樣不僅大大縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本，使企業(yè)在激烈的市場競爭中占有了先機(jī)。就西安交通大學(xué)的西北RPM應(yīng)用服務(wù)中心為例，他們運(yùn)用RPM技術(shù)為TCL公司設(shè)計了多種新款手機(jī)樣品，從工業(yè)造型設(shè)計到樣品全過程僅用了7天時間，這用傳統(tǒng)設(shè)計制造技術(shù)是無法實(shí)現(xiàn)的。(2)單件、小批量和特殊復(fù)雜零件的直接生產(chǎn)。在機(jī)械制造領(lǐng)域里有些特殊復(fù)雜制件只需單件或少于50件的小批量生產(chǎn)，這樣的產(chǎn)品通過制模再生產(chǎn)，成本高，周期長。RP技術(shù)以自身獨(dú)有的特點(diǎn)可以直接成型生產(chǎn)，成本低，周期短。以北京隆源自動成型系統(tǒng)有限公司試制發(fā)動機(jī)渦輪2件為例，采用快速成型技術(shù)制造僅僅用了兩天的時間就完成了用于生產(chǎn)的蠟型，傳統(tǒng)工藝需要4個月。(3)產(chǎn)品展示。RP原型是產(chǎn)品從設(shè)計到商品化各個環(huán)節(jié)中進(jìn)行交流的有效手段。在全球經(jīng)濟(jì)經(jīng)濟(jì)化的今天，許多外向型企業(yè)都經(jīng)常面臨外商要求看樣訂貨。如何在不可能開模試生產(chǎn)的情況下最快提供樣品，搶占市場先機(jī)。在這種環(huán)境下，RP技術(shù)又體現(xiàn)了明顯的優(yōu)勢。(4)快速模具制造。將快速成型技術(shù)與傳統(tǒng)的模具制造技術(shù)相結(jié)合，可以大大縮短模具制造的開發(fā)周期，提高生產(chǎn)效率，是解決模具設(shè)計與制造薄弱環(huán)節(jié)的有效途徑。快速成型技術(shù)在模具制造方面的應(yīng)用可分為直接制模和間接制模兩種。4.2快速成型在福建省內(nèi)的應(yīng)用快速成型技術(shù)在福建省內(nèi)現(xiàn)代制造業(yè)中也起到的重要作用，產(chǎn)生的巨大效益，并得到了各級政府的支持，例：.huisheliren由福建省機(jī)械科學(xué)研究院、集美大學(xué)工程訓(xùn)練中心和福建省生產(chǎn)力促進(jìn)中心三方合作的《計算機(jī)集成制造技術(shù)公共服務(wù)平臺》項(xiàng)目里，其中重要的一項(xiàng)就是關(guān)于產(chǎn)品的開速成型(RP)。其內(nèi)容是：(1)客戶主動的快速成型數(shù)據(jù)可制造性評價。(2)RP原型制作，主要采用了立體光固化成型法和熔融沉積成型法。(3)功能零件制作及快速零件制造。該項(xiàng)目在第六屆中國海峽項(xiàng)目成果交易會上，展示了三維數(shù)字化設(shè)計制造核心技術(shù)。政府領(lǐng)導(dǎo)及大批參觀者觀看了快速掃描、快速成型、異地協(xié)同設(shè)計、模具分模、高速加工、五軸加工、模流分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析等的應(yīng)用，不少企業(yè)代表興趣濃厚。該平臺通過快速成型技術(shù)縮短企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)時間，節(jié)約了新產(chǎn)品開發(fā)的費(fèi)用，起到了很好的示范作用。綜上所述，隨著快速成型制造技術(shù)在不斷完善和成熟，將會各個領(lǐng)域內(nèi)得到更廣泛的推廣和應(yīng)用。5快速成型制造技術(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。從目前國內(nèi)外RP技術(shù)的研究和應(yīng)用狀況來看，快速成型技術(shù)的進(jìn)一步研究和開發(fā)的方向主要表現(xiàn)在以下幾個方面：(1)大力改善現(xiàn)行快速成型制作機(jī)的制作精度、可靠性和制作能力，提高生產(chǎn)效率，縮短制作周期。尤其是提高成型件的表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能，為進(jìn)一步進(jìn)行模具加工和功能試驗(yàn)提供平臺。(2)開發(fā)性能更好的快速成型材料。材料的性能既要利于原型加工，又要具有較好的后續(xù)加工性能，還要滿足對強(qiáng)度和剛度等不同的要求。(3)提高RP系統(tǒng)的加工速度和開拓并行制造的工藝方法。目前即使是最快的快速成型機(jī)也難以完成象注塑和壓鑄成型的快速大批量生產(chǎn)。將來的快速成型機(jī)需要向快速和多材料的制造系統(tǒng)發(fā)展，以便可以直接面向產(chǎn)品制造。(4)開發(fā)用于快速成型的RPM軟件。這些軟件有快速高精度直接切片軟件，快速造型制造和后續(xù)應(yīng)用過程中的精度補(bǔ)償軟件，考慮快速成型原型制造和后續(xù)應(yīng)用的CAD等。(5)開發(fā)新的成型能源。目前大多數(shù)成型機(jī)都是以激光作為能源，而激光系統(tǒng)的價格和維修費(fèi)用昂貴，并且傳輸效率較低。這方面也需要得到改善和發(fā)展。(6)RPM與CAD、CAM、CAPP，CAE以及高精度自動測量、逆向工程的集成一體化。該項(xiàng)技術(shù)可以大大提高新產(chǎn)品的第一次投入市場就十分成功的可能性，也可以快速實(shí)現(xiàn)反求工程。(7)研制新的快速成型方法和工藝。除了目前SLA、LOM、SLS、FDM外，直接金屬成型工藝將是以后的發(fā)展焦點(diǎn)