快速成型技术

2015~2016年度现代制造技术课程论文1快速成型技术现状及其发展趋势工程技术学院2013级机制3班摘要：20世纪80年代后发展起来的快速成型技术（RapidProtoyping,RPM），被认为是制造领域的一次重大突破，其对制造业的影响可与20世纪50～60年代的数控技术相比。本文介绍了快速成型技术的概念及分类方法，总结了快速成型技术的发展和目前对快速成型技术的研究现状，并对快速成型技术的原理进行了简单介绍。关键词：快速成型技术；3D打印；计算机辅助设计（CAD）；先进制造技术0前言*快速成型技术（RPMM）是集CAD/CAM技术、激光加工技术、数控技术和新材料等技术领域的最新成果于一体的零件原型制造技术。它不同于传统的用材料去除方式制造零件的方法，而是用材料一层一层积累的方式构造零件模型。它利用所要制造零件的三维CAD模型数据直接生成产品原型，并且可以方便地修改CAD模型后重新制造产品原型。由于该技术不像传统的零件制造方法需要制作木模、塑料模和陶瓷模等，可以把零件原型的制造时间减少为几天、几小时，大大缩短了产品开发周期，减少了开发成本。随着计算机技术的决速发展和三维CAD软件应用的不断推广，越来越多的产品基于三维CAD设计开发，使得快速成型技术的广泛应用成为可能。快速成形技术已广泛应用于宇航、航空、汽车、通讯、医疗、电子、家电、玩具、军事装备、工业造型（雕刻）、建筑模型、机械行业等领域。1快速成型技术产生背景随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈，产品的开发速度日益成为主要矛盾。在这种情况下，西安交通大学机械学院，快速成型国家工程研究中心，教育部快速成型工程研究中心自主快速产品开发(快速设计和快速工模具)的能力(周期和成本)成为制造业全球竞争的实力基础。制造业为满足日益变化的用户需求，要求制造技术有较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产而不增加产品的成本。因此，产品的开发速度和制造技术的柔性就十分关键。从技术发展角度看，计算机科学、CAD技术、材料科学、激光技术的发展和普及为新的制造技术的产生奠定了技术物质基础。2基本原理及特点2.1基本原理快速成形技术是在计算机控制下，基于离散、堆积的原理采用不同方法堆积材料，最终完成零件的成形与制造的技术。1、从成形角度看，零件可视为“点”或“面”的叠加。从CAD电子模型中离散得到“点”或“面”的几何信息，再与成形工艺参数信息结合，控制材料有规律、精确地由点到面，由面到体地堆积零件。2、从制造角度看，它根据CAD造型生成零件三维几何信息，控制多维系统，通过激光束或其他方法将材料逐层堆积而形成原型或零件。2.2特点它可以在无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下，直接接受产品设计（CAD）数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型。因此，RPM技术的推广应用可以大大缩短新产品开发周期、降低月2016年4月沈灵：快速成型技术现状及其发展趋势2开发成本、提高开发质量。由传统的去除法到今天的增长法，由有模制造到无模制造，这就是RPM技术对制造业产生的革命性意义。RPM技术将一个实体的复杂的三维加工离散成一系列层片的加工，大大降低了加工难度，具有如下特点：(1)制造原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用；(2)原型的复制性、互换性高；(3)制造工艺与制造原型的几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优越；(4)加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低50%，加工周期节约70%以上；(5)高度技术集成，可实现了设计制造一体化；3光敏树脂液固化成形光敏树脂液固化成型SLA(StereolithographyApparatus)又称为光固化立体造型或立体光刻。它由CharlesHul发明并于1984年获得美国专利。1988年美国3D系统公司推出商品化的世界上第一台快速原型成型机。SLA系列成型机占据着RPM设备市场较大份额。3.1光敏树脂液固化成型（SLA）工艺原理SLA工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长（λ=325mm）和功率（P=30mW）的紫外线的照射下能迅速发生光聚合反应，相对分子质量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。其工艺过程是以液态光敏树脂为材料充满液槽，由计算机控制激光束跟踪层状截面轨迹，并照射到液槽中的液体树脂，而使这一层树脂固化，之后升降台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，然后再进行新一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到1个三维实体模型。其工作原理如图1所示。3.2特点和成形材料该工艺的特点是：原型件精度高，零件强度和硬度好，可制出形状特别复杂的空心零件，生产的模型柔性化好，可随意拆装，是间接制模的理想方法。缺点是需要支撑，树脂收缩会导致精度下降，另外光固化树脂有一定的毒性而不符合绿色制造发展趋势等。SLA工艺成形材料称为光敏树脂（或称为光固化树脂），光敏树脂中主要包括齐聚物、反应性稀释剂及光引发剂。根据引发剂的引发机理，光敏树脂可以分为三类：自由基光敏树脂、阳离子光敏树脂和混杂型光敏树脂。图1.光敏树脂液相固化成形原理4选择性激光粉末烧结成形选择性激光粉末烧结成形SLS(SelectiveLaserSintering)工艺又被称为选区激光烧结，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。该方法已被美国DTM公司商品化。4.1选择性激光粉末烧结成形（SLS）工艺原理SLS工艺过程是：先在工作台上铺上一层粉末，在计算机控制下用激光束有选择地进行烧结(零件的空心部分不烧结，仍为粉末材料)，被烧结部分便固化在一起构成零件的实心部分。一层完成后再进行下一层，新一层与其上一层被牢牢地烧结在一起。全部烧结完成后，去除多余的粉末，便得到烧结成的零件。其工作原理如图2所示。4.2特点和成形材料该工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、金属、蜡等材料的零件。造型精度高，原型强度高，所以可用样件进行功能试验或装配模拟。月2016年4月沈灵：快速成型技术现状及其发展趋势3SLS早期采用蜡粉及高分子塑料粉作为成形材料，现在用金属或陶瓷粉进行粘结或烧结的工艺也已进入实用阶段。任何受热后能粘结的粉末都有被用作SLS原材料的可能性，原则上这包括了塑料、陶瓷、金属粉末及它们的复合粉。图2.选择性激光粉末烧结原理5薄片分层叠加成形薄片分层叠加成形LOM(LaminatedObjectManufacturing)工艺又称为叠层实体制造或分层实体制造，由美国Helisys公司于1986年研制成功，并推出商品化的机器。因为常用纸作原料，故又称为纸片叠层法。5.1薄片分层叠加成形（LOM）工艺的原理LOM工艺原理是根据零件分层几何信息切割箔材和纸等，将所获得的层片粘接成三维实体。其工艺过程是：首先铺上一层箔材，然后用CO，激光在计算机控制下切出本层轮廓，非零件部分全部切碎以便于去除。当本层完成后，再铺上一层箔材，用滚子碾压并加热，以固化黏结剂，使新铺上的一层牢固地粘接在已成形体上，再切割该层的轮廓，如此反复直到加工完毕，最后去除切碎部分以得到完整的零件。其工作原理如图3所示。5.2特点和成形材料LOM工艺只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不是扫描整个截面。因此易于制造大型、实体零件。零件的精度较高（误差0.15mm）。工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以LOM工艺无需加支承。LOM工艺的成形材料常用成卷的纸，纸的一面事先涂覆一层热熔胶，偶尔也用塑料薄膜作为成形材料。图3.薄片分层叠加成形原理6熔丝堆积成形熔丝堆积成形FDM(FusedDepositionManufacturing)工艺又称为熔丝沉积制造，由美国学者Dr.ScottCrump于1988年研制成功，并由美国Stratasys公司推出商品化的机器。6.1熔丝堆积成形（FDM）工艺的原理FDM工艺过程是以热塑性成形材料丝为材料，材料丝通过加热器的挤压头熔化成液体，由计算机控制挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，使熔化的热塑材料丝通过喷嘴挤出，覆盖于已建造的零件之上，并在极短的时间内迅速凝固，形成一层材料。之后，挤压头沿轴向向上运动一微小距离进行下一层材料的建造。这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。其工作原理如图4所示6.2特点和成形材料特点和成形材料该工艺不用激光，因此使用、维护简单，成本低。用蜡成形的零件原型，可以直接用于熔模制造。用ABS工程塑料制造的原型因具有较高的强度而在产品设计、测试与评估等方面得到了广泛的应用。FDM工艺常用ABS工程塑料丝作为成形材料，对其要求是熔融温度低（80～120℃）、粘度低、粘结性好、收缩率小。影响材料挤出过程的主要因素是粘度。材料的粘度低、流动性好，阻力就小，有助于材料顺利挤出。材料流动性差，需要很大的送丝压力才能挤出，会增加喷头的启停响应时间，从而影响成形精度。月2016年4月沈灵：快速成型技术现状及其发展趋势4图4.熔丝堆积成形原理7总结总而言之，RPM技术是九十年代世界先进制造技术和新产品研发手段。在工业发达国家，企业在新产品研发过程中采用RPM技术确保研发周期、提高设计质量已成为一项重要的策略。当前，市场竞争愈演愈烈，产品更新换代加速。要保持我市产品在国内外市场的竞争力，迫切需要在加大新产品开发投入力度、增强创新意识的同时，积极采用先进的创新手段。RPM技术在不需要任何刀具、模具及工装卡具的情况下，可实现任意复杂形状的新产品样件的快速制造。用RPM技术快速制造出的的模型或样件可直接用于新产品设计验证、功能验证、外观验证、工程分析、市场订货等，非常有利于优化产品设计，从而大大提高新产品开发的一次成功率，提高产品的市场竞争力，缩短研发周期，降低研发成本。快速原型制造技术生产力促进中心的成立为本市企业应用RPM技术开展产品创新活动提供了很好的前提条件。参考文献[1]白基成刘晋春郭永丰，特种加工[M].北京：机械工业出版社.2013[2]宾鸿赞王润孝，先进制造技术[M].北京：高等教育出版社.2006[3]=HOgUROc1iaSOtY5tFpFZZG_bFM27IHe9R1ClvsmzstlOnBo_UCjeDS2e9WST_8pm0X[4]韩霞杨恩源，快速成型技术与应用[M].北京：机械工业出版社.2012[5]徐超郭黎滨张忠林王玉甲．先进制造技术[M]．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社.2010[6]孔康陈远龙朱永伟．精密加工与特种加工[M]．北京：高等教育出版社．2015[7]杨国选．机械制造技术[M]．北京：北京理工大学出版社.2010[8]任小中．先进制造技术[M].武汉：华中科技大学出版社.2013作者简介：沈灵，男，1995年出生，本科生。E-mail:：[e-mail]。