快速成型技术及其发展应用前景的研究报告

快速成型技术及其发展应用前景的研究报告简介快速成形(RapidPrototyping简称:RP)技术是20世纪80年代出现的新型技术，是面向设计(产品开发)的制造技术。RP技术是基于离散、堆积成形原理的新型数字化成形技术。它将CAD、CAM、计算机辅助控制(CNC)、精密伺服驱动和新材料等先进技术集成于一体，由CAD模型直接驱动的快速制造复杂形状三维物理实体技术的总称。原理首先，采用CAD软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体模型(数字模型或称电子模型);然后根据工艺要求，按照一定的规则将该模型离散为一系列有序的单元，一般在Z向将其按一定厚度进行离散(习惯称为分层)，把原来的三维电子模型变成一系列的二维层片；再根据每个层片的轮廓信息，进行工艺规划，选择合适加工参数，自动生成数控代码；最后，由成形机接受控制指令，按照这些指令，激光束选择性地固化一层的液态树脂(或切割一层纸、烧结一层塑或喷头选择性地向材料喷射粘结剂等)制造一系列层片，并自动将它们联接起来，得到一个三维物理实体。然后对完成的三维产品进行必要的后处理，如深度固化、修磨、着色，使之达到原型或零件的要求。这样就将一个物理实体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，并且成形过程的难度与待成形的物理实体形状和结构的复杂程度无关。典型的快速成型工艺（1）光固化立体造型(SLA-StereolithographyApparatus)该技术以液态光敏树脂为原料，计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截而的轮廓为轨迹逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面。当一层固化完毕，移动工作台，在原先固化的树脂表面再敷上一层新的液态树脂以便进行下一层扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上，如此重复至整个零件原型制造完毕。SLA法是第一个投入商业应用的RP技术，其方法特点是精度高、表而质量好、原材料利用率接近100%，能制造形状特别复杂(如空心零件)、特别精细(如首饰等)的零件。新推出的光照成形机(如3DSystems公司出产的SLA-300成形机)采用了Zephyr再涂层技术，最上面待成形树脂用真空吸附式刮板结构涂布供给，不需要沉入液态树脂中，提高了速度，在制作的原型中不再含有液态树脂。用来制作消失模，在熔模精密铸造中替代蜡模。图（2）SLA工艺示意图（2）分层物件制造(LOM-laminatedObjectManufacturing)LOM工艺将单面涂有热熔胶的纸片通过加热辊压粘接在一起。位于上方的计算机控制的CO2激光束按照CAD分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓，然后把新的一层纸再叠加在上面通过热压装置和下面已切割层粘合在一起，激光束再次切割，这样反复逐层切割。粘合、切割…，直至整个零件模型制作完成。这种方法最适合于成形中、大型件，翘曲变形小，尺寸精度较高，成形时间较短，激光器使用寿命长，制件有良好的机械性能，可以制作铸造母模或用于“失纸精密铸造”。图（3）LOM工艺示意图（3）选择性激光烧结(SLS-SelectedLaserSintering)在工作台上均匀铺上一层很薄(100μm-200μm)的粉末，粉末材料可以是塑料、蜡、陶瓷、金属或它们复合物的粉体、覆膜砂等。粉末材料薄薄地铺一层在工作台上，在计算机控制下按照零件分层轮廓选择性地进行烧结，一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理便获得零件。用此法可以直接制作精铸蜡模、实型式铸造用消失模、用陶瓷制作的铸造型壳体和型芯、用覆膜制作的铸型、以及铸造用母模等。制件的翘曲变形比SLA法小，但仍需对整个截面进行面扫描烧结，因此成形时间较长。在烧结陶瓷、金属与粘结剂的混合作用下并得到制件后，须将制件置于加热炉中，烧掉其中的粘结剂，并在孔隙中渗入填充物(如铜)。因此，后处理比较麻烦往往需要进行尺寸补偿才能保证制件精度。图（4）SLS工艺示意图（4）熔融沉积造型(FDM-FusedDepositionMo-deling)加热喷头在计算机控制下，可根据截面轮廓的信息，作X-Y平面运动和高度Z向的运动。丝材(如塑料)由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热、熔化，然后被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成截面轮廓，如此反复层层地涂覆，最终得到三维产品。这种方法适合成形小塑料件，比如精密铸造用蜡模、铸造用母模等。制作的翘曲变形比SLA法小，但仍需对整个截面进行扫描涂覆，因此，成形时间较长。为克服这一缺点，可采用多个热喷头同时进行涂覆，以便提高成形效率。图（5）FDM工艺示意图（5）粘结成形(TDP-ThreeDimensionalPrinting)TDP使用粉末材料和粘结剂，喷头在每一层铺好的材料上有选择地喷射粘结剂，有粘结剂的地方材料被粘结在一起，其他地方仍为粉末，这样层层粘结就得到一个空间实体，去除粉末进行烧结就得到所要求的零件。（6）3DP打印成型工艺如图（6）所示，零件由粉末和胶水组成的。左面是储粉桶，材料被放在快速成型过程的起始位置。在工作平台的里面是一个平整的金属盘，上面一层层微细的粉末材料由共同铺开，在制作过程中由打印头喷出粘结剂进行粘结。相对于其他工艺方法，3DP成形速度快，运行成本低，原材料可用石膏粉、淀粉及热塑材料等，原材料利用率高，适用于制作任意形状及结构的零件。图（6）3DP工艺示意图快速成型技术的优点（1）加工零件多样性。RP技术可迅速制造出复杂的零件，尤其是具有很小的凹槽或空心零件等。因为快速成型技术是分层制造零件的，应用软件将三维模型分层得到模型的二维信息，这个分层过程和模型的复杂程度或表面的凸凹情况是无关的，这也正显示着快速成型技术独有的优越性。（2）新产品的开发和设计。传统的新产品开发过程极为复杂，设计过程要考虑设备、夹具、刀具等因素，开发周期长并且成本高。如果应用快速制造系统制造零件，只要设计出有三维图形，就能加工出完模型。同时只需修改CAD模型就可生成各种不同形状的零件。这可大大降低了设计者的工作量，同时更降低了开发新产品的周期和成本。（3）小批量生产。快速成型系统更适用于单件或小批量生产。传统的机械加工适用于批量生产，但是在实际中用的数量很少的零部件，应用快速成型技术加工可节约成本和生产周期。是传统机械加工的重要补充。（4）高度适应性。RP技术减少了对熟练技术工人的需求，加工过程中没有或极少废弃材料，是一种环保型制造技术，并且成功的解决了计算机辅助设计中三维造型“看得见，摸不着”的问题。（5）技术先进性。快速制造技术的加工过程与计算机辅助设计与制造、与反求工程、激光技术、材料科学、网络技术、等相结合，使产品从设计到成型整个过程更趋于先进性。尤其解决了机械加工中很多棘手的问题。（6）零件的材料状态广泛性。传统的机械加工只适用于固体材料，而快速成型系统应用的材料更为广泛，除了固体，还能加工液体和粉末状材料，如光固化快速成型以液态光敏树脂为材料，用计算机数控系统控制激光束，使液态树脂材料分层固化；分层实体制造系统的加工材料是薄片形状的，是用计算机数控系统控制激光束切割每层薄片材料；选择性激光烧结技术的材料是粉末状的，是用计算机数控系统控制激光束分层烧结材料。（7）生产过程自动化和降低工人的劳动强度。由于快速成型系统加工零件的过程是计算机控制，只需很少的工人参与即可，即使是出现意外情况，系统会报警并自动停止，大大提高了生产的安全性。工人只需操作键盘和按钮即可完成零件的加工，显著地降低了工人的劳动强度。发展面临问题（1）工艺问题：快速原型的基础是分层叠加原理，然而，用什么材料进行分层叠加，以及如何进行分层叠加却大有研究价值。因此，除了上述常见的分层叠加成形法之外，正在研究、开发一些新的分层叠加成形法，以便进一步改善制件的性能，提高成形精度和成形效率。（2）材料问题：成型材料研究一直都是一个热点问题，快速成型材料性能要满足：①有利于快速精确的加工出原型；②用于快速原型系统直接制造功能件的材料要接近零件最终用途对强度、刚度、耐潮、热稳定性等要求；③有利于快速制模的后续处理。发展全新的RP材料，特别是复合材料，例如纳米材料、非均质材料、其他方法难以制作的材料等仍是努力的方向。（3）精度问题：目前，快数成形件的精度一般处于±0.1mm的水平，高度Z方向的精度更是如此。快速成型技术的基本原理决定了该工艺难于达到与传统机械加工所具有的表面质量和精度指标，把快速成型的基本成形思想与传统机械加工方法集成，优势互补，是改善快速成型精度的重要方法之一。（4）软件问题：目前，快速原型系统使用的分层切片算法都是基于STL文件格式进行转换的，就是用一系列三角网格来近似表示CAD模型的数据文件，而这种数据表示方法存在不少缺陷，如三角网格会出现一些空隙而造成数据丢失，还有由于平面分层所造成的台阶效应，也降低了零件表面质量和成形精度，目前，应着力开发新的模型切片方法，如基于特征的模型直接切片法、曲面分层法，即：不进行STL格式文件转换，直接对CAD模型进行切片处理，得到模型的各个截面轮廓，或利用反求工程得到的逐层切片数据直接驱动快速原型系统，从而减少三角面近似产生的误差，提高成形精度和速度。（5）能源问题：当前快速原型技术所采用的能源有光能、热能、化学能、机械能等。在能源密度、能源控制的精细性、成型加工质量等方面均需进一步提高。（6）应用领域问题：目前快速成型现有技术的应用领域主要在于新产品开发，主要作用是缩短开发周期，尽快取得市场反馈的效果。应用领域（1）在新产品造型设计过程中的应用快速成形技术为工业产品的设计开发人员建立了一种崭新的产品开发模式。运用RP技术能够快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的实物模型(样件)，这不仅缩短了开发周期，而且降低了开发费用，也使企业在激烈的市场竞争中占有先机。（2）在机械制造领域的应用由于RP技术自身的特点，使得其在机械制造领域内，获得广泛的应用，多用于制造单件、小批量金属零件的制造。有些特殊复杂制件，由于只需单件生产，或少于50件的小批量，一般均可用RP技术直接进行成型，成本低，周期短。（3）快速模具制造传统的模具生产时间长，成本高。将快速成型技术与传统的模具制造技术相结合，可以大大缩短模具制造的开发周期，提高生产率，是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径。快速成形技术在模具制造方面的应用可分为直接制模和间接制模两种，直接制模是指采用RP技术直接堆积制造出模具，间接制模是先制出快速成型零件，再由零件复制得到所需要的模具。（4）在医学领域的应用近几年来，人们对RP技术在医学领域的应用研究较多。以医学影像数据为基础，利用RP技术制作人体器官模型，对外科手术有极大的应用价值。（5）在文化艺术领域的应用在文化艺术领域，快速成形制造技术多用于艺术创作、文物复制、数字雕塑等。（6）在航空航天技术领域的应用在航空航天领域中，空气动力学地面模拟实验(即风洞实验)是设计性能先进的天地往返系统(即航天飞机)所必不可少的重要环节。该实验中所用的模型形状复杂、精度要求高、又具有流线型特性，采用RP技术，根据CAD模型，由RP设备自动完成实体模型，能够很好的保证模型质量。（7）在家电行业的应用目前，快速成形系统在国内的家电行业上得到了很大程度的普及与应用，使许多家电企业走在了国内前列。如：广东的美的、华宝、科龙；江苏的春兰、小天鹅；青岛的海尔等，都先后采用快速成形系统来开发新产品，收到了很好的效果。快速成形技术的应用很广泛，可以相信，随着快速成形制造技术的不断成熟和完善，它将会在越来越多的领域得到推广和应用。发展现状（1）国外的快速成型技术的发展现状这种为现代社会带来强大冲击和震撼的新技术起源于1988年，美国3DSystem公司推出的SLA-250液态光敏树脂选择性固化成形机，标志着RP技术的诞生。目前，RP技术被广泛应用于各个领域，如航天航空、医疗、军工、艺术设计等领域，应用最为广泛的是航空零部件的快速制造，包括快速精铸技术、金属直接制造零部件、风洞模型的制造。国外主要的航空企业都在应用RP技术研制新型