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快速成型技綜述.doc

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?快速成型技術綜述機械工程及自動化專業(2010級)機械1012班 李春林(2010118501229)【摘 要】 本文主要介紹了快速成型技術的起源及特點,技術原理,類型、特點及適用范圍,闡述了快速成型技術在各領域的應用,探討了快速成型技術在今后的發展方向?!娟P鍵詞】 快速成型技術;特點;原理;分類;特點;應用;意義;發展方向 【引 言】 (1)隨著全球市場一體化的形成,制造業的競爭十分激烈,產品的開發速度日益成為主要矛盾。在這種情況下,自主快速產品開發的能力成為制造業全球競爭的實力基礎。(2)制造業為滿足日益變化的用戶需求,要求制造技術有較強的靈活性,能夠以小批量甚至單件生產而不增加產品的成本。因此,產品的開發速度和制造技術的柔性就十分關鍵。   (3)從技術發展角度看,計算機科學、CAD技術、材料科學、激光技術的發展和普及為新的制造技術的產生奠定了技術物質基礎。所以我們要掌握該技術,才能在未來的商業或國際競爭中立于不敗之地。一:RP的起源快速成形技術又稱快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing,簡稱RP)技術,誕生于20世紀80年代后期,是基于材料堆積法的一種高新制造技術,被認為是近20年來制造領域的一個重大成果【1】。它集機械工程、CAD、逆向工程技術、分層制造技術、數控技術、材料科學、激光技術于一身【2】,可以自動、直接、快速、精確地將設計思想轉變為具有一定功能的原型或直接制造零件,從而為零件原型制作、新設計思想的校驗等方面提供了一種高效低成本的實現手段。即,快速成形技術就是利用三維CAD的數據,通過快速成型機,將一層層的材料堆積成實體原型??焖俪尚图夹g發展至今,是在現代CAD/CAM技術、激光技術、計算機數控技術、精密伺服驅動技術以及新材料技術的基礎上集成發展起來的。以其技術的高集成性、高柔性、高速性而得到了迅速發展,快速成形技術徹底擺脫了傳統的“去除”加工法——部分去除大于工件的毛坯上的材料來得到工件。而采用全新的“增長”加工法——用一層層的小毛坯逐步疊加成大工件,將復雜的三維加工分解成簡單的二維加工的組合,因此,它不必采用傳統的加工機床和模具,只需傳統加工方法的10%~30%的工時和20%~35%的成本,就能直接制造出產品樣品或模具。不同種類的快速成型系統因所用成形材料不同,成形原理和系統特點也各有不同。但是,其基本原理都是一樣的,那就是"分層制造,逐層疊加", 類似于數學上的積分過程。形象地講,快速成形系統就像是一臺"立體打印機"。通俗一點說, 快速成形就是利用在三維造型軟件中已經設計的數字三維模型, 通過快速成型設備(快速成形機), 制造實體的三維模型的技術【3】。自美國3D公司1988年推出第一臺商品SLA快速成形機以來,已經有十幾種不同的成形系統,其中比較成熟的有UV、SLA、SLS、LOM和FDM等方法。二:RP的特點及優越性1:快速性,從CAD 設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,節約70%時間以上。2:低成本,與產品的復雜程度無關,一般制作費用降低50%,特別適合新產品的開發和單件小批量零件的生產。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、復合材料以及金屬材料和陶瓷材料的原型。4:適應于加工各種形狀的零件,制造工藝與零件的復雜程度無關,不受工具的限制,可實現自由制造(Free Form Fabrication),原型的復制性、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度并滿足一定功能的原型和零件。6:高集成化,RP 技術是集計算機、CAD/CAM、數控、激光、材料和機械等一體化的先進制造技術,整個生產過程實現自動化、數字化、與CAD模型具有直接的關聯,所見即所得,零件可隨時制造與修改,實現設計制造一體化。7:加工過程中無振動、噪聲和廢料,可實現無人值守長時間自動運行。三:RP的基本原理快速成型技術采用離散/堆積成型原理,根據三維CAD模型,對于不同的工藝要求,按一定厚度進行分層,將三維數字模型變成厚度很薄的二維平面模型。再將數據進行一定的處理,加入加工參數,產生數控代碼,在數控系統控制下以平面加工方式連續加工出每個薄層,并使之粘結而成形。實際上就是基于“生長”或“添加”材料原理一層一層地離散疊加,從底至頂完成零件的制作過程??焖俪尚陀泻芏喾N工藝方法,但所有的快速成型工藝方法都是一層一層地制造零件,所不同的是每種方法所用的材料不同,制造每一層添加材料的方法不同??焖俪尚偷墓に囘^程原理如下:1:三維模型的構造:在三維CAD設計軟件中獲得描述該零件的CAD文件。一般快速成型支持的文件輸出格式為STL模型,即對實體曲面做近似的所謂面型化(Tessellation)處理,是用平面三角形面片近似模型表面。以簡化CAD模型的數據格式。便于后續的分層處理。由于它在數據處理上較簡單,而且與CAD系統無關,所以很快發展為快速成型制造領域中CAD系統與快速成型機之間數據交換的標準,每個三角面片用四個數據項表示。即三個頂點坐標和一個法向矢量,整個CAD模型就是這樣一個矢量的集合。在一般的軟件系統中可以通過調整輸出精度控制參數,減小曲面近似處理誤差。如Pre/1E軟件是通過選定弦高值(ch-chord height)作為逼近的精度參數。2:三維模型的離散處理:在選定了制作(堆積)方向后,通過專用的分層程序將三維實體模型(一般為STL模型)進行一維離散,即沿制作方向分層切片處理,獲取每一薄層片截面輪廓及實體信息。分層的厚度就是成型時堆積的單層厚度。由于分層破壞了切片方向CAD模型表面的連續性,不可避免地丟失了模型的一些信息,導致零件尺寸及形狀誤差的產生。切片層的厚度直接影響零件的表面粗糙度和整個零件的型面精度,每一層面的輪廓信息都是由一系列交點順序連成的折線段構成。所以,分層后所得到的模型輪廓已經是近似的,層與層之間的輪廓信息已經丟失,層厚越大丟失的信息越多,導致在成型過程中產生了型面誤差。 綜上所述,為提高零件制造精度,在模型面型化處理時,應該選取較小的精度參數;在模型離散化處理時,應該選取較小的切片層厚度【4】。四:RPM的類型、特點及適用范圍近十幾年來,隨著全球市場一體化的形成,制造業的競爭十分激烈。尤其是計算機技術的迅速普遍和CAD/CAM技術的廣泛應用,使得RP技術得到了異乎尋常的高速發展,表現出很強的生命力和廣闊的應用前景??焖俪尚渭夹g發展至今,以其技術的高集成性、高柔性、高速性而得到了迅速發展。目前,快速成形的工藝方法已有幾十種之多,其中主要工藝有五種基本類型:光固化成型法、分層實體制造法、選擇性激光燒結法、熔融沉積制造法和三維印刷法等【5】。 1. 光固化成型SLA(Stereo lithography Apparatus)工藝也稱光造型、立體光刻及立體印刷,是集控制技術、激光技術、物理化學等高新技術于一體的綜合性技術【6】。其工藝過程是以液態光敏樹脂為材料充滿液槽,由計算機控制激光束跟蹤層狀截。省略部分。中,可用RP技術快速制出產品樣品的實物模型,供設計者進行性能測試、直觀評估和驗證分析。 在機械制造領域的應用由于RP技術自身的特點,使得其在機械制造領域內,多用于制造單件、小批量金屬零件。有些特殊復雜制件只需單件或少于50件的小批量,這樣的產品通過制模再生產,成本高,周期長。一般可用RP技術直接進行成型,成本低,周期短??焖倌>咧圃靷鹘y的模具生產時間長,成本高。將快速成型技術與傳統的模具制造技術相結合,可以大大縮短模具制造的開發周期,提高生產率,是解決模具設計與制造薄弱環節的有效途徑??焖倌>咧圃焓荝P技術最具潛力的應用領域,其產業化規模和經濟效益是不可估量的。 依據材質不同,間接制模法生產出來的模具一般分為軟質模具(Soft ——Tooling)和硬質模具(Hard Tooling)兩大類。軟質模具是用硅橡膠、環氧樹脂、低熔點合金、鋅合金、鋁等軟質材料制作的模具。軟質模具生產制品的數量一般為50~5000件,對于上萬件乃至幾十萬件的產品,仍然需要傳統的鋼質模具,硬質模具指的就是鋼質模具,利用RP原型制作鋼質模具的主要方法有熔模鑄造法、電火花加工法、陶瓷型精密鑄造法等。在醫學領域的應用近幾年來,人們對RP技術在醫學領域的應用研究較多。人是自然界最高級的動物,人體的骨骼和內部器官具有極其復雜的內部組織結構。要真實地復制人體內部的器官構造,反映病變特征,快速成型幾乎是唯一的方法。以醫學影像數據為基礎,利用RP技術制作人體器官模型有極大的應用價值,醫療專家組利用可視模型,進行模擬手術,對特殊病變部分進行修補(顱骨損傷、耳損傷等)??焖俪尚图夹g的應用很廣泛,可以相信,隨著快速成型制造技術的不斷成熟和完善,它將會在越來越多的領域得到推廣和應用??焖俪尚图夹g的發展方向雖然快速成型技術在很多領域得到了廣泛應用,顯示出極大的優越性,但它仍有一定的局限性,其可成型材料有限,加工精度低、成本高、強度和耐久性能還不能滿足用戶的要求,在一定程度上阻礙了該技術的推廣普及??焖俪尚图夹g的應用很廣泛,可以相信,隨著快速成型制造技術的不斷成熟和完善,它將會在越來越多的領域得到推廣和應用??焖俪尚图夹g的發展方向雖然快速成型技術在很多領域得到了廣泛應用,顯示出極大的優越性,但它仍有一定的局限性,其可成型材料有限,加工精度低、成本高、強度和耐久性能還不能滿足用戶的要求,在一定程度上阻礙了該技術的推廣普及。六:RP的技術特點1:制造快速 RP技術是并行工程中進行復雜原型或者零件制造的有效手段,能使產品設計和模具生產同步進行,從而提高企業研發效率,縮短產品設計周期,極大的降低了新品開發的成本及風險,對于外形尺寸較小,異形的產品尤其適用。   2:CAD/CAM技術的集成   設計制造一體化一直來說是現在的一個難點,計算機輔助工藝(CAPP)在現階段由于還無法與CAD、CAM完全的無縫對接,這也是制約制造業信息化一直以來的難點之一,而快速成型技術集成CAD、CAM、激光技術、數控技術、化工、材料工程等多項技術,使得設計制造一體化的概念完美實現。   3:完全再現三維數據   經過快速成型制造完成的零部件,完全真實的再現三維造型,無論外表面的異形曲面還是內腔的異形孔,都可以真實準確的完成造型,基本上不再需要再借助外部設備進行修復。   4:成型材料種類繁多   到目前為止,各類RP設備上所使用的材料種類有很多,樹脂、尼龍、塑料、石蠟、紙以及金屬或陶瓷的粉末,基本上滿足了絕大多數產品對材料的機械性能需求。   5:創造顯著的經濟效益   與傳統機械加工方式比較,開發成本上節約10倍以上,同樣,快速成型技術縮短了企業的產品開發周期,使的在新品開發過程中出現反復修改設計方案的問題大大減少,也基本上消除了修改模具的問題,創造的經濟效益是顯而易見的。   6:應用行業領域廣   RP技術經過這些年的發展,技術上已基本上形成了一套體系,同樣,可應用的行業也逐漸擴大,從產品設計到模具設計與制造,材料工程、醫學研究、文化藝術、建筑工程等等都逐漸的使用RP技術,使得RP技術有著廣闊的前景。七:RP的發展方向RP技術已經在許多領域里得到了應用,其應用范圍主要在設計檢驗、市場預測、工程測試(應力分析、風道等)、裝配測試、模具制造、醫學、美學等方面。RP技術在制造工業中應用最多(達到67%),說明RP技術對改善產品的設計和制造水平具有巨大的作用。   目前快速成形技術還存在許多不足,下一步研究開發工作主要在以下幾方面: 1:改善快速成形系統的可靠性、生產率和制作大件能力,尤其是提高快速成形系統的制作精度; 2:開發經濟型的快速成形系統; 3:快速成形方法和工藝的改進和創新; 4:快速模具制造的應用; 5:開發性能良好的快速成形材; 6:開發快速成形的高性能軟件等。八:結論 總而言之,快速成型技術是一種新型成型方法,雖然問世不久,但已廣泛應用于國民經濟的許多領域,給許多行業帶來了巨大的經濟效益。隨著市場一體化競爭的日趨激烈,要求新產品開發和生產周期越來越短,這為快速成型技術的生產與發展帶來了廣闊的空間。RP技術將會被越來越多的企業所采用,對企業的發展發揮起到越來越重要的作用,并將給企業帶來豐厚回報,其自身也將獲得更大的發展。致謝在本次論文撰寫過程中,感謝我的學校,給了我學習的機會,在學習中,老師從選題指導、論文框架到細節修改,都給予了細致的指導,提出了很多寶貴的意見與建議,老師以其嚴謹求實的治學態度、高度的敬業精神、兢兢業業、孜孜以求的工作作風和大膽創新的進取精神對我產生重要影響。她淵博的知識、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。 感謝所有授我以業的老師,沒有這些年知識的積淀,我沒有這么大的動力和信心完成這篇論文。感恩之余,誠懇地請老師對我的論文多加批評指正,使我及時完善論文的不足之處。 謹以此致謝最后,我要向百忙之中抽時間對本文進行審閱的老師表示衷心的感謝。參考文獻 [1] 肖來利,  毛進勤,  劉同銀.  快速成型技術的現狀及應用概述[J].中國礦業,2012,(01).[2] 余珞珈, 魏著譜, 見文, 張永泉. 快速成型技術與新產品開發[J]. 金屬加工(冷加工) , 2011,(14). [3] 王稱. 快速成型技術的起源與方向[J]. 科技與企業 , 2011,(13).[4] 王朝暉, 張玉魯. 基于快速成型技術的服裝設計用人臺的研制[J]. 紡織導報 , 2011,(08). [5] 林天清. 快速成型技術的應用與發展研究[J]. 知識經濟 , 2011,(12). [6] 楊民, 王笛, 傅振彩. 光固化快速成型加工誤差綜述[J].農家科技,2011,(03).[7] Pierce, Alan. Rapid Prototyping & Manufacturing[J]. Tech —Directions , 1998. [8] 朱敏慧. 快速成型技術 助力“中國創造”[J]. 汽車與配件 , 2011,(23).
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