1、快速成型制造方法與應用    2010-11-24 17:25:05   論文代寫   作者：崔永波       摘要:用傳統的方法制作樣品,需采用多種機械加工機床,以及相應的工具和模具,既費時,又費事,成本又高,遠不能適應市場變化需求。為了克服這一問題,近年來出現了快速原型和制造(RP&M)技術以及快速成形系統。本文主要就快速原型和制造(RP&M)技術原理及其應用展開論述。 關鍵詞:快速原型;快速成形系統;成

2、形學;三維模型 進入20世紀八十年代后期,由于生產技術的高速發展,以產品的個別需求和短暫的生命周期為特征的現代生產環境迫切需要產品快速小批量生產,那種成批大規模傳統生產方式已無法滿足這種產品需求結構的要求。與此同時,日趨激烈的國際市場競爭,要求設計者不但能根據市場需求很快設計出新產品,而且能在盡可能短的時間內制造產品的樣品,進行必要的性能測試,征求用戶的意見并進行必要的修改,最后形成能投放市場的定型產品。用傳統的方法制作樣品,需采用多種機械加工機床,以及相應的工具和模具,既費時,又費事,成本又高,遠不能適應市場變化需求。近年來出現了快速原型和制造(RP&M)技術以及快速成形系統,完全克

3、服了上述問題,很快成為當今世界上飛速發展的制造技術之一。 從歷史上看,很早以前就有“增長”制造原理,早在1892年,美國學者曾建議用分層制造法構成地形圖。這種方法的原理是:將地形圖的輪廓線壓印在一系列的蠟片上,然后按輪廓線切割蠟片,并將其粘結在一起,熨平表面,從而得到三維地形圖。1902年,Carlo Baeae在他的美國專利(# 774 549)中,提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理,這是現代第一種快速成形技術“立體平板印刷術”(Stereo Lithography)的初始設想。1940年,Perera提出了在硬紙板上切割輪廓線,然后將這些紙板粘結成三維地形圖的方法。50年代之后,出現了幾百

4、個有關快速成形技術的專利。其中,Zang(1964年)、Richard M Meyer(1970年)和Gaskin(1973年)等提出了用一系列輪廓片形成三維地形模型的新方法,如下圖所示。 三維地形模型的制作 Paul Dimatteo在他1976年的美國專利中,進一步指出,先用輪廓跟蹤器將三維物體轉化成二維輪廓薄片,然后用激光器切割這些薄片,再用螺釘等將一系列薄片連接成三維物體,這種設想與現在的“物體分層制造”原理極為相似。 1.成形學基本概念 1.1成形(Forming):將物質有序地組織成具有確定外形和一定功能的三維實體。成形包括三個基本要素,即:(1)物質的提取;(2)序的建立;(3)

5、完成具有確定的形狀與功能的三維實體。1.2成形學(Shaping Science):是從方法論的高度,系統地研究成形三要素以及它們之間的相互作用的科學。它在制造中的地位如下圖所示: 成形學、成型工藝與成形工具關系圖 2.成形方式 2.1去除成形(Dislodge Forming):運用分離的辦法,把一部分材料有序地從基體上分離出去而成形。 2.2堆積成形(Stacking Forming):運用合并與連接的方法,把材料有序的合并堆積起來而成形。 2.3受迫成形(Forced Forming):利用材料的可成形性在特定的外圍約束下而成形。 2.4生長成形(Growth Forming):利用材料

6、的活性而成形,如生物學個體的生長。目前,人為系統中還沒有此種成形方法。 3.幾種成形方法的比較 3.1去除成形,加工精度高,但材料利用率低,受零件形狀復雜程度的限制。 3.2受迫成形,多用于毛坯制造,也可直接用于零件成形(如精密鑄造、鍛造、注塑加工等),屬凈成形或近凈成形范疇。 3.3堆積成形,材料利用率高,理論上可達100%。屬于凈成形工藝,精度較好,可達0.01毫米數量級。從理論上講,它可以制造任意復雜形狀的零件。 傳統加工與快速成型比較 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

7、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。由于快速成形具有上述突出的優勢,所以近年來發展迅速,已成為現代先進制造技術中的一項支柱技術,實現并行工程(Concurrent Engineering,簡稱CE)必不可少的手段。 4.RP&M基本原理 RP&M技術是將現代多種先進技術的綜合集成。基于離散/堆積成形原理,通過離散獲得堆積的路徑、限制和方式,通過堆積將材料“疊加”起來形成三維實體。 離散/堆積的過程由三維CAD模型開始,先將CAD模型離散化,將某一方向(常

8、取Z向)切成許多層面,即分層,屬信息處理過程。然后在分層信息控制下順序加工各片層,并層層結合,堆積出三維零件,它是CAD模型的物理體現,為物理堆積過程,如下圖所示: RP&M的離散/堆積成形流程圖 快速成形的過程可歸納為以下三個步驟:(1)前處理。它包括工件的三維模型的構造、三維模型的近似處理、模型成形方向的選擇和切片處理。(2)分層疊加成形。它是快速成形的核心,包括模型截面輪廓的制作與截面輪廓的疊合。(3)后處理。它包括工件的剝離、后固化、修補、打磨、拋光和表面強化處理等。 三維模型的構造方法:首先應在計算機上,用三維計算機輔助設計軟件,根據產品的要求設計三維模型;或將已有產品的二維

9、三視圖轉換成三維模型;或在仿制產品時,用掃描機對已有產品實體進行掃描,得到三維模型。 構造三維模型的常用方法有:用計算機輔助設計軟件構造三維模型;在計算機或工作站上,用三維計算機輔助設計(CAD)軟件,根據產品的要求,可以設計其三維模型,或將已有產品的二維三視圖轉換成三維模型;用激光掃描機、零件斷層掃描機、CT掃描機等構造三維模型。 5.RP&M技術的發展概況 RP&M技術是當今世界上飛速發展的制造技術之一,自1986年在美國首次出現到目前為止一直處于繁榮階段,根據美國Wohlers Associates咨詢公司1998年的市場調查報告,19931997年RP&M設備的

10、平均年銷售量以58.7%的速度增長,RP&M產值以53.6%的年平均速度增長。RP&M技術受到如此青睞的主要原因是它可以快速將設計思想物化為具有一定結構和功能的三維實體,低成本制作產品原型甚至零件,這大大滿足了當今競爭日益激烈的市場對新產品快速開發的要求。隨著RP&M技術的迅速發展,世界上研究RP&M技術機構的數目也越來越多。據統計,1996年世界上已有230多家機構開展了RP&M的研究,目前數百家大學、研究機構和企業介紹了研究和開發RP&M技術的狀況。在這一領域美國一直處于領先地位,各種工藝在美國最先出現,研究和開發的工藝種類也最多。日本僅次于美國,其主要研究集中在光固化樹脂成形方面。歐洲也有許多科研機構和廠家開展多種RP&M工藝的研究。 我國在RP&M技術方面的研究始于20世紀90年代,兩次全國性RP會議陸續召開,制造及自動化領域的多次學術會議都設RP專題,這充分表明國內研究已成為人們關注的熱點,國家自然基金也將RP列為先進制造技術的重點資助項目。1998年7月,會聚世界絕大多數RP&M研究權威和機構的RP&M國際學術會議在