快速原型制造技術(shù)(RPM)

RapidPrototype/PartManufacturing快速成型技術(shù)原理快速原型技術(shù)不同于傳統(tǒng)的在型腔毛坯切削加工后獲得零件的方法，而是在計算機控制下，基于離散/堆積原理采用不同方法堆積材料最終完成零件的成型與制造技術(shù)。從成型角度看，零件可視為“點”或“面”的疊加而成。從制造角度看，它根據(jù)CAD造型生成的零件三維幾何信息，控制多維系統(tǒng)，通過激光束或其它方法將材料逐層堆積而形成原型或零件。

快速原型制造技術(shù)的工作過程首先由CAD軟件設(shè)計出所需要的零件計算機三維曲面或?qū)嶓w模型，即數(shù)字模型或電子模型；然后根據(jù)工藝要求，按照一定的厚度進行離散，把原來的三維電子模型變成一系列的二維層片；再根據(jù)每個層片的輪廓信息，進行工藝規(guī)劃，選擇合適的加工參數(shù)，自動生成數(shù)控代碼；最后由成型機接受控制指令制造一系列層片并自動將它們聯(lián)系起來，得到一個三維物理實體。快速成形的工作流程概念設(shè)計三維模型修改模型快速模型快速模具逆向工程產(chǎn)品原型產(chǎn)品,鑄件三維激光數(shù)字化儀按使用原材料分類液體聚合、固化（立體印刷、全息干涉固化、激光束相干固化、熱聚合等）；粉末燒結(jié)與粘接（選域激光燒結(jié)、三維噴涂粘接等）；絲材線材熔化粘接（熔融沉積造型、焊接成型）；膜、板材層合（層合實體制造、膜聚合等）按制造工藝原理分類光敏樹脂的選擇性固化(SLA

)；薄型材料選擇性切割（LOM）；粉末材料選擇性激光燒結(jié)（ＳＬＳ）；絲狀材料選擇性融覆（ＦＤＭ）；三維打印（３ＤPrinting）；焊接成型；數(shù)碼累積造型；其他（立體光刻、直接燒結(jié)、熱致聚合等）幾種典型的RPM技術(shù)光敏樹脂的選擇性固化(StereoLithographyApparatus---SLA

)；薄型材料選擇性切割（LaminatedObjectManufacturing---LOM）；粉末材料選擇性激光燒結(jié)（SelectiveLaserSintering---SLS）；絲狀材料選擇性融覆（FusedDepositionModeling---ＦＤＭ）；三維打印（ThreeDimensionalPrinting---3DP）；光敏樹脂的選擇性固化（LSA)原理：以光敏樹脂為原料（這種液態(tài)材料在一定波長和強度的紫外激光照射下能迅速發(fā)生聚合反應(yīng)，分子量急劇增大材料從液體轉(zhuǎn)變成固體），采用計算機控制下的紫外激光以預(yù)定原型各分層截面的輪廓為軌跡逐點掃描，使被掃描區(qū)的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)后固化，形成薄層截面，一層固化后，工作臺上（或下）移，在固化光敏樹脂表面形成新的液態(tài)樹脂，再進行新一層的掃描、固化。光敏樹脂的選擇性固化成型系統(tǒng)：光學(xué)部分：紫外激光器（位置精度0.008mm，重復(fù)精度0.13mm）；激光束掃描裝置（電流計驅(qū)動：尺寸小，精度高；X-Y繪圖儀方式：高精度，大尺寸）樹脂容器系統(tǒng)：樹脂容器（不銹鋼，樹脂費用昂貴）；升降工作臺（步距可小于0.02mm）；重復(fù)涂層裝置（使樹脂迅速、均勻覆蓋在固化層上）數(shù)控系統(tǒng)和控制軟件：核心是激光束掃描器后固化裝置：強紫外光固化StereoLithographyApparatus(SLA)光敏樹脂的選擇性固化掃描參數(shù)：固化深度；掃描間距；掃描方式：連續(xù)掃描（簡單，但需要光開關(guān)，能量損失大，樹脂收縮明顯，翹曲增加）；分片區(qū)域掃描（不用光開關(guān)，每個區(qū)域內(nèi)存在連續(xù)掃描缺點）；環(huán)形掃描（減少翹曲變形，收縮量小，無需光開光）；三角剖分掃描（具有環(huán)形掃描的優(yōu)點變形小，算法簡單）。掃描方式連續(xù)掃描光敏樹脂的選擇性固化特點：精度較高（0.1mm）技術(shù)成熟，懸臂件需要支撐；樹脂存在收縮，具有一定毒性。光敏樹脂的選擇性固化薄型材料選擇性切割（LOM0）原理：將薄膜按照CAD分層模型所獲數(shù)據(jù)，用激光束將單面涂有熱融膠的薄膜切割成所需原型的內(nèi)外輪廓，然后將新一層的薄膜疊加在上面，通過熱壓裝置加熱與下面已切割層粘合在一起，逐層切割、粘合，直至完成原型。薄型材料選擇性切割(續(xù))成型系統(tǒng)：激光切割系統(tǒng)；箔帶供給系統(tǒng)；原材料存儲與送進機構(gòu)；熱壓裝置；可升降工作臺；數(shù)控系統(tǒng)等。薄型材料選擇性切割(續(xù))特點：成本低造型速度快（不用掃描整個截面）易于制造大型零件零件的精度較高（不存在相變，不易引起翹曲變型）與木模具有相同水平的強度。無需支撐LaminatedObjectMfg(LOM)LaminatedObjectManufacturing(LOM)粉末材料選擇性激光燒結(jié)（LSL)原理：成型機按照計算機輸出的原型分層輪廓，采用激光束在指定路徑有選擇地掃描并熔融工作臺上薄且均勻鋪層的材料粉末，一層掃描后，向上（下）移動工作臺，控制完成新一層的燒結(jié)。SelectiveLaserSintering(SLS)LaserbeanLaserGenertorFeedcylinderArollerofspreadingpowderpowder工件ZworkbenchZWorkroomwithnitrogenpart粉末材料選擇性激光燒結(jié)(續(xù))特點：可采用多種材料（塑料、陶瓷、蠟特別是金屬）；制造工藝較簡單；精度高；成本低，但成型速度較慢。粉末材料選擇性激光燒結(jié)絲狀材料選擇性融覆（FDM）原理：加熱器將熱塑性材料加熱成液態(tài)，根據(jù)片層參數(shù)控制加熱噴頭沿模型斷面層掃描，擠壓并控制液體流量，使液體均勻鋪撒在斷面層上，快速冷卻凝固并與上一層連接在一起，這樣逐層疊加，形成原型。FusedDepositionModeling(FDM)絲狀材料選擇性融覆(續(xù))系統(tǒng)組成：機械系統(tǒng)（運動、噴頭、成型室、材料室、控制室、電源室）；控制系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)；供料系統(tǒng)。絲狀材料選擇性融覆(續(xù))特點：尺寸小；成型材料廣泛；成型速度快；無環(huán)境污染。絲狀材料選擇性融覆三維打印原理：三維打印采用靜電墨水噴嘴（噴墨打印原理：汽泡法和晶體振蕩法）按照零件截面形狀,將液體粘接劑噴射在預(yù)先鋪好的粉末層上，使部分粉末粘接在一起，形成截面輪廓。一層粉末成形完成后，再鋪上一層粉末，進行下一層粉末的粘接，如此循環(huán)，最后經(jīng)過后處理，形成原形制件。三維打印過程開始鋪一層粉噴射粘接劑降低打印平臺最終零件重復(fù)去除三維打印原理不聯(lián)通部分升降臺懸臂部分支撐零件壓電噴頭材料微粒不同的三維打印設(shè)備粘界劑沉積并平整可粘接的粉末MIT的三維打印熔融的塑料BPM公司的BallisticParticleManufacturing不同的三維打印設(shè)備熔融的塑料熔融的蠟平面刀具熔融的塑料96個噴嘴的打印頭Sander公司的ModelMaker3DSystem公司的Multi-JetModeling三維打印三維打印快速成型技術(shù)的特點適合形狀復(fù)雜，不規(guī)則零件加工無或很少下腳料，屬環(huán)保型技術(shù)變CAD中“看得見，摸不著”為“看得見，摸得著”屬于多種技術(shù)集成，設(shè)計和制造一體化應(yīng)用材料類型廣泛不需要專門得工裝夾具和模具新產(chǎn)品試制大大縮短零件得復(fù)雜程度與成本無關(guān)系制造快速，制造過程高度柔性應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，經(jīng)濟效益突出快速成形技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域快速原型制造技術(shù)的國內(nèi)外技術(shù)進展國外RPM技術(shù)進展大力改善快速原型制造技術(shù)的制作精度、可靠性