快速成型技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

1、<p>　　快速成型技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展</p><p><b>　　張鵬飛</b></p><p>　　天津大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)械工程專業(yè)2011級(jí)碩士生</p><p>　　摘要: 概括地介紹了快速成型技術(shù)的起源，簡(jiǎn)要介紹快速成型技術(shù)(Rapid Photograph Manufacturing——RPM)的工作原理，描述了快速成型技術(shù)的發(fā)

2、展現(xiàn)狀；根據(jù)快速成型技術(shù)的特點(diǎn)，提出了快速成型技術(shù)在現(xiàn)階段存在的問題及其以后在其它行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展前景。</p><p>　　關(guān)鍵詞：快速成型、應(yīng)用、特點(diǎn)、發(fā)展</p><p><b>　　0 前言</b></p><p>　　快速成型技術(shù)又稱快速原型制造( 簡(jiǎn)稱RPM)技術(shù)，誕生于20 世紀(jì)80 年代末期，是基于材料堆積法的一種高新制造工藝，

3、被認(rèn)為是近20 年來(lái)制造領(lǐng)域的一個(gè)重大成果。它集機(jī)械工程、CAD、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、激光技術(shù)于一身，可以自動(dòng)、直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變成原形或零件，從而為新設(shè)計(jì)思想的校驗(yàn)提供了一種高效低成本的實(shí)現(xiàn)手段?？焖俪尚图夹g(shù)是在計(jì)算機(jī)的控制下，基于離散、堆積的原理，采用不同方法堆積材料，最終完成零件的成型與制造?，F(xiàn)以廣泛運(yùn)用于家電、汽車、航空航天、船舶、工業(yè)設(shè)計(jì)、醫(yī)療、藝術(shù)、建筑等領(lǐng)，為這些領(lǐng)域的發(fā)展提供了強(qiáng)大的推動(dòng)作用。域但快速成型畢

4、竟是屬于新興的先進(jìn)制造技術(shù)，其在擁有諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也不可避免的存在缺點(diǎn)。[1]</p><p><b>　　快速成型技術(shù)的起源</b></p><p>　　1979年，東京大學(xué)的中川威雄教授利用分層技術(shù)制造了金屬?zèng)_裁模、成型模和注塑模。20世紀(jì)70年代末到80年代初，美國(guó)3M公司的AIanJ.Hebert(1978年)、日本的小玉秀男(1980年)、美國(guó)UVP公司的C

5、harles W. Hull (1982年)和日本的丸谷洋二(1983年)，各自獨(dú)立地首次提出了RP的概念，即利用連續(xù)層的選區(qū)固化制作三維實(shí)體的新思想。Charles W.Hull在UVP的資助下，完成了第1個(gè)RP系統(tǒng)Stereo lithography Apparatus (SLA)，并于1986年獲得專利，這是RP發(fā)展的一個(gè)里程碑。隨后許多快速成型概念、技術(shù)及相應(yīng)的成型機(jī)也相繼出現(xiàn)。[2]</p><p>　

6、　快速成型技術(shù)的工作原理特點(diǎn)及其應(yīng)用現(xiàn)狀</p><p>　　2.1.1快速成型技術(shù)的工作原理[3]</p><p>　　快速成型技術(shù)不是采用一般意義上的模具或刀具加工零件,而是采用了一種新型工具能源加工原理,即利用光、熱、電等手段,通過固化、燒結(jié)、粘結(jié)、熔結(jié)、聚合作用或化學(xué)作用等方式,有選擇地固化(或粘結(jié)) 液體(或固體) 材料,從而實(shí)現(xiàn)材料的轉(zhuǎn)移與堆積,形成需要的原型零件?？焖俪尚椭圃?/p>

7、思想的初始思路來(lái)源于將三維實(shí)體截成一系列連續(xù)薄切片的逆過程,即首先對(duì)零件的三維CAD 實(shí)體模型進(jìn)行分層處理,獲得零件的二維截面數(shù)據(jù)信息,然后根據(jù)每一層的截面數(shù)據(jù),采用上述方法生成與該層截面形狀一致的薄片,反復(fù)進(jìn)行這一過程,薄片逐層累加,直至“生長(zhǎng)”出所需實(shí)體零件。產(chǎn)品CAD實(shí)體模型構(gòu)建方法有兩種，一是可通過概念設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出所需零件的計(jì)算機(jī)三維模型（數(shù)字模型、CAD模型）；二是可通過逆向工程，通過三維數(shù)字掃描儀對(duì)產(chǎn)品原型進(jìn)行掃描，而后結(jié)合

8、逆向工程對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。然后按照一定的規(guī)律將該模型離散為一系列有序的單元， 通常在Z向?qū)⑵浒匆欢ê穸冗M(jìn)行離散（習(xí)慣稱為分層），把原來(lái)的三維CAD模型變成一系列的層片。根據(jù)每個(gè)層片的輪廓信息，輸入加工參數(shù)，自動(dòng)生成數(shù)控代碼。由成形系統(tǒng)成形一系列層片并自動(dòng)將它們聯(lián)接起來(lái)，得到一個(gè)三維物理實(shí)</p><p>　　常用的快速成型的方法有：</p><p>　　(1) 光固化立體造型(SLA)：

9、 以光敏樹脂為原料，采用計(jì)算機(jī)控制下的紫外激光束以原型各分層截面輪廓為軌跡進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，使被掃描區(qū)</p><p>　　內(nèi)的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)后固化，從而形成</p><p>　　制件的一個(gè)薄層截面。一層固化完畢后，向下移</p><p>　　動(dòng)工作臺(tái)，在剛剛固化的工作表面布放一層新的光敏樹脂以便進(jìn)行循環(huán)掃描、固化。新固化的一層牢固地粘結(jié)在前一層上，如此重復(fù)堆積

10、成整個(gè)原型。采用這種方法成型的零件有較高的精度且表面光潔, 但可用材料的范圍較窄。</p><p>　　(2) 分層物件制造(LOM)： LOM 的層面信息通過每一層的輪廓來(lái)表示, 激光掃描器的動(dòng)作由這些輪廓信息控制, 它采用的材料是具有厚度信息的片材。這種加工方法只需加工輪廓信息, 所以可以達(dá)到很高的加工速度,但材料的范圍很窄, 每層厚度不可調(diào)整是最大缺點(diǎn)。</p><p>　　(3)

11、選擇性激光燒結(jié)(SLS)：SLS 使用固體粉末材料, 該材料在激光的照射下, 能吸收能量, 發(fā)生熔融固化, 從而完成層信息的成型。這種方法適用的材料范圍廣(適用于聚合物、鑄造用蠟、金屬或陶瓷粉末), 特別是在金屬和陶瓷</p><p>　　材料的成型方面具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。SLS 無(wú)材料浪費(fèi)現(xiàn)象, 未燒結(jié)的粉末可重復(fù)使用。目前成熟的工藝材料為蠟粉及塑料粉, 用金屬粉或陶瓷粉進(jìn)行粘結(jié)或燒結(jié)的工藝還正在實(shí)驗(yàn)階段。<

12、/p><p>　　(4) 熔融沉積造型(FDM) ：采用熱熔噴頭，使半流動(dòng)狀態(tài)的材料流體按模型分層數(shù)據(jù)控制的路徑擠壓出來(lái)，并在指定的位置沉積、凝固成型，這樣逐層沉積、凝固后形成整個(gè)原型。這種方法的能量傳輸和材料傳輸均不同于前面三種方法, 系統(tǒng)成本較低; 但由于噴頭的運(yùn)動(dòng)是機(jī)械運(yùn)動(dòng), 速度有一定限制，所以加工時(shí)間較長(zhǎng), 且其材料使用范圍不廣。</p><p>　　(5)三維打?。?DP）：先鋪粉

13、，利用噴嘴按指定路徑將液態(tài)粘結(jié)劑噴在粉層上的特定區(qū)域，粘結(jié)后去除多余的材料便得到所需的原形或零件。這種方法適合成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。</p><p>　　各種方法間的比較如表1所示：</p><p>　　表1 各種成型方法的比較</p><p>　　2.1.2快速成型技術(shù)的特點(diǎn)</p><p>　?。?） 產(chǎn)品靈活性。RP技術(shù)采用離散/堆積成

14、型的原理，將十分復(fù)雜的三維制造過程簡(jiǎn)化為二維制造過程的疊加，使復(fù)雜模型直接制造成為可能，越是復(fù)雜的零件越能體現(xiàn)RP技術(shù)的優(yōu)越性；</p><p>　?。?） 快速性。從CAD 設(shè)計(jì)到完成原型制作通常只需幾個(gè)小時(shí)到幾十個(gè)小時(shí)，加工周期短，可節(jié)約70%時(shí)間以上，能夠適應(yīng)現(xiàn)代競(jìng)爭(zhēng)激烈的產(chǎn)品市場(chǎng)；</p><p>　?。?） 低成本。與產(chǎn)品的復(fù)雜程度無(wú)關(guān)，節(jié)省了大量的開模時(shí)間，一般制作費(fèi)用降低50

15、%，特別適合新產(chǎn)品的開發(fā)和單件小批量零件的生產(chǎn)；</p><p>　　（4） 成型過程中信息過程和材料過程一體化，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，尤其適合成型材料為非均質(zhì)并具有功能剃度或有孔隙要求的原形；</p><p>　?。?） 適應(yīng)于加工各種形狀的零件，制造工藝與零件的復(fù)雜程度無(wú)關(guān)，不受工具的限制，可實(shí)現(xiàn)自由制造（Free Form Fabrication），原

16、型的復(fù)制性、互換性高；</p><p>　?。?） 使設(shè)計(jì)、交流和評(píng)估更加形象化，使新產(chǎn)品設(shè)計(jì)、樣品制造、市場(chǎng)定貨、生產(chǎn)準(zhǔn)備、等工作能并行進(jìn)行，支持同步（并行）工程的實(shí)施；</p><p>　?。?） 具有高柔性，采用非接觸加工的方式，無(wú)需任何工夾具，即可快速成型出具有一定精度和強(qiáng)度并滿足一定功能的原型和零件。</p><p>　?。?） 高集成化，RP 技術(shù)是集計(jì)

17、算機(jī)、CAD/CAM、數(shù)控、激光、材料和機(jī)械等一體化的先進(jìn)制造技術(shù)，整個(gè)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、數(shù)字化、與CAD模型具有直接的關(guān)聯(lián)，所見即所得，零件可隨時(shí)制造與修改，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化。</p><p>　?。?） 加工過程中無(wú)振動(dòng)、噪聲和廢料，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守長(zhǎng)時(shí)間自動(dòng)運(yùn)行。</p><p>　　2.1.3快速成型技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀</p><p>　　從整個(gè)世界范圍內(nèi)而言

18、，快速成型術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于家電、汽車、航空航天、船舶、工業(yè)設(shè)計(jì)、醫(yī)療等領(lǐng)域。藝術(shù)、建筑等領(lǐng)域的工作者也已開始使用RPM設(shè)備。根據(jù)14個(gè)RPM設(shè)備供應(yīng)商和43個(gè)RPM服務(wù)商的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，所有RP模型的近41%用于裝配和功能型零件:約27%用于工程、工具制造、報(bào)價(jià)和投標(biāo):約23%用于原型模具、金屬鑄造及模芯制造。隨著RPM技術(shù)本身的發(fā)展和完善，其應(yīng)用領(lǐng)域在不斷拓展截至2001年7月，全球共有355家RPM服務(wù)機(jī)構(gòu)，30家設(shè)備制造商，12家材料

19、供應(yīng)商,35家咨詢機(jī)構(gòu)，14家專門的軟件供應(yīng)商，67個(gè)教育及研究機(jī)構(gòu)。分布于全球58個(gè)國(guó)家的RP系統(tǒng)有6755臺(tái)套。根據(jù)其中6521個(gè)系統(tǒng)的分布情況統(tǒng)計(jì)出:北美(主要是美國(guó))占45.3%,亞洲/環(huán)太平洋地區(qū)占28.6%，歐洲占24.6%，其它地區(qū)只占1.5%。近年來(lái)，采用RP設(shè)各最積極的地區(qū)是東亞(尤其是韓國(guó)、香港、新加坡)[4]。在具體的應(yīng)用上它可以用于新產(chǎn)品開發(fā)過程中的設(shè)計(jì)驗(yàn)證與功能驗(yàn)證。在新產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用RPM 技術(shù)可以為

20、設(shè)計(jì)開發(fā)人員建立一種嶄新的產(chǎn)品開發(fā)模式，運(yùn)用該技術(shù)能夠快速、直接、精確地將設(shè)計(jì)思想模型轉(zhuǎn)化為具有一定</p><p>　　在我國(guó)，為了加快快速成型技術(shù)(RPM)在我國(guó)的發(fā)展，國(guó)家已組織實(shí)施了快速成型技術(shù)應(yīng)用研究和推廣服務(wù)工作。經(jīng)過國(guó)內(nèi)多所大學(xué)及公司幾年的努力，已經(jīng)研制開發(fā)出與國(guó)外SLA, LOM、SLS, FDM工藝相類似的一批設(shè)備。這些設(shè)備都是多種技木的集成.主要是為了提高RPM制作精度和可靠性，涉及工藝原理、

21、工藝方法、溫度控制、激光及冷卻系統(tǒng)、精密機(jī)械傳動(dòng)等硬軟件方面。但RPM技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用還不十分廣泛，設(shè)備安裝臺(tái)數(shù)不多，目前僅限于大型企業(yè)。與國(guó)外相比，我們的RPM技術(shù)沒有得到充分的發(fā)展與應(yīng)用。[6]</p><p>　　3 快速成型技術(shù)所存在的不足以及其在未來(lái)的發(fā)展</p><p>　　RPM 技術(shù)雖然有其巨大的優(yōu)越性，但是也有它的局限性，由于可成型材料有限，同時(shí)成型材料價(jià)格一般都比較昂

22、貴。由于是逐層堆積，層與層之間總有一定厚度從而造成零件精度低，表面粗糙度高。成型的原料一般式塑料、樹脂、尼龍，當(dāng)然還有個(gè)別的金屬，如銅、鋁等但總之達(dá)不到正常鑄件或者加工件的硬度或者強(qiáng)度要求，即原型零件的物理性能較差。機(jī)器的成本比較高，特別對(duì)于國(guó)內(nèi)而言，從機(jī)器設(shè)備到加工原材料都要大量的依靠進(jìn)口，所以運(yùn)行制作的成本很高，只有一些大公司才有這樣的資金進(jìn)行這方面的投入，而小型的公司只能望塵莫及。所以在一定程度上成為該技術(shù)的推廣普及的瓶頸。也正是

23、由于這些缺點(diǎn)致使快速成型技術(shù)還主要用于模型的加工，而一般不能用于加工用于生產(chǎn)的工件，特別是金屬件。針對(duì)上述缺點(diǎn)我們提出如下的發(fā)展方向[7]：</p><p>　?。?）大力改善現(xiàn)行快速成型制作機(jī)的制作精度、可靠性和制作能力，提高生產(chǎn)效率，縮短制作周期。尤其是提高成型件的表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能，為進(jìn)一步進(jìn)行模具加工和功能試驗(yàn)提供平臺(tái)。</p><p>　?。?）隨著成型工藝的進(jìn)步和應(yīng)用的擴(kuò)

24、展，其概念逐漸從快速成型向快速制造轉(zhuǎn)變，從概念模型向批量定制轉(zhuǎn)變，成型設(shè)備也向概念型、生產(chǎn)型和專用型三個(gè)方向分化。</p><p>　?。?）開發(fā)性能更好的快速成型材料。材料的性能既要利于原型加工，又要具有較好的后續(xù)加工性能，還要滿足對(duì)強(qiáng)度和剛度等不同的要求。</p><p>　?。?）提高RPM 系統(tǒng)的加工速度和開拓并行制造的工藝方法。目前即使是最快的快速成型機(jī)也難以完成象注塑和壓鑄成型

25、的快速大批量生產(chǎn)。將來(lái)的快速成型機(jī)需要向快速和多材料的制造系統(tǒng)發(fā)展，以便可以直接面向產(chǎn)品制造。</p><p>　?。?）開發(fā)直寫技術(shù)。直寫技術(shù)對(duì)于材料單元有著精確的控制能力，開發(fā)直寫技術(shù)，是快速RPM技術(shù)的材料范圍擴(kuò)大到細(xì)胞等活性材料領(lǐng)域，加深學(xué)科間的交叉，擴(kuò)大RPM的適用范圍。</p><p>　?。?）RPM 與CAD、CAM、CAPP、CAE 以及高精度自動(dòng)測(cè)量、逆向工程的集成一體

26、化。該項(xiàng)技術(shù)可以大大提高新產(chǎn)品的第一次投入市場(chǎng)就十分成功的可能性，也可以快速實(shí)現(xiàn)反求工程。</p><p>　?。?）研制新的快速成型方法和工藝。除了目前SLA、LOM、SLS、FDM 外，直接金屬成型工藝將是以后的發(fā)展焦點(diǎn)。</p><p>　?。?）提高網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)全球化異地協(xié)同合作。同時(shí)這也是所有機(jī)械化生產(chǎn)必然的趨勢(shì)。</p><p><

27、;b>　　4 結(jié)論</b></p><p>　　快速成型技術(shù)是一種正在不斷完善的先進(jìn)制造技術(shù)，它是伴隨激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、新</p><p>　　材料技術(shù)及其它先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展和進(jìn)步的，正在不斷的完善，具有廣泛的應(yīng)用前景。目前RPM 技術(shù)在歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用較為廣泛，我國(guó)僅僅一些高等院校及有關(guān)廠家在吸收消化國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出了快速成型機(jī)，但是在質(zhì)量和數(shù)量以

28、及應(yīng)用領(lǐng)域方面，遠(yuǎn)比不上發(fā)達(dá)國(guó)家。21世紀(jì)將是以知識(shí)經(jīng)濟(jì)和信息社會(huì)為特征的時(shí)代, 制造業(yè)面臨信息社會(huì)中瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)對(duì)小批量多品種產(chǎn)品要求的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。作為當(dāng)今制造行業(yè)中急劇潛力的工藝技術(shù),快速成型技術(shù)（RPM）是當(dāng)今制造業(yè)贏得市場(chǎng)的法寶，在未來(lái)的幾年內(nèi)將會(huì)有更大的發(fā)展, 尤其是在RP 系統(tǒng)的制作精度、可靠性以及RP 材料、RP 軟件等方面的改進(jìn)和創(chuàng)新將會(huì)更快?？焖俪尚图夹g(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和魅力，在制造業(yè)領(lǐng)域起到越來(lái)越重要的作用，并將給制造

29、業(yè)帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 張世昌. 先進(jìn)制造技術(shù)，天津大學(xué)出版社，2004.</p><p>　　[2] 袁祁剛. 楊繼全.快速制造技術(shù)的新進(jìn)展，西安光電學(xué)報(bào)，2007，26（4）：20-23.</p><p>　　[3] 陳雪芳. 逆向工程與快速

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