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文档简介
目录:前言第1章 快速成型技术概述11 快速原型制造技术的概念12快速原型制造技术的特点13目前主要的快速原型制造技术方法14应用快速原型制造技术的重要意义15快速原型制造技术的发展前景第2章 立体印刷成型21概念22工艺原理23系统组成与工艺步骤24 应用第3章 层合实体制造31概念32工艺原理33系统组成与工艺步骤34应用第4章 选域激光烧结41概念42工艺原理43 sls技术的发展及研究状况44国内外sls成型材料的产品及用途 45金属粉末的sls技术46 sls的应用和实例第5章 熔融沉积造型5.1 概念5.2熔融沉积造型()的工艺原理5.3 快速成型工艺的过程5.4 的特点5.5 应用举例第6章 其他技术第7章 数码累积第8章 面向快速原型制造的形状反求关键技术8.1 基于散乱点云构造局部切平面8.2网格模型的建立8.3 网格模型的优化8.4 应用举例8.5结论第9章 快速原型制造技术的应用第10章 快速原型制造技术的发展目标与进一步研究课题分析前 言 公认产品市场竞争能力南瓜的五个要素是:市场的需求性、生产周期、质量保证、价格、服务。这五个要素相捕相成,缺一不可。制造的目的在于采用有效的方法,将原材料转化为产品并投放市场,以满足人们的需要。社会的发展和进步离不开制造业的革新,因而制造技术的发展是个国家经济持续增长的根本动力。为了赢得市场,就必须对制造技术给予充分的重视,在竞争要素上寻找突破点:一、开发出巾场急需、功能实用、按用户要求制造的产品;二、尽可能缩短从产品设计到投放市场的时间;三、保证产品质星的优异,并满足环保的要求;四、不断降低产品的成本;五、能够提供有效的服务。面对市场的激烈竞争和新技术的不断涌现,制造业在产品结构、生产模式和生产过程方面正发生着深刻的变化。产品结构朝着实用、高效、节能、小型、优质方向发展,生产模式朝着多品种、小批量、单件、柔性方向发展,生产过程则朝着短周期、精密、自动化方向发展。现在,各图科技人员都在竞相采用新的计算方法、材料技术、信息资源和新的质量管理手段用于产品开发。 快速原型制造是20世纪80年代后期国际上出现的新技术,引发了制造技术思维方式和生产效率的变革,受到世界许多国家政府、企业界和学术界的高度重视。结合精良生产(leanproduction)、零库存、无废品及并行工程(concurrent engineening,亦称同步工程simultaneous engineering)理论,快速原型制造技术综合了产品市场竞争能力高低的五个要素,能够使企业尽可能快而且大地占领市场,获得利润。 快速原型制造技术(rapid prototyping manufacturing technology)是将原型(或零件、部件)的几何形状、所选材料的构造和有关的组合信息建立数字化描述模型,将这些信息输出到计算机控制的机电集成制造系统进行材料的“添加”加工过程。与数控机床的“去除”加工原理不向,快速原型制造能够快速、有效地制造复杂形状和结构的实体。尽管这项新技术取得了巨大的成功,但在实用技术的发展和理论研究方面仍有计多需要解决的问题。 本书系统地介绍了快速原型制造技术的概念、原理、主要技术手段和应用领域;重点分析了已经商业化的制造技术原理和工艺特点,介绍了软件工程、材料开发等基础理论和相关的设备,结合这一技术的最新成果,阐述了快速原型制造技术的发展方向,建立了比较系统的内容结构体系。 第一章概述快速原型制造技术20世纪80年代起源于日本,很快发展到美国和西欧。是近20年来制造技术领域的一次重大突破。快速原型制造技术是cad、数控技术、激光技术以及材料科学与工程的技术集成,它可以自动、快速地将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零部件,从而可以对产品设计进行快速评价、修改,以响应市场需求、提高企业的竞争能力。快速原型制造技术的出现,反映了现代制造技术本身的发展趋势以及激烈的市场竞争对制造技术发展的重大影响。11 快速原型制造技术的概念111 原型原型 (prototype)是指用来建造未来模型或系统基础的个初始模型或系统(an intitial model or systems that is used for constructing future models or systems)。美国麻省理工学院kt ulrich以为,原型是产品在我们感兴趣的一维或多维空间中的一种表示。换句话说,产品开发人员认为有意义的产品在某个方面的表示,都可以看作是原型,即包括了从概念设计到具有完整功能制品的有形和无形的表示。根据上述定义,原型可以分为物理原型和分析原型。物理原型是近似或直接为产品的有形文体表示。物理原型是实际存在的,可以进行检测和试验,在视觉和触觉上都类似于产品。分析原型是产品的非有形表示。实际中分析原型没有破制造出来,但它们是以仿真、视觉图像、方程或分析结果表示的。在大多数情况下,原型是指物理原型,即是物体在二维空间的实物表示。本书以下所称原型均指物理原型。 原型是能基本代表零部件性质和功能的试验件,从表面质量、色彩等方面可具有零部件的特征,但不具备或不完全具备零部件的功能。零部件是最终产品具有最佳特性、功能和成本。原型一般数量较少、主要是用于实体观察、分析、试验、校核、展示、直接使用或间接制造模具。与二维图纸相比,原型可以对于产品设计和开发过程提供许多有价值的资料。在设计部门内部、其他部门以及市场上的用户之间,原型是交流设计概念的最好工具。今天比过去更需要原型还在于产品复杂性和人们审美标准的提高。原型可以由两种方法产生,一种是利用已有的知识和技术,按目的要求进行设计、加工,或由设计者利用cadcam系统,通过构想在计算机上建立原型的三维电子模型并加工成实物。另一种方法则是通过反求技术实现,即内用户提供一个实物样品,原封不动或经过局部修改后得到这个样品的复制品或仿制品。112 快速原型制造原型制造(prototying)是设计、建造原型的过程。一般来说,物体成型的方式分为二类:去除成型(dislodge forming)、添加成型(adding forming)和静尺寸成型(net forming),原型的制造也是如此。去除成型指从标难工件中除去某些部分而达到设计要求的零部件的形状和尺寸,如车削、铣削、刨削、磨削、切割、钻孔等。现代的电火花加工、激光切割、激光打孔等加工方法也是去除成型。去除成型最早实现了数字化控制,是目前主要的成型方式。添加成型又称堆积成型,是通过逐步连接原材料颗粒、丝杆、层板等,或者是通过流休(熔体、液体或气体)在指定位置凝固定形达到目的,如连接与焊接、安装、涂层、固化等,其最大特点是不受成型零件复杂程度的限制。净尺寸成型又称受迫成型,是利用材料的可成型性(如塑件等),在特定外围约束(边界约束或外力约束)下将半固化的流体材料挤压成型后再硬化、定形,或挤压固体材料而达到要求,如浇铸、锻压、冲压粉末冶金、注塑、改性等,多用于毛坯成型、特种材料或特种结构成型,或直接用于最终零件成型等。还有一种方式,即生长成型,通过模拟、利用自然界中生物发育过程实现材料的生物活性成型。目前人为系统中还没有这种成型方式,但随着生命科学、仿生学、材料科学及制造科学与工程的发展,人们有可能采用这种成型方式进行人工生物成型。在前三种成型方式中、去除成型与净尺寸成型均属于传统成型方式。多数情况下,原型或零件难以用净尺寸成型工艺一次达到成品要求,而且成型也会产生工艺废料,如浇冒口、飞边等。现代去除成型工艺可以由二维cadcam软件进行产品造型,生成数控代码。然后通过数控设备加工出所需要的零件来。这种方法可用于批量较大、形状规则的零件。但是,对于形状不规则且内部结构复杂的零件来说,用材料去除成型工艺加工起来很困难,有时甚至不可能。同时,去除成型会产生切削屑,材料利用率较低。这种情况下就可以来用添加成型工艺进行加工制造。添加成型工艺在成型思想上突破了传统的成型方法,通过快速、自动成型系统与计算机数据模型相结合,能够制造各种复杂形状的原型或零件,可以使生产周期大大缩短,生产成本大幅度降低。快速原型制造技术是种借助计算机辅助设汁,或用实体反求方法采集得到有关原型或零件的几何形状、结构和材料的组合信息,从而获得目标原型的概念并以此建立数字化描述模型,之后将这些信息输出到计算机控制的机电集成制造系统,通过逐点、逐面进行材料的“二维堆砌”成型,再经过必要的处理,使其在外观、强度和性能等方面达到设计要求,达到快速、准确地制造原型或实际零件、部件的现代化方法。其技术原理见图11。快速原型制造技术需要研究、考察各种原型建造方法、转换技术和测量技术,寻求更好的原型材料并评价原型对于制造业的影响。目前,快速原型制造技术的原理都是采用分层累加法,即用cad造型、生成stl文件、分层切片等步骤进行数据处理借助计算机控制的成型机完成材料的形体制造。事实上,这是一种材料的添加成型制造工艺,是随着cad/cam技术、数控技术、激光加工技术、材料技术而发展起来的。这种新技术随着发明者和制造工艺特点的不同而产生了许多名称,例如快速原型制造、增材制造、直接cad制造、快速制造、实体自由成型、无模制造、桌面制造等,但尚无统一的标准名称。也有按不同工艺路线而得名的立体印刷成型、层制造、三维打印、立体印刷、激光切割胶合等。不论何种名称,其基本思想都是相近的,只是不同的工艺有不尽相同的制造原理和工艺路线,采用不同的原材料,设备有不同的使用功能。在已经商业化的快速原型制造技术中,单体制成品中采用的材料往往是单一的。现在,这一技术越来越多地采用了其他学科的先进设计思想、工艺手段和研究成果,并在更广泛的领域里获得了应用,例如,在生物工程材料方面、在艺术品的设计与加工方面,在文物的复制与仿制方面,在建筑设计模型和新产品展示方面。在复合结构、梯度结构、不规则结构、包含一定孔结构的材料的制备方面,甚至在具有特定的力学、电学、声学、光学、化学与生物学功能的多种材料制备等方而都有了突破性进展,原有的快速原型制造技术的内涵已经发生了很大的变化。根据这一技术的基本原理、实现制造的过程和特点,我们将以数据图像处理和材料三维堆砌为基础的各种加工工艺统称为快速原型制造技术。其中,工艺原理、计算机技术、所用材料特性和集成加工设备是决定性因素,见图12。 这种新技术的思路源于三维实体被切割成一系列微小单元的逆过程,通过不断地把材料按指定路径添加到未完成的制件上,采用聚合、粘结、熔结、烧结等化学的和(或)物理的手段,有选择性地固化液体或粘结固体材料,从而制作出所要求形状的原型或零部件。通常,原型或零件是逐层累积起来,并最终达到设计的式样和性能要求。 快速原型制造技术的一般步骤是:建立二维数据模型;寻找可加工、应用的材料,如流体、粉末、丝线、板材或块体;使用不同物理原理的高度集成化设备;原型或零件的堆砌制造;原型或零件的后处理。 快速原型制造技术也是近年来增长最快的工业领域之一。随着快速原则制造技术不断成熟和应用领域逐渐扩大,这一技术将发展成为一种能被企业普遍采用的手段,给企业自身和社会带来巨大的经济效益。传统的制造、加工过程,按零件的复杂程度和采用的方法往往需要几周其至几个月的时间。基于计算机对物体几何形状、结构与连接状态的描述,快速原型制造技术旨在直接、快速地在三维空间呈现真实的物体。使用这一技术后,典型原型或零件的制造时间从几小时到几十小时便可完成。1998年,由快速原型制造技术产生的直接经济收入高达10美元 。毫无疑问,快速原型制造技术将与20世纪50年代的数控技术和最近20年发展起来的特种加工技术一样对材料的生产、加工过程和制造工程产生重要的影响。12 快速原型制造技术的特点121制造快速 快速原型制造技术是并行工程中精心复杂原型和零件制作的有效手段。从产品或从实体反求获得数据到制成原型,一般只需几小时到几十个小时,速度比传统成型加工方法快得多。随着互联网的发展,快速原型技术也更加便于远程制造服务,使资源得到充分利用,用户的需求也可得到最快的响应。122技术高度集成 快速原型制造技术是计算机技术、数据采集与处理技术、材料工程、机电加工与控制技术的综合体现。只有在这些高新技术迅速发展的今天才可能使和很好的结合,实现设计与制造的一体化。123自由成型制造自由成型的含义有两个:一个是指可根据原型或零件的形状,无需使用工具、模具,而自由的成型;二是指不受形状复杂程度限制,能够制造任意复杂形状与结构、不同材料复合的原型或零件。124制造过程高度 柔性共同的制造原理使快速原型制造系统在软件和硬件的实现上70%80%是相同的,也就是说,在一个现有的系统上仅增加20%30%的无器件和软件功能就可进行另一种制造工艺,不同的工艺原理的设备容易实现模块化,对于整个制造过程,仅需改变模型或反求数据结构模型即可。125可选材料的广泛性快速原型制造技术可以采用的材料十分广泛,可采用树脂类、塑料类、纸类、石蜡类、复合材料、多属材料或者陶瓷材料的粉末、箔、丝、小块体等,也可是涂覆某种粘接剂的颗粒、板、薄膜等材料。126广泛的应用领域除了制造原型以外,快速原型制造技术还特别适用于新产品的开发、快速单件及小批量零件制造、不规则零件或复杂形状零件的制造、模具及模型设计与制造、外形设计检查、装配检验、快速反求与复制,也适应于难加工材料的制造等。这项技术不仅在制造业的产品造型与模具设计领域,而且在材料科学与工程、工业设计、医学科学、文化艺术、建筑工程等领域有广阔的应用前景。13目前主要的快速原型制造技术方法到目前为止,已有十几种不同的快速原型制造系统问世,其中比较典型的有分层实体制造()、选择性激光烧结()、立体平板因素印刷()、熔融沉积制造()。生产系统的主要制造商有美国的公司、新加坡的公司、日本的公司以及国内的清华大学、华中科技大学等,生产系统的主要制造商有美国的公司、德国的公司以及国内的北京隆源公司、华中科技大学等,生产系统的主要生产商有美国的公司及国内的清华大学等,生产系统的主要制造商有美国的3公司、德国的公司以及国内的西安交通大学等。另外,一些其他的方法如三维喷涂粘接(3)、数码累积造型()立体光刻()、直接壳法()、喷墨打印、全息干涉制造、弹道微粒制造、光束干涉固化等都有一定研究规模。14 应用快速原型制造技术的重要意义f大大缩短新产品研制周期,确保新产品上市时间;-使模型或模具的制造时间缩短数倍甚至数十倍;提高了制造复杂零件的能力;-使复杂模型的直接制造成为可能;显著提高新产品投产的一次成功率;-可以及时发现产品设计的错误,做到早找错、早更改,避免更改后续工序所造成的大量损失;支持同步(并行)工程的实施;-使设计、交流和评估更加形象化,使新产品设计、样品制造、市场定货、生产准备、等工作能并行进行; 支持技术创新、改进产品外观设计;-有利于优化产品设计,这对工业外观设计尤为重要。成倍降低新产品研发成本;-节省了大量的开模费用快速模具制造可迅速实现单件及小批量生产,使新产品上市时间大大提前,迅速占领市场。 15 快速原型制造技术的发展前景现代快速原型制造技术发展的一个重要特点就是快速自动成型与其它先进的设计制造技术的结合越来越紧密。目前,快速原型制造技术朝着工业化、产业化方向迈进。完善制造工艺、系统与等软件的接口,制定统一的数据交换标准,进一步提高成型速度和精度,降低系统价格和运行成本,开发出满足工程要求的材料和扩大应用领域等都是人们关注的焦点。151 概念创新与工艺改进经过十多年的研究与发展,已有十几种较为成熟的技术,但它们的原理都是分层叠加法,在系统软件和硬件上有很多是相同和相近的,于是,一些改进的工艺和设备能够具备多种制造方法的特点和功能,例如和的复合。精度的提高是改进工艺必须考虑的。快速原型制造技术的成型精度一般为001的数量级,有待于进一步提高。另一方面,与传统制造工艺相结合,形成快速产品开发-制造系统也是一个重要趋势。目前国内外均在大力开发这一领域,清华大学正在研究快速原型制造用于无木模铸型的制造。152 寻求适合集成制造的新材料目前许多制造商在积极开发适合快速原型制造的专用材料。例如,应用于汽车模具时,材料的力学性能和物理性能要满足使用要求。公司开发了涂覆树脂的钢球材料用于生产注产塑模,以及覆膜锆砂()用于直接制作铸型(芯)膜。相比之下,国内的材料研究发展较慢。目前成型设备所用的光固化树脂全靠进口,价格昂贵,实用的材料也远不如国外。总的说来,用于快速模具制造和功能零件的材料还不成熟,在强度、精度、性能和寿命方面还达不到使用要求。所以,以材料科学、有机化学等为基础,研究开发性能相当甚至超过金属材料的复合材料、陶瓷材料,与医学、生物学结合开发具有活性的生物材料,用快速原型技术制造人体内脏器官或四肢以辅助医疗诊断和外科手术等都已经成为快速原型制造的发展方向。153 开发强大的数据采集、处理和监控软件绝大多数快速原型制造系统所使用的分层切片算法都是基于()文化进行的。文件存在着不少缺陷和不足。如:三角形网格之间的空隙将导致分层切片的轮廓不连续;有时文件太大,无法全部读入内存而造成不能切片等。针对文件产生的一系列弊端,已经出现了一些修改和转换处理软件,如、等。这些软件有的采用适应性切片、有的将文件大化小等措施,避免前面提到的缺陷。目前的切片方式都是平面式的,今后还可发展曲面切片、不等厚分层等方法,从曲面模型直接截面、分层,采用更精确、简洁的数学描述,以提高造型精度。154 拓展新的应用领域 现在快速原型制造技术在主要用于快速模具()的同时,国外正大力将快速原型制造技术应用于医学、医疗领域,利用计算机辅助断层扫描()、核磁共振()、三维超等,对人体局部扫描获得的截面图像,用计算机对器官进行三维重建,然后利用快速原型制造系统建造实体器官模型;国内西北轻工业学院正积极探索古陶瓷快速原型复仿制的可能性。155 快速原型制造技术的智能化、集成化和网络化在目前的快速原型制造系统的加工参数的设定中,还主要依据人的知识和经验,对快速原型制造技术的掌握还需较多的培训和指导,这就使得经验因素在快速原型制造技术中占有 重要地位(这也是国内各大研究机构相互间协作不够的原因之一),智能化必然是一个方向。一个快速原型系统一般应包括四个子系统:三维建模系统、数据反求系统、快速成型与制造系统和数控加工子系统,国外的来图加工中心都具有这四个子系统;另一种模式是将并行设计技术、虚拟制造技术、快速原型制造技术和现代检测与分析技术集成在一起,形成更高层次的产品快速设计与制造集成系统。通过信息高速公路形成快速原型制造信息网络,使得没有完善的产品开发能力的公司可以直接从网络上得到产品的模型,利用自己的快速原型制造技术和设备迅速制出原型,或者没有快速原型制造设备的公司可以通过网络将自己的设计结果传到其他公司或快速原型制造服务中心制造原型,从而实现远程制造。同时,快速原型制造技术,为科学计算可视化、虚拟现实以及三维等新兴技术提供了可量度、可触摸的手段,基于快速原型制造技术的桌面办公制造系统()将会实现。山东大学研制的基于协同产品商务()的包括三维建模、数据反求、快速原型制造与快速模具、数控加工的产品智能化快速产品开发系统,可实现快速原型制造技术的智能化、集成化和网络化。总而言之,rp技术是九十年代世界先进制造技术和新产品研发手段。在工业发达国家,企业在新产品研发过程中采用rp技术确保研发周期、提高设计质量已成为一项重要的策略。当前,市场竞争愈演愈烈,产品更新换代加速。要保持我市产品在国内外市场的竞争力,迫切需要在加大新产品开发投入力度、增强创新意识的同时,积极采用先进的创新手段。rp技术在不需要任何刀具、模具及工装卡具的情况下,可实现任意复杂形状的新产品样件的快速制造。用rp技术快速制造出的的模型或样件可直接用于新产品设计验证、功能验证、外观验证、工程分析、市场订货等,非常有利于优化产品设计,从而大大提高新产品开发的一次成功率,提高产品的市场竞争力,缩短研发周期,降低研发成本。快速原型制造技术生产力促进中心的成立为本市企业应用rp技术开展产品创新活动提供了很好的前提条件。第2章 立体印刷成型立体印刷成型是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成型方法。美国3d system公司的sla技术在国际快速原型制造系统市场上占的比例最大,自1988年推出sla250机型以后,又于1997午推出sla250hr、sla3500、sla5000三种机型,在技术上有了长足进步。其中,sla3500和sla5000使用半导体激励的固体激光器,扫描速度分别达到254m/s和5m/s,成型层厚最小可达005mm。该公司于1999年推出的sla7000机型与sla5000机型相比,成型体积虽然大致相同,但其扫描速度达到952m/s,平均成型速度提高了1倍21概念立体印刷成型(stereolithographyapparatus,sla)又称立体光刻、光敏液相固化。其基本原理为:采用光敏树脂原料,以计算机控制下的紫外激光按原型各分层截面的轮廓轨迹逐点扫描,使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应而固化,从而形成一个固体薄层截面。当一层固化后,向下或向上移动工作台,在刚刚固化的树脂表面布放一层新的液态树脂,再进行新一层扫描、固化。新固化的一层牢牢地粘合在前一层上,如此重复直至整个原型制造完毕。这种手段是快速原型制造技术中最为成熟、应用最多的一种。制造过程依赖于激光束有选择性地固化连续薄层的光敏聚合物,通过分层固化,最终构造出二维物体。我们还能将快速获得的树脂件原则当作易熔铸模或木模进行间接模具制造,进一步浇铸金属铸件或制造砂型,从而大大缩短制模周期。22工艺原理 立体印刷成型设备及工作原理如图21所示。基本上艺原理是借助cad进行所需要型的三维几何造型,产生数据文件并处理成面化的模型。将模型内外表面用小三角平面片离散化,每个平面片由3个顶点和1个指向体外的法向量描述,得到的数据便是目前快速原型制造系统普遍采用的、默认为工业标准的stl文件格式。按等距离或不等距离的处理方法剖切模型,形成从底部到顶部一系列相互平行的水平截面片层,即通过计算机将面化模型剖切成系列横截面。利用扫描线算法对每个截面片产生包括截面轮廓路径和内部扫描路径两方面在内的最佳路径。同时在成型系统上对模型定位,设计支撑结构。 切片信息及生成的路径信息作为控制成形机的命令文件(sli文件),并编出各个层面的数控指令送入成型机。分层越薄,生成的零件精度越高,采用不等厚度分层的目的在于加快成型速度。 激光成型机中的激光束按数控指令扫描,使盛于容器内的液态光敏树脂逐层固化并粘结在起。固化过程从工作平台上的第层液体开始,当第一层固化后,工作平台沿z轴方向下降(有些设备足上升)一段距离(即分层厚度,并考虑材料及工艺因素),使新一层液态树脂覆盖在已固化层上面,进行第二层固化。重复此过程至最后一层固化完毕,便生成了三维原型实体。 储液槽中盛装的液态光敏树脂在一定波长(如325nm)和强度的紫外激光照射下就会在一定区域内固化,即形成固化点。成型开始时,工作平台处在液面下某一确定的深度,如00502mm。聚焦后的激光光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描,即逐点固化。当层扫描完成后,未被激光照射的树脂仍然是液态的。然后升降架带动平台再下降一层高度,刚刚成型的层面上面又布满一层树脂,再进行第二层扫描,形成一个新的加工层并与已固化部分车牢连接在一起。对采用激光偏转镜扫描的成型机来说,由于激光束按偏转而斜射时,焦距和液面光点尺寸是变化的,这直接影响薄层的固化。为了补偿焦距和光点尺寸的变化,激光束扫描的速度也必须是实时调整的。另外,制作各薄层时,扫描速度也必须根据被加工材料层厚度变化(分层厚度变化)而作调整。23系统组成与工艺步骤231成型系统顶点2s最大日111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111通常立体印刷成型系统由激光器、xy运动装置或激光偏转扫措器、光敏件液态聚合物、聚合物容器、控制软件和升降平台等部分组成,如图21所示。2311光学部分 (1)紫外激光器 激光器大多是紫外光式。用于造型的激光器常有两种类型,一种是氦镉(hecd)激光器,输出功率为1550 mw,输出波长为325nm,激光器寿命约为2000h。另一种是氩(ar)激光器,输出功率为100500 mw,输出波长为351365nm。一般激光束的光斑尺寸为005300mm,激光位置精度可达0008mm,重复精度可达013mm。 (2)激光束扫描装置 数控的激光束扫描装置有两种形式。一种是电流计驱动式的扫描镜方式,最高扫描速度可达15ms,它适合于制造尺寸较小的高精度原型件,另种是xy绘图仪方式,激光束在整个扫描过程中与树脂表面垂直,这种方式能获得高精度、大尺寸的样件。2312树脂容器系统 (1)树脂容器 盛装液态树脂的容器由不锈钢制成其尺寸大小取决于立体印刷成型系统设计的最大尺寸原型或零件。液态树脂是能够被紫外光感光固化的光敏性聚合物。目前销售的成型机多有专门配套的树脂,其费用昂贵购买一槽300kg的树脂大约需5万美元。 (2)升降工作台 由步进电机控制,最小步距可达002mm以下,在225mm的工作范围内位置精度为005mm。 (3)重涂层装置 达一部分主要是使液态光敏树脂能迅速、均匀地覆盖在已固化层上面,保持每一层片厚度的一致性,从而提高原型的制造精度。2313 数控系统和控制软件 数控系统和控制软件主要由数据处理计算机、控制计算机以及cad接口软件和控制软件组成。数据处理计算机通常为pentium433以上微处理器,windows操作系统,内存32m以上。它主要是对cad模型进行面化处理使之变成适合于立体印刷成型的文件格式(stl格式),然后对模型定向切片。控制为算机为80286以上微机,dos操作系统,主要用于xy扫描系统、z方向工作平台上下运动和重涂层系统的控制。cad接口软件包括对cad数据模型的通讯格式、接受cad文件的曲面表示、设定过程参数等。控制软件包括对激光器光束反射镜扫描驱功器、xy扫描系统、升降工作台和重徐层装置等的控制。从cad模型到快速原型制造系统的数据转换路径大多采用将模型转换为三角形表示的多面体,然后再分层的方法。应注意stl文件的接口软件与不同的数控系统提供的stl接口界面在性能上的差异。 光敏聚合物的固化速率与单位面积激光功率供给量直接相关。为使固化均勾,要求控制系统保证恒功率扫描。控制系统的核心部件是激光束扫描器,它由两个检流计驱动的反射镜来控制激光束进行x及y向的扫描运动,达到很高的扫描速度(2502540 mm/s)。由于激光束斜射造成的激光点尺寸变化会极大地影响该点激光功率的分布,即影响激光功率的单位供给量,为此需要一个微定位器控制的聚焦透镜进行变焦。 聚焦透镜的移动控制必须与调节轴的检流计保持同步,以使激光束焦点保持在树脂液面上。透镜对改变扫描线宽或填充大的区域也有重要作用。同时,需要调整扫描速度或激光功率,以补偿变焦引起的功率密度变化。反射镜偏转角一个很小的误差,也会造成扫描光点在液面上一个放大的位移误差,因而扫描器应采用闭环控制。激光束的控制开关必须保证在非加工动作时遮断光束,此时快门的速度影响着扫描迹线的精度。需要测量激光的功率以确定每层的扫描速度,还需要掌握树脂的变形特点,以确定补偿参数。2314 后固化装置刚刚制造好的原型件的强度还很低,需要通过进一步固化处理,以达到要求的性能指标。后固化装置提供很强的紫外光源使其充分固化。固化时间依据制件的几何形状、尺寸和树脂特性而定。大多数制件固化时间不少于30min。232 工艺过程 立体印刷成型工艺步骤包括模型设计、切片、数据准备、生成模型和后固化等。在实际操作中,无论在那一步发现问题,都可以终止操作,返回上一步骤重新进行。具体工艺如下。2321 模型设计立体印刷成型工艺第一步是在三维cad造型系统中完成原型的设计。所构造的三维cad图形既可以是实体模型,也可以是表面模型,这些模型应具有完整的壁厚和内部描述功能。第二步是对cad模型定向、以便能在空间方便地构造物体。给cad确定、存储的文件必须转换成立体印刷成型所要求的标准文件(stl文件)格式并以此作为切片计算机的输入文件。完成模型设计后,需要选择模型的摆放方向和位置,设计支撑。在造型过程中,液体树脂固化成型后将产生体积收缩,从而造成内应力。因为从底部开始逐层造型,硬化的光敏树脂第一个切片层将与升降工作平台连接。为防止片层漂移或收缩变形损坏所制成的模型和工作台表面,对模型中的悬垂部分和较大的悬臂及粱必须设计支撑或连接结构。选择模型合适的摆放方向和位置,可以减少支撑结构。模型支撑结构的设计需要在计算机上单独生成。2322 模型切片和数据准备 当原理的设计完成后,cad模型被转换成stl格式的文件传送到立体印刷成型系统的数据处理计算机中。利用分层软件选择参数,将模型分层,得到每一薄片层的平面图形及其有关的网格矢量数据,用于控制激光束的扫描轨迹。这一过程还包括切片层厚度的选择、建造模式、固化深度、扫描速度、网格间距、线宽补偿值和收缩补偿因子的选择。分层参数的选择对造型时间和模型精度影响很大,常在二者之间经过试验取得平衡。2323 三维实体建造 该阶段是指光敏树脂开始聚合、固化到一个原型完成的生成过程,首先将一个可以上下移动的平台置于容器内所盛装的液态光敏树脂的液面下,调整激光成型机的数控计算机,控制原型生成平台上有一定厚度的光敏树脂,此厚度即相当于切片层的厚度。数控计算机按照分层参数指令迅速驱动扫描镜使激光束沿着xy方向运动,不断启停的激光束焦点有选择地扫描第一层光敏树脂。凡是激光焦点扫过的地方,光敏树脂便在激光能量作用下迅速固化,形成制件的底层并粘附在基底层上。平台再下降相当于切片层厚度的高度,液态光敏树脂迅速覆盖在刚刚间化的层片上(包括没有被扫描到的、仍为液态的树脂),激光束按照新层平面形状数据所给定的轨迹,再扫描、固化第二层树脂,同时与第一层粘结在一起。依次重复直到生成整个原型。2324 后固化及处理过程当原型在激光成型系统中生成后,控制升降平台从容器中升起,从工作平台上取出模型并进行清洗,之后进行检验及后处理。此时,原型中尚有部分末完全固化的树脂,必须再用强紫外光照射,使之完全硬化。清洗过程中去除多余的液态树脂,然后放入后固化装置的转盘上进行完全固化,以满足所要求的机械性能。对于尺寸较大的原型,这是快速固化的有效手段。另外,原型是逐层硬化的,尼与层之间不可避免地会出现台阶,必须去除。在造型结束后,原型的支撑也必须除去并进行修整。对要求较高的原型还需进行喷砂处理。24 应用立体印刷成型有广阔的应用前景,并且在多种制造技术领域和多项工程实践中获得了成功的应用。241铸造2411 用立体印刷成型原型件进行熔模铸造可以用立体印刷成型制造的原型代替熔模精密铸造中的蜡模。在原型上直接涂挂耐火浆料,待耐火浆料固化后,再焙烧除去原型材料,剩下铸造用型壳供铸件浇注,其工艺与熔模铸造工艺相同。该法存在的问题是,由于原型材料为光敏树脂,一般不溶于溶剂,加热时也不会像石蜡一样熔化成液态流出,故焙烧时原型材料的发气量很大,其热膨胀往往造成型壳开裂甚至破坏。为此,使用的原材料除了要满足快速原型制造的性能要求外,还要满足熔模铸造的性能要求。一般的做法是,在树脂中掺入一定比例的低温挥发成分。这些成分在型壳焙烧初期的低温下开始汽化,并使模型收缩,以减少高温焙烧时模型膨胀对型壳的作用力,防止型壳胀裂破坏。防止型壳焙烧时胀裂的另一措施是,将原型设计成内部带支撑隔板的中空体。这样在型壳焙烧时,中空原型受热向内塌陷,不会胀裂型壳。2412 直接用原型进行实型铸造以原型取代实型铸造中的汽化模。将涂有涂料的原型进行真空干砂造型,金属液被浇入砂型内,高温金属液烧去原型材料,同时形成金属铸件。该方法的缺点是,被金属液烧去的原型材料模会留下一定量的残留物,它们对铸件表面的质量影响较大。此时原型材料应接近实型铸造中的汽化模(如泡沫塑料)的性能。242应用立体印刷成型制作叶轮原型例证汽轮机上的叶轮转速很高并已有转矩及动平衡方面的要求,传统的制作工艺要经过铸造、机械加工、焊接等工序。即首先铸造出圆盘基体,然后分别机加工每一个叶片并保证每个叶片的精度,之后将每个叶片焊接到圆盘基体上,最后进行动平衡实验及其他实验。若不合格则需要重新设计或对制成的样件进行人工处理。这种方法不仅耗时,而且需要操作人员有相当的经验和水平,使得叶轮制作周期长、成本高。立体印刷成型工艺利用激光成型机提供了实现叶轮整体成型的工具,可以直接将成型机制作的叶轮原型进行有关实验并评估设计。如不合格,则可方便地进行修改并重新制作原型, 而不必用成本很高的实际叶轮来实验。一旦合格,则可利用叶轮原型翻制模具或制作模芯用于精铸。叶轮零件尺寸如图22所示,共有45个叶片。叶轮原型制造是从零件的三维造型开始的。在sun sparcstation 20图形下作站上利用cad软件proengineer30建立叶轮的三维实体模型,这是叶轮原型制作的关键步骤之一。其造型过程是首先制作圆盘基体,然后制作叶片,利用软件提供的“模式”概念形成的45个叶片镶嵌在圆盘基体上,最后造型4个加强筋以及造型“孔”。充分利用图形软件提供的特征概念可方便、迅速地建立叶轮三维的模型。 图22 叶轮零件尺寸随后对叶轮模型定位进行离散。利用图形软件提供的接口生成stl文件。所选择的有关参数以xy方位设定,即确定分层方向或制造方向。考虑到制造时间与精度,确定以圆盘基体底面作为xy面,中心点为原点,高度方向为+z方向。给定三角平面近似表面的精度,以弦高百分比表示,见图23。考虑近似精度以减少小三角形平面片的数目,从而减少stl文件的存储量大小,确定弦高百分比为005。当然,为提高精度还可以把弦高比设得更小。但是,三角平面片数目越多,stl文件就越大。生成的stl文件为72mb,离散成64676个小三角平面片。再把数据传送到与工作站联网的成型控制微机上进行切片。选择切片厚度为01mm,生成的stl文件控制成型机中激光束逐层扫描光敏树脂,完成直至叶轮原型制作。 图23 弦高之比示意图第3章 层合实体制造 层合实体制造是几种最成熟的快速原型制造技术之一。层合实体制造方法和设备自1991年问世以来,得到迅速发展。目前世界上已有100多套设备投入使用,主要是helisys inc的纸张叠层造型lom系列。helisys公司1992年推出lom1015(台面380mm250mm 350mm)机型后,于1996年又推出台面达815mm550mm508mm的lom2030h机型,成型时间比原来缩短了30。helisys公司除原有的lph、lps和lpf三个系列纸材品种以外,还开发了塑料和复合材料品种。31概念层合实体制造(laminatedobiectmanufactur-ing,lom),又称分层实体造型、分层物件制造等。其基本原理是将单面涂有热熔胶的薄膜材料或其他材料的箔带切割成欲制原型在该层平面的内外轮廓,再通过加热辊加热,使刚刚切好的一层与下面的已切割层粘接在一起,通过逐层切割、粘合,最后将不需要的材料剥离,得到欲求的原型。层合实体制造工艺与立体印刷成型工艺的主要区别在于将立体印刷成型中的光敏树脂固化的扫描运动变为激光切割薄膜运动。这种工艺使用低能co2激光器,成型的制件无内应力、无变形,因而精度较高,可达01mm100 mm 。 层合实体制造中激光束只需按照分层信息提供的截面轮廓线逐层切割而无需对整个截面进行扫描,且不需考虑支撑。所以这种方法与其他快速原型制造技术相比,还具有制作效率高、速度快、成本低等优点,具有广阔的应用前景。这一技术常用的材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等,除了制造模具、模型外,还可以直接控制造结构件或功能件;但由于材料薄膜厚度有限,未经处理的侧表面不够光洁,需要进行再处理,如打磨、抛光、喷油等。另外,当采用的金属片的厚度太薄时,所形成的零件的力学性能也会受到很大的影响。32工艺原理 层合制造工艺将薄膜按照cad分层模型所获数据,用激光束将单面涂有热溶胶的薄膜切割成欲制原型的内外轮廓然后将新的一层薄膜叠加在上面,通过热压装置加热与下面已切割层粘合在一起,逐层切割、粘合,直到完成整个原型。 层合制造工艺原理见图31。将欲制产品的cad模型输入成型系统,再用系统中的切片软件对模型进行切片处理从而得到产品在高度方向上一系列横截面的轮廓线。由系统控制微机指令步进电机带动主动辊芯转动,使纸卷转动并在切割台面上自右向左移动预定的距离。同时,工作台升高至切割位置。之后热压装置中的热压辊自左向右滚动,对工作台上方的纸及涂敷于纸的下表面的热熔胶加热、加压,使纸粘于基底上。激光切割头依据分层截面轮廓线切割纸,并在涂料上切出长方形边框见图32。工作台连同被切出的轮廓层下降至一定高度后,步进电机驱动主动辊再次沿逆时针方向转动,重复下一次工作循环,直至完,盛最后一层轮廓切割和层合。从工作台上取下被边框所包围的长方体,用小锤轻轻敲打使大部分由小网络构成的小立方块废料与制品分离,再用小刀从制品上剔除残余的小立方块得到三维原型制品。33系统组成与工艺步骤 目前开展层合实体制造工艺研究的单位主要有helisys公司、kira公司和kinergy公司、华中理工大学和清华大学等。日本kira公司的plta4机型采用了一种超硬质刀切割和选择性粘接的方法。清华大学推出了ssm系列成型机及成型材料,具有较高的性能价格比,其中hrpiia成型机售价仅20万元人民币。zippy系列快速原型制造系统是华中理工大学与新加坡kinergy公司合作开发、生产的一种先进的快速原型制造设备。zippy系列快速原型制造系统自1995年起先后参加了德国汉诺威国际博览会、北京国际机床展览会、东京第二十一届国际汽车博览会,获得了一致好评,被认为已达到世界一流的水平。 层合实体制造主要由激光切割系统、箔带供给系统、层合压实系统和非实体剥离系统等组成。本节以zippy系列快速原型制造系统为例,主要介绍系统的构成、工艺步骤、主要技术参数和特点。zippy系列快速成型设备由计算机、激光切割系统、原材料存储与送进机构、热压装置、可另仍工作台及数控系统等组成。331 zippy系列快速原型制造系统主要有zippy i和zippy ii两个系列,其主要技术参数见表31。332 zippy成型机系列的特点与系统设计zippy集中了cad、cam、数控、精密伺服驱动、激光、新型材料等方而的最新成果。制造系统中的软件能沿原型高度方向一定的间隔进行白动切片,得到每一切片层理论轮廓曲线,并对内外轮廓线进行自动实时识别、可以根据激光束的直径,对内外轮廓线进行自动补偿,求得实际切割轮廓线,并自动确定切割轮廓线及废料的顺序。zippy系列用激光切割头采用伺服电机驱动,送纸、热压合工作台的升降运动采用步进电机驱动,用精密滚珠丝杠传动和精密滚珠直线导轨导向,可保证快速、高精度运动与定位,因而成型件精度高。该设备采用国际上最先进的全金属管、密封式co2激光器作切割光源,稳定性好可靠性高,使用寿命长。3321 激光数控电源设计 根据激光快速成型系统对激光的要求、激光电源的工作特性及其控制机理,提出了一种适于封离式co2激光器的数控恒流电源硬件结构的设计。 (1)激光电源的电路设计 激光快速成型系统对激光器有特别的要求:激光输出的能量必须稳定并能随运动速度的改变而改变;激光能够快速输出和关闭;能长时间连续工作。因此,在快速成型系统中,激光束切割单元应具有结构紧凑、可自动控制、可监测和响应快速、远行可靠等功能。为了调整设备部件,电源还要补充设手动控制功能。选用的封离式co2激光器具有出光模式好、体积小、质量轻、控制灵活、运行可靠等优点,适用于快速成型系统。 为了使激光器电源效率高、体积小、质量轻,其设计一般采用开关电源(sps)。目前国内外比较流行的激光开关电源有pwm开关式、谐振式和射频电源。适用于2050w co2激光器。用pwm
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