（材料加工工程专业论文）快速原型与快速模具制造技术的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 嘬后，本文针对进口硅橡胶成本高的问题，对国产硅橡胶进行了制模实验 研究，给出了能够满足使用要求的国产硅胶模的制作工艺和质量控制措施，大 大降低了制作硅橡胶模具的制作成本，对于制作快速模具的用户来说也具有很 高的参考价值。j 关键词：快速原型。快速模具j 替层实体制造技术? 砩橡胶模具 山东人学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em a r k e te n v i r o n m e n th a sh a dag r e a tc h a n g es i n c e19 9 0 s w es h o u l dd e s i g n t h ep a r ta c c o r d i n gw i t hp e o p l e sr e q u i r e m e n ta n dp r o d u c ei t q u i c k l yt oo c c u p yt h e m a r k e t w ec a nc r e a t ean e wm o d et om a k ep r o d u c tb yr a p i dp r o t o t y p i n ga n d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ( r p & m ) u s i n gt h i st e c h n o l o g yt h ed e s i g n e rc a nt o u c h t h ep r o d u c td i r e c t l ya n dv a l i d a t et h es t r u c t u r ea n ds h a p eo ft h ep r o d u c tq u i c k l y s o t h ep e r i o dt od e s i g nan e w p a r ti ss h o r t ，a n dt h ep r o d u c t su p d a t i n gs p e e di sq u i c k t h er i s ko f a c o r p o r a t i o n si n v e s t m e n tt ot h en e wp r o d u c tr e d u c e s r e c e n t l ya n e w f i e l d ，r a p i dt o o l i n g ( r t ) ，c o m e sf o r t hb e c a u s eo f t h ed e v e l o p m e n t o f r p & m t h ec o s ta n dt i m et om a k em o l dc a nr e d u c eb yr p g r e a t l y t h e p r i n c i p l e ，a p p l i c a t i o n ，a s s o r t m e n to fr p & m i sp r o p o s e db a s e do nt h er a p i d p r o t o t y p i n g a n d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ( r p & m ) a n d t h e r a p i dt o o l i n g m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ( r t ) i nt h i sp a p e r t h el a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ( l o m ) p r i n c i p l ea n d m a i nc h a r a c t e ri si n t r o d u c e di nd e t a i l t h et h r e es t a g e so f l o m ， f o r m e rm a n a g e m e n t ，l a m i n a t e dp r o c e s s ，l a t e r m a n a g e m e n t ，a r eg i v e n t h em a i n f a c t o rt h a ti n f l u e n t st h e q u a l i t y o fp r o t o t y p i n gi s i n v e s t i g a t e d a n dp r o p o s et h e m e a s u r et os o l v ei t i nt h er e s e a r c ht ot h em o i s t u r ea b s o r p t i o nd i s t o r t i o nw ef o u n d t h a tt h ed i m e n s i o no fl o m p r o t o t y p i n gi s s e n s i t i v et ot h ew a t e r t h ee f f e c t so f p r o c e s sp a r a m e t e r so nm a n u f a c t u r i n ge f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo ft h el o m p r o t o t y p e a r ea n a l y z e d t h em a i nf a c t o r s i n f l u e n c i n go nt h ep r o t o t y p eq u a l i t ya r eg i v e na n dt h e r e l a t i v ed e a l i n gm e t h o d sa r ep r o p o s e d t h ec a d d a t ep r e p a r a t i o ni np r e p r o c e s s i n g ， m a c h i n ep a r a m e t e r ss e l e c t i o ni n m a n u f a c t u r i n g t h e p r o t o t y p e a n dt h e w o r k i n g c o n t e n t si np o s t p r o c e s s i n ga r ei n t r o d u c e d t h ef a b r i c a t i n gp r o c e s so fas i l i c o nm o l db a s e do nt h el o m p r o t o t y p ea n d t h e r a p i dv a c u u n l c a s t i n gt e c h n o l o g yo far e s i np r o d u c tu s i n gt h es i l i c o nm o l da r e i n v e s t i g a t e d t h e nt h ed e t a i l e dm e a s u r e sa n dr e l a t i v et e c h n i q u e sf o ri m p r o v i n gt h e q u a l i t ya n dd e c r e a s i n gt h ec o s ti nm a n u f a c t u r i n gt h es i l i c o nm o l da r es u g g e s t e d t h e m a i np r o c e s sa n dt h et e c h n i q u e sp a r a m e t e ra r eg i v e ni nt h ep a p e r t h em e t h o dt o i i l c a l c u l a t et h es i l i c o n ，t h ec h o i c eo f m o l df a c e ，t h es i t eo ft h ec a s tm o u s ea n d t h esk l j l t oo d e nt h em o l da r ci n t r o d u c e di n d e t a i l a n dt h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h ec a s t i n g d r o d u c t ，t h et i m eo f m i xr o u n d ，t h et i m et ot u r no f f t h ep u m p a n dd e f l a t i o na n ds oo n ， a r ei n v e s t i g a t e d f i n a l l y , t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s so f t h es i l i c o nm o l du s i n gn a t i o n a lm a t e r i a li s s t u d i e d e x p e r i m e n t a l l y t h e s u c c e s s p r o c e s s a n d q u a l i t y c o n t r o lm e a s u r e so f m a i l u f a c t u r i n 2t h es i l i c o nm o l du s i n g t h en a t i o n a lm a t e r i a la r ep r o p o s e d i th a sh i g h r e f e r e n c ev a l u et ot h eu s e rw h o m a k e st h er a p i dt o o l i n g k e y w o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n ga n dm a n u f a c t u r i n g ，r a p i dt o o l i n g ，l a m i n a t e do b j e c t m a n u f a c t u r i n g ，s i l i c o nm o l d 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 从9 0 年代开始，市场环境发生了巨大变化。一方面表现为消费者需求日 益主体化、个性化和多样化：另一方面则是产品制造商们都着眼于全球市场的 激烈竞争。面对市场，不但要迅速地设计出符合人们消费需求的产品，而且必 须很快地生产制造出来，抢占市场。随着计算机技术的迅速普遍和c a d c a m 技术的广泛应用，产品从设计造型到制造都有了很大发展，而且产品的开发周 期、生产周期、更新周期越来越短，企业的发展战略已经从6 0 年代“如何做 的更多”、7 0 年代“如何做的更便宜”、8 0 年代“如何做的更好”、发展到9 0 年代的“如何做的更快”。因此，面对一个迅速变化且无法预料的买方市场， 以往传统的大批量生产模式对市场的响应就显得越来越迟缓与被动。快速响应 市场需求，已成为制造业发展的重要走向。为此，近年来工业化国家一直在不 遗余力地开发先进的制造技术以提高制造工业的发展水平，计算机、微电子、 信息、自动化、新材料和现代化企业管理技术的发展日新月异，产生了一批新 的制造技术和制造模式，制造工程与科学取得了前所未有的成就【】l 。 快速原型( 也称快速成形) 制造技术( r a p i dp r o t o t y p i n g & m a n u f a c t u r i n g ， r p & m ) 就是在这种背景下逐步形成并得以发展的。它借助计算机、激光、精密 传动和数控等现代手段，将计算机辅助设计( c a d ) 和计算机辅助制造( c a m ) 集成于一体，根据在计算机上构造的三维模型，能在很短时间内直接制造产品 样品，无须传统的机械加工机床和模具口l 。该项技术创立了产品开发的新模式， 使设计师以前所未有的直观方式体会设计的感觉，感性而迅速的验证和检查所 设计的产品结构和外形，从而使设计工作进入了一种全新的境界，改善了设计 过程中的人机交流，缩短了产品开发的周期，加快了产品更新换代的速度，降 低了企业投资新产品的风险，加强了企业引导消费的力度。这种样品可用于新 产品的评价，也可用于制造硅橡胶模具和熔模铸造模具等，从而批量生产塑料 及金属零件。用这种方法制造样品较传统法的显著优点是，制造周期大大缩短 ( 由几周、几个月缩短为若干个小时) ，成本大大降低。 而以r p & m 原型作母模来翻制模具的快速模具制造技术f r a p i d 】 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 从9 0 年代开始，市场环境发生了巨大变化。一方面表现为消费者需求日 益主体化、个性化和多样化：另一方面则是产品制造商们都着眼于全球市场的 激烈竞争。面对市场，不但要迅速地设计出符合人们消费需求的产品，而且必 须很快地生产制造出来，抢占市场。随着计算机技术的迅速普遍和c a d c a m 技术的广泛应用，产品从设计造型到制造都有了很大发展，而且产品的开发周 期、生产周期、更新周期越来越短，企业的发展战略已经从6 0 年代“如何做 的更多”、7 0 年代“如何做的更便宜”、8 0 年代“如何做的更好”、发展到9 0 年代的“如何做的更快”。因此，面对一个迅速变化且无法预料的买方市场， 以往传统的大批量生产模式对市场的响应就显得越来越迟缓与被动。快速响应 市场需求，已成为制造业发展的重要走向。为此，近年来工业化国家一直在不 遗余力地开发先进的制造技术以提高制造工业的发展水平，计算机、微电子、 信息、自动化、新材料和现代化企业管理技术的发展日新月异，产生了一批新 的制造技术和制造模式，制造工程与科学取得了前所未有的成就【】l 。 快速原型( 也称快速成形) 制造技术( r a p i dp r o t o t y p i n g & m a n u f a c t u r i n g ， r p & m ) 就是在这种背景下逐步形成并得以发展的。它借助计算机、激光、精密 传动和数控等现代手段，将计算机辅助设计( c a d ) 和计算机辅助制造( c a m ) 集成于一体，根据在计算机上构造的三维模型，能在很短时间内直接制造产品 样品，无须传统的机械加工机床和模具口l 。该项技术创立了产品开发的新模式， 使设计师以前所未有的直观方式体会设计的感觉，感性而迅速的验证和检查所 设计的产品结构和外形，从而使设计工作进入了一种全新的境界，改善了设计 过程中的人机交流，缩短了产品开发的周期，加快了产品更新换代的速度，降 低了企业投资新产品的风险，加强了企业引导消费的力度。这种样品可用于新 产品的评价，也可用于制造硅橡胶模具和熔模铸造模具等，从而批量生产塑料 及金属零件。用这种方法制造样品较传统法的显著优点是，制造周期大大缩短 ( 由几周、几个月缩短为若干个小时) ，成本大大降低。 而以r p & m 原型作母模来翻制模具的快速模具制造技术f r a p i d 】 山东大学硕士学位论文 t o o l i n g ，r t ) ，进一步发挥了快速原型制造技术的优越性，可在短期内迅速推出 满足用户需求的一定批量的产品，大幅度地降低了新产品开发研制的成本和投 资风险，缩短了新产品研制和投放市场的周期，在小批量、多品种、改型快的 现代制造模式下具有强劲的发展势头。模具制造是制约我国汽车、家电、轻工 等行业发展的瓶颈和关键【3 】，随着快速原型软硬件设备与快速原型材料的不断 发展和完善，快速原型制造件的强度和精度得到不断的提高，快速原型逐渐向 快速模具制造发展，用快速原型的方法制造各类模具已成为r p & m 应用的热 点问题 4 1 。目前，已经开发出的快速模具有直接法制造的模具、硅橡胶模具， 铝基树脂模具、钢模具等1 5 】。在若干简易模具制作技术中，硅橡胶浇注法制作 的模具由于具有良好的柔性和弹性，能够制作结构复杂、花纹精细、无拔模斜 度或倒拔模斜度以及具有深凹槽的零件，制作周期短，制件质量高，因而倍受 关注【6 】o 1 2r p & m 与r t 技术的发展现状及选题意义 8 0 年代末之后，快速原型制造技术有了根本性的发展，出现的专利更多， 仅在1 9 8 6 1 9 9 8 年期间注册的美国专利就有2 7 4 个。在此后的1 0 年内，涌现 了1 0 多种不同形式的快速原型制造技术和相应的快速成形机，并且在工业、 医疗及其它领域得到了普遍的应用。到1 9 9 8 年为止，全世界已拥有快速成形 机4 2 5 9 台，快速成形机制造公司2 7 个，用快速成形机进行对外服务的机构3 3 1 个【7 j 。由此可以看出，快速原型制造技术的发展方兴未艾。但r p & m 技术如果 仅仅停留在原型制作上，尚形成不了对制造业的冲击，要想发挥r p & m 技术 的更大优势，就必须形成快速的制造能力，因此，快速模具技术( r t ) 便受到 高度重视，也得到了迅速发展。运用r t 技术突出的特点就是其显著的经济效 益，它与传统的数控加工模具方法相比，周期和费用都降低1 3 - 1 1 0 左右，如 表11 所示。近年来，工业界对r t 的研究开发投入了日益增多的人力和资金， r t 的收益由此也获得了巨大增长。据s m e 统计，近年来r t 服务的收益年增 长率均高于r p 系统销售，如9 6 年比9 5 年增长6 2 7 ，而r p 设备销售额的 增长为4 2 6 。到目前为止，世界上已有r t 服务机构近3 0 0 家，9 6 年底，其 总收入达2 8 6 4 亿美元，占r p & m 行业收入的5 8 2 【。 2 山东大学硕士学位论文 t o o l i n g ，r t ) ，进一步发挥了快速原型制造技术的优越性，可在短期内迅速推出 满足用户需求的一定批量的产品，大幅度地降低了新产品开发研制的成本和投 资风险，缩短了新产品研制和投放市场的周期，在小批量、多品种、改型快的 现代制造模式下具有强劲的发展势头。模具制造是制约我国汽车、家电、轻工 等行业发展的瓶颈和关键【3 】，随着快速原型软硬件设备与快速原型材料的不断 发展和完善，快速原型制造件的强度和精度得到不断的提高，快速原型逐渐向 快速模具制造发展，用快速原型的方法制造各类模具已成为r p & m 应用的热 点问题 4 1 。目前，已经开发出的快速模具有直接法制造的模具、硅橡胶模具， 铝基树脂模具、钢模具等1 5 】。在若干简易模具制作技术中，硅橡胶浇注法制作 的模具由于具有良好的柔性和弹性，能够制作结构复杂、花纹精细、无拔模斜 度或倒拔模斜度以及具有深凹槽的零件，制作周期短，制件质量高，因而倍受 关注【6 】o 1 2r p & m 与r t 技术的发展现状及选题意义 8 0 年代末之后，快速原型制造技术有了根本性的发展，出现的专利更多， 仅在1 9 8 6 1 9 9 8 年期间注册的美国专利就有2 7 4 个。在此后的1 0 年内，涌现 了1 0 多种不同形式的快速原型制造技术和相应的快速成形机，并且在工业、 医疗及其它领域得到了普遍的应用。到1 9 9 8 年为止，全世界已拥有快速成形 机4 2 5 9 台，快速成形机制造公司2 7 个，用快速成形机进行对外服务的机构3 3 1 个【7 j 。由此可以看出，快速原型制造技术的发展方兴未艾。但r p & m 技术如果 仅仅停留在原型制作上，尚形成不了对制造业的冲击，要想发挥r p & m 技术 的更大优势，就必须形成快速的制造能力，因此，快速模具技术( r t ) 便受到 高度重视，也得到了迅速发展。运用r t 技术突出的特点就是其显著的经济效 益，它与传统的数控加工模具方法相比，周期和费用都降低1 3 - 1 1 0 左右，如 表11 所示。近年来，工业界对r t 的研究开发投入了日益增多的人力和资金， r t 的收益由此也获得了巨大增长。据s m e 统计，近年来r t 服务的收益年增 长率均高于r p 系统销售，如9 6 年比9 5 年增长6 2 7 ，而r p 设备销售额的 增长为4 2 6 。到目前为止，世界上已有r t 服务机构近3 0 0 家，9 6 年底，其 总收入达2 8 6 4 亿美元，占r p & m 行业收入的5 8 2 【。 2 山东大学硕士学位论文 表1 1 基于r p & m 原型快速制作模具与传统机加工法制作模具的比较 制模方法制作成本( 美元)制作周期( 周)模具寿命( 件) 硅橡胶浇注法 523 0 金属树脂浇注法 94 - 53 0 0 电弧热喷涂法 2 56 71 0 0 0 镍蒸发沉积法3 06 75 0 0 0 传统机加工方法6 01 6 - 1 82 5 0 0 0 0 我国9 0 年代初在国家科委、国家基金委、机械工业部及部分地方政府与 科委的支持下，首先在西安交通大学、清华大学、华中理工大学等高校和高新 技术开发公司启动了r p & m 技术的研究。1 9 9 4 年在北京举办的国际机床博览 会上首次展出我国自行设计制造的r p & m ，成型设备，1 9 9 5 年在清华大学举办 了第一次r p & m 学术会议，1 9 9 8 年在西安交通大学召开了全国r p 技术与快 速模具制造研讨会。西安交通大学激光快速成型与模具制造工程研究中心在快 速模具研制方面作了大量工作，华中理工大学研究出原型复模技术快速制造铸 模，上海交通大学开发了基于r p 原型的涂层转移法精密铸造制模技术并为汽 车行业制造了多类模具，深圳殷华公司和北京隆源公司的r p 服务中心也用几 种方法为企业制作了精密铸模，广州华泰激光快速成型及模具技术有限公司， 引进了世界先进激光快速成型设备s l a 5 0 0 ，快速制造各类复杂零件原型及模 具。表1 2 为国内部分单位研制快速模具的实例统计。 对于快速原型与快速模具制造技术，国内的研究主要集中于设备的研制 和商品化上，对原型的制作精度、表面质量、制作工艺、参数的调配和后处理 等方面以及基于r p & m 的快速模具制造技术没有进行系统的研究。对于引进 r p & m 及r t 技术的用户来说，如何制造出高质量的原型件及如何利用r t 技 术快速制作高质量的产品样件才是最重要的。本文的研究就是针对这种需求提 出来的，对进一步发挥r p & m 和r t 技术的优越性和更好地服务于工程应用具 有重要的意义。 1 3 本文的主要工作 本文在第二章文献综述中系统介绍了快速原型技术的基本原理，应用和分 类，它是进行本课题研究的基础。 3 山东大学硕士学位论文 表1 1 基于r p & m 原型快速制作模具与传统机加工法制作模具的比较 制模方法制作成本( 美元)制作周期( 周)模具寿命( 件) 硅橡胶浇注法 523 0 金属树脂浇注法 94 - 53 0 0 电弧热喷涂法 2 56 71 0 0 0 镍蒸发沉积法3 06 75 0 0 0 传统机加工方法6 01 6 - 1 82 5 0 0 0 0 我国9 0 年代初在国家科委、国家基金委、机械工业部及部分地方政府与 科委的支持下，首先在西安交通大学、清华大学、华中理工大学等高校和高新 技术开发公司启动了r p & m 技术的研究。1 9 9 4 年在北京举办的国际机床博览 会上首次展出我国自行设计制造的r p & m ，成型设备，1 9 9 5 年在清华大学举办 了第一次r p & m 学术会议，1 9 9 8 年在西安交通大学召开了全国r p 技术与快 速模具制造研讨会。西安交通大学激光快速成型与模具制造工程研究中心在快 速模具研制方面作了大量工作，华中理工大学研究出原型复模技术快速制造铸 模，上海交通大学开发了基于r p 原型的涂层转移法精密铸造制模技术并为汽 车行业制造了多类模具，深圳殷华公司和北京隆源公司的r p 服务中心也用几 种方法为企业制作了精密铸模，广州华泰激光快速成型及模具技术有限公司， 引进了世界先进激光快速成型设备s l a 5 0 0 ，快速制造各类复杂零件原型及模 具。表1 2 为国内部分单位研制快速模具的实例统计。 对于快速原型与快速模具制造技术，国内的研究主要集中于设备的研制 和商品化上，对原型的制作精度、表面质量、制作工艺、参数的调配和后处理 等方面以及基于r p & m 的快速模具制造技术没有进行系统的研究。对于引进 r p & m 及r t 技术的用户来说，如何制造出高质量的原型件及如何利用r t 技 术快速制作高质量的产品样件才是最重要的。本文的研究就是针对这种需求提 出来的，对进一步发挥r p & m 和r t 技术的优越性和更好地服务于工程应用具 有重要的意义。 1 3 本文的主要工作 本文在第二章文献综述中系统介绍了快速原型技术的基本原理，应用和分 类，它是进行本课题研究的基础。 3 山东大学硕士学位论文 表12 基于r p & m 原型快速模具制作实例 树脂 纸塑 金软硬电 原型型料 蜡型 萎 属质质 单位 原 型 零 模模 备注 名称，、，、 件具具 极 。口 基 一 王王 。v 一一 深圳采用快速冷喷涂技术制作 殷华 5211 硬模且直接用原型作母 公司模。 北京 8 个金属零t ：中4 个由蜡 隆源 1 | 18 模精铸而成，4 个由塑料 原型翻硅胶模、压蜡模、 公司 精铸而成。 清 坐 4452524 f d m 蜡型和p c m 砂型均 大为科研实例。 学 西安 硬模采用树脂原型、研磨 交通8 41石墨电极、电火花加工而 大学 成，为钢质模具。 坐中 理i 一1 113 实例原型为纸基，s l s 法 砂质原型浇注铸件。 大学 在本文的第三章，作者详细介绍了叠层实体制造技术的基本原理，工艺过 程，从它的制作原理，工艺过程，设备的参数设置、后处理等方面对成型件的 精度、质量、强度的影响进行了分析实验，为提高原型件的质量提出了一些切 实可行的方法，对于l o m 机的用户来说有很大的参考价值。 本文在第四章介绍了几种常见的快速模具，重点说明了硅橡胶模具的制作 过程以及树脂件的浇注工艺，在实际的应用中提出一些对提高模具寿命和树脂 件质量的措施。 但是用束制作模具的硅橡胶主要是依靠进口，成本较高，为了解决这个难 题，作者从硅橡胶本身的性能出发，在国内寻找满足使用要求的硅橡胶，先后 4 山东大学硕士学位沦文 买进了济南树脂应用研究所牛产的s y m 一2 型模具胶和t h 东绿野集团生产的 s t r 0 1 型模具硅橡胶在山东大学模具中心进行实验，所用的设备是台湾飞菱 公司的f 0 3 真空注形机。首先分析了影响硅橡胶性能的因素，在实验中，主 要从控制原材料的配比，抽真空的时间等方面进行了大量的实验，发现绿野集 团生产的模具硅橡胶完全满足使用要求，本文在第五章对这种硅橡胶的性能进 行了定性的描述，并在实践中验证了它的寿命，列出了在制作这种硅橡胶模具 时需要注意的几点工艺上的问题。这种硅橡胶完全可以代替一部分进口的硅橡 胶，大大降低了制作硅橡胶模具的制作成本，对于制作快速模具的用户来说也 具有很高的参考价值。 快速成型技术及基于快速成型的快速模具制造技术是一项兴起不久的高新 制造技术，一方面它而迅速在愈来愈多的领域、行业中推广应用，另一方面又 在进一步的完善、发展。本文在最后一章里提出了快速成型技术的发展方向， 以及在本文的基础上还要进一步深化的研究工作。 5 山东大学硕士学位论文 第二章快速原型技术 2 1 引言 快速成形技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法一部分去除大于工件的毛 坯上的材料来得到工件。而采用全新的“增长”加工法一用一层层的小毛坯逐 步叠加成大工件，将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合。因此，它 不必采用传统的加工机床和工模具，只需传统加工方法的1 0 3 0 的工时和 2 0 3 5 的成本，就能直接制造出产品或模具( 图2 一1 ) 1 7 。由于快速成型 技术具有上述突出的优势，所以近年来发展迅速，已成为现代先进制造技术中 的一项支柱技术，实现并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ，c e ) 必不可少的手 段。 ( a ) 传统加工( b ) 快速成形 图2 1 传统加工与快速成形比较 6 山东大学硕士学位论文 2 2 快速原型技术的基本原理 快速原型制造技术是一种借助计算机辅助设计或用实体反求方法采集到 有关信息或零件的几何形状、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 系统，通过逐点逐面进行材料的三维堆砌成形，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，快速准确地制造原型或实际零件或部件 的现代化方法f 8 】【”，其技术原理见图2 2 t ”l 。 目前，快速原型制造技术的原理都是采用分层叠加法，即用c a d 造型、 生成s t l 文件及分层切片等步骤进行分层处理，借助计算机控制的成型机完 成材料的形体制造。通俗地说，快速成型技术就是利用三维c a d 的数据，通 过快速成型机将一层一层的材料堆积成实体原型。 图2 2 快速原型制造技术的原理 ( 1 ) 计算机辅助设计( 三维c a d ) 构建模型或三维扫描系统实体扫描 设计一个零件，首先在计算机上使用三维c a d 系统建立一个三维的实体 模型。模型建立以后，计算机直接生成s t l 格式文件输出到快速原型设备进 行模型制造。在理论上，r p & m 技术可以加工任意复杂的工件，尤其擅长加工 传统方法无法加工的复杂结构的工件。但实际上对于十分复杂的物体，目前c a d 软件很难达到要求，往往需要借助于逆向工程手段建立物体的数字化模型i 。 通过三维扫描系统对实体模型或零件进行扫描是逆向工程的坐标数据采集。它 7 山东大学硕士学位论文 是采用激光等方式对已经存在的物体进行扫描，然后将扫描的结果转换成三维 图像，并在三维c a d 软件上进行任意修改和调整，然后通过快速原型设备加 工出模型。 ( 2 ) 三维c a d 模型转换为s t l 文件格式 因为没有针对三维c a d 系统的设备驱动程序，快速原型系统不能直接采 用三维c a d 模型构造零件，需要转换成一种特殊的格式。目前，广泛采用的 文件格式是美国3 d 系统公司首先推出的s t l 格式。大多数三维c a d 系统都 可以生成s t l 格式，快速原型设备利用切片软件将s t l 文件作为输入数据， 用来制造三维实体的每一组片层。目前s t l 格式已逐渐发展成为国际上的一 种标准数据格式 1 2 - 1 8 j 。 ( 3 ) 快速原型制造 快速原型设备根据计算机输出的三维c a d 模型转换的s t l 数据，沿模型 高度的水平面逐层“切割”成一定厚度的片层，用感光聚脂、纸、塑料、塑料 粉末等其中一种材料，通过激光感光、激光切割、激光固化等方法，在制造的 模型上逐层堆积，形成零件模型。一般“切割”的每层片层厚度约为6 0 8 0 s ， 一个零件的模型加工可在几小时或几天时间内完成，大大节省了时间，效率成 倍提高 1 9 - 2 0 l 。 7 2 3 快速原型技术的主要应用 目前，快速原型制造技术在模具、家用电器、汽车、航空航天、军事装 备、材料工程、玩具、轻工产品、工业造型、建筑模型、医疗器具、人体器官 模型、生物材料组织、考古、电影制作等领域都得到了广泛的应用【2 1 i 。按快速 原型制造技术的产品功能，其应用可以分为原型、模具、模型、零部件等。快 速原型制造技术的应用目的主要有生产研制、市场调研和产品使用等。在生产 研制方面，主要通过快速原型制造系统制作原型，用来验证概念设计、确认设 计、性能测试、制造模具的母模和靠模等；在市场调研方面，可以把制造的原 型展示给最终用户和各个部门，广泛征求意见，尽量在新产品投产之前，完善 设计，生产出适销对路的产品；在产品使用方面，可以直接利用制造的原型、 零件或部件作为最终产品。其主要应用如下【2 2 】： ( 1 ) 原型制造 、 8 山东大学硕士学位论文 是采用激光等方式对已经存在的物体进行扫描，然后将扫描的结果转换成三维 图像，并在三维c a d 软件上进行任意修改和调整，然后通过快速原型设备加 工出模型。 ( 2 ) 三维c a d 模型转换为s t l 文件格式 因为没有针对三维c a d 系统的设备驱动程序，快速原型系统不能直接采 用三维c a d 模型构造零件，需要转换成一种特殊的格式。目前，广泛采用的 文件格式是美国3 d 系统公司首先推出的s t l 格式。大多数三维c a d 系统都 可以生成s t l 格式，快速原型设备利用切片软件将s t l 文件作为输入数据， 用来制造三维实体的每一组片层。目前s t l 格式已逐渐发展成为国际上的一 种标准数据格式 1 2 - 1 8 j 。 ( 3 ) 快速原型制造 快速原型设备根据计算机输出的三维c a d 模型转换的s t l 数据，沿模型 高度的水平面逐层“切割”成一定厚度的片层，用感光聚脂、纸、塑料、塑料 粉末等其中一种材料，通过激光感光、激光切割、激光固化等方法，在制造的 模型上逐层堆积，形成零件模型。一般“切割”的每层片层厚度约为6 0 8 0 s ， 一个零件的模型加工可在几小时或几天时间内完成，大大节省了时间，效率成 倍提高 1 9 - 2 0 l 。 7 2 3 快速原型技术的主要应用 目前，快速原型制造技术在模具、家用电器、汽车、航空航天、军事装 备、材料工程、玩具、轻工产品、工业造型、建筑模型、医疗器具、人体器官 模型、生物材料组织、考古、电影制作等领域都得到了广泛的应用【2 1 i 。按快速 原型制造技术的产品功能，其应用可以分为原型、模具、模型、零部件等。快 速原型制造技术的应用目的主要有生产研制、市场调研和产品使用等。在生产 研制方面，主要通过快速原型制造系统制作原型，用来验证概念设计、确认设 计、性能测试、制造模具的母模和靠模等；在市场调研方面，可以把制造的原 型展示给最终用户和各个部门，广泛征求意见，尽量在新产品投产之前，完善 设计，生产出适销对路的产品；在产品使用方面，可以直接利用制造的原型、 零件或部件作为最终产品。其主要应用如下【2 2 】： ( 1 ) 原型制造 、 8 山东大学硕士学位论文 原型在新产品开发过程中的价值是无可估量的。通过原型，设计者可以 很快地评估一次设计的可行性并充分表达其构想。快速成形可以很方便地生产 原型，使设计评估及更改在很短的时间内完成。而传统原型制作方法是制作陶 模、木模或塑料模，由于时间和成本的限制，完成这一过程是很困难的。与之 相比，快速原型制造技术可以把原型制作时间缩短到几个小时或几十个小时， 大大提高了速度，降低了成本，是实现并行工程强有力的工具。 ( 2 ) 模型、零件的观感评价 直接生成的概念实体模型或零件对新产品开发具有重要的意义。设计者 可以进行模型的合理分析和模型的观感分析，根据原型或零件评价设计正确与 否并可加以改正。 新产品的开发总是从外形设计开始的，外观是否美观和实用往往决定了 该产品是否能够被市场接受。传统的加工方法中，二维工程视图在设计加工和 检测方面起着重要作用。其做法是根据设计师的思想，先制作出效果图及手工 模型，经决策层评审后再进行后续设计。但由于二维工程视图或三维观感图不 够直观，表达效果受到很大限制，而手工制作模型耗时又长，精度较差，修改 也困难。 快速原型制造技术能够迅速地将设计师的设计思想变成三维实体模型， 既可节省大量的时间，又能精确地体现设计师的设计理念，为产品评审决策工 作提供直接、准确的模型，减少了决策工作中的不正确因素。 利用快速原型制造技术制作出的样件能够使用户非常直观地了解尚未投 入批量生产的产品外观及其性能并能及时作出评价，使厂方能够根据用户的需 求及时改进产品，为产品的销售创造有利条件并避免由于盲目生产可能造成的 损失。同时，投标方在工程投标中采用样品，可以直观、全面地提供评价依据， 使设计更加完善，为中标创造有利条件。 在产品开发与设计过程中，由于设计手段和其他方面的限制，每一项设 计都可能存在着一些人为的设计缺陷。如果未能及早发现，就会影响后续工作， 造成不必要的损失，甚至会导致整个设计的失败。使用快速原型制造技术可以 将这种人为的影响减少到最低限度。快速原型制造技术由于成型时间短、精度 高，可以在设计的同时制造高精度的模型，使设计者能够在设计阶段对产品的 9 山东大学硕士学位论文 整体或局部进行装配和综合评价，从而发现设计上的缺陷与不合理因素，改进 设计。 因此，快速原型制造技术的应用可把产品的设计缺陷消失在设计阶段， 最终提高产品整体的设计质量。 ( 3 ) 装配校核 进行装配校核、干涉检查等对新产品开发，尤其是在有限空间内的复杂、 昂贵系统( 如卫星、导弹) 的可制造性和可装配性检验尤为重要。 如果一个产品的零件多而且复杂就需要做总体装配校核。在投产之前， 先用快速原型制造技术制作出全部零件原型，进行试安装，验证设计的合理性 和安装工艺与装配要求，若发现有缺陷，便可以迅速、方便地进行纠正，使所 有问题在投产之前得到解决。 ( 4 ) 性能和功能测试 快速原型除了可以进行设计验证和装配校核外，还可以直接用于性能和 功能参数试验与相应的研究，如流动分析、应力分析、流体和空气动力学分析 等。 采用快速原型制造技术可严格地按照设计将模型迅速地制造出来进行实 验测试，对各种复杂的空间曲面更体现快速原型制造技术的优点。如风扇、风 鼓等设计的功能检测和性能参数确定，可获得最佳扇叶曲面、最低噪音的结构。 如果用传统的方法制造原型，这种测试与比较几乎是不可能的。 ( 5 ) 制造快速模具 基于r p & m 的快速模具制造方法( r a p i dt o o l i n g ，r t ) 一般有直接法和间 接法两种。直接法是直接采用r p & m 技术制作模具，在r p & m 技术诸方法中 能够直接制作金属模具的是选择性激光烧结法【3 3 i 。目前，基于r p & m 的快速 模具的制造方法多为间接法。根据材质和生产成本的不同，间接制模法生产出 来的模具可分为软质模具( s o f tt o o l i n g ) 和钢质模具( h a r dt o o l i n g ) 两大类 吲0 】【2 ”，其中软质模具主要用于小批量零件或者用于产品的试生产【”。此类模 具，一般先用r p & m 技术制作零件原型，然后根据原型翻制成硅橡胶模、金 属树脂模和石膏模等，最后再利用上述的软质模具制作产品。钢质模具主要有 金属浇注式模具、铸造锌合金模具等。用这种模具生产出来的产品硬度较好， 1 0 山东大学硕士学位论文 模具散热效果好，成本适中，适合制造较大的零件。 2 4 快速原型技术的分类 快速原型技术自8 0 年代后期出现至今，以其技术的高集成性、高柔性、 高速性而得到了迅速发展，目i j i 已发展了十几种不同的r p & m 方法 2 5 - 3 7 i 。 ( 1 ) 立体光刻成形( s l a - - s t e r e o i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ) 在s l a 过程中，有一个氦镉激光器，发射高能紫外线光束( u v ) ，用u v 激光束在光凝固环氧树脂表面扫描物体片层形状，每次生成厚度约为5 0 3 0 0 l am ，从底部逐层生成物体。当激光的能量超过一定值后，液态环氧树脂便聚 合凝固。当一层固化完毕，工作台向下移动，在刚刚固化的树脂表面布放一层 新的液态树脂，循环进行扫描、固化，直至最后一层( 顶层) 形成。把平台从液 态环氧树脂中升起，进行必要的清洗和完善工作，原型便完成了加工。新推出 的光照成形机( 如3 ds y s t e m s 公司出产的s l a 3 0 0 成形机) 采用了z e p h y r 再 涂层技术，最上面待成形树脂用真空吸附式挂板结构涂布供给，不再需要沉入 液态树脂中，提高了原型制作速度。 ( 2 ) 选区激光烧结成形( s l s - - s e l e c t e dl a s e rs i n t e r i n g ) 选区激光烧结成形是用红外线激光熔化粉末状材料来形成三维物体。粉 末材料可以是塑料、蜡、陶瓷、金属或它们复合物的粉体、覆膜砂等。在加工 区域内用一滚筒均匀地铺上一层热塑性粉状材料，用激光在粉末表面绘出所加 工物体的截面形状，激光热量使粉末状材料熔化并在接触点处与旧层粘结，逐 层进行，直至物体形成。用此法可以直接制作精铸蜡模、实型铸造用消失模、 用陶瓷制作铸造型壳和型芯、用覆膜砂制作铸型以及铸造用母模等。 ( 3 ) 叠层实体成形( l o m - - l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ) l o m 是分层加工法，将预先制作好的有一定厚度的材料层整块整块地通 过热粘结一层一层地粘结在一起成为一个方块。在各层被覆盖前用计算机控制 的c o ：激光束切割出实体的轮廓。为了便于清除余料，实体轮廓外的部分也用 激光束切割离散成小块。所有叠层形成后，原型就埋在材料方块中，除去离散 的余料后，即可得到要成形的原型。该法成形的原型无内应力、无变形，因而 精度高。成形时激光不必照射整个断面，所以成形速度快。用这种方法成形的 原型精度可达0 1 m m ，且原型制作不需支撑，成本低。 山东大学硕士学位论文 模具散热效果好，成本适中，适合制造较大的零件。 2 4 快速原型技术的分类 快速原型技术自8 0 年代后期出现至今，以其技术的高集成性、高柔性、 高速性而得到了迅速发展，目i j i 已发展了十几种不同的r p & m 方法 2 5 - 3 7 i 。 ( 1 ) 立体光刻成形( s l a - - s t e r e o i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ) 在s l a 过程中，有一个氦镉激光器，发射高能紫外线光束( u v ) ，用u v 激光束在光凝固环氧树脂表面扫描物体片层形状，每次生成厚度约为5 0