三通管的快速原型和快速模具制作研究毕业论文.doc

陕西理工学院毕业设计论文三通管的快速原型和快速模具制作研究毕业论文1 绪论11.1快速原型技术的产生及其在制造业中的地位和作用11.2课题来源与任务分析、研究意义及技术路线21.2.1课题来源与任务分析21.2.2本课题的研究意义21.2.3本课题技术路线22 快速成型技术42.1快速成型技术的基本原理42.2快速成型技术的成型过程62.3成型快速技术的成型工艺方法及特点82.3.1光固化立体造型（SLA）92.3.2分层物件制造（LOM）102.3.3 选择性激光烧结（SLS）112.3.4 熔融沉积造型（FDM）112.3.5其他的成型方法122.4快速成型技术的特点及应用132.5快速成型技术的现状及发展前景163 基于RP的快速模具制造技术213.1 快速模具技术的概述及在工业中的地位213.2 快速模技术的分类及工艺流程233.3 快速模具技术现状与发展264 三通管的快速原型与快速模具设计304.1 Pro/E软件的CAD/CAM特点及应用简介304.1.1 Pro/E的主要特性304.1.2 Pro/E主要功能314.2三通管的快速原型件设计354.2.1 三通管的方案设计354.2.2 三通管的三维实体建模过程354.3三通管的模具设计414.31三通管的模具方案设计414.3.2 Pro/E模具的设计一般流程424.33基于Pro/E软件三通管的模具设计过程434.4 基于Pro/E三通管的NC加工534.41 Pro/NC的加工流程534.42Pro/NC加工过程555 三通管的快速成型制作及精度分析625.1 STL文件简介625.1.1 STL格式转换精度625.1.2 STL文件的基本原则635.1.3 Pro/E软件STL文件的输出645.2 FDM快速成型机的原理简介及快速原型制作655.2.1 FDM系统原理简介655.2.2 Dimension BST型FDM系统简介665.2.3 FDM快速成型机技术优势和缺点675.2.4快速原型制作过程685.3 影响快速原型件成型精度因素分析705.3.1 格式转换误差705.3.2 分层切片误差725.3.3 工艺成形过程影响因素分析725.3.4 机器误差755.3.5后处理误差756 总结与展望776.1本课题研究总结776.2研究展望78致谢80参考文献81外文翻译附录 II 陕西理工学院毕业设计论文1绪论1.1快速原型技术的产生及其在制造业中的地位和作用 随着全球市场的激烈竞争，加快产品开发速度已成为竞争的重要手段之一。制造业要满足日益变化的用户需求，其制造技术必须有较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产迎合市场。因此，产品开发的速度和制造技术的柔性就变得十分关键。因而，在这种背景下便产生了快速原型技术(RP-Rapid Prototyping)。近年来，随着RP技术的迅速发展，由于传统模具制作过程复杂、耗时长、费用高，往往成为设计和制造的瓶颈，因此应用RP技术制造快速经济模具成为RP技术发展的主要推动力之一，从而出现了一个新领域快速模具制造(Rapid Tooling,简称RT)。从而实现了从RP到RT是快速成型技术发展的第二次飞跃。RT是采用RP技术直接或间接制造模具，只需传统加工方法的10%30%工时和20%35%的成本，既大大提高了新产品的研制速度，又节省了新产品试制和模具制造的费用。虽然当今的时代是信息、电子、网络的时代，但它们的发展都离不开先进制造技术ATM（Advanced Manufacturing Technology)，所以先进制造技术是一个国家经济发展的基础和支柱，是国家综合国力的直接体现。RPM技术涉及CAD技术、数据处理技术、数控技术、测试传感技术、激光技术等多种机械、电子技术及材料技术和计算机软件技术，是多学科的技术集成和交叉应用。因此，RP技术是先进制造技术群的一个重要组成部分，同时也是未来产品创新的两大支柱技术之一，它对缩短产品开发周期，降低产品开发费用具有极其重要的意义。它的发展，直接影响着先进制造技术的发展，也关系到一个国家的发展战略地位。现在，快速成型技术己经与其他技术相互结合形成一个完整又庞大的技术体系。该体系具有技术系统化、需求多样化、技术多样化和复杂化以及技术更新速度不断加快等特点。当今RP技术发展的总趋势是完善现有技术和制件成型精度，探索新的成型工艺，开发新材料，寻找直接或间接制造高机械性能金属件的方法以及与其他技术的结合。预计该项技术在汽车、机械、电器、电子产品等行业和国防工业产品设计、开发和生产中得到更为广泛的应用，今后该技术必将成为各国相互研究的热点。目前，世界上主要先进工业国家的政府部门、企业、高等院校、研究机构纷纷投入巨资对RP技术进行研究开发和推广应用。他们无不站在21世纪世界制造业全球竞争的战略高度来对待这一技术。总之，当前世界上已形成强劲的RP热，发展十分迅猛。1.2课题来源与任务分析、研究意义及技术路线。1.2.1课题来源与任务分析本课题是在研究当前国内外快速原型技术的发展状况和趋势，结合现有的实际情况提出来的，具有现实意义和实用价值。 本课题的主要任务是： （1）选择简单的三通管作为研究对象，使用Pro/E软件做出三通管的三维模型。 （2）做出三维模型后，使用Pro/E软件模具设计模块做出快速模具。 （3）用Pro/E软件NC加工模块对部分模具元件进行仿真加工，并生成NC代码。 （4）根据学校现有设备条件（快速成型机）做出其快速原型件和快速模具元件，并对该快速原型件的制作精度做分析研究，找出影响精度的因素，并提出相应的解决办法。 （5）通过对简单的三通管件从实现从设计、建模以及试样的制作及研究分析的整个过程。从中对快速原型技术和快速模具技术认识、研究。 1.2.2本课题的研究意义快速原型技术是一个全新的制造技术，它改变了人们的制造观念，是为了适应日趋激烈的市场竞争而产生的。就其目前我国的发展状况来看，还有许多不尽人意的地方，国内的一些大型企业在花巨资引进快速原型设备后，普遍存在设备利用率不足甚至不用的现象，其主要原因是缺乏全面掌握这项技术的人员，快速原型技术与基于其的快速模具制造技术的发展前景广阔，对未来制造业发展有着强大的冲击力。因此，为了能够进一步对快速原型技术及快速模具技术的认识和了解。使更多的同学了解RP技术，为学习、传播和推广这项新技术奠定必要的理论基础，为今后推向社会服务做准备。与此同时，更重要的使自己对其原理、方法等的进一步深入研究，真实地涉及本领域，培养自己的学习研究和动手实践能力。另外，由于本课题研究的侧重点在于快速原型和快速模具的制作研究，对于三通管件不做太多地要求，本次毕业设计就拟以一简单的等径直三通管（三通接头）为研究对象，利用三维PRO/E软件实现从设计、建模和以学校现有的设备条件对其的快速原型与快速模具制制作、研究分析的整个过程。从中对自己大学所学的知识进行综合的应用和扩展，在整个过程中培养自己的学习和研究能力，与此同时为今后走上工作岗位也提供良好的基础。1.2.3本课题技术路线本课题研究的主要内容为：1.基于PRO/E的快速原型与快速模具的三维构建及NC加工。2.快速原型技术与快速模具制造技术的研究。3.快速原型件的制作及精度的分析研究。根据研究的内容制定的具体的技术路线如下：1.查阅本课题相关的资料,了解本课题相关知识，确定初步的设计方案。2.通过三维软件PRO/E对三通管件的原型件进行方案设计,并建立三维模型。3.利用PRO/E相应的模具模块设计出其快速模具。4利用PRO/E的NC加工模块对部分模具元件进行仿真加工，并生成NC代码。5.了解学校实验室快速成型机的构造、原理等。并绘制快速原型机工作原理图1套,与此同时要能够对其进行实验操作。6.进行已经设计好的三通管件原型件的试制。7.对该快速原型件的制作精度做分析研究, 找出影响精度的因素，并提出相应的解决办法。8.完善实验条件并对原型件进行重新试制，得到最后的试样。9编写毕业论文和技术文件（三维软件到快速原型制作的流程图1套，快速原型机工作原理图1套，零件图若干等）。第 2 页 共 81 页陕西理工学院毕业设计论文 2.快速成型技术2.1快速成型技术的基本原理快速成型(Rapid Prototyping)技术（以下简称RP）是20世纪80年代中后期发展起来的、观念全新的现代制造技术，该技术是一种基于离散堆积成形思想的新型成形技术，是集成计算机、数控、激光和新材料等最新技术而发展起来的先进的产品研究与开发技术，是先进制造技术的重要组成部分。RP技术的基本原理是将计算机内的一维实体模型进行分层切片得到各层截面的轮廓。计算机据此信息控制激光器(或喷嘴)有选择地切割一层又一层的片状材料(或固化一层一层的液态光敏树脂，或烧结一层一层的粉末材料，或喷射一层一层的热熔材料或粘合剂等方法)形成一系列具有微小厚度的片状实体，再采用粘接、聚合、熔接、焊接或化学反应的手段使其逐层堆积成一体制造出所设计的三维模型或样件。 快速原形技术与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。现在，该技术现在已经有了一套比较完整的技术体系。该体系包含CAD造型、反求工程、数据转换、原型制造以及物性转换等基本环节。1）CAD造型：利用各种CAD软件进行几何造型，得到零件的二维CAD数字模型，这是快速成型技术制造过程的第一步。日前比较著名的CAD造型软件系统有Pro/Engineer、UG、IDEAS、AutoCAD。2)反求工程：物理形态的零件是快速成型技术体系中零件几何信急的另一个重要来源。这里包括自然形成的各种几何形体以及采用传统工艺加工成的几何实体。几何实体包括了零件的几何信息，但这些信息必须通过反求工程来进行数字化。反求工程的整个过程主要由两部分组成，首先是零件表面数字化，提取零件的表面二维数据，其次进行二维重构，得到二维CAD模型或磨片模型。 3)数据转换：二维CAD造型或反求工程得到的数据必须进行处理，才能用于控制RP成型设备制造的零件。数据处理的过程主要包括：表面离散化、分层处理等，根据工艺要求进行填充处理，对数据进行检验和修正转换成数控代码。4)原型制造：利用快速成型设备将原材料堆积为三维物理实体。CAD造型材料及其设备其他制造技术其他信息来源数据接口信息处理数控代码快速成型设备及工艺物理原型实际零件或模具快速模具反求工程图2.1 典型的快速原形制造技术体系5)物性转换：通过快速成型系统制造的零件的力学性能、物理性质往往不能直接满足实际生产需要，仍然需要进一步处理，即物性转换。该环节是RP技术实际应用的一个重要环节。如果硅橡胶铸造、陶瓷型精密铸造、金属喷涂制模等多项配套制造技术与RP技术相结合，即形成快速铸造、快速模具制造等新技术，这一环节是RP技术走向工业应用的重要桥梁1。如图2.1所示为典型的快速原形制造技术体系。快速成型技术与传统方法相比具有独特的优越性和特点: （ （1）产品制造过程几乎与零件的复杂性无关，可实现自由制造，这是传统方法无法比拟的。 （2）产品的单价几乎与批量无关，特别适合于新产品的开发和单件小批量零件的生产。 （3）由于采用非接触加工的方式，没有工具更换和磨损之类的问题，可做到无人值守，不需要机械加工方面的专门知识就可操作。 （4）无切割、噪音和振动等，有利于环保。 （5）整个生产过程数字化，与CAD模型具有直接的关联，零件可大可小，所见即所得，可随时修改，随时制造。 （6）与传统方法结合，可实现快速铸造，快速模具制造，小批量零件生产等功能，为传统制造方法注入新的活力。快速自动成型技术问世不到十年，已实现了相当大的市场，发展非常迅速。人们对材料逐层添加法这种新的制造方法已逐步适应。制造行业的工作人员都想方设法利用这种现代化手段，与传统制造技术的接轨工作也进展顺利。人们用其长避共短，效益非凡。与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段一起，快速自动成型已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了广泛应用。2.2快速成型技术的成型过程快速成型的过程是首先生成一个产品的三维CAD实体模型或曲面模型文件，将其转换成STL文件格式，再用软件从STL文件 切(Slice)出设定厚度的一系列的片层，或者直接从CAD文件切出一系列的片层，这些片层按次序累积起来仍是所设计零件的形状。然后，将上述每一片层的资料传到快速自动成型机中去，类似于计算机向打印机传递打印信息，用材料添加法依次将每一层做出来并同时连结各层，直到完成整个零件。因此，快速自动成型可定义为一种将计算机中储存的任意三维型几何体的信息通过材料逐层添加法直接制造出来，而不需要特殊的模具、工具或人工干涉的新型制造技术。快速成形技术彻底摆脱了传统的“去除”材料的加工方法(即:对毛坯进行加工，去除多余的材料而获得工件)，采用全新的“增长”加工法(即：用一层一层小毛坯逐步叠加成工件)，将复杂的三维加工分解成为简单二维加工。因此，它不必采用传统的加工机床和模具，只需传统加工方法30%50%的工时和20%35%的成本，就能直接制造出产品的样品或模具。具体的过程如下：1、三维模型的建立由于实现快速成型的系统只能接受计算机构造的产品三维模型(立体图)，然后才能进行切片处理。因此，三维建模是快速成型系统的第一步也是关键的一步。所谓三维建模就是以计算机能够理解的方式，对实体进行确切的定义，赋予一定的数学描述，再以一定的数据结构形式对所定义的几何实体加以描述，从而在计算机内部构造一个实体的模型。现阶段它主要包括线框建模、表面建模、实体建模和特征建模。建模也就是在计算机上实现设计思想的数字化，即将产品的形状、特性等数据输入到计算机中。目前快速成型机的数据输入主要有两种途径:一是设计人员利用计算机辅助设计软件Pro/ Engineering、Solid Works IDEAS、MDT、Auto CAD等)，根据产品的要求设计三维模型，或将己有产品的二维三视图转换为三维模型；另一种是对己有的实物进行数字化，这些实物可以是手工模型、工艺品或人体器官等。这些实物的形体信息可以通过三维数字化仪、CT和MRI等手段采集处理，然后通过相应的软件将获得的形体信息等数据转化为快速成型机所能接受的输入数据。2、三维模型的近似处理快速成形是按一层一层的截面轮廓来进行加工，因此，加工前须从成形高度方向，每隔一定的间隔进行切片处理，以便提取截面轮廓。由于产品上往往有一些不规则的自由曲面，因此加工前必须对其进行近似处理。在目前的快速成型系统中，最常见的近似处理方法是模型转换成STL格式的文件。STL格式是目前快速成型系统中最常见的一种文件格式，它用于将三维模型近似成小三角形平面的组合。计算机将记录模型的每一个小三角形法向量的X, Y、Z的分量，以及三角形每个顶点的X, Y、Z的坐标，用户大多并不需要关心这些而只要了解到STL文件的三角形的面数、线数和点数，从而判断模型的精度。在转换的过程中，要根据所制作的产品或模具的不同，选择不同的精度，精度太低无法达到设计要求，精度太高则有些不成熟的成型系统接受不了。对于精度设置，主要有角度公差、宽高比、表面公差和顶点间距这4项，而其中顶点间距值设置的大小直接而明显地改变了模型的精度，用户应根据自己的设计要求，不断摸索经验，选择适合自己的顶点间距值。典型的计算机辅助设计都有转换和输出STL格式文件的接口，但是，有时输出的三角形会有少量错误，需要进行局部的修改。3、三维模型的切片处理由于快速成型是按一层一层截面轮廓来进行加工，因此，加工前必须从三维模型上沿成型的高度方向，每隔一定的间隔进行切片处理，以便提取截面的轮廓。间隔的大小根据被成型件精度和生产率的要求选定，间隔愈小，精度愈高，成型时间愈长；间隔的范围为。0.05-0.5mm，常取O.lmm，在此取值下，能够得到相当光滑的成型曲面。切片间隔选定之后，成型时每层材料的叠加厚度应与其相适应。各种快速成型系统都带有切片处理软件，能自动提取模型的截面轮廓。4、截面轮廓的制造根据切片处理得到的截面轮廓，在计算机的控制下，快速成形系统中的成型头(激光头或喷头)在XY平面内自动按截面轮廓运动，切割纸(或固化液态树脂、烧结粉末材料一、喷射粘结剂或热熔材料)，得到一层一层截面轮廓。每层截面轮廓成形之后，快速成形系统将下一层材料送至已成形的轮廓面上，然后进行新一轮截面轮廓的成形，从而将一层层的截面轮廓逐步叠加在一起，最终形成三维产品。5、后处理后期处理是一种新工艺，在进行后期处理之前，先用Magic等类似软件将工件的图构造三维模型激光固化树脂模型近似处理表面处理切片处理粉末烧结喷粘结剂喷热熔材料三维样品或模具切割纸喷射源前处理快速成型系统工作后处理图2.2 快速成型过程纸在计算机上打印出来，以了解整个工件的形状、尺寸，做到心中有数。然后根据工件的大小、复杂性，决定是先取外围废料还是先取内腔废料，对于小工件一般先取内腔较好。在处理的过程中一般遵循打磨涂料再打磨再涂料，不断重复直至表面光洁度和尺寸精度符合设计要求的原则。要注意打磨的时间、粗细和所选择的涂料的性能2。.成型快速技术的成型工艺方法及特点 快速成型技术是20世纪80年代中期发展起来的一项高新技术，从1988年世界第一台快速成型机的问世以来，各种不同的快速成型工艺相继出现并逐步成型，相对应的设备也继而商品化。目前，比较成熟的快速成型工艺方法已经有十几种，其中光固化立体造型(SLAStereo Lithography Apparatus)、分层物体制造(LOM Laminated Object Manufacturing)、选择性激光烧结(SLSSelected Laser Sintering)、熔融沉积制造(FDMFused Deposition Modeling)等四种已经得到了世界范围内的广泛应用。下面将分别介绍它们的成型原理与特点。2.3.1光固化立体造型 ( SLAStereolithography Apparatus)该技术以光敏树脂为原料 ,计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹逐点扫描 ,使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应 ,从而形成零件的一个薄层截面。当一层固化完毕,移动工作台,在原先固化的树脂表面再敷上一层新的液态树脂以便进行下一层扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上,如此重复至整个零件原型制造完毕。般薄截面的厚度为 0.07mm0.4mm。模型从液态树脂中取出来后,进行最终硬化处理,再打光、电镀、喷漆或着色处理。其工作原理如图2.31所示。图2.31 SLA的成型原理图首先升降台向下浸入到装有液态光敏聚合物的容器中，每次的下降高度应能满足使升降板上获得所需厚度的一层液态光敏聚合材料，接着紫外激光源根据计算机给出的模型数据在该层材料上描绘零件图形，将该表面液态聚合物选择性地固化并粘在升降台上。一层固化后，升降台再下降，使固化层的表面又覆盖一层0.15mm0.25mm厚的液态光敏聚合材料，然后再用紫外激光来扫描，使之成为新的固化层，此过程周而复始，直到加工出所需的零件原型为止，然后升降架移出液面，将已成形的零件原型通过紫外光加热最后固化。SLA法是第一个投入商业应用的 RP技术 ,其方法特点是精度高、表面质量好、原材料利用率接近100%,能制造形状特别复杂(如空心零件)、特别精细(如首饰等 )的零件,还可直接制造塑料件。但不足之处有:1)SLA设备、紫外激光管等费用昂贵,国内企业或一般用户难以接受；2)造型材料(液态树脂)所加工的制件成本高；3)分层固化过程中,处于液态树脂中的固化层因漂浮易发生错位,必须设计支撑结构与原型制件一道固化,至此前期软件的工作量大；4)由于激光固化液态树脂的过程中,材料发生相变,因此不可避免地使聚合物产生收缩而产生内应力,从而引起制件翘曲和其他变形。2.3.2分层物件制造 ( LOM-laminated Object Manufacturing)分层物体制造是 80年代末才开始研究的一种技术 ,1991年其商品化设备才开始问世，工艺先将单面涂有热熔胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起。位于上方的激光器按照 CAD分层模型所获数据,用激光束将纸切割成所制零件的轮廓。然后，新的一层纸再叠加在上面并通过热压装置和下面已切割层粘合在一起,激光束再次切割,这样反复逐层切割、粘合、切割,直至整个零件模型制作完成。这种方法最适合于成形中、大型件 ,翘曲变形小,尺寸精度较高,成形时间较短,激光器使用寿命长,制件有良好的机械性能，其工作原理如图2.32所示。LOM(Laminated Object Manufacturing)是通过逐层激光剪切薄纸材料制造零件原型的一种技术。步进电机带动进给机构辊沿逆时针方向转动，原材料(卷纸)自右向左移动到预定的距离，工作台升高至切割位置，热压辊自左向右滚动，将涂胶纸热粘在基底上，计算机根据样品模型的截面轮廓线信息驱动激光切割头，在材料上切出轮廓线并在中间余料上切出方形小网格，工作台连同被切出的轮廓层一同下降到预定高度，步进电机再次驱动主动芯辊沿逆时针方向转动，重复下一个工作循环，直至构成零件原型。图2.32 LOM的工作原理该成形机的基本结构： 1）送纸、卷纸机构； 2）热压、测高机构加热、测高传感器 3）激光系统CO2激光器、功率为50W； 4）X-Y扫描系统-丝杠、导轨，带插补的伺服闭环系统；5）可升降工作台步进的开环系统。该方法的主要特点概括为:1)成型速率在RP技术中最高。由于该工艺不需要扫描整个模型截面,只要切割出内外轮廓,因而制模的时间主要取决于零件的尺寸和制件的复杂程度；2)设备价格低廉；3)造型材料成本低,制件价格远比制件便宜；4)造型材料一般选用单面涂有热熔胶的纸，成型过程中,不存在收缩和翘曲变形,制件强度和刚度高,几何尺寸稳定性好,可采用通常木材加工的方法对表面进行抛光；5)不必进行支撑设计,前期软件的工作量小；6)能制造大尺寸制件,工业应用面较广。2.3.3 选择性激光烧结 ( SLS-Selected Laser Sintering)选择性激光烧结采用CO2激光器作为能量源 ,通过红外激光束使塑料、蜡、陶瓷和金属(或其复合物)的粉木材料均匀地烧结在加工平面上。在工作台上均匀铺上一层很薄(100m-200m)的粉末,在计算机控制下按照零件分层轮廓选择性地进行烧结 ,一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结后去掉多余的粉末,再进行打磨、烘干等处理便获得零件。这种方法适合于成形小件,能直接得到塑料、陶瓷或金属产品,制件的翘曲变形比SLA法小,但仍需对整个截面进行面扫描烧结,因此成形时间较长。在烧结陶瓷、金属与粘结剂的混合并得到制件后 ,须将制件置于加热炉中,烧掉其中的粘结剂,并在孔隙中渗入填充物 (如铜 ) .因此,后处理比较麻烦,往往需要进行尺寸补偿才能保证制件精度。该成形机的基本结构：1）激光器 CO2激光器或YAG激光器、波长一般为1.06m、近红外波段，功率为50200W；2）光学系统 用于激光束的调焦和定向；3）函数发生器与工控机 控制激光束在X-Y平面上扫描；4）料斗与铺平机构装粉料、铺平粉料表面。图2.33 SLS的工作原理成形材料主要有蜡粉、聚苯乙烯（PS）、工程塑料（ABS）、聚碳酸酯（PC)、尼龙（PA)、金属粉末、覆膜砂、覆膜陶瓷粉，近年来更多的采用复合粉末，粉粒直径为50125m。2.3.4 熔融沉积造型 ( FDM-Fused Deposition Modeling)熔融沉积制造技术由美国Stratasys公司开发。主要将CAD模型分为一层一层极薄的截面 ,生成控制FDM喷嘴移动轨迹的二维几何信息。加热喷头在计算机控制下,可根据截面轮廓的信息,作X-Y平面运动和高度Z向的运动，丝材(如塑料丝)由供丝机构送至喷头,并在喷头中加热、熔化,然后被选择性地涂覆在工作台上,快速冷却后形成截面轮廓,如此反复一层一层地涂覆,最终得到三维产品。这种方法适合成形小塑料件,制作的翘曲变形比SLA法小,但仍需对整个截面进行扫描涂覆 ,因此成形时间较长。为克服这一缺点,可采用多个热喷头同时进行涂覆,以便提高成形效率。该工艺的关键是保持半流动成型材料刚好在凝固点之上,通常控制在比凝固温度高 1左右,每层厚度范围在 0.0250.762。其原理图如图2.34所示图2.34 FDM的成型原理 FDM的加工原理是将热熔性材料(ABS、尼龙或蜡)加热呈熔融的细丝状态，并从喷嘴中将其挤压喷出堆积为具有一定轮廓形状的薄层片，接着用同样的方法堆积出第二个薄层片，并于前一个层片熔结在一起，如此类推从而获得一个零件原型。随着该技术的不断发展，现在双喷头的已经得到了广泛的应用和发展，具体的原理和单喷头的相同，只是多了一个支撑材料的喷头，这个将在后面详细的介绍3-4。 2.3.5其他的成型方法(1)粘结成形 ( TDP-Three Dimensional Printing)TDP使用粉末材料和粘结剂 ,喷头在每一层铺好的材料上有选择地喷射粘结剂 ,有粘结剂的地方材料被粘结在一起,其他地方仍为粉末,这样层层粘结就得到一个空间实体,去除粉末进行烧结就得到所要求的零件。(2)三维打印成型（3D-P）该工艺是由麻省理工学院开发的成型技术，与SLS类似，3D-P也使用粉末材料，无需支撑，但它不使用激光束，而是用喷头喷出的粘接剂粘接粉末材料，该工艺制出的原型经过烧结、渗铜等后处理，也可以制造金属模具/零件。(3)形状沉积制造成型（SDM）SDM-工艺工作原理是去除加工与分层堆积制造相结合的一种新型快速成形制造工艺，它综合了两种零件成型的优点，既可以制造金属零件，具有较高的成型精度H由切削加工保证，又基本突破了零件复杂程度限制，而9且与其他快速成形工艺过程一样，由CAD模型直接驱动、无需编程。其层层加工的原理是：喷头喷出的熔化材料沉积到成型表面上冷却凝固，点点堆积获得层面，然后利用五轴数控加工设备精确地加工新获得的层面H包括轮廓形状和层面厚度I并进行喷丸等去应力处理，使其具有较高的精度和较小的内应力。成型材料包括金属和各种塑料。2.4快速成型技术的特点及应用RP技术作为先进制造技术之一。它具有如下特点：(1)成功地解决了三维造型“看得见，摸不着”的问题，其最大的特点是能以最快的速度将设计思想转变为具有一定结构功能的产品原型或直接制造零件，使设计模型从“看得见”(显示器)到“摸得着”(实物)，从而可以对产品设计进行快速评估、测试及功能试验,以缩短产品开发的研制周期，减少开发费用，提高企业参与市场竞争的能力。(2) 成型速度快。从CAD设计到原型零件制成，一般只需几个小时至几十个小时，速度比传统的成型方法快得多，快速成型技术可在产品开发过程中提供设计验证与功能验证，检验产品可制造性、可装配性，通过各种转换技术，可将RP模型快速转换成各种模具，大幅度地缩短产品更新换代的周期。制造快速RP技术是并行工程中进行复杂原型和零件制造的有效手段，从产品CAD模型或从实体反求的方法获得数据而制成原型，一般只需要几小时至几十小时，速度比传统成型加工方法快得多。(3) 设计制造一体化。由于快速成型技术采用了离散堆积的加工工艺，使CAD和CAM 很好地结合在一起，真正实现了设计制造一体化，快速成型能为看样定货、供货询价、市场宣传等方面及时提供精确的样品，大大提高企业的营销效率。(4)高度柔性。若要生产不同形状的零件模型，只需改变CAD模型，重新调整和设置参数即可。产品的造价几乎与产品批量、产品的复杂性无关。(5)自由成型制造。自由的含义有两个:一是指可以根据零件的形状，无需专用工具的限制而自由地成形，可以大大缩短新产品的试制时间；二是指不受零件形状复杂程度限制。RP技术可以根据原型或零件的形状，无需使用工具、模具，自由地成型，大大缩短了新产品开发周期，节省工具或样件模具费用；同时不受零件形状复杂程度限制，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。(6)制造费用低。其制造周期一般为传统的数控切削方法的1/5-1/10，而成本仅为其1/3-1/5，模具的几何复杂程度愈高，这种效益愈显著，而以特定紫外光源取代激光器研制成的紫外光快速成型机与其它光固化成型机相比，它在保证一定精度和零件制作速度的基础上，具有低的设备造价和低运行成本的突出特点，具有最优的性能价格比。(7)材料的广泛性。快速成型技术可以制造树脂类、塑料原型，还可以制造出纸类、石蜡类、复合材料以及金属材料和陶瓷的原型。(8)技术的高度集成。RP技术是计算机、数据、激光、材料和机械的综合集成，只有在计算机技术、数控技术、激光器件和控制技术高度发展的今天才可能诞生快速成型技术，因此快速成型技术带有鲜明的时代特点。(9)广泛的应用领域 除制造原型外，特别适合于新产品开发、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、模具及模型的设计与制造、外形设计检查、装配检验、快速反求与复制，也适合于难加工材料的制造等。然而，从产品的市场来看，快速成型技术还具有两大特点，其一是产品的价格几乎与产品的复杂性无关。主要是该技术采用分层制造原理，将任意复杂的三维几何实体，沿某一确定方向用平行的截而去依次截取厚度为s的制造单元，再将这些厚度为s的制造单元叠加起来，形成原来的三维实体，这样就将三维问题转化为二维问题，从而降低了处理的难度，同时又不受零件复杂程度的限制。而传统的加工方法则截然相反，甚至有些复杂的零件无法用传统方法加工。其二是产品的价格几乎与产品批量无关。传统的方法则不同，单件或小批量生产时，制件造价很贵，而大批量生产时，制件价格将大大下降。这主要是由于传统加工方法所需要的工装夹具、刀具和模具等的费用可由大批量来分担而使制件价格下降。而快速成型技术不需要准备工装夹具，直接用CA D软件驱动，生产周期短，很适宜制造小批量零件。基于快速成型技术的上述特点、该技术广泛应用于工业领域、医学、航空航大、电器、艺术、玩具等各个行业。快速原型技术成功地解决了CAD三维造型中“看得见，摸不着”的问题。人们在进行快速原型技术研究的同时，也在探索它的实际应用。目前快速原型技术用于以下几个方面： （1）原型制造为提高设计质量，缩短生产试制周期，RP技术成型系统可以在几个小时或数大内将设计人员的图纸或CAD模型转变成看得见、摸得着的实体模型。这样可以根据设计的原型进行设计评定和功能验证(如产品形状的验证、设计缺陷的发现和更改、对产品尺寸和相互装配关系的验证等)，迅速取得用户对设计的反馈信息，同时也有利于产品设计者对产品的理解，从而合理确定产品的生产方式、工艺过程与制造费用。（2）小批量、特殊零件的制造加工在制造业领域，经常遇到小批量及特殊零件的生产。这类零件加工周期长，成木高，对于某些形状复杂零件，甚至无法制造。采用快速成型技术可经济地实现小批量和形状复杂零件的制造。以精密铸造用蜡为原料，直接成型精密铸造蜡模，再通过传统精密铸造方法制造金属零件；以消失性聚合物为原料成型消失模，再用特殊的消失模铸造工艺铸造金属零件；以复合陶瓷为原材料，直接成型铸造型壳，再铸造金属零件，以快速成型的原型为母模，翻印其他模具，浇注出所需要的零件。（3）快速模具制造随着快速成型技术的发展，人们为了采用这种技术来制造模具，发展了许多新工艺。几乎所有快速成型技术都可以直接或间接用几模具的制造，以便大批量生产形状复杂件。这些新的模具制造技术的特点在于用快速成型技术与传统技术相结合，相互补充，使得技术先进、制件成本低廉、设计周期缩短。从模具的概念设计到出模，仅需要传统加工方法所需要时间的1/ 3和成木的1/ 4左右。模具的几何复杂程度越高，这种经济效益越明显。 （4）在医学领域的应用经CT断层扫描等获取的人体扫描的分层截面数据，输入到计算机三维重构软件中构造出三维模型，经快速原型加工就能制造出人体器官的模型，用于诊断、康复和医学教学使用。最近，快速成形技术因其不可比拟的优势而被用来进行组织工程材料的人体器官诱导成形研究组织工程材料是与生命体相容的、能够参与生命体代谢并在一定时间内逐渐降解的特种材料。用快速成形技术并采用这种材料制成的细胞载体框架结构能够创造一种微环境，以利细胞的粘附、增殖和功能发挥。它是一种极其复杂的非均质多孔结构，是一种充满生机的蛋白和细胞活动、繁衍的环境。在新的组织、器官生长完毕后，组织工程材料随代谢而降解、消失。在细胞载体框架结构支撑下生长的新器官完全是天然器官。这一技术将为人们的健康提供更强有力的保证。快速原型技术在医学领域的应用很有前景，发达国家已把它作为快速成型应用方面的主要研究之一。 （5）航天技术领域空气动力学地面模拟实验(即风洞实验)是设计性能先进的天地往返系统(即航天飞机)所必不可少的重要技术环节。该实验中所用的比较模型由国家统一制定，该模型形状复杂、精度要求高、又具有流线型特征，采用该技术，根据严格的CAD模型，由RP设备自动完成模型，是能够保证其质量的。（6）在建筑上的应用建筑设计上，RP技术可以制作建筑物模型(如大楼、桥梁等)，帮助设计师进行设计评价和最终方案的确定。在古建筑的恢复上，可以根据图片记载，用RP技术复制原建筑。（7）与美学有关的各工程领域 快速原型技术对一切有美学需要的设计，如轿车、建筑、桥梁、灯饰等是一种重要工具，它可将设计者的构思迅速表达成三维实体，便于设计修改和再创作。此外，RP技术还可应用到首饰、灯饰和三维地图的设计制作等方面。由此可见，快速成型技术的应用十分的广阔。2.5快速成型技术的现状及发展前景 1988年，第一套快速成形机诞生于美国3D系统公司。1991年，有关快速原型工艺的研究己趋于成熟，但其中大部分仍处于准商业化阶段，直到1993年美国3D系统公司研制的SL(Sterolithography)工艺成功实现商业化，快速原型技术才开始受到广泛关注。美国在该技术领域一直处于领先地位，新工艺、新材料的研究和开发都是在美国首先出现。日本和欧洲等发达工业国家也投入了大量资金进行研究和开发。世界上已形成强劲的快速原型热，发展十分迅猛。根据美国Wohlers Associates咨询公司调查报告，快速原型设备平均年销售以62%的速度增长，其发展速度超过了目前相当普及的CNC技术在相同发展时期的发展速度。目前，世界上有200多家机构开展了RPM及相关技术的研究。其研究内容涉及到新的工艺方法、新材料的开发、快速模具制造、制件精度、CAD建模软件及新应用等方面。归结如下:（1）新工艺的研究。涌现了一些新的成形方法，如多种材料组成的熔融沉积成型、层扫描光固化、直接光成型、光成型表面光顺工艺等。另外，也在研究新的成形机理，以进一步完善RPM技术，降低成本，提高成形精度和缩短成形时间。（2）新材料的开发。研制成本低、易成形、变形小、强度高、无污染的成形材料。特别是复合材料，如纳米材料、非均质材料等。降低成形材料的成本，开发新的更便宜的材料。(3) CAD建模。研究基于测量与曲面拟合的集成系统，将分离的测量与曲面拟合过程集成在一起，对测量结果实时拟合，用拟合结果指导测量，减少测量数据，提高建模精度:开发高精度的、具有自动诊断和修复功能的三维重构数据处理软件，提高了实体建模的自动化程度和通用性。(4)提高制件的成形精度。除了对新材料、新工艺两方面的研究外，还对制件的表面处理方法进行了研究，以使成形过程中制件的翘曲变形小，成形后能长期稳定不变形。我国在快速原型技术的研究与应用起步较晚，与国外还有不小的差距，我国快速原型技术方面的研究始于90年代初期。美国DREXEL大学J.Keverian教授92年在清华大学作快速原型技术的学术交流，至此标志着这一研究方向在我国开始受到重视并迅速地发展。 RP技术在我国的发展经历了3个阶段。第一阶段(1992年1994年)是起步跟踪阶段。这一阶段主要是消化、吸收国外的先进技术。第二阶段(1995年1998年)是发展创新阶段。主要体现在如下方面:(1)比较成熟地掌握了SLA(Sterolithography Apparatus)、SLS(Selective Laser Sintering)、FDM(Fused Deposition Modeling)、LOM(Laminated Object Manufacturing)等4种主要技术和设备的研发能力。2)在技术原理、成形精度控制技术、参数优化等方面的研究取得了比较明显的进步。如:清华大学提出了关于制造维数的概念，西安交通大学提出了“增材制造”的理论以及华中理工大学对于数据重构原理都有较为深入的研究。(3)成形材料的陆续国产化研究工作己开始进行。第三阶段是初级产业化阶段(1998年至今)，根据不完全统计，国内现有RPM设备约100台，其中，国产设备50台左右，可以说，正进入产业化的初级阶段。 近年来，RP 技术在我国得到快速发展，许多高校、院所进行了积极的研究，比较著名的有清华大学、西安交通大学、华中科技大学等。例如我国西安交通大学承担了国家“十五”攻关项目“基于快速成型的金属喷涂大型模具快速制造集成系统”和国家863计划项目“面向产品开发的快速模具制造集成技术及设备”。主要任务是通过技术攻关，形成以快速原型技术和金属电弧喷涂技术为核心的模具快速制造集成系统，并在企业内建立应用示范，已经取得成功。本成果在西安交通大学、中国一拖集团模具厂建立了应用试验基地。已经为比亚迪汽车公司、长安汽车公司、一拖集团等企业提供技术服务，同时通过一拖集团模具公司实现了成果转化，初步形成产业化规模。一拖集团模具厂在成功应用本成果技术实现其新型收割机覆盖件冲压模具制造基础上，正着手将本成果技术应用到其新型重型卡车驾驶室模具的开发中去，希望以金属喷涂模具取代钢模具完成中小批量生产任务。我国在快速成型机的研制方面也取得很大的成绩，例如陕西恒通智能机器有限公司自1997年开发并销售出国内首台光固化快速成型机LPS600以来，已经开发出气体、固体激光快速成型机、紫外光快速成型机等7种型号10余个规格的快速成型与模具制造设备，以及9种型号的配套光敏树脂。稳居国内快速成型领域领先地位。尽管RP技术已引起国人的极大关注，但目前仍有一些因素制约着RP技术在我国的发展。(1)RP设备的可靠性、稳定性、及功能尚不能适应需求。（2）影响RP发展的一些关键技术还不够成熟。如在CAD建模技术研究方面，三维重构软件的通用性、精确性以及自动化程度不高，还需进一步研制高精度的三维CAD建模软件，用以解决一些复杂CAD模型(如发动机缸体)的重构，减少建模时间与费用，加强RPM技术的优势。(3) RP的材料有待国产化。目前我国绝大多数工艺的材料均从国外进口，价格贵，故导致生产成本高。(4)缺乏全面掌握RPM技术的人才。因此，我们还需根据我国的实情来有针对地大力发展RP技术。快速原型技术经过几十年的发展，设备与材料两方面都有了长足的进步。目前由于该技术的成本高，加上制件的精度、强度等方面还不能满足用户的要求，暂时阻碍了该技术的发展。但是，这种直接的设计到生产的模式，必然是21世纪中制造技术的主流。从RP技术的发展现状来看，未来几年的趋势主要为：快速成型将向复合成型、降低成本、简化工艺，提高速度和精度的方向发展。1)提高RP系统的速度、控制精度和可靠性，优化设备结构，选用性能价格比高、寿命长的元器件，使系统更简洁，操作更方便，可靠性更高，速度更快。开发不同档次、不同用途的机型亦是RP系统发展的一个方面。例如：一方面开发高精度、高性能的机型，以满足对制件尺寸、形状和表面质量要求更高或有特殊要求的用户；另一方面，开发专门用于检验设计、模拟制品可视化，而对尺寸精度形状精度和表面粗糙度要求不高的概念机。2)提高数据处理速度和精度，研究开发用CAD原始数据直接切片方法，减少数据处理量以及由STL格式转换过程而产生的数据缺陷和轮廓失真。 3)研究开发成本低、易成型、变形小、强度高、耐久及无污染的成型材料。将现有的材料，特别是功能材料进行改造或预处理，使之适合于RP技术的工艺要求，从RP特点出发，结合各种应用要求，发展全新的RP材料，特别是复合材料，例如纳米材料、非均质材料、其它方法难以制作的复合材料等。降低RP材料的成本，发展新的更便宜的材料。 4)开发新的成型能源。前述的主流成型技术中，SLA、LOM和SLS均以激光作为能源而激光系(包括激光器、冷却器、电源和外光路)的价格及维护费昂贵而传输效率(输出激光能量/输入电能)较低，影响制件的成本。新成型能源方面的研究也是RP技术的一个重要方向。 5)研究开发新的成型方法。在过去的十年中，许多研究者开发出了十几种成型方法，基本上都基于立体平面化-离散-堆积的思路。这种方法还存在着许多不足，今后有可能研究集“堆积”和“切削”于一体的快速成形方法，即RP与CNC机床和其它传统的加工方式相结合，以提高制件的性能和精度，降低生产成本。还可能从RP原理延伸，产生一些新的快速成形方法。 6)继续研究快速制模(RT)和快速制造(RM)技术。一方面研究开发RP制件的表面处理技术，提高表面质量和耐久性；另一方研究开发与注塑技术、精度铸造技术相结合的新途径和新工艺，快速经济地制造