快速成型技术的应用与发展趋势.doc

精品文档 快速成型技术的应用及发展趋势摘要:；快速成型技术凭借其加工原理的独特性和相对传统加工时间的大大节省，在模具工业和修复医学方面得到了大力的推广和应用同时也是一种结合计算机、数控、激光和材料技术于一体的先进制造技术，并提出快速成型技术未来的发展方向。关键词：快速成型；快速模具；修复医学；成型方法；成型材料；引言快速成型(Rapid Prototyping，简称RP)是80年代末期开始商品化的一种高新制造技术，它是集CADCAM技术、激光加工技术、数控技术和新材料等技术领域的最新成果于一体的零件原型制造技术快速成型不同于传统的用材料去除方式制造零件的方法，而是用材料一层一层积累的方式构造零件模型它利用所要制造零件的三维CAD模型数据直接生成产品原型，并且可以方便地修改CAD模型后重新制造产品原型由于该技术不像传统的零件制造方法需要制作木模、塑料模和陶瓷模等，可以把零件原型的制造时间减少为几天、几小时，大大缩短了产品开发周期，减少了开发成本随着计算机技术的快速发展和三维CAD软件应用的不断推广，越来越多的产品基于三维CAD设计开发，使得快速成型技术的广泛应用成为可能快速成形技术已广泛应用于宇航、航空、汽车、通讯、医疗、电子、家电、玩具、军事装备、工业造型(雕刻)、建筑模型、机械行业等领域1。1.快速成型技术的应用1.1 工业产品开发及样件试制作为一种可视化的设计验证工具，RP具有独特的优势。(1)在国外，快速原型即首版的制作，已成为供应商争取订单的有力工具。美国Detroit的一家制造商，利用2台不同型号的快速成型机以及快速精铸技术，在接到rd公司标书后的4个工作日内生产出了第一个功能样件，从而拿到了Ford公司年生产总值300万美元的发动机缸盖精铸件的合同。(2)在RP系统中，一些使用特殊材料制作的原型(如光敏树脂等)可直接进行装配检验、模拟产品真实工作状况的部分功能试验。Chrysler直接利用RP技术制造的车体原型进行高速风洞流体动力学试验，节省成本达70。(3)结合逆向工程、并行工程，RP显示出了更大的发展空间。1.2 快速模具(Rapid Tool ing)制造RP技术可用于制作注塑模、铸造模、陶瓷模、硬质合金模、锻模和冲压模等等，其各种工艺方法都可直接或是间接地用于快速模具制造。例如，LOM法可制及用于制造下列用途的纸模具：灌注石蜡铸造蜡模的模具、石膏成型模、塑料压铸成型模和低熔点合金铸造模等；SLS法可直接烧结金属模具或陶瓷模具，用作注塑、压铸、挤塑等塑料成型模及冲压成型模，SLS制作的模具经浸铜后，还可直接用作金属模具。硅橡胶复型工艺则是一种典型的间接制模方法。其特点是批量小，工艺简单。硅橡胶有很好的弹性和复印性能，用它来复制模具时，可以不考虑拔模斜度，基本不会影响尺寸精度。将快速成型机制作的工件作为模具母模，用硅橡胶可以方便的翻制成硅胶模具，再往模具里浇注不同性能的树脂，便可快速得到不同强度的塑料件。在陶瓷精铸技术中RP制作的原型还可以通过电铸的方法铸出电极或直接成为模具型腔，这种方法的复型精度很高，零件上的细微之处(如掌纹)均可以复制出来2。1.3 在医学上的应用由于医学上一些严重面容畸形的形态特殊（如先天性唇裂，面容的多发性骨折等）其周围解剖关系复杂，往往通过二维平面的观察很难确定病变范围。这给医生制定手术方案带来很大的困难。因此，如果在手术前，利用逆向工程应用螺旋CT或MRI获得缺损骨连续性缺损三维数据模型，在计算机上模拟重建三维图像，可以直观地对骨性疾病做出正确的诊断。然后将三维数据模型通过快速成型技术转化为二维仿真生物模型后，为术者提供了手术平台，术前能够对个体化实体模型直观地进行分析、测量，并预演整个手术过程，明确截骨范围，熟悉手术过程，缩短了手术时间，简化手术，从而减少手术并发症状的发生3。2. 快速成型技术的发展趋势2.1 新型分层叠加成型方法的研究与开发口。快速成型的基础是分层制造、积分叠加成型，然而，用什么材料进行分层叠加，以及如何进行分层叠加却大有文章可做。因此，除了常见的SLA、SLS、LOM、FDM、TDP等方法外，现正在研究开发一些新的分层叠加成型方法，以便进一步改善制件的性能、精度和成型效率，这些方法主要有：a.多种材料组织的熔积成型。它可以逐层制造出一个由多种材料和部件组成的三维实体器件，而无需分件加工和装配。b侵入式光成型。由日本大阪Sangyo大学的YojiMarutani提出，它是将激光束通过一个管子，直接插入到光敏树脂槽中，如图3所示，管子可在水平方向自由运动，为了在光固化时防止树脂流人管子而将工件与管子粘到一起，可在管子中充人空气，控制气压，在管口部形成气泡，将管子端口与工件分离开，激光通过管子中的透镜聚焦在工件上进行逐层加工。这种方法可以节省通常的SLA成型的再涂层装置和工艺，节约加工时间，提高加工效率。c轮廓成型工艺。由美国南加州(Southern Cohfornie)大学的Barok Khoshnevis申请的将挤压工艺与类似于FDM 的成型方法结合起来的被称为“CotourCrafting”的专利技术。d光成型表面光顺工艺，由英国Notting ham大学的一个科研小组提出的一种对光固化成型表面修整的方法，可减小制件的表面粗糙度值4。2.2 快速成型技术的进一步研究和开发的方向RP技术虽然有其巨大的优越性，但是也有它的局限性，由于可成型材料有限，零件精度低，表面粗糙度高；原型零件的物理性能较差，成型机的价格较高，运行制作的成本高等，所以在一定程度上成为该技术的推广普及的瓶颈。从目前国内外RP技术的研究和应用状况来看，快速成型技术的进一步研究和开发的方向主要表现在以下几个方面：a.大力改善现行快速成型制作机的制作精度、可靠性和制作能力，提高生产效率，缩短制作周期。尤其是提高成型件的表面质量、力学和物理性能，为进一步进行模具加工和功能试验提供平台。b.随着成型工艺的进步和应用的扩展，其概念逐渐从快速成型向快速制造转变，从概念模型向批量定制转变，成型设备也向概念型、生产型和专用型三个方向分化。c.开发性能更好的快速成型材料 材料的性能既要利于原型加工，又要具有较好的后续加工性能，还要满足对强度和刚度等不同的要求。d.提高RP系统的加工速度和开拓并行制造的工艺方法。目前即使是最快的快速成型机也难以完成象注塑和压铸成型的快速大批量生产。将来的快速成型机需要向快速和多材料的制造系统发展，以便可以直接面向产品制造。e.开发直写技术。直写技术对于材料单元有着精确的控制能力，开发直写技术，是快速RP技术的材料范围扩大到细胞等活性材料领域，f.开发用于快速成型的RPM 软件。这些软件有快速高精度直接切片软件，快速造型制造和后续应用过程中的精度补偿软件，考虑快速成型原型制造和后续应用的CAD 等。g.开发新的成型能源。目前大多数成型机都是以激光作为能源，而激光系统的价格和维修费用昂贵，并且传输效率较低。这方面也需要得到改善和发展。h.RPM 与CAD 、CAM、CAPP、CAE 以及高精度自动测量、逆向工程的集成一体化。i亥项技术可以大大提高新产品的第一次投入市场就十分成功的可能性，也可以快速实现反求工程。i.研制新的快速成型方法和工艺。除了目前SLA、LOM、SLS、FDM 外，直接金属成型工艺将是以后的发展焦点。j.提高网络化服务，进行远程控制，实现全球化异地协同合作5。2.3 研究新的成型方法与工艺 在现有的基础上，拓展RP技术的应用，开展新的成型技术的探索。新的成型方法层出不穷，如三维微结构制造、生物活性组织的工程化制造、激光三维内割技术、层片曝光方式等。对于RP微型制造的研究主要集中于：RP微成型机理与方法、RP系统的精度控制、激光光斑尺寸的控制以及材料的成型特性等方面。目前制作的微零件仅是概念模型，并不能称之为功能零件，更谈不上微机电系统（MEMS），要达到MEMS还需克服很多的问题，如：随着尺寸的减小，表面积与体积之比相对增大，表面力学、表面物理效应将起主导作用；微摩擦学、微热力学、微系统的设计、制造、测试等6。2.4 开发新的成型材料成型材料是决定快速成型技术发展的基本要素之一。加工对象和应用方向的侧重点不同，使用的材料不同，与RP制造的4个目标(概念型，测试型，模具型、功能零件)相适应，对材料的要求也不同。目前应用较多的成型材料及其形态有液态树脂类、金属或陶瓷粉末类、纸、塑料薄膜或金属片(箔)类等，存在材料成本高、过程工艺要求高、制成成型的表面质量与内在性能还欠理想等不足。进一步的研究课题包括开发成本与性能更好的新材料、开发可以直接制造最终产品的新材料、研究适宜快速成型工艺及后处理工艺的材料形态、探索特定形态成型材料的低成本制备技本、造型材料新工艺等7。结语快速成型技术是一种处在发展完善过程的高新技术其技术本身和应用领域尚需进行大量的开发研究。21世纪将是以知识经济和信息社会为特征的时代制造业面临信息社会中瞬息万变的市场对小批量多品种产品要求的严峻挑战。在制造业日趋国际化的状况下缩短产品开发周期和减少开发新产品投资风险，成为企业赖以生存的关键。因此，快速成型、制模、制造技术将会得到进一步发展。 参考文献1 金杰，张安阳，快速成型技术及其应用，浙江工业大学学报-2005,33(5)2 王晓聪， 孙锡红，快速成形技术研究现状及其应用前景，精密制造与自动化-2007(3)3 江静， 祁文军， 阿地力莫明，快速成型技术在医学上的应用，机械设计与制造-