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快速原型制造技论文快速原型制造技论文2011-02-11 15：02快速原型制造技术的发展及其技术分类*班级：*学号：*摘要：快速原型制造技术是一种新型的、适合生产小批量多品种的先进制造技术，是船艇制造技术的重要补充。本文系统的论述了金属粉末激光烧结快速原型制造技术的国内外发展现状及其应用。关键词：金属粉末、激光烧结、快速原型制造技术1、快速原型技术什么是快速原型技术?它有什么用处?一个新产品在开发过程中，总是要经过对初始设计的多次修改，才有可能真正推向市场。通常，产品到了经销商或客户的手中，很快就会有各种反馈的意见，认为这个产品如果能够再修改一下就会更好。于是厂家就会根据所搜集到的意见，对产品进行改型。修改，在制造业中，是个谈谈容易做起来难的事。哪怕是外观上的一点修改，往往就要重新制作模具。而模具的制作是一件非常费钱费时的事情，比如，一个制造普通电话机外壳的模具，就要花费好几万元才能做出来。更严重的是，当你在花钱制作新模具的时候，并不知道这一次是不是一定能够满意。万一再不满意，再花钱是小事，拖延了时间就可能意味着失去市场。虽然利用电脑的虚拟技术可以非常逼真地再屏幕上显示所设计的产品的外观，但是，视觉上再逼真，也无法与实物相比。只要想一想，单凭广告的精美图片，是没有多少人敢马上花钱去买一件贵重商品的，非要亲自到商场，亲手摸一摸，摆弄摆弄，才敢真的下决心。因此在市场上，眼见还不能为实，非要手摸才能为实。买一件商品尚且如此，如果是商家成千上万地向厂家定货，就更不是单纯看看电脑屏幕就可以下决心的事了。由于全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分剧烈，产品开发周期的长短直接影响到一个企业的生死存亡。因此，客观上需要一种可以直接地将设计数据快速地转化为三维实体的技术。这样，不但可以快速直观地验证设计的正确性，而且可以向客户、甚至仅仅是有意向的潜在客户提供未来产品的实体模型，从而达到迅速占领市场的目的。快速原型技术(Rapid Prototyping，简称RP)就是在这样的社会背景下于1988年诞生于美国，迅速扩展到欧洲和日本，并于九十年代初期引进我国.快速原型技术综合应用各种现代技术，直接快速地将电脑设计数据转化为实物，形象地说，快速原型技术实现了所谓心想事成的梦想。快速原型技术已广泛应用于快速概念模型制造(比如检验所设计的产品样子好看不好看、新潮不新潮)、快速测试模型制造(比如检验所设计的产品好用不好用、性能怎么样)、快速模具制造(直接制造模具)和快速功能零件制造(直接制造零件)等领域。2、快速原型技术是怎么样把实物做出来的?快速原型技术的原理是：首先将电脑设计出来的三维实体模型数据分为层片模型数据。快速原型的成型机根据这些数据，利用特定的材料，一个薄层一个薄层地创建出实体，每一个薄层都贴合粘结到前一个薄层上，直至完成整个实体的创建。比如要做一个小圆球，电脑将圆球的实体数据，通过专用的软件，转化成一个一个薄片的数据。第一个薄片是一个点，第二个薄片是一个小圆片，第三个薄片是一个稍大一点的圆片，一片一片粘在一起，就成了一个圆球。由于所使用的构型材料性质各不相同，实现快速原型技术所使用的机器在结构原理上也不同。目前见诸报导的快速原型技术工艺有数十种，但是比较成熟的只有四、五种。3、快速原型制造技术的发展和应用3.1发展概况十几年前兴起的快速原型制造(RP，Rapid Prototyping)技术，与传统的去除型加工不同，乃是一种基于离散/堆积原理的生长型加工，也称为分层叠加成形。所谓离散/堆积原理，是指在计算机的管理与控制下，先将CAD模型离散成一层层截面轮廓信息，然后在RP成形设备上依次制造出各个片层并逐层粘结成一体，从而堆积出三维实体制件。显而易见，RP是在零件CAD模型的驱动下快速制造出任意复杂形状实体的技术。它不需要传统的多坐标数控机床、刀具和夹具，一般只需传统加工方法30%50%的工时和20%35%的成本，就能把体现设计思想的CAD模型转化为物理实体，从而可以有效地缩短开发周期，提高企业的竞争力。不过，RP工艺极大地依赖于材料本身的特性，所处理的材料既要首先能够满足离散/堆积成形的特殊要求，又要能进行后处理和成形后具有必要功能，因此RP工艺所擅长处理的材料目前只限于树脂、蜡、某些工程塑料和纸等几类，与制造领域广泛使用的金属等高强度材料尚有距离，故以往多用于产品开发过程制造物理原型件，也就是说RP最初是作为复杂形状构件原型的成形方法出现的，故称之为快速原型制造。图1用RP技术制作的原型件(图为吸尘器件)如果进一步细分，物理原型件(图1)又可分为概念原型和功能原型两类。概念原型主要是展示制品的立体形态和结构，供人多角度观察和用手触摸，比计算机上的虚拟原型具有更强的真实感。它不仅有助于激发设计者的创新火花，还能促进设计部门与其它部门和客户进行深入交流。功能原型则不仅要给人提供视觉和触觉反馈，而且还可以进行装配检查(现在有的概念原型也有此要求)以及承受传热、流体力学等性能实验。事实上，RP技术并没有仅仅停留在制作原型上，经过十几年的发展，国外相继推出了一些直接成形金属材料的RP系统，并开始实际用于快速制作金属模具乃至金属零件。与此同时，RP技术也已能快速制作在实际产品中使用的功能性塑料(比如聚碳酸脂)零件。由此可见，RP技术已经具有了制造最终产品的功能，从而表明它的内涵正从快速原型制造向快速制造(RM，Rapid Manufacturing)方向发展。以母模为基础来制造各种模具，速度快、成本低，但母模特别是形状复杂的母模获取不易，而RP技术很易将体现设计构思的CAD模型变为非金属材料的母模，为快速制模(RT，Rapid Tooling)技术注入了新的活力，RP与RT的结合(RP+RT)是快速原型技术应用领域最重要的扩展。除此之外，人们也正将RP技术应用于微纳米制造领域。RP技术不只在制造业的应用方兴未艾，在生物医学领域的应用也充满生机。3.2快速成型技术的分类快速成型技术有许多实现方式，其不同实现方式和通用技术如图1所示。图1快速成型技术分类如图2所示，快速成型技术的一般步骤是：首先利用三维造型软件设计出产品的三维实体模型(通常为如STL、DXF、IGES、STEP等资料格式)，再利用RP处理软件将设计出的三维实体模型离散、分层，然后将离散后的数据输入RP设备进行制造。图2分层资料生成示意图尽管各种快速成型技术的一般步骤都是相同的，但不同的工艺过程其生产制品的方法都不同，RP工艺可以分为以下几种类型。3.2.1立体光成型技术(SLA)自1984年第一台立体光成型RP设备问世以来，SLA已经成为了RP技术中发展最成熟、研究最深入、应用最广泛的一种成型技术。图3是SLA成型原理的示意图。图3 SLA的成型原理示意图。(来源：美国专利4,575,330)立体光成型技术的基本原理是利用光敏树脂的特性，利用紫外光照使液体树脂分层固化，每层固化树脂的形状由RP软件确定，由计算机控制激光柱在X-Y方向上移动。每层固化完毕后，升降台(图中部件29)向Z方向移动，以便激光柱成型下一层树脂。若制品是实体件，根据制品的形状仅成型制品外部，再将制品移至紫外线箱进行照射，使制品内部可以固化。3.2.2分层实体制造技术(LOM)分层实体制造技术的基本原理是利用在一定条件下(如加热等)可以粘结的带状材料(通常使用纸或者陶瓷基材料或者金属材料)，利用激光，切割出按照RP软件离散出的各层形状。再使各层粘合成为一个整体。如图4所示，设备工作时，热压辊滚过料带，使之与上一层已加工料带或者升降台粘合。然后激光射器在料带的工作平面上切割出工作外框，并在工作外框内切割出制品在该层的形状。切割完成后，升降台下降同时供料以完成下一次切割。如此重复后，取出多余物料即可得到所需形状的制品。图4 LOM工作原理示意图(资源来源3.2.3熔丝沉积制造(FDM)1993年美国Stratasys公司开发出了第一台基于熔丝沉积制造的设备FDM-1650。FDM设备用丝状的高聚物(也可以用蜡等其它材料)作为原料，用一个熔融头将高聚物熔融至略微大于其熔点的温度。喷头在将熔融物料挤出的同时在X-Y方向上运动使熔融的物料能够堆积在上一个已经成型的片层上形成所需要的形状。物料堆积成型后，由于温度仅仅略高于其熔点，物料可以很快固化以便下一个片层成型。3.2.4选择性激光烧结(SLS)首台选择性激光烧结设备由美国得克萨斯大学奥斯丁分校的C.R.Dechard于1989研制成功。与立体光成型(SLA)工艺不同，选择性激光烧结工艺成型时物料经历的是物理变化，而非SLA的化学变化。而且其激光发生器和材料的选择也与SLA不同，SLS工艺所需要的激光功率较SLA大，材料也比较宽泛，几乎任何能在激光下粘结的材料均可以作为选择性激光烧结的材料。SLS所用材料为粉末状，将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面。图5 SLS原理示意图3.2.5三维印刷工艺(3DP)1989年，美国麻省理工学院的Emanuel M.Sachs和John S.Haggerty等在美国申请了三维印刷技术的专利，这一专利成为日后该领域的核心专利之一。此后，Emanuel M.Sachs和John S.Haggerty又多次对该技术进行修改和完善，形成了今天的三维印刷快速成型工艺。图6 3DP工艺原理简图图8 RP技术在不同行业中的应用从图中可以看到，RP技术在制造工业中应用最多，达到67%，说明RP技术对改善产品的设计和制造水平的巨大作用。下面列举几个应用实例。4.1医学应用快速成型技术独特的制造方法和个性化定制等特性，使其在医学上有很大的发挥空间。比如牙齿、骨骼、医学器械和植入管的定制等。使用SLS技术生产用户定制助听器图9为文献中介绍的使用SLS技术制造助听器的一个应用实例。显然，应用上的一些特殊性使设计者应该更多考虑材料的性能。在这个例子里，色后的PA-12材料能够符合包括机械性能与皮肤的兼容性等在内的一系列要求。这种加工方式使得助听器能够更好地适应不同病人对助听器外形的要求。另外，快速成型技术在牙科方面也有广泛的应用。4.2制造领域如前所述，快速成型技术在制造领域应用最多，达到了67%，一方面显示出了RP技术在生产制造业独特的优势，另一方面也显示出了制造行业对新技术、新工艺的需求。严格来说，目前RP技术应用在制造领域中的方式并不是前文所定义的快速制造(RM)，即并不是利用RP设备直接制造不经过再加工即可使用的制品。通常RP技术在制造业的应用主要在产品试制和试验阶段(57%)，比如功能检测和装配检测等。同时，也有利用RP技术直接制造的例子。波音公司建立了一整套的定制生产(Production On Demand-POD)生产流程，可以在很短时间内制造传统加工方法很难加工的航空航天工业中的导风管道。5、RP技术的发展就目前RP技术的发展来说，其生产的制品在表面粗糙度、精度、可重复性和制品质量方面与传统制造方法均存在差距。这也是现在RP技术发展的一个重要的方面。现存的RP工艺以及工艺链条都必须经历一段发展以实现一个可靠、安全的技术，来达到工艺所要求的精度和质量。上文提到的RP工艺都有几乎相同的精度(0.1-0.2mm/100mm)和粗糙度(Ra 5-20m)和较低的可重复性。进一步的改进应该从机械设计方面开始手，可以通过技术回馈系统来实现。为了提高制品的质量，将出现RP工艺和传统工艺相结合的复合工艺设备。在设备本身和材料方面，目前研究的主要方向大多集中于加工方法、加工设备、激光发生器和材料等方面，目的在于提高制品的强度、耐久性和精度，同时也力于提高生产制品的周期方面。这些研究，终究会为快速成型到快速制造的过渡提供强大的动力。快速成型技术经过20余年的发展目前已经在加工方法、材料等方面取得了研究方面的突破。在市场推广方面，也取得了一定成绩。但是就从快速成型(RP)到快速制造(RM)的过程来看，进展仍不理想。在市场方面，2001年快速成型技术已经生产了近350万套模具和产品原型，并在此后以每年20%的速度稳定增长。每年均有1,000-1,500套快速成型设备出售。同时，全球有400家RP服务机构提供RP服务。但快速成型的市场容量仍然远远低于10亿美元，这和电火花加工设备(EDM)每年15-20亿美元的销售额相比仍然很低。而市场的扩大，则在很大程度上与设备技术研发以及适用材料的开发密不可分。在研究方面，由快速成型技术演变而来的快速制造技术仍显稚嫩，但这一转换的潜力显然相当大，而且该技术现在正处于研究发展和市场开发相结合的阶段，通过其它制造技术的经验来看，RP/RM技术的前景很广阔。RP/RM技术的突破，如前所述，应该是在保持现有技术优势的情况下，不断降低生产制造成本和提高生产率。这就需要在材料性能上，尤其是制品精度、可靠性以及制品的可重复性方面取得突破。6、结语正如上文所说，由于RP技术独特和高度柔性的制造原理及其在产品开发过程中所起的作用，已越来越受到制造厂商和科技界人士的重视。其应用也正从原型制造向最终产品制造方向发展，特别是RP与RT技术的结合，已取得较明显的成果。但是，RP技术本身目前的发展水平，也还存在一些局限性。比如：成形精度不高。影响RP成形精度的因素很多，它既包括前处理(数据格式转换)与后处理(含与环境和时间相关的制件尺寸变化)所引起的误差，更因为成形过程自身伴随着材料的相变和温度变化，是一个复杂的热力学过程，其尺寸控制远比机械加工困难，所以目前RP技术所能达到的最佳尺寸精度大概在0.1mm左右。而且成形速度与成形精度之间还存在矛盾，为提高成形精度而减少切片层厚会降低成形效率。由于精度不够，目前RP技术尚难于制造精度较高的最终产品，一般只能作为一种准净成形(Near Net Shape)技术。处理工艺成熟的材料范围有限。前文已经提到，目前比较成熟的RP工艺所处理的材料大概只限于树脂、蜡、某些工程塑