论文 机械类 特种加工.doc

快速成型技术 学校：泰山学院 院/系：建筑与机械工程系 专业：机械设计制造及其自动化 班级：11级机制（3+2） 姓名：朱彦敏 学号：2011170307 快速成型技术的应用现状与趋势摘要: 快速成型（RP）技术是一种集计算机、数控、激光和材料技术于一的先进制造技术。通过介绍快速成型系统的原理方法和特点，阐述其工艺特点及开发和应用，探讨快速成型技术在现代制造业中起到的重要作用和产生的巨大效益，分析快速成型技术的优点和缺点，并提出快速成型技术未来的发展方向和深远意义。 快速成型技术以其独特的特点和长处,成为加速新产品开发及实现并行工程的有效技术,具有广泛的应用领域和应用价值,发展十分迅猛,该技术的重要性已不容忽视。快速成型技术问世以来，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。该技术通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段结合，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。快速成型技术是基于离散/ 堆积的原理。在计算机的控制下快速成型机的成型头选择性地固化一层层的液体材料(或选择性的切割一层层的纸、烧结一层层的粉末材料、喷涂一层层的热熔性材料等) ,形成各个截面轮廓并逐步顺序叠加成三维工件实体。RP 技术的主要方法有:光固化立体造型SLA、分层物件制造、选择性激光烧结法、熔融沉积造型。关键词: 快速成型技术; 应用及现状; 发展趋势；先进制造技术；RP技术 1 快速成型技术的应用 快速成型技术的应用是不断提高RP技术发展的重要因素，目前 RP 技术已在工业造型、文化艺术、机械制造（汽车、摩托车） 、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到了广泛的用。并且随着这一技术本身的发展，其应用将不断拓展。 1.1 RP 技术的实际应用主要集中在以下几个方面 （1）新产品开发过程中的设计验证与功能验证。在新产品造型设计过程中应用 RP 技术可以为设计开发人员建立一种崭新的产品开发模式，运用该技术能够速、直接、精确地将设计思想模型转化为具有一定功能的实体模型（样件） ，可以方便验证设计人员的设计思想和产品结构的合理 性、可装配性、美观性，及时发现设计中的问题并修改完善产品设计。这样不仅大大缩短了开发周期，降低开发成本，使企业在激烈的市场竞争中占有了先机。就西安交通大学的西北 RPM 应用服务中心为例，他们运用 RPM 技术为 TCL 公司设计了多种新款手机样品，从工业造型设计到样品全过程仅用了 7 天时间，这用传统设计制造技术是无法实现的。 （2）单件、小批量和特殊复杂零件的直接生产。 在机械制造领域里有些特殊复杂制件只需单件或少于 50 件的小批量生产，这样的产品通过制模再生产，成本高，周期长。RP 技术以自身独有的特点可以直接成型生产，成本低，周期短。以北京隆源自动成型系统有限公司试制发动机涡轮 2 件为例， 采用快速成型技术制造仅仅用了两天的时间就完成了用于生产的蜡型，传统工艺需要 4 个月。（3）产品展示。RP 原型是产品从设计到商品化各个环节中进行交流的有效手段。在全球经济经济化的今天，许多外向型企业都经常面临外商要求看样订货。如何在不可能开模试生产的情况下最快提供样品，抢占市场先机。在这种环境下，RP 技术又体现了明显的优势。 （4）快速模具制造。将快速成型技术与传统的模具制造技术相结合， 可以大大缩短模具制造的开发周期，提高生产效率，是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径。 快速成型技术在模具制造方面的应用可分为直接制模和间接制模两种。2快速成型技术原理和特点当今时代，制造业市场需求不断向多样化、高质量、高性能、低成本、高科技的方向发展，一方面表现为消费者兴趣的短时效和消费者需求日益主体化、个性化和多元化；另一方面则是区域性、国际市场壁垒的淡化或打破，要求制造业的厂商必须着眼于全球市场的激烈竞争。因此快速地将多样化、性能好的产品推向市场成为了制造业厂商把握市场先机的关键，由此导致了制造价值观从面向产品到面向顾客的重定位，制造战略重点从成本与质量到时间与响应的转移，也就是各国致力于并行工程、敏捷制造等现代制造模式的研究与实践的原因。快速成型（Rapid Prototyping）技术正是在这种时代的需求下应运而生的。它是由三维CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的总称。它集成了CAD 技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。基于材料累加原理的快速成型操作过程实际上是一层一层地离散制造零件。为了形象化这种操作，可以想象一整条面包的结构是一片面包落在另一片面包之上一层层累积而成的。快速成型有很多种工艺方法，但所有的快速成型工艺方法都是一层一层地制造零件，区别是制造每一层的方法和材料不同而已。2. 1 快速成型的一般工艺过程原理2.1.1 三维模型的构造在三维CAD设计软件(如Pro/EUGSolidWorksSolidEdge等)中获得描述该零件的CAD文件。目前一般快速成型支持的文件输出格式为STL模型，即对实体曲面近似处理，即所谓面型化处理，是用平面三角面片近似模型表面。这样处理的优点是大大地简化了CAD模型的数据格式，从而便于后续的分层处理。由于它在数据处理上较简单，而且与CAD系统无关，所以很快发展为快速成型制造领域中CAD系统与快速成型机之间数据交换的准标准，每个三角面片用4个数据项表示，即3个顶点坐标和法向矢量，而整个CAD模型就是这样一组矢量的集合。在三维CAD设计软件对CAD模型进行面型化处理时，一般软件系统中有输出精度控制参数，通过控制该参数，可减小曲面近似处理误差。如Pro/E软件是通过选定弦高值(eh-chord height)作为逼近的精度参数，如图1为一球体，给定的两种CH值所转化的情况。对于一个模型，软件中给定一个选取范围，一般情况下这个范围可以满足工程要求。但是，如果该值选的太小，要牺牲处理时间及存贮空间，中等复杂的零件都要数兆甚至数十兆左右的存贮空间。并且这种数据转换过程中无法避免地产生错误，如某个三角形的顶点在另一三角形边的中间、三角形不封闭等问题是实践中经常遇到的，这给后续数据处理带来麻烦，需要进一步检查修补。2.1.2 三维模型的离散处理通过专用的分层程序将三维实体模型(一般为STL模型)分层，分层切片是在选定了制作(堆积)方向后，需对CAD模型进行一维离散，获取每一薄层片截面轮廓及实体信息。通过一簇平行平面沿制作方向与CAD模型相截，所得到的截面交线就是薄层的轮廓信息，而实体信息是通过一些判别准则来获取的。平行平面之间的距离就是分层的厚度，也就是成型时堆积的单层厚度。在这一过程中，由于分层，破坏了切片方向CAD模型表面的连续性，不可避免地丢失了模型的一些信息，导致零件尺寸及形状误差的产生。切片层的厚度直接影响零件的表面粗糙度和整个零件的型面精度，分层切片后所获得的每一层信息就是该层片上下轮廓信息及实体信息，而轮廓信息由于是用平面与CAD模型的STL文件(面型化后的CAD模型)求交获得的，所以轮廓是由求交后的一系列交点顺序连成的折线段构成，所以，分层后所得到的模型轮廓已经是近似的，而层层之间的轮廓信息已经丢失，层厚大，丢失的信息多，导致在成型过程中产生了型面误差。2.2 快速成型技术的优点1)快速成型作为一种使设计概念可视化的重要手段，计算机辅助设计零件的实物模型可以在很短时间内被加工出来，从而可以很快对加工能力和设计结果进行评估。2)由于快速成型技术是将复杂的三维型体转化为两维截面来解决，因此，它能制造任意复杂型体的高精度零件，而无须任何工装模具。3)快速成型作为一种重要的制造技术，采用适当的材料，这种原型可以被用在后续生产操作中以获得最终产品。4)快速成型操作可以应用于模具制造，可以快速、经济地获得模具。5)产品制造过程几乎与零件的复杂性无关，可实现自由制造,这是传统制造方法无法比拟的。3 快速成型技术在发展中所存在的主要问题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、快速制模、快速制造技术将会得到进一步发展。3. 1 快速成型技术研究中存在的问题。1)材料问题.目前快速成型技术中成型材料的成型性能大多不太理想，成型件的物理性能不能满足功能性、半功能性零件的要求，必须借助于后处理或二次开发才能生产出令人满意的产品。由于材料技术开发的专门性，一般快速成型材料的价格都比较贵，造成生产成本提高。2)高昂的设备价格.快速成型技术是综合计算机、激光、新材料、CAD/CAM集成等技术而形成的一种全新的制造技术，是高科技的产物，技术含量较高，所以，目前快速成型设备的价格较贵，限制了快速成型技术的推广应用。3)功能单一.现有快速成型机的成型系统都只能进行一种工艺成型，而且大多数只能用一种或少数几种材料成型。这主要是因为快速成型技术的专利保护问题，各厂家只能生产自己开发的快速成型工艺成型设备，随着技术的进步，这种保护体制已成为快速成型技术集成的障碍。4)成型精度和质量问题.由于快速成型的成型工艺发展还不完善，特别是对快速成型软件技术的研究还不成熟，目前快速成型零件的精度及表面质量大多不能满足工程直接使用的需要，不能作为功能性零件，只能作原型使用。为提高成型件的精度和表面质量，必须改进成型工艺和快速成型软件。5)应用问题.虽然快速成型技术在航空航天、汽车、机械、电子、电器、医学、玩具、建筑、艺术品等许多领域都已获得了广泛应用，但大多仅作为原型件进行新产品开发及功能测试等，如何生产出能直接使用的零件是快速成型技术面临的一个重要问题。随着快速成型技的进一步推广应用，直接零件制造是快速成型技术发展的必然趋势。6)软件问题。随着快速成型技术的不断发展，快速成型技术的软件问题越来越突出，快速成型软件系统不但是实现离散/堆积成型的重要环节，对成型速度，成型精度，零件表面质量等方面都有很大影响，软件问题已成为快速成型技术发展的关键问题。3. 2 快速成型技术软件系统存在的问题1)快速成型软件大多是随机安装，无法进行二次开发;2)各公司的软件都是自行开发，没有统一的数据接口;3)随机携带的快速成型软件都只能完成一种工艺的数据处理和控制成型;4)已商品化的通用性软件价格较贵，功能单一，只能进行模型显示、加支撑、错误检验与修正等中的一种或几种功能，而且也存在数据接口问题，不易集成;5）商品化的软件还不完善，不能满足当前快速成型技术对成型速度、成型精度和质量的要求;6)当前的数据转换模型缺陷较多，对CAD模型的描述不够精确，从而影响了快速成型的成型精度和质里。4 快速成型技术的发展方向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：（1）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。（2）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。（3）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。（4）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。（5）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。（6）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。该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。（7）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。（8）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 结束语快速成型技术是一种正在不断完善的先进制造技术，具有广泛的应用前景。目前RP 技术在欧美、日本等发达国家应用较为广泛，我国仅仅一些高等院校及有关厂家在吸收消化国外技术的基础上开发出了快速成型机，但是在质量和数量以及应用领域方面，都比不上国外。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。作为当今制造行业中急剧潜力的工艺技术, 快速性、高度集成化等优点使快速成型技术在推广应用后将明显缩短新产品的上市时间, 节约新产品