快速成型毕业论文

六安职业技术学院六安职业技术学院六安职业技术学院 毕毕业业设设计计 论论文文 题目 快速成型技术的产生和发展 机电工程系 系 模具设计与制造 专业 班 级 模具 0901 学生姓名 指导教师 起迄日期 2011 05 27 2011 06 15 设计地点 职业技术学院 职业技术学院 毕业 设计 论文 2 摘要摘要 近年来 快速成型技术和逆向工程技术发展迅速 尤其是模具制造领域应用非常 广泛 将快速成型技术与逆向工程技术相结合 可以在已有样件或原型的基础上进行 复制和产品的创新再设计 缩短新产品的设计和研制周期 适应市场的多品种 小批 量的快速响应能力 关键字关键字 快速成型技术 特点 分析 前景 快速成型的产生与发展 3 目目 录录 引言 4 第一章 概述 5 1 1 快速成型概述 5 1 2 快速成型系统的基本工作原理 6 1 3 快速成型制造的发展 6 第二章 RPM 技术的原理和特点 7 2 1 RPM 技术的原理 8 2 2 RPM 技术发热内涵 10 2 2 1 实体自由成型制造 SFF 10 2 2 3 离散堆积制造 DCM 11 2 2 4 即时制造 IM 12 2 2 5 分成制造 LM 12 2 2 6 材料添加制造 MIM 13 2 3 RPM 技术的特点 13 第三章 几种常用的 RPM 方法 14 3 1 立体光刻 Stereo Lithography Apparatus SLA 15 3 2 分层实体制造 Laminated Object Manufacturing LOM 16 3 3 选择性激光烧结 Selective Laser Sintering SLS 17 3 4 熔融沉积成形 Fused Deposition Modeling FDM 17 3 5 RPM 典型工艺比较 18 第四章 RPM 技术的发展趋势 19 4 1 快速模具制造 19 4 2 快速制造金属零件 19 4 3 在医学中用于器官模型制作 19 4 4 与反求工程相结合形成快速设计制造闭环系统 20 结束语 21 致谢 22 参考文献 23 职业技术学院 毕业 设计 论文 4 引引 言言 快速成型 rapid prototyping RP 技术是在计算机技术 数控技术 激光技术 和新材料上的基础上发展起来的一种先进制造技术 它具备如下特点 原形的复制性 互换性高 制造工艺与制造原型的几何形状无关 在加工复杂曲面时更显优越 加工 周期短 成本低 成本与产品复杂程度无关 一般制造费用降低 50 加工周期缩短 70 以上 高度技术集成 实现了设计制造一体化 制造原型所用的材料不限 各种金 属与非金属材料均可使用 因而 得到广泛应用 快速成型技术自 80 年代问世以来 在成型系统 材料方面有了长足的进步 同时推动了快速制模技术 rapid tooling RT 和快速制造技术 rapid manufacturing RM 的发展 快速成型技术 RP 是制造技术的一次飞跃 它从成型原理上提出了一个全新点 的思维模式 即将计算机辅助设计 CAD 计算机辅助制造 CAM 计算机数字控制 CNC 激光 精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体 依据计算机构成的工件 三维设计模型 对其进行分层切片 得到各层截面的二维轮廓信息 按照这些轮廓信 息由成型头在控制系统的控制下 选择性的固化或切割一层层的成型材料 形成各个 截面的轮廓 并逐渐顺序堆加成三维工件 经过十余年的发展 目前已成熟的快速成 型技术的与商品化的快速成型机有 SLA LOM SLS FDM 及 TDP 等型号 被广泛地应 用于工业和医疗领域 已取得了丰硕的成果 同时快速成型技术还派生了一个全新的 领域 快速模具制造 以供批量生产塑料件或金属件 例如 可根据 RP 原型零件复制 硬环氧树脂模具 生产塑料件或注塑模 根据 RP 原型零件复制硅橡胶模具 生产塑料 件或注塑模等等 但是由于该技术的成本高 制件的精度 强度和耐久性等方面还不 能满足用户的期望 暂时阻碍了 RP 技术的推广和普及 但是该技术近年来迅速在我国的工业造型 制造 建筑 艺术 医学 航天 考 古和影视等领域得到良好的应用 快速自动成型技术为企业提高竞争力提供了一种先进的手段 快速成型的产生与发展 5 第一章第一章 概述概述 1 11 1 快速成型概述快速成型概述 21 世纪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 的市场对其产品小批量多品种要求的严峻挑战 在制造业日趋国际化得状况下 缩短 产品开发周期 减少新产品的投资风险和开发成本 已成为企业获取利润和赖以生存 的关键 快速成型技术 rapid prototyping RP 就是直接从计算机设计方案产生三维实 体的快速成型技术 涉及机械工程 自动控制 激光 计算机 材料等多个学科 是 由现代制造技术迅速发展的需要应运而生的 快速成型技术自 20 世纪 80 年代问世以 来 在成型系统 材料方面有了长足的进步 同时推动了快速制模 rapid tooling RT 快速制造 rapid manufacturing RM 的发展 90 年代终末期是 RP 技术蓬 勃发展的阶段 在科技部的领导和支持下 全国先后成立了近 10 家旨在推广应用 RP 技术的 快速原型制造技术中心 863 CIMS 课题专家组还将快速成型技术纳入发展项 目 因而 该技术近半年迅速在我国的工业造型 制造 建筑 艺术 医学 航天 考古和影视等领域得到良好的应用 快速成型技术是近年来发展起来的直接根据 CAD 模型快速生产样件或零件的成型 技术总称 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 与传统制造方法不同 快速成型从零件的 CAD 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 快速成型技术把复杂的三维制造转化为二维叠加 在不用模具和工具的条件下 堆积成型几乎任意复杂的零部件 极大的提高了生产效率和制造柔性 快速成型技术发展非常迅速 目前已形成了相当大的市场 与数控加工 铸造 金属冷喷涂 硅胶模等制造技术一起 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 家电等设计制造领域得到了广泛应用 职业技术学院 毕业 设计 论文 6 1 21 2 快速成型系统的基本工作原理快速成型系统的基本工作原理 RP 系统可以根据零件的形状 每次制做一个具有一定微小厚度和特定形状的截 面 然后再把它们逐层粘结起来 就得到了所需制造的立体的零件 当然 整个过 程是在计算机的控制下 由快速成形系统自动完成的 不同公司制造的RP 系统 所用的成形材料不同 系统的工作原理也有所不同 但其基本原理都是一样的 那 就是 分层制造 逐层叠加 这种工艺可以形象地叫做 增长法 或 加法 每个截面数据相当于医学上的一张CT 像片 整个制造过程可以比喻为一个 积分 的过程 RP 技术是在现代 CAD CAM 技术 激光技术 计算机数控技术 精密伺服驱动 技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的 RP 技术的基本原理是 将计算机 内的三维数据模型进行分层切片得到各层截面的轮廓数据 计算机据此信息控制激 光器 或喷嘴 有选择性地烧结一层接一层的粉末材料 或固化一层又一层的液态 光敏树脂 或切割一层又一层的片状材料 或喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂 形成一系列具有一个微小厚度的的片状实体 再采用熔结 聚合 粘结等手段使其 逐层堆积成一体 便可以制造出所设计的新产品样件 模型或模具 自美国3D 公司 1988 年推出第一台商品 SLA 快速成形机以来 已经有十几种不同的成形系统 其中比较成熟的有 UV SLA SLS LOM 和 FDM 等方法 1 31 3 快速成型制造的发展快速成型制造的发展 国际上首台快速成型机于 1987 年诞生于美国 是由美国 3DSystems 公司制造的快速成型系统 SLA 1 采用立体光刻法的快速成形制造系统 1998 年在我国上海举行的第七届国际模具技术和设备展览会上 美 国 日本 德国 新加坡等国都展出了 RPM 设备 目前全世界已有 2000 多台 RPM 系统投入使用 我国 RPM 技术的研究始于 1991 年 清华大学 西安交通大学 华中科技大学 南京航空航天大学等高 校和北京隆源 RPM 公司 广州中望商业机器有限公司等都 在 RPM 的 研究与应用放面取得了显著成果 清华大学现已开发出 M RPMS 型多功能快速成型制造系统 这是我国自主知识产权的世界唯一拥有两种 RPM 工艺的系统 快速成型的产生与发展 7 第二章第二章 RPMRPM 技术的原理和特点技术的原理和特点 2 12 1 RPMRPM 技术的原理技术的原理 快速成型制造技术 是一种基于离散堆积成型思想的新型成型技术 是综合利用 CAD 技术 数控技术 激光加工技术和材料技术实现从零件设计到三维实体原型技术 实现从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术 职业技术学院 毕业 设计 论文 8 RPMRPM 的流程图的流程图 快速成型的产生与发展 9 2 22 2 RPMRPM 技术发热内涵技术发热内涵 RPM 技术不是使用一般意义上的模具或刀具 而是利用光 热 电等物理 手段实现材料的转移与堆积 原型是通过堆积不断增大 其力学性能不但取决于成型材料本身 而且与 从成型材料本身 而且与成型中所施加的能量大小及施加方式有密切关系 在 成型工艺控制方面 需要对多个坐标系进行精确的动态控制 RPMRPM 技术的不同称谓技术的不同称谓 实体自由成型制造 Solid Freeform Fabrication SFF 直接 CAD 制造 Direct CAD Manufacturing DCM 离散堆积制造 Dispersed Cumulate Manufacturing DCM 即时制造 Instant Manufacturing IM 分成制造 Layered Manufacturing LM 材料添加制造 Material Increase Manufacturing MIM 2 2 12 2 1 实体自由成型制造 实体自由成型制造 SFFSFF SFF 它表明 RPM 技术无需专用的模腔或夹具 零件的形状和结构也相应不受任 何约束 RPM 工艺是用逐层变化的截面来制造三维形体 在制造每一层片时都和 前一层自动实现联接 不需要专用夹具或工具 使制造成本完全与批量无关 既 增加了成型工艺的柔性 又节省了制造工装和专用工具的成本 2 2 22 2 2 直接直接 CADCAD 制造 制造 DCMDCM DCM 反映了 RPM 是 CAD 模型直接驱动 计算机中的 CAD 模型通过接口软件直接 驱动 RPM 设备 接口软件完成 CAD 数据向设备数控指令的转化和成型过程的工艺 规划 成型设备则像打印机一样 打印 零件 完成三维输出 RPM 由于采用了离 散 堆积的加工工艺 CAD 和 CAM 能够很顺利地结合在一起 课容易地实现设计与 制造一体化 职业技术学院 毕业 设计 论文 10 2 2 32 2 3 离散堆积制造 离散堆积制造 DCMDCM 离散堆积制造是现代成型学理论中在成型技术发展进行总结的基础上提车的 表明了模型信息处理工程的离散型 强调了成型物理过程的材料堆积性 体现了 RPM 技术的基本成型原理 具有较强的概括性和适应性 2 2 42 2 4 即时制造 即时制造 IMIM IM 它反映了 RPM 技术的响应性 由于无需针对特定零件制定工艺操作规程 也 无需要专用夹具和工具 RPM 技术制造一个零件的全过程远远短于传统工艺相应过 程 使得 RPM 技术尤其是适合新产品的开发 显示了其适合现代科技发展的快速反 应的特征和时代要求 2 2 52 2 5 分成制造 分成制造 LMLM LM 是将复杂的三维加工分解成一系列二维层片的加工 着重强调层作为制造单 元的特点 每层课采取更低维单元进行累加或高维单元进行加工得到 快速成型的产生与发展 11 2 2 62 2 6 材料添加制造 材料添加制造 MIMMIM MIM 是将材料单元采用一定方式堆积 叠加成型 有别于车削等基于材料去 除原理的传统加工工艺 职业技术学院 毕业 设计 论文 12 2 32 3 RPMRPM 技术的特点技术的特点 快速成型制造系统是与 CAD 集成的 RPMS 属于 CIMS 的目标产品的范畴 具有 以下特点 度柔性 可以制造任意复杂形状的三维实体 CAD 模型直接驱动 设计制造高度一体化 型工程无需专用夹具或工具 需人员干预或较少干预 是一种自动化的成型过程 型全过程的快速性 术的高度集中成型 带有鲜明的高新技术特征 快速成型的产生与发展 13 第三章第三章 几种常用的几种常用的 RPMRPM 方法方法 3 13 1 立体光刻 立体光刻 StereoStereo LithographyLithography ApparatusApparatus SLASLA SLA 法 也称为立体印刷 或称为光造型 又称为光敏液相固化法 是基于液 态光敏脂的光聚合原理工作的 这种液态材料在一定波长和强度的紫外光的照射下 能迅速发生光聚合反应 分子量急剧增大 材料也就从液态转变成固态 立体光刻的工艺原理立体光刻的工艺原理 职业技术学院 毕业 设计 论文 14 3 23 2 分层实体制造 分层实体制造 LaminatedLaminated ObjectObject ManufacturingManufacturing LOMLOM LOM 法 又称为叠层实体制造 或称为层合实体制造法 是事先在薄片材 料涂覆上一层热熔胶 加工时 热压辊热压片材 使之与下面已成形的工件粘 结 用 CO2 激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框 激光切 割完成后 工作台带动已成形的工件下降 与带状片材分离 供料机构转动收 料轴和供料轴 带动料带移动 使新层移到加工区域 工作台上升到加工平面 热压辊热压 工件的层数增加一层 高度增加一个料厚 再在新层上切割截面 轮廓 如此反复直至零件的所有截面粘接 切割完 得到分层制造的实体零件 分层实体制造的工艺原理分层实体制造的工艺原理 快速成型的产生与发展 15 3 33 3 选择性激光烧结 选择性激光烧结 SelectiveSelective LaserLaser SinteringSintering SLSSLS SLS 法 又称为选区激光烧结法 它是利用粉末状材料成形的 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连接 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 选择性激光烧结的工艺原理选择性激光烧结的工艺原理 职业技术学院 毕业 设计 论文 16 3 43 4 熔融沉积成形 熔融沉积成形 FusedFused DepositionDeposition ModelingModeling FDMFDM FDM 法 又称为熔丝沉积成形法 所用材料一般是热塑性材料 如蜡 ABS 尼龙等 材料在喷头内被加热熔化 喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动 同时将 熔化的材料挤出 材料迅速凝固 并与周围的材料凝结 熔融沉积成形的工艺原理熔融沉积成形的工艺原理 快速成型的产生与发展 17 3 53 5 RPMRPM 典型工艺比较典型工艺比较 光固化成型熔融沉积成型选择性激光烧 结 分层实体制造 优 点 1 成型速度极快 成型精度 表面质量 高 2 适合做小件及精 细件 1 成型技术种类 多 成型样件强度好 能直接制造 ABS 塑 料 2 尺寸精度较高 表面质量较好 易于 装配 3 材料利用率高 4 操作环境干净 安全可在办公室环境 下进行 1 有直接 金属型的概念 可直接得到塑 料 蜡或金属 件 2 材料利 用率高 造型 速度较快 1 成型精度 较高 2 只须对轮 廓线进行切割 制做效率高 适 合做大件及实体 件 3 制成的样 件有类似木质制 品的硬度 可进 行一定的切削加 工 缺 点 1 成型后要进一步 固化处理 2 光敏树脂固化后 较脆 易断裂 可加工性不好 3 工作温度不能超 过 100 成型 件易吸湿膨胀 抗腐蚀能力不强 1 成型时间较长 2 做小件和精细 件事精度不如 SLA 1 成型件 强度和表面质 量较差 精度 低 2 在后处 理中难于保证 制件尺寸精度 后处理工艺复 杂 样件变型 大 无法装配 1 不适宜做 薄壁原型 2 表面比较 粗糙 工件表面 有明显的台阶纹 成型后要进行打 磨 3 易吸湿膨 胀 成型后要尽 快表面防潮处理 4 工件强度 差 缺少弹性 设 备 购 置 费 用 高昂低廉高昂中等 保 护 和 日 常 使 用 费 用 激光器优损耗 光敏 树脂价格昂贵 运行 费用 无激光器损耗 材料的利用率高 原 材料便宜 运行费用 极低 激光器有损耗 材料利用率高 原材料便宜 运行费用居中 激光器有损耗 材料利用率很低 运行费用较高 职业技术学院 毕业 设计 论文 18 发 展 趋 势 稳步 发展 飞速 发展 稳步 发展 渐趋 淘汰 应 用 领 域 复杂 高精度 艺术 用途的精细件 塑料件外形和机构 设计 铸造件 设计 实心体 大件 适 合 行 业 快速成型服务 中心 科研院校 生产企业 铸造 行业 铸造 行业 快速成型的产生与发展 19 第四章第四章 RPMRPM 技术的发展趋势技术的发展趋势 4 14 1 快速模具制造快速模具制造 快速模具 RT 制造主要用于制造铸造模具和塑料模具 1 间接制模用 RPM 技术制造零件原型 与传统的制模工艺相结合的制模方法 2 直接制模是利用 RPM 技术将模具直接制造成形 它不需制作原型样件 是一 种与传统的制模工艺完全不同的方法 硅橡胶模具硅橡胶模具 4 24 2 快速制造金属零件快速制造金属零件 RPM 技术与铸造技术相结合是由 RPM 原型转化为金属零件的最佳途径 其方 法有通过 RPM 原型翻制压型 直接复制铸模或烧失型铸造熔模 亦可设计模型直 接得到型壳 型芯 采用 RPM 原型得到烧失型铸造熔模是一种较快的精铸方法 4 34 3 在医学中用于器官模型制作在医学中用于器官模型制作 该方法是将以数字成像技术为基础的 CT 断层成像 MRI 核磁共振 等 诊断方法与 RPM 系统相结合 即把所获得的人体扫描的分层截面图像 经计算 机三维重建后的数据提供给 RPM 系统 得到人体局部或内脏器官 这样就可以 显示该部位病变情况和实体结构 可用于临床辅助诊断和复杂手术方案的确定 或供教学使用 此外亦可利用 RPM 原型制作假肢 4 44 4 与反求工程相结合形成快速设计制造闭环系统与反求工程相结合形成快速设计制造闭环系统 在 RPM 技术中的反求 就是要在现有实物的基础上求出三维的 CAD 模型 某些产品零件的形状十分复杂 很难在 CAD 软件上设计出它们的实体模型 因 职业技术学院 毕业 设计 论文 20 此先制造出小比例的实物模型 再通过对模型测量和数据处理 获得三维实体 模型 通过反求工程还可以快速 准确地测量 RPM 原型 找出产品设计中的不 足 重新设计 经过多次反复的迭代使产品更加完善 快速成型的产生与发展 21 结束语结束语 踉踉跄跄地忙碌了一个多月 我的毕业设计课题也终于将告一段落 从开始接到 论文题目到论文文章的完成 每走一步对我来说都是新的尝试与挑战 在这段时间里 我学到了很多知识也有很多感受 我努力使自己非常稚嫩作品一步步完善起来 每一 次改进都是我努力的收获 每一次在论文上的收获对我都是一种很大的激励 虽然我 的论文作品不是很成熟 还是有很多不足之处 但经过自己的不断修改 最终也达到 了所要求的设计目的 也许因为能力和时间的关系 总是觉得有很多不尽人意的地方 譬如内容空缺 所涉及的知识面有限 不能明确的突出论文主题思想等 但我可以自 豪的说 这次毕业论文设计的过程对我虽是一种考验 但同时又是一种莫大的收获 我相信其中的酸甜苦辣最终都会化为甜美的甘泉 毕业设计 也许是我大学生涯交上的最后一个作业了 想此次机会感谢三年以来 给我帮助的所有老师 同学 你们的友谊是我人生的财富 是我生命中不可或缺的一 部分 特别要感谢我的毕业指导老师 老师 他教学严谨细致 一丝不苟的作风一直 是我工作学习的榜样 虽然自己在写论文时会出现许多不该出现的问题及错误 但他 却能以一位长辈的风范来容谅我的无知和冲动 给我不厌其烦的指导 这篇论文的每 个实验细节和每个数据 都离不开你的细心指导 在此 特向他道声谢谢 这次做论文的经历也会使我终身受益 我感受到做论文是要真真正正用心去做的 一件事情 是真正的自己学习的过程和研究的过程 没有学习就不可能有研究的能力 没有自己的研究 就不会有所突破 那也就不叫论文了 希望这次的经历能让我在以 后学习中激励我继续进步 大学生活即将匆匆忙忙地过去 但我却能无悔地说 我曾经来过 大学三年 但 它给我的影响却不能用时间来衡量 这三年以来 经历过的所有事 所有人 都将是 我以后生活回味的一部分 是我为人处事的指南针 就要离开学校 走上工作的岗位 了 这是我人生历程的又一个起点 在这里祝福大学里跟我风雨同舟的朋友们 一路 走好 未来总会是绚烂缤纷 职业技术学院 毕业 设计 论文 22 致谢致谢 大学三年学习时光已经接近尾声 在此我想对我的母校 我的父母 亲人们 我 的老师和同学们表达我由衷的谢意 感谢我的家人对我大学三年学习的默默支持 感谢我的母校 职业技术学院给了 我在大学