翻边模3D打印快速制造技术研究

-翻边模3D打印快速制造技术研究摘要：在现代市场经济全球一体化背景下的今天，企业要在竞争日益激烈的市场经济中掌握先机，占据有利地位，需要有技术和产品上的创新，把握并引导市场的发展方向。3D打印技术是一种具有广泛应用前景的正在不断完善的高新技术。它是快速成型技术的一种，它以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。随着市场竞争的日趋激烈，该技术将会被越来越多的企业所采用，对企业的发展，发挥越来越重要的作用，并将给企业带来直接的巨大经济效益。文章介绍了冲压模具的传统制造工艺，全面分析了解了3D打印快速制造技术，通过对比分析，了解到该工艺跟传统工艺各自的优缺点，并应用3D打印设备打出了一套翻边模具的主要零件，分析研究了各种工艺参数对打印零件质量的影响。关键词：冲压模具，快速成型，3D打印-I-Studyonflangingdieforrapidmanufacturingtechniquefor3DprintingAbstract:Inthemodernmarketeconomyunderthebackgroundofglobalizationtoday,enterprisesshouldgrasptheopportunitiesintheincreasinglyfiercecompetitioninthemarketeconomy,favorablepositionrequirestechnicalandproductinnovation,holdandguidemarketdirection.3Dprintingisawithawiderangeofapplicationsaredevelopingandimprovingtechnology.Itisakindofrapidprototypingtechnology,whichisbasedondigitalmodelfileusingadhesivematerialssuchaspowderedmetalsorplastics,bylayer-by-layerprinttoconstructobjecttechnology.Withtheincreasinglyfiercemarketcompetition,thetechnologywillbeadoptedbymoreandmoreenterprises,enterprisedevelopment,playanincreasinglyimportantrole,andwillbringhugeeconomicbenefitsdirectlytotheenterprise.Introducedthetraditionofstampingdiemanufacturingtechnology,comprehensiveanalysisofrapidmanufacturing,3Dprintingtechnologies,throughcomparativeanalysis,understandtheadvantagesanddisadvantagesofeachtechnologywithtraditionaltechnology,andapply3Dprintingequipmentplayedaflangingdieforthemainpart,studytheeffectofvariousprocessparametersonqualityofprintedparts.Keywords:stampingmoulddesign,rapidprototyping,3Dprinting目录-II-1前言12冲压模具的传统制造工艺22.1研究背景22.2冲压模具的概念及其特点22.3冲压的基本工序及其模具32.4冲压模具的组成32.5冲压模具的结构工艺性42.6冲压模具的问题和缺点52.7冲压技术的现状及发展方向53三坐标测量仪73.1三坐标测量仪的简介73.2三坐标测量仪工作原理73.3三坐标测量仪的分类83.4三坐标测量仪的机械结构93.5三坐标测量仪的使用方法103.6三坐标测量仪的特点及主要用途114快速成型技术134.1快速成型技术简介134.2快速成型技术的产生原因144.3快速成型技术的基本原理144.4快速成型技术的优势144.5快速成型技术的分类154.6快速成型技术的应用概况1653D打印185.13D打印的简介185.23D打印技术的简介185.33D打印技术的优势195.43D打印很火195.53D打印的优缺点205.63D打印的特点21-III-5.73D打印的应用225.83D打印的发展意义2463D打印快速成型设备制造翻边模276.13D打印快速制造技术的适用材料276.23D打印快速制造技术的制造工艺流程276.33D打印设备制造的翻边模的总装图和主要零件图286.43D打印时的工艺参数及其对零件质量的影响35结论38参考文献39致谢40-0-1前言1986年,3D打印技术诞生,但直到20世纪90年代才被关注,应用也主要局限在工程、建筑业和制造业、航空航天模型设计等领域,叫“快速成型”技术。直到2010年11月,世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世,3D打印引起了广泛关注。3D打印技术正在快速改变传统的生产方式和生活方式，作为战略性新兴产业，美国、德国等发达国家高度重视并积极推广该技术。不少专家认为，以数字化、网络化、个性化、定制化为特点的3D打印技术为代表的新制造技术将推动第三次工业革命。3D打印技术其源可以追溯到快速成型技术(RapidPrototyping，RP)，从3D计算机辅助设计(3DCAD)发展开始，人们就希望方便地将设计直接转化为实物。而3D打印技术，就是在计算机中将3DCAD模型分成若干层，通过3D打印设备在一个平面上按照3DCAD层图形，将塑料、金属甚至生物组织活性细胞等材料烧结或者黏合在一起，然后再一层一层的叠加起来。通过每一层不同的图形的累积，最后形成一个三维物体。随着时代的进步，我们的生活水平日渐提升，同时，人口也在急剧的增长，我们需要越来越多的物品来满足物质生活条件。这就势必造成我们对物品的要求也会越来越高，做工精细、独特且非量产的物品会受广大人们的喜爱。如今，我们拥有了3D打印这一先进的技术，我们可以通过3D打印机来打印各种我们所需要的、想要的。3D打印作为当今的先进的制造技术，它的应用面相当的广泛，它可以用于医疗行业、科学研究、产品模型、建筑设计、制造业及食品等，而且现正逐渐用于一些产品的直接制造，这意味着这项技术正在普及，前景广泛。-1-2冲压模具的传统制造工艺2.1研究背景在目前激烈的市场竞争中，产品投入市场的快慢往往是成败的关键。模具是高质量、高效率的产品生产工具，模具开发周期占整个产品开发周期的主要部分。面对模具工业的快速发展，模具加工制造的技术要求及模具制造的水平的高低，已成为衡量一个国家机械制造水平的重要标志。因此，模具设计及制造技术在国民经济中的地位是显而易见的。如何在保证质量、控制成本的前提下加工模具是值得认真考虑的问题。模具加工工艺是一项先进的制造工艺，已成为重要发展方向，在航空航天、汽车、机械等各行业得到越来越广泛的应用。同时，计算机辅助设计(CAD/CAE/CAM)给模具设计和制造开辟了新的广阔前景。在现在工业生产中，模具是重要的工艺装备之一，它在铸造，锻造，冲压，塑料，粉末冶金，陶瓷制品等生活生产行业中得到广泛应用，尤其是冲压模具逐渐成为模具行业中的龙头，大大提供高了我们的生活质量需求。2.2冲压模具的概念及其特点冲压是利用安装在冲压设备（主要是压力机）上的模具对材料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得所需零件（俗称冲压或冲压件）的一种压力加工方法。冲压通常是在常温下对材料进行冷变形加工，所以也叫冷冲压。冲压是材料压力加工或塑性加工的主要方法之一，隶属于材料成型工程技术。冲压所使用的模具称为冲压模具，简称冲模。冲模是将材料（金属或非金属）批量加工成所需冲件的专用工具。冲模在冲压中至关重要，没有符合要求的冲模，批量冲压生产就难以进行；没有先进的冲模，先进的冲压工艺就无法实现。冲压工艺与模具、冲压设备和冲压材料构成冲压加工的三要素，只有它们相互结合才能得出冲压件。与机械加工及塑性加工的其它方法相比，冲压加工无论在技术方面还是经济方-2-面都具有许多独特的优点。主要表现如下：(1)冲压加工的生产效率高，且操作方便，易于实现机械化与自动化；(2)冲压模具的尺寸精度高、模具寿命长、质量稳定、互换性好；(3)冲压可加工出尺寸范围较大、形状较复杂的零件，加上冲压时材料的冷变形硬化效应，冲压的强度和刚度均较高；(4)冲压一般没有切屑碎料生成，材料的消耗较少，且不需其它加热设备，因而冲压是一种省料、节能的加工方法，冲压件的成本较低。2.3冲压的基本工序及其模具冲压加工的零件，由于其形状、尺寸、精度要求、生产批量等各不相同，因此生产中采用的冲压工艺方法也是多种多样的，概括起来可分为分两大类，即分离工序和成形工序。分离工序是指使坯料沿一定的轮廓线分离而获得一定形状、尺寸和断面质量的冲压（俗称冲裁件）的工序；成形工序是指使坯料在不破裂的条件下产生塑性变形而获得一定形状和尺寸的冲压件的工序。上述两类工序，按基本变形方式不同又可分为冲裁、弯曲、拉深和成形(胀形、翻边、缩口和旋压)四种基本工序，还有其他爆炸、电水、电磁、激光冲击和超塑性的成形方式。在实际生产中，当冲压件的生产批量较大、尺寸较少而公差要求较小时，若用分散的单一工序来冲压是不经济甚至难于达到要求。这时在工艺上多采用集中的方案，即把两种或两种以上的单一工序集中在一副模具内完成，可以进行复合和级进组合加工方式。冲模的结构类型也很多。通常按工序性质可分为冲裁模、弯曲模、拉深模和成形模等；按工序的组合方式可分为单工序模、复合模和级进模等。但不论何种类型的冲模，都可看成是由上模和下模两部分组成，上模被固定在压力机工作台或垫板上，是冲模的固定部分。工作时，坯料在下模面上通过定位零件定位，压力机滑块带动上模下压，在模具工作零件（即凸模、凹模）的作用下坯料便产生分离或塑性变形，从而获得所需形状与尺寸的冲件。上模回升时，模具的卸料与出件装置将冲件或废料从凸、凹模上卸下或推、顶出来，以便进行下一次冲压循环。-3-2.4冲压模具的组成冲压模具主要由以下几部分组成：(1)工作零件：工作零件用以直接和板料接触，由其施加给板料压力后使之分离或变形完成板料冲压过程。工作零件主要包括凸模、凹模、凸凹模等；(2)定位零件：定位零件的作用是确定板料或胚件相对于冲模的正确位置，以保证冲件质量。主要包括挡料销、定距侧刀、导正销、定位板、定位销、导料板和导向槽等；(3)卸料装置零件：卸料零件主要用来卸除套在凸模上的零件或废料。主要包括卸料板、卸料杆、废料刀等；(4)压料装置及零件：用来压住胚料或胚件以保证在冲压时，使材料能顺利的进行变形。它主要包括压料板、压边圈等，主要用于拉深模结构；(5)导向零件：导向零件主要用以保证凸模与凹模之间具有准确位置。主要包括导套、导柱、导板等；(6)推件装置与零件：推件零件主要用来将冲后的零件制品及废料，从凹模或凹凸模里推出。包括推杆、推板、打料杆及各类推件器等；(7)支撑及支持零件：支撑及支持零件主要用来连接及固定工作零件，使之成为完整的模具结构。主要包括上、下模板，模柄，凸、凹模固定板，垫板，限位器等；(8)紧固零件：紧固零件主要用来紧固、连接各类冲模零件，如各类螺钉、销钉等，其中模具中的圆柱销还起稳固定位的作用；(9)缓冲零件：缓冲零件主要包括弹簧、压簧、缓冲橡皮等。模具中的缓冲零件主要利用其弹力，起卸退料作用。通常情况下，模具的工作零件、定位零件、卸、推料零件称为模具的艺零件，而导向零件、支撑及支持零件、紧固零件、缓冲零件称为冲模的辅助零件。2.5冲压模具的结构工艺性冲模的结构工艺性是指在保证冲模各个零件及部件的一定使用性能前提下，使其结构，形式、表面质量及制造材料等诸方面能以最少的工序、最少的工时来完成-4-冲模加工。冲模设计结构工艺性好坏，不仅关系到冲模制造周期、制造成本和使用寿命，甚至还关系到能否在现有条件下把冲模制造出来。因此，在设计冲模时，必须充分注意到冲模的结构工艺性。为了保证冲模结构工艺性，在设计模具时应注意以下几点：(1)冲模结构尽量简单、容易加工，对于复杂形状零件，应尽量采用镶拼形式，以便于加工；(2)冲模使用过程中的易损件能方便地更换和调整；(3)尽可能采用标准化零部件；(4)冲模零件，尤其是凸、凹模零件应具有良好的工艺性；(5)选定的冲模结构要便于装配和维修。在设计模具时，对结构及工作零件应考虑热处理要求，尽量减少或避免由于热处理引起的零件开裂和变形。所以，在设计冲模零件时，尽量减少冲模零件有尖角和窄槽，断面不能有急剧的变化，各孔位置分布要均匀、对称、选用钢材要合适。2.6冲压模具的问题和缺点当然，冲压加工也存在着一些问题和缺点。主要表现在冲压加工时产生的噪音和振动两种公害，而且操作者的安全事故时有发生。不过，这些问题并不完全是由于冲压加工工艺及模具本身带来的，而主要是由于传统的冲压设备及落后的手工操作造成的。随着科学技术的进步，特别是计算机技术的发展，随着机电一体化技术的进步，这些问题一定会尽快而完善的得到解决。2.7冲压技术的现状及发展方向随着科学技术的不断进步和工业生产的迅速发展，许多新技术、新工艺、新设备、新材料不断涌现，因而促进了冲压技术的不断革新和发展。其主要表现和发展方向如下。(1)冲压成形理论及冲压工艺方面；冲压成形理论的研究是提高冲压技术的基础。目前，国内外对冲压成形理论的研究非常重视，在材料冲压性能研究、冲压成形过程应力应变分析、板料变形规律研究及坯料与模具之间的相互作用研究等方面均取-5-得了较大的进展。特别是随着计算机技术的飞跃发展和塑性变形理论的进一步完善，近年来国内外已开始应用塑性成形过程的计算机模拟技术，即利用有限元（FEM）等有值分析方法模拟金属的塑性成形过程，根据分析结果，设计人员可预测某一工艺方案成形的可行性及可能出现的质量问题，并通过在计算机上选择修改相关参数，可实现工艺及模具的优化设计。这样既节省了昂贵的试模费用，也缩短了制模具周期。(2)冲模是实现冲压生产的基本条件，在冲模的设计制造上,目前正朝着以下两方面发展:一方面,为了适应高速、自动、精密、安全等大批量现代生产的需要，冲模正向高效率、高精度、高寿命及多工位、多功能方向发展，与此相比适应的新型模具材料及其热处理技术，各种高效、精密、数控自动化的模具加工机床和检测设备以及模具CAD/CAM技术也在迅速发展；另一方面，为了适应产品更新换代和试制或小批量生产的需要，锌基合金冲模、聚氨酯橡胶冲模、薄板冲模、钢带冲模、组合冲模等各种水平的基本条件，高精度、高寿命、高效率的冲模需要高精度、高自动化的冲压设备相简易冲模及其制造技术也得到了迅速发展。(3)冲压设备和冲压生产自动化方面；性能良好的冲压设备是提高冲压生产技术匹配。为了满足大批量高速生产的需要，目前冲压设备也由单工位、单功能、低速压力机朝着多工位、多功能、高速和数控方向发展，如在数控四边折弯机中送入板料毛坯后，在计算机程序控制下便可依次完成四边弯曲，从而大幅度提高精度和生产率；在高速自动压力机上冲压电机定转子冲片时，一分钟可冲几百片，并能自动叠成定、转子铁芯，生产效率比普通压力机提高几十倍，材料利用率高达97%；公称压力为250KN的高速压力机的滑块行程次数已达2000次/min以上。-6-3三坐标测量仪3.1三坐标测量仪的简介三坐标测量仪是20世纪60年代发展起来的一种新型高效的精密测量仪器。它的出现，一方面是由于自动机床、数控机床高效率加工以及越来越多复杂形状零件加工需要有快速可靠的测量设备与之配套；另一方面是由于电子技术、计算机技术、数字控制技术以及精密加工技术的发展为三坐标测量仪的产生提供了技术基础。1960年，英国FERRANTI公司研制成功世界上第一台三坐标测量仪，到20世纪60年代末，已有近十个国家的三十多家公司在生产三坐标测量仪，不过这一时期的三坐标测量仪尚处于初级阶段。进入20世纪80年代后，以ZEISS、LEITZ、DEA、LK、三丰、SIP、FERRANTI、MOORE等为代表的众多公司不断推出新产品，使得三坐标测量仪的发展速度加快。现代三坐标测量仪不仅能在计算机控制下完成各种复杂测量，而且可以通过与数控机床交换信息，实现对加工的控制，并且还可以根据测量数据，实现反求工程。目前，三坐标测量仪已广泛用于机械制造业、汽车工业、电子工业、航空航天工业和国防工业等各部门，成为现代工业检测和质量控制不可缺少的万能测量设备。三坐标测量仪是指在一个六面体的空间范围内，能够表现几何形状、长度及圆周分度等测量能力的仪器，又称为三坐标测量机或三坐标量床。三坐标测量仪又可定义“一种具有可作三个方向移动的探测器，可在三个相互垂直的导轨上移动，此探测器以接触或非接触等方式传递讯号，三个轴的位移测量系统（如光栅尺）经数据处理器或计算机等计算出工件的各点（x，y，z）及各项功能测量的仪器”。三坐标测量仪广泛应用于机械制造行业，其测量精度包括尺寸精度、定位精度、几何精度及轮廓精度等。-7-3.2三坐标测量仪工作原理简单地说,三坐标测量仪就是在三个相互垂直的方向上有导向机构、测长元件、数显装置，有一个能够放置工件的工作台(大型和巨型不一定有)，测头可以以手动或机动方式轻快地移动到被测点上，由读数设备和数显装置把被测点的坐标值显示出来的一种测量设备。显然这是最简单、最原始的测量机。有了这种测量机后，在测量容积里任意一点的坐标值都可通过读数装置和数显装置显示出来。测量机的采点发讯装置是测头，在沿X，Y，Z三个轴的方向装有光栅尺和读数头。其测量过程就是当测头接触工件并发出采点信号时，由控制系统去采集当前机床三轴坐标相对于机床原点的坐标值，再由计算机系统对数据进行处理。3.3三坐标测量仪的分类(1)按三坐标测量仪的技术水平分类数字显示及打印型这类三坐标测量仪主要用于几何尺寸测量，可显示并打印出测得点的坐标数据，但要获得所需的几何尺寸形位误差，还需进行人工运算，其技术水平较低，目前已基本被陶汰。带有计算机进行数据处理型这类三坐标测量仪技术水平略高，目前应用较多。其测量仍为手动或机动，但用计算机处理测量数据，可完成诸如工件安装倾斜的自动校正计算、坐标变换、孔心距计算、偏差值计算等数据处理工作。计算机数字控制型这类三坐标测量仪技术水平较高，可像数控机床一样，按照编制好的程序自动测量。(2)按三坐标测量仪的测量范围分类小型坐标测量机这类三坐标测量仪在其最长一个坐标轴方向（一般为X轴方向）上的测量范围小于500mm，主要用于小型精密模具、工具和刀具等的测量。中型坐标测量机-8-这类三坐标测量仪在其最长一个坐标轴方向上的测量范围为5002000mm，是应用最多的机型，主要用于箱体、模具类零件的测量。大型坐标测量机这类三坐标测量仪在其最长一个坐标轴方向上的测量范围大于2000mm，主要用于汽车与发动机外壳、航空发动机叶片等大型零件的测量。(3)按三坐标测量仪的精度分类精密型三坐标测量仪其单轴最大测量不确定度小于1106L（L为最大量程，单位为mm），空间最大测量不确定度小于（23）106L，一般放在具有恒温条件的计量室内，用于精密测量。中、低精度三坐标测量仪低精度CMM的单轴最大测量不确定度大体在1104L左右，空间最大测量不确定度为（23）104L，中等精度三坐标测量仪的单轴最大测量不确定度约为1105L，空间最大测量不确定度为（23）105L。这类三坐标测量仪一般放在生产车间内，用于生产过程检测。3.4三坐标测量仪的机械结构(1)结构形式三坐标测量仪是由三个正交的直线运动轴构成的，这三个坐标轴的相互配置位置（即总体结构形式）对测量仪的精度以及对被测工件的适用性影响较大。(2)工作台早期的三坐标测量仪的工作台一般是由铸铁或铸钢制成的，但近年来，各生产厂家已广泛采用花岗岩来制造工作台，这是因为花岗岩变形小、稳定性好、耐磨损、不生锈，且价格低廉、易于加工。有些测量仪机装有可升降的工作台，以扩大Z轴的测量范围，还有些测量仪备有旋转工作台，以扩大测量功能。(3)导轨导轨是测量仪的导向装置，直接影响测量仪的精度，因而要求其具有较高的直线性精度。在三坐标测量仪上使用的导轨有滑动导轨、滚动导轨和气浮导轨，但常用的为滑动导轨和气浮导轨，滚动导轨应用较少，因为滚动导轨的耐磨性较差，刚-9-度也较滑动导轨低。在早期的三坐标测量仪中，许多机型采用的是滑动导轨。滑动导轨精度高，承载能力强，但摩擦阻力大，易磨损，低速运行时易产生爬行，也不易在高速下运行，有逐步被气浮导轨取代的趋势。目前，多数三坐标测量仪已采用空气静压导轨（又称为气浮导轨、气垫导轨），它具有许多优点，如制造简单、精度高、摩擦力极小、工作平稳等。气浮技术的发展使三坐标测量机在加工周期和精度方面均有很大的突破。目前不少生产厂在寻找高强度轻型材料作为导轨材料，有些生产厂已选用陶瓷或高膜量型的碳素纤维作为移动桥架和横梁上运动部件的材料。另外，为了加速热传导，减少热变形，ZEISS公司采用带涂层的抗时效合金来制造导轨，使其时效变形极小且使其各部分的温度更加趋于均匀一致，从而使整机的测量精度得到了提高，而对环境温度的要求却又可以放宽些。如图3.1三坐标测量仪的结构图3.5三坐标测量仪的使用方法(1)开机前的准备-10-三坐标测量机对环境要求比较严格，应按合同要求严格控制温度及湿度；三坐标测量机使用气浮轴承，理论上是永不磨损结构，但是如果气源不干净，有油、水或杂质，就会造成气浮轴承阻塞，严重时会造成气浮轴承和气浮导轨划伤，后果严重。所以每天要检查机床气源，放水放油。定期清洗过滤器及油水分离器。还应注意机床气源前级空气来源，(空气压缩机或集中供气的储气罐)也要定期检查；三坐标测量机的导轨加工精度很高，与空气轴承的间隙很小，如果导轨上面有灰尘或其它杂质，就容易造成气浮轴承和导轨划伤。所以每次开机前应清洁机器的导轨，金属导轨用航空汽油擦拭(120或180号汽油)，花岗岩导轨用无水乙醇擦拭；切记在保养过程中不能给任何导轨上任何性质的油脂；定期给光杆、丝杆、齿条上少量防锈油；在长时间没有使用三坐标测量机时，在开机前应做好准备工作：控制室内的温度和湿度(24小时以上)，在南方湿润的环境中还应该定期把电控柜打开，使电路板也得到充分的干燥，避免电控系统由于受潮后突然加电后损坏。然后检查气源、电源是否正常；开机前检查电源，如有条件应配置稳压电源，定期检查接地，接地电阻小于4欧姆。(2)工作过程中被测零件在放到工作台上检测之前，应先清洗去毛刺，防止在加工完成后零件表面残留的冷却液及加工残留物影响测量机的测量精度及测尖使用寿命；被测零件在测量之前应在室内恒温，如果温度相差过大就会影响测量精度；大型及重型零件在放置到工作台上的过程中应轻放，以避免造成剧烈碰撞，致使工作台或零件损伤。必要时可以在工作台上放置一块厚橡胶以防止碰撞；小型及轻型零件放到工作台后，应紧固后再进行测量，否则会影响测量精度；在工作过程中，测座在转动时(特别是带有加长杆的情况下)一定要远离零件，以避免碰撞。(3)操作结束后请将Z轴移动到下方，但应避免测尖撞到工作台；-11-工作完成后要清洁工作台面；检查导轨，如有水印请及时检查过滤器。如有划伤或碰伤也请及时与本公司联系，避免造成更大损失；工作结束后将机器总气源关闭。3.6三坐标测量仪的特点及主要用途从理论上讲，坐标测量机的特点是高精度（达到m级）、高效率（数十、数百倍于传统测量手段）、万能性（可代替多种长度计量仪器）。因而多用于产品测绘，复杂型面检测，工夹具测量，研制过程中间测量，CNC机床或柔性生产线在线测量等方面。一台坐标测量机综合应用了电子技术、计算机技术、数控技术、光栅测量技术（激光技术）、精密机械（包括新工艺、新材料和气浮技术）以及各种类型的测头系统等,能完成多种复杂零件的测量，还可以与计算机辅助设计连用，与加工设备连用等，用于产品的检验（形位测量、复杂型面的测量、工夹具模具测量、与CNC机床或柔性生产线在线测量），因此坐标测量技术已经在工业质量保证中找到了自己的特定地位。使用坐标测量机可以解决困难的测量问题，提高工作效率，并且节省专用夹具的制造，贮存，维修等工作。尤其在现代工业向高度自动化发展的今天，将CAD/CAM技术应用于测量机一一加工中心联机系统，测量机一计算机工作站一一数控机床（生产线）的联机系统将得到进一步的推广，在新产品开发和计算机管理的自动生产线上，测量机的使用将越来越多越来越广。-12-4快速成型技术4.1快速成型技术简介快速原型制造(RapidPrototyping，简称RP)技术，又称快速成型技术，是20世纪80年代后期首先在美国产生并商品化，90年代在全球迅速发展起来的制造新技术。快速成型技术与50年代的数控技术和最近20年发展起来的特种加工技术一样是一种全新的制造技术，是制造领域的又一重大突破，是先进制造技术群中的重要组成部分。它是一种基于离散堆积成型的数字化制造技术，集激光技术、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机数控技术(CNC)、精密检测技术、精密机械、精密伺服驱动和新材料技术等先进技术于一体的综合高新技术。它能根据CAD模型(电子模型)自动、直接、快速、精确地将设计思想物转化为具有一定功能的原型或直接制造零件，在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，解决了从设计到制造的快速对接问题，从而可以对产品设计进行快速评价、修改及功能试验，有效地缩短了产品的研发周期，满足了当今竞争日益激烈的市场对新产品快速开发和快速制造的要求。与此同时，经济全球化趋势正不断加强，各个领域的技术交流、经贸交流日益扩大，世界上发生的这些进步、变革与发展使当代制造业的生态环境、产业结构与发展模式等都发生了深刻变化，科学发展观对制造业提出了新的要求，我国制造业正面临着新的发展机遇与挑战。当前，制造业呈现如下发展趋势:(1)生产、经营及市场全球化；-13-(2)顾客需求个性化、多样化；(3)产品生命周期缩短，更新换代加速化；(4)产品高科技化；(5)市场竞争激烈化。因此，制造企业要想在21世纪求得生存和发展，就必须面对这一新的形势，不断研究或融合新的技术，并采取灵活多变的管理策略，适时向市场推出满足顾客需求的新产品、产品创新技术成为提高企业竞争力的关键。4.2快速成型技术的产生原因快速成型技术的诞生主要有两方面的原因:(1)市场拉动市场全球化和用户需求个性化为先进制造技术提出了新的要求。随着市场一体化的发展，市场竞争越来越激烈，产品的开发速度成为竞争的主要矛盾。同时用户需求多样化的趋势日益明显，因此要求产品制造技术有较强的灵活性，在不增加成本的前提下能够以小批量生产甚至单件生产产品。(2)技术推动新技术的发展为快速成型技术的产生奠定了技术基础。信息技术、计算机技术的发展、CAD/CAM技术的发展、材料科学的发展、新材料的出现、激光技术的发展为快速成型技术的产生和发展奠定了技术基础。快速成型技术就是在这样的社会背景下，在80年代后期产生于美国，并迅速扩展到欧洲和日本。由于RP技术的成型原理突破了传统加工中的塑性成形(如锻、冲、拉伸、铸、注塑加工等)和切削成形的工艺方法，可以在没有工装夹具或模具的条件下，迅速制造出任意复杂形状又具有一定功能的三维实体原型或零件，因此被认为是近二十年来制造技术领域的一次重大突破。4.3快速成型技术的基本原理快速成型技术的基本原理是一种将原型(或零件、部件)的几何形状、结构和所选材料的组合信息建立数字化描述模型，之后把这些信息输出到计算机控制的机电-14-集成制造系统进行材料的“添加”加工，通过逐点、逐线、逐面进行材料的三维堆砌成型，再经过必要的处理，使其在外观、强度和性能等方面达到设计要求，实现快速、准确地制造原型或实际零件、部件的现代化方法。4.4快速成型技术的优势(1)响应速度快与传统的加工技术相比，RP技术实现了CAD模型直接驱动，成型时间短。从产品CAD或从实体反求而获得数据到制成原型，一般只需要几小时至几十个小时，速度比传统成型加工方法快得多。这项技术尤其适于新产品的开发，适合小批量、复杂(如凹槽、凸肩和空心、嵌套等)、异形产品的直接生产而不受产品形状复杂程度的限制。还改善了设计过程中的人机交流，使产品设计和模具生产并行，从而缩短了产品设计、开发的周期，加快了产品更新换代的速度，大大地降低了新产品的开发成本和企业研制新产品的风险。(2)加工柔性高RP技术将复杂的三维加工技术分解成简单的二维加工的组合，制造工艺大大简化。因此，从理论上讲RP技术可以制造任意复杂形状的原型产品。从这个角度来讲，RP技术属于自由成型制造。其含义有两点，一是指可以根据原型或零件的形状，无需使用工具、模具而自由的成型;二是指不受形状复杂程度的限制，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。(3)节能、环保、绿色制造RP技术属于环保型技术，能源和原材料的利用率高，从理论上讲，原料利用率可达100%，而且产生的噪音小，环境污染少。4.5快速成型技术的分类RP技术的具体工艺不下30余种。根据其应用情况和商品化程度，最为典型的快速成型技术有以下四种：(1)光固化成型(StereoLithographyApparatus，SLA)-15-光固化成型的原理是:将激光聚焦到液态光固化材料(如光固化树脂)表面、令其有规律地固化，由点到线到面完成一个层面的建造，而后升降平台移动一个层片厚度的距离，重新覆盖一层液态材料，再建造一个层面，由此层层叠加成为一个三维实体。(2)分层实体制造(LaminatedObjectManufacturing，LOM)该技术采用激光或刀具对箔材进行切割。首先切割出工艺边框和原型的边缘轮廓线，而后将不属于原型的材料切割成网格状。通过升降平台的移动和箔材的送给可以切割出新的层片并将其与先前的层片粘结在一起。这样层层叠加后得到一个块状物，最后将不属于原型的材料小块剥除，就获得所需的三维实体。这里所说的箔材可以是涂覆纸(涂有粘结剂覆层的纸)，涂覆陶瓷箔、金属箔或其它材质基的箔材。(3)选区激光烧结(SelectiveLaserSintering，SLS)此技术采用激光对有很好密实度和平整度的粉末铺成的层面，有选择地直接或间接将粉末熔化或粘结，形成一个层面，铺粉压实，再熔结或粘结成另一层并与前一层熔接或粘结，如此层层叠加为一个三维实体。所谓直接熔结是将粉末直接熔化面连接；间接熔结是指仅熔化粉末表面的粘结涂层，以达到互相粘结的目的。粘结洗砂等非金属粉，以及金属粉如铁、钴、铬以及它们的合金。(4)熔融沉积制造(FusedDepositionModeling，FDM)FDM是指将热熔性材料(ABS、尼龙或蜡)通过加热器熔化，挤压喷出并堆积一个层面，然后将第二个层面用同样的方法建造出来，并与第一个层面粘结在一起，如此层层堆积而获得一个三维实体。4.6快速成型技术的应用概况根据不同的应用场合和需求，快速成型技术主要有4种层次的应用:(1)用于概念设计的原型。这种原型对精度和物理化学特性要求不高，主要要求成型速度快、精度适中、设备小巧、运行可靠、清洁、无噪音、操作方便。(2)用于功能测试的原型。此原型对强度、刚度、耐温性、抗腐蚀性有一定的要求，以满足测试要求;如-16-果用于装配测试，则对材料成型的精度还有一定要求。(3)用于制造模具或其原型。模具原型要求材料适应特定模具的制造要求，如对于消失模铸造用原型，要求材料易于去除。(4)用于制造功能零件。功能零件则要求材料具有较好的力学性能和化学性能。从RP技术的发展历程来看，最初主要应用于原型制造，随着研究的深入，现在很多研究者都致力于研究快速制造金属零件。国际统计资料表明，原型中的四分之一被用来作为可视化的手段，用于评估设计、协助设计模具、沟通设计者与制造商及工程投标；四分之一被用来进行装配和性能测试；四分之一以上用于协助完成模具制造。目前，快速成型技术在模具、家用电器、汽车、航空航天、军工制造、材料工程、玩具、轻工产品、工业造型、建筑模型、医疗器械、人体器官模型、生物材料组织、考古、电影制作等领域都得到了广泛的应用。快速成型技术是目前先进制造技术中发展最为迅速的一种，在短短一、二十年的时间里，已经由最初的原理研究发展到大规模实际生产应用。目前已有10多种比较成熟的工艺方法用于原型零件的制造。RP技术在产品开发中的关键作用和重要意义在实际应用中得到了很好的印证，不受形状或结构复杂程度的限制，可以迅速地将示于计算机屏幕上的设计变为可进一步评估的实物。根据原型，可对设计的正确性、造型合理性、可装配性和干涉，进行具体的检验。-17-53D打印5.13D打印的简介3D打印（3Dprinting），即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。5.23D打印技术的简介3D打印技术，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同，3D打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需-18-要众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。我们日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品，而所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料，打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。通俗地说，3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备，比如打印一个机器人、打印玩具车，打印各种模型，甚至是食物等等。之所以通俗地称其为“打印机”是参照了普通打印机的技术原理，因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。这项打印技术称为3D立体打印技术。眼下3D打印机有两种类型，一种是堆叠法，一种是烧结。原理基本都是多层分片打印，而堆叠和烧结只是成型技术的区别。堆叠只能成型塑料、硅之类的材质，对固化反应速度有要求，而烧结可以利用激光的高温对金属粉末进行处理加工出金属材质的东西出来，实体可通过打磨、钻孔、电镀等方式进一步加工。所以3D打印机和普通打印机，最大的区别是“墨水”。5.33D打印技术的优势三维打印技术的魅力在于它不需要在工厂操作，桌面打印机可以打印出小物品，而且，人们可以将其放在办公室一角、商店甚至房子里；而自行车车架、汽车方向盘甚至飞机零件等大物品，则需要更大的打印机和更大的放置空间。3D打印技术最突出的优势是无需机械加工或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。与传统技术相比，三维打印技术还拥有如下优势：(1)通过摒弃生产线而降低了成本；(2)大幅减少了材料浪费；(3)可以制造出传统生产技术无法制造出的外形，让人们可以更有效地设计出飞机机翼或热交换器；-19-(4)在具有良好设计概念和设计过程的情况下，三维打印技术还可以简化生产制造过程，快速有效又廉价地生产出单个物品。三维打印技术还有其他重要的优点。大多数金属和塑料零件为了生产而设计，这就意味着它们会非常笨重，并且含有与制造有关但与其功能无关的剩余物。三维打印技术不是这样的。在三维打印技术中，原材料只为生产所需要的产品”，借用三维打印技术，他的团队生产出的零件更加精细轻盈。当材料没有了生产限制后，就能以最优化的方式来实现其功能，因此，与机器制造出的零件相比，打印出来的产品的重量要轻60%，并且同样坚固。5.43D打印很火3D打印很火，原因有很多。在欧美，注重创造力的发达国家，3D打印技术已经成功商用，尤其是消费电子业、航空业和汽车制造业。它们不光可以离开传统的大规模机床来制造小数量的部件，而且可以用不同方法来制造，比如单个制作喷气式飞机上的空气动力导管，而不再需要很多不同的元件来组装它。用发展的眼光来看，3D打印首先会影响的是模具行业。即便在国内制造行业不景气的今天，模具行业仍然风景独好，一方面是对技术要求高，另一方面是市场有需求，在产品大规模生产之前，必须要进行多次打样和修改。3D打印机的出现，其实是消灭了模具反复打造的流程，能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，极大地缩短产品的研制周期，大幅减少成本投入，对于一些复杂而精细的造型，3D打印机表示毫无压力。其次是会引发个性风潮。对一些小厂家来说，迫于模具制造的高成本，往往会采用公模来生产，虽然在功能上能满足用户的需求，但千篇一律的造型，很难迎合时下个性化的发展趋势，所以卖不出高价，只能靠低价来吸引消费者。在机械化和流水线盛行的年代，人们对于手工的东西有特别的亲切感，即便价格昂贵数倍，也不愁找不到买家，原因是手工制作不可能有相同的，而且品质有保证。3D打印机的出现，一方面满足人们对个性化产品的追求欲，完全可以量身定制，另一方面在大大提高生产效率的同时，还能降低成本。-20-第三是激发了人的想象力。极客牙医用它进行牙齿正畸和数字化种牙，减少风险和痛苦；外科医生更厉害，直接打印骨头，只不过把材料换成添加了硅和锌磷酸钙，用于临床手术；汽车维修公司用它来打印稀缺的汽车零部件，原先要等全球物流下2个月才到的一个东西，1个小时搞定了；英国科学家还在3D打印机的基础上成功改造，使用液态巧克力作为“油墨”，可以打印各种形状的巧克力，几乎所有人都相信，3D打印机会成为食品界杀手级工具。5.53D打印的优缺点优点：一是最直接的好处就是节省材料，不用剔除边角料，提高材料利用率，通过摒弃生产线而降低了成本；二是能做到很高的精度和复杂程度，除了可以表现出外形曲线上的设计；三是不再需要传统的刀具、夹具和机床或任何模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件；四是它可以自动、快速、直接和精确地将计算机中的设计转化为模型，甚至直接制造零件或模具，从而有效的缩短产品研发周期；五是3D打印能在数小时内成形，它让设计人员和开发人员实现了从平面图到实体的飞跃；六是它能打印出组装好的产品，因此它大大降低了组装成本，它甚至可以挑战大规模生产方式。缺点：任何一个产品都应该具有功能性，而如今由于受材料等因素限制，通过3D打印制造出来的产品在实用性上要打一个问号。强度问题：房子、车子固然能“打印”出来，但是否能抵挡得住风雨，是否能在路上顺利跑起来？精度问题：由于分层制造存在“台阶效应”，每个层次虽然很薄，但在一定微观尺度下，仍会形成具有一定厚度。的一级级“台阶”，如果需要制造的对象表面是圆弧形，那么就会造成精度上的偏差；材料的局限性：目前供3D打印机使用的材料非常有限，无外乎石膏、无机-21-粉料、光敏树脂、塑料等。能够应用于3D打印的材料还非常单一，以塑料为主，并且打印机对单一材料也非常挑剔。5.63D打印的特点跟传统模型制作相比，3D打印具有传统模具制作所不具备的优势。(1)制作精度高。经过20年的发展，3D打印的精度有了大幅度的提高。目前市面上的3D打印成型的精度基本上都可以控制在0.3mm以下。比如3DSystem公司的ProjetSD6000/7000最高成型精度可以达到(0.0250.05)mm。相信这种精度可以满足大多数产品的需要。(2)制作周期短。传统模型制作往往需要经过模具的设计、模具的制作、制作模型、修整等工序，制作的周期长。而3D打印则去除了模具的制作过程，使得模型的生产时间大大缩短，一般几个小时甚至几十分钟就可以完成一个模型的打印。(3)可以实现个性化制作。正如开头所说的那样，今后个性化模型的生产对于传统模型制作工艺来讲要么显得力不从心，或是成本高昂。而3D打印对于打印的模型数量毫无限制，不管一个还是多个都可以以相同的成本制作出来，这个优势为3D打印开拓新的市场奠定了坚实的基础。(4)制作材料的多样性。一个3D打印系统往往可以实现不同材料的打印