快速原型制作.doc

工程技术学院 现代制造系统课程设计题 目： 快速原型制造技术的研究 专 业： 工业工程 年 级： 2008级 学 号： 20081284 姓 名： 田治洲 指导教师： 张老师 日 期： 2011-10-28 快速原型制造技术学号：20081284 姓名：田治洲 班级：08工业工程摘要;制造业是讲可用资源与能源，通过制造过程转化为可供人使用或利用的工业品或生产消费的行业。随着全球经济一体化的形成，制造业的竞争更其激烈，产品开发速度和能力成为制造行业竞争的基础。同时，制造行业为满足日益变化的个性化市场需求，有要求制造技术有很高的灵活性，甚至以小批量或单件生产而不提高生产成本。因此产品开发的速度和制造技术的柔性变得十分关键，快速原型制造（RAPID PROTOTYPING 以下简称RP）技术是九十年代发展起来的一项高新技术。自一九八八年第一台商品成型机问世以来，RP技术在发达国家制造业企业的新产品开发活动中得到了迅速的推广应用，大大缩短了新产品的研发周期，确保了新产品的上市时间和新产品开发的一次成功，从而明显提高了产品在市场上的竞争力和企业对市场的快速反应能力。关键词;快速、原型、制造技术、CAD前言 随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈，产品的开发速度日益成为竞争的主要矛盾。同时，制造业需要满足日益变化的用户需求，又要求制造技术有较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产而不增加产品的成本。因此，产品开发的速度和制造技术的柔性变得十分关键。 快速原型制造技术（Rapid Prototyping Manufacturing）就是在这样的社会背景下产生的。八十年代后期，RPM技术在美国首先产生并商品化。从那时起，RPM技术就一直以离散堆积原理为基础和特征。由于工艺过程无需专用工具，工艺规划步骤简单，总的来说，制造速度比传统方法快的多。RPM技术涉及CAD技术、数据处理技术、数控技术、测试传感技术、激光技术等多种机械电子技术，材料技术和计算机软件技术，是各种高科技技术的有机综合、交叉应用。一、RP技术简介 快速原型制造技术，又叫快速成形技术，（简称RP技术）； 英文：RAPID PROTOTYPING（简称RP技术），或 APID PROTOTYPING MANUFACTUREING，简称RPM。 RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。但是，其基本原理都是一样的，那就是分层制造，逐层叠加， 类似于数学上的积分过程。形象地讲，快速成形系统就像是一台立体打印机。二、RPM技术的原理： RPM技术，是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体和技术总称。 RPM技术采用离散/堆积成型原理，其过程是：先由三维CAD软件设计出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型；然后根据工艺要求，将其按一定厚度进行分层，使原来的三维电子模型变成二维平面信息（截面信息），加入加工参数，产生数控代码；微机控制下，数控系统以平面加工方式，有序地连续加工出每个薄层，并使它们自动粘接而成形，这就是材料堆积的过程。不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。但是，其基本原理都是一样的，那就是分层制造，逐层叠加， 类似于数学上的积分过程。形象地讲，快速成形系统就像是一台立体打印机。它可以在没有任何刀具、模具及工装卡具的情况下，快速直接地实现零件的单件生产。根据零件的复杂程度，这个过程一般需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。，要17天的时间。换句话说，RP技术是一项快速直接地制造单件零件的技术。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SLA、SLS、LOM和FDM等方法。其成形原理分别介绍如下： （1）SLA快速成形系统的成形原理： 成形材料：液态光敏树脂； 制件性能：相当于工程塑料或蜡模； 主要用途：高精度塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。 （2）SLS快速成形系统的成形原理： 成形材料：工程塑料粉末； 制件性能：相当于工程塑料、蜡模、砂型； 主要用途：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。 （3）LOM快速成形系统的成形原理： 成形材料：涂敷有热敏胶的纤维纸； 制件性能：相当于高级木材； 主要用途：快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。 （4）FDM快速成形系统的成形原理： 成形材料：固体丝状工程塑料； 制件性能：相当于工程塑料或蜡模； 主要用途：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。 1快速成形技术的基本过程：（1）由CAD软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体模型；（2）将三维模型沿一定方向（通常为Z向）离散成一系列有序的二维层片（习惯称为分层）；（3）根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代码；（4）成形机制造一系列层片并自动将它们联接起来，得到三维物理实体。 2RPM技术的实现流程： 3RPM技术的特点（1）高度柔性，可以制造任意复杂形状的三维实体；（2）CAD模型直接驱动，设计制造高度一体化；（3）成形过程无需专用夹具或工具；（4）无需人员干预或较少干预，是一种自动化的成形过程；（5）成形全过程的快速性，适合现代激烈的产品市场；（6）技术的高度集成性，既是现代科学技术发展的必然产物，也是对它们的综合应用，带有鲜明的高新技术特征。三、RPM技术的主要方法1.选择性液体固化选择性液体固化的原理是：将激光聚集到液态光固化材料（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，由此层层迭加成为一个三维实体。该方法的典型工艺有立体光刻(SL，Stereo lithography) 2. 选择性层片粘接 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接在一起，这样层层迭加后得到下一个块状物，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。层片添加的典型工艺是分层实体制造LOM，Laminated Object Manufacturing3. 选择性粉末熔结/粘接 对于由粉末铺成密实和平整的层面，有选择地直接或间接将粉末熔化或粘接，形成一个层面，铺粉压实，再熔结或粘接成另一个层面并与原层面熔结或粘接，如此层层叠加为一个三维实体。其典型工艺有选择性激光烧结(SLS，Selective Laser Sintering)和三维印刷（3DP，3D Printing）等。4. 挤压成形 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，并与前一个层面熔结在一起，如此层层堆积而获得一个三维实体。其典型工艺为熔融沉积成型（FDM，Fused Deposition Modeling）5. 喷墨印刷 喷墨印刷Ink-Jet Printing是指将固体材料熔融，采用喷墨打印原理（汽泡法和晶体振荡法）将其有序地喷出，一个层面又一个层面地堆积建造而形成一个三维实体。四、快速原型制造技术在艺术品领域的应用 绘画、雕塑等艺术品是艺术家的思想、激情或灵感的物化表达方式,给人以美的享受和精神的陶冶。快速原型制造技术为艺术家以三维形式更细腻、形象、准确、生动、迅速地表达自己的思想感情提供了一种新的手段,也为珍稀艺术品的复制、艺术品形式的多样化提供了有力的工具。 快速原型制造技术在艺术家创作中的应用。艺术家在利用陶瓷、玻璃、石材及其它材料进行三维艺术创作时,从创作灵感的萌发到作品的完成需经历几个月乃至几年的时间,其中绝大多数时间为创作思想物化过程中,为力求三维表达的准确而作的逐步修正,以及艺术品制作过程中因各种失误造成残缺而从头反复。当采用快速原型制造技术时,艺术家的思想可以首先转化为计算机的CAD三维造型,CAD造型满意后,即直接通过快速原型制造系统快速制作三维物化作品,判断构思的合理性和作品表达自己思想的准确性。如不满意,可回到计算机修改CAD模型,将原作品所用成型材料再生后又用于新的修改作品制作,直至满意为止,最后将作品根据材料要求,通过快速的添加法直接成型、三维雕刻、喷涂、制模等途径完成,可大幅度降低创作过程的时间和费用。 快速原型制造技术在珍稀艺术品复制或修复中的应用。在考古及保存过程中都可能造成艺术品破损,传统的人工修复方法对修复人员要求有高超的技艺和丰富的经验,且往往要花费较长的时间。利用快速原型制造技术在三维CAD构型阶段的反求技术,在对原艺术品的材料与造型进行全面分析的基础上,可对原艺术品的色彩、形体进行重构,之后借助快速原型制造系统迅速制作出与原品近乎相同的复制品,为艺术品原品的修复提供直接的参考。此外,为使珍稀艺术品被更多人学习和欣赏,也可采用快速原型制造技术快速、准确地制作复制品,充分实现原作品的艺术价值。快速原型制造技术在艺术品形式多样化方面的应用。我国拥有众多传世的艺术珍品,如清明上河图,原品以绘画形式表述当时的社会民情。利用快速原型制造技术,可以探索赋予这类珍品以更加丰富多彩的表现形式。如利用反求工程中的重构技术,以绘画形式的作品为基础,构建出其中人物、建筑等的三维形态,进而用快速原型制造系统制作出三维的清明上河图,从而为爱好者欣赏艺术提供更多的选择。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）与後处理（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、某些工程塑料和纸等几种。用这些材料制成的零件，即使经过後处理也大多不能作为真正的机械零件使用。而以金属材料作为RP的处理对象来直接生产金属零件和模具的工艺尚不十分成熟，如何提高直接金属成形件的尺寸精度、表面质量和机械性能并降低成本，尚有许多工作要做。 设备投资大、材料费用高。RP工艺的研发成本高，这种研发成本必定转移到相应的工艺装备上去，加之RP设备属小批生产，因而其价格居高不下，即使是相对便宜的概念型RP设备，其价格也不太低（五、六万美元）。此外，RP工艺对材料有特殊要求，其专用成形材料价格相对偏高。设备和材料的价格也影响了RP技术的普及应用。 尽管现阶段RP所擅长处理的材料、成形精度与速度、价格等方面还存在一些问题，但随着其理论研究和实际应用不断向纵深发展，这些问题将得到不同程度的解决。可以预期，未来的RP技术将会更加充满活力。五、参考文献1、高等院校教材工业工程系列-现代制造系统著作者：张明宝、周根然、庄品 ；出版日期： 2005-8-1；出版社：科学出版社2、快速原型制造技术的发展和应用，/art_4934.html3、快速制造技术介绍快速制造技术介绍，/forming.htm4、快速原型制造，/view/3553987.htm六、附件Title：Rapid Protoyping Manufacturing, RPMAbstrac：Manufacturing technology manufacturing is available resources and energy speak, through the manufacturing process into to use or use of industrial goods or production consumption industries. With the economic globalization, and manufacturing particularly fierce competition, product development speed and ability to become the manufacturing industry competition basis. At the same time, the manufacturing industry to meet the personalized changes day by day the market demand for manufacturing technology has high flexibility, even in small batches or single production without raising the cost of production. So the speed of product development and manufacturing technology of the flexible become very key, RAPI