快速成型研究.doc

毕业论文题目快速成型技术的研究现状与发展趋势学 院： 机电工程学院 学生姓名： 陈世 专业班级： 模具设计与制造 学 号： 2011120915 指导教师： 梁丰 二0一四年六月二十日目录摘 要IAbstractII第一章 绪论1第二章 快速成形技术的含义2第三章 快速成形的几种主要工艺方法33.1 立体光固化技术33.2 丝状材料选择性熔覆技术33.3 粉末材料选择性烧结技术43.4 薄型材料选择性切割技术43.5 三维打印法技术（TDP）4第四章 国内外RP技术的研究现状54.1 成形材料64.2 软件开发54.3 新工艺与装备开发7第五章 快速成型技术的发展趋势105.1 开发专用快速成形新设备105.2 开发新的成形原材料105.3 新型成形方法与工艺的研发10第六章 快速成型技术在河源市的发展及应用116.1 RP技术应用于新产品的开发 11 6.2 RP技术应用于单件、小批量和特殊复杂零件的直接生产116.3 RP技术应用于快速模具制造12第七章 我国快速成形技术发展中存在的问题14第八章 结论15参考文献16致 谢17摘 要快速成形是近30年来发展起来的特种加工技术，其优势在于三维结构的快速和自由制造，它被广泛应用于新产品开发及单件小批量制造。介绍了快速成型技术的含义、优越性及其特点，以及国内外RP技术的研究现状，并阐述了我国在中小城市快速成形技术的发展趋势。关键词：快速成型；特种加工；发展趋势 IAbstractRapid prototyping was developed nearly 30 years of special processing technology, its strength is fast and free manufacture of three-dimensional structure, it is widely used in the development of new products and single parts and small batch production.Introduces the meaning,advantage and characteristic of rapid prototyping technology,and RP technology research at home and abroad,and described the development trends of rapid prototyping in small and medium cities in China.Key words：Rapid Prototyping;Special processing;TrendsI第一章 绪论快速成形制造(RPM)是20世纪80年代末、90年代初由美国开发的高新制造技术，其重要意义可与数控（CNC）技术相比。该技术采用材料累加的新成形原理，直接通过CAD数据制成三维实体模型。这一技术不需要传统的机床、夹具、刀具，便可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件模型，从而实现了“自由制造”。快速成形出现给工业产品的造型开发、工艺品的模型设计提供了最为便捷的制造工具，使产品的开发速度数十倍地提高。而且越是复杂结构的物体，其制造速度提高越显著。美国的Wohlers协会是从事快速成形技术、市场、应用发展咨询的组织，每年对快速成形技术发展进行介绍、对市场发展进行分析、对新的发展趋势进行预测，在国际快速成形领域具有很强的影响力。第二章 快速成形技术的含义快速成形（Rapid Prototyping，简称RP）技术是20 世纪80 年代出现的一种全新概念的制造技术，被认为是近年来制造技术领域的一次重大创新，是先进制造技术的前沿科学。该技术能在短时间内得以发展，并在工程技术领域得到广泛应用，主要在于它打破了传统的制造模式（去除材料模式），利用离散-堆积的成形原理，无须任何工具，即通过计算机辅助设计、计算机信息处理、计算机数字控制、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体，依据计算机上构建的零件三维模型，对其进行分层切片处理，得到各层截面的二维轮廓信息数据，通过伺服驱动控制快速成形机的成形头按照被处理的信息数据进行运动，选择性地固化或切割一层层的成形材料，形成各层与理论轮廓非常接近的截面轮廓，并逐步顺序叠加成三维实体零件，从而实现快速完成任意复杂形状的原型和零件，大大缩短了新产品开发的周期，极大增强了企业的市场竟争力。第3章 快速成形的几种主要工艺方法快速成形技术经过近十几年的发展，根据不同材料已经开发出十几种成形方法，目前比较成熟、应用比较普遍的快速成形技术主要有立体光固化技术（SLA）；丝状材料选择性熔覆技术（FDM）；粉末材料选择性烧结技术（SLS）；薄型材料选择性切割技术（LOM）；三维打印法技术（TDP）等1。31 立体光固化技术立体光固化技术又称为液态光固化聚合物选择性固化，其原理：在计算机中构建三维实体模型，并对其模型进行分层切片处理，得到各层截面轮廓信息，从而控制激光束对液态槽中的光敏树脂表面进行扫描，被激光束扫描到的树脂（约十分之几毫米）产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层，从而完成一个层面轮廓的固化。一个薄层固化完成后，工作台下行一个层厚度的步距，便于固化好的树脂表面上再次敷上一层新的液态树脂，为下一层的扫描准备原材料，激光束不断重复扫描、工作台不断下降一个步距，直到整个原型制造完成。由于立体光固化成形的成形能源为激光束，光聚合反应是基于光的作用而非热的作用，故只需要功率较低的激光源。同时，由于没有热扩散，能保证聚合反应只发生在被激光束扫描点上，其加工精度高，原材料的损耗基本为零，能制造出各种形状复杂精密的零件2。32 丝状材料选择性熔覆技术丝状材料选择性熔覆又称为熔化沉积成形，其基本成形原理是成形机喷嘴在计算机控制下根据截面的信息做二维运动，其原材料（一般为直径在1.2mm以上的ABS、塑料、低熔点金属丝）由供丝机构不断送到喷嘴，并在喷嘴中加热融化，然后根据被处理过的分层切片信息有选择性的涂覆在工作台或工件表面上，待快速冷却后形成并完成一个轮廓截面（每层厚度范围在0.020.76mm），工作台下降一个步距，再进行下一轮的涂覆，如此循环，直至形成三维实体。33 粉末材料选择性烧结技术粉末材料选择性烧结又称为选择性激光烧结，辅助机构先在工作台上用辊筒铺一层专用金属粉末（或混合金属粉末）加热至略低于它的熔化温度，激光束在计算机的控制下按照截面轮廓的信息，对粉末场进行扫描，被扫描到的粉末温度升到熔点被融化且相互粘结，逐步得到各层轮廓。未烧结的粉末仍呈松散状，作为工件和下一层粉末的支撑。完成一薄层截面的烧结后，工作台下降一个步距，进行新一轮的铺料和烧结，不断循环，烧结形成三维实体。粉末材料选择性烧结其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。3.4 薄型材料选择性切割技术薄型材料选择性切割又称为分层实体制造，它是依据三维模型每一轮廓层，在计算机系统的控制下，用激光束对薄型材料（如背面涂有胶的复印纸）进行切割，逐步得到各层截面，并粘接在一起，形成三维工件。3.5 三维打印法技术三维打印法又称为三维喷涂粘结成形，它的工作过程类似于喷墨打印机，其工作原理为辅助机构在工作台面上铺一层粉末并压实，喷嘴按照三维模型的分层截面轮廓，选择性的在铺好粉末材料上喷射黏结剂，喷过粘结剂的材料被粘结在一起，没有被喷射黏结剂仍呈松散状，工作台和未成形工件下降一个步距，辅助机构重新铺粉，喷嘴重新在新的松散粉末喷射黏结剂，如此反复，直到形成三维实体3。第四章 国内外RP技术的研究现状4.1 成形材料目前开发成功并商业化应用的成形材料,主要有丙烯酸基光固化树脂、环氧基光固化树脂、涂覆纸、纤维混纺料、精铸石蜡、聚脂石蜡、ABS、MABS(医学用ABS) 、纤细尼龙(Fine Nylon) 、尼龙复合物(Ny2lon Composite) 、存真塑料( TrueFormTM) 、聚碳酸脂( Polycarbonate) 、金属粉末、覆膜陶瓷粉。 Cibatool公司的Cibatool SL5170 具有低收缩、低粘度的优点,在SL 工艺中得到最为广泛的应用。 Helysis 公司的涂覆纸,灰份低,可直接或间接用于消失模铸造。St ratasys公司开发纤维混纺料具有耐高温高压的特点,可直接制造塑料注塑模具。精铸石蜡、聚脂石蜡具有气化温度低、熔点低的特点,适用于消失模制造。MABS(医学用ABS) 强度高、熔点也高,可用于医学用原型制造。DTM公司开发的纤细尼龙,有较好的强度、刚度、耐热性和抗腐蚀性能,用于概念型和测试型制造。尼龙复合物是一种填充了玻璃微珠的尼龙,有很好的强度、刚度、耐热性和抗腐蚀性能,能制造微小特征,适合概念型和测试原型制造。存真塑料,熔点低、变形率低,适用于消失模制造。聚碳酸脂,价格便宜、熔点低,同样适合于消失模制造，金属粉末熔点高、强度高,用于制造功能零件或金属模具制造。覆膜陶瓷粉可用于制造陶瓷壳型。我国在材料方面进行的研究较少。现在研究的材料,主要有光固化树脂(SL用料) 、蜡及ABS( FDM用料) 、涂敷纸(LOM用料) 、树脂蜡(SLS用料) 、工程塑料和铸造覆膜砂等。西安交通大学配制了LPS系列用光固化树脂。清华大学成功地解决了用于FDM 工艺的蜡和ABS 丝材的制备。华中科技大学自行制备LOM工艺用纸。浙江大学进行了光固化树脂的固化和精度研究。北京隆源公司开发了可用于SLS工艺的工程塑料、精铸蜡粉体料等。4.2 软件开发软件是RPM 系统的灵魂。国外各主要RPM 系统生产商一般都开发自己的数据变换接口软件,如3D SYSTEMS 公司的ACES 和QuickCast ,Hellisys 公司的LOMSlice ,DTM 的Rapid Too1 ,St ratasys的QuickSlice , SupportWorks , Auto Gen , Cubital 的SoliderDFE , Sander Prototype 的ProtoBuild 和ProtoSupport 等。由于CAD 与RPM 的数据变换接口软件开发的困难性和相对独立性,涌现一批第三方接口软件,如由美国的Solid Concept 公司于1992 年推出的Bridge Works。经不断改进,现已发展到Ver sion 4.0以上。该软件可通过对STL文件特征的分析,自动添加各种支撑。由比利时的Materialise公司在1993 年推出的Magics ,现已发展到Version 4.2 ,包括Magics View ,Magics RP ,Magics SG,Contours Tools ,CT2Mode11er System ,Mimics和CTM 等7个模块,可以进行基于STL 文件的显示、错误检验、自动添加支撑、分层、制造时间估计等处理。它还提供了各种对CT 文件及IGES 文件的有效处理。该软件功能广泛、性能优良、界面美观,是一个优秀的第三方接口软件。由美国的Solid Concept 公司在1994 年推出的SolidView ,可以进行STL 文件的线框和着色显示,STL 文件的旋转、缩放等操作。同时,它还有错误修复、添加支撑等功。由美国的POGO 公司于1994 年推出的STL Manager ,主要用于STL 文件的显示和支撑的添加。由美国的Imageware 公司在1994 年推出的Surfacer2RPM ,为其Surfacer 软件增加用于快速原型制造数据处理的模块等等。第三方软件公司介入RP领域,与RP设备开发商捆绑销售成为一种趋势。如3D SYSTEM 公司与Imageware 公司达成协议,采用Imageware 的RP 系列模块作为“3D Systems SL Toolkit ”。SandersPrototype 公司也采用了STL2Manager 作为自己的数据接口。另外,德国的F &S 公司也购买了该软件的部分模块。在我国,上海联泰科技有限公司推出的RS 350 系列激光快速成形机,其前置处理软件也采用Magics ,采纳捆绑销售的方式,极大地提高了国内SL 设备的商品化水平。4.3 新工艺与装备开发RP 技术发展到今天,已经出现10余种不同的工艺方法,而且一些新的工艺方法和工艺装备开发仍然是一个热点。新工艺与成形设备开发的趋势是桌面化、功能化、专门化。作为新一代的概念型原型设备,它主要有Z2Corp 的Z 400 系列一种基于喷射粘结剂粘接粉末的工艺。其中的Z406型为彩色机,可同时或交替喷射4种颜色的粘接剂。每种颜色的喷头分别有400个喷嘴,其喷头采用HP公司HP 2000打印机喷头,如图4-1 所示。 图4-1 多色喷射粘结成形Object 的新机器Quadra23D Ink2J et 采用具有1536个喷嘴组成的阵列式喷头,在其运动方向的前后,各有一个紫外固化灯,边喷射边固。喷头阵列的宽度为60mm ,具有很高的成形效率。Solidimension 的3D 300C2LOM 工艺,改变了在典型LOM 工艺中采用激光切割涂覆纸的工艺方法。它采用刀片切割塑料薄膜,层间粘结不用加热热熔胶,而直接用粘结剂粘结。由于不使用激光器,设备本身的成本和运行成本大幅度下降,塑料薄膜的价格也远低于专用的涂覆纸。CAM2L EM 公司开发了基于LOM 原理的金属或陶瓷零件的制造工艺与装备,称为CAM2L EM。日本在新工艺技术开发方面,有许多独具特色的内容。由东京理研研制开发的,采用L ED发光管光源的光造型装置,可望大幅度降低设备成本。目前主要着力于光源的改进,以提高成形速度。设备的工作原理,如图4-2所示。 图4-2 LED陈列光造型法 大阪大学和东京理研共同研制的液晶投射光造型机,成形效率大幅度提高。目前主要是成形精度的进一步提高。帝人精机公司也在独立开发同样的设备。设备的工作原理,如图3所示。茨城大学前川克广教授研制开发的“绿带( Green Tape) ”成形工艺,其基本工艺原理是先把粉体材料与树脂粘结剂混合制成薄带状材料. 然后在自制的成形设备上,按照类似于LOM 工艺过程完成层片切割与层片粘接叠加,制造金属型和陶瓷型原型。低温冰型快速成形技术,是RP 新工艺技术开发中一项非常有新意的尝试,其工艺原理如图4-4所示。美国的Missouri2Rolla 大学和我国清华大学在该技术的研究开发上取得了重要进展,实现了基于冰模的陶瓷型精密铸造工艺,使这一技术趋于实用化。 图4-3 液晶投射光造型 图4-4 低温冰型快速成形工艺原理17第五章 快速成型技术的发展趋势 目前国内外快速成形技术的研究与开发的重点，主要集中体现在基本理论、新原材料、金属零件的直接制造以及生物技术与工程的开发与应用等，同时还要求更快的制造速度、更高的制造精度、更高的可靠性，使RP设备的安装使用外设化，操作智能化。具体说来，有以下几点：5.1 开发专用快速成形新设备近几年，快速成形设备的研制与开发主要几种表现在二个方面：即一是现有RP 设备性能的提高，二是RP 设备的研发。不同行业对成形设备有着不同个性化的要求，如机械制造行业，制造者希望成形机不仅能制造小型零件，同时还能制造如汽车大型覆盖件。而作为医用设备，受工作环境及条件的限制，医务工作者希望其设备的体积小，噪声小。因此针对不同行业的不同需求，针对性的开发出合适的快速成形设备是非常有必要的4。 5.2 开发新的成形原材料市场上应用于RP制造中的原材料主要有液态光固化聚合物、热塑性材料、纸基片材、金属粉、塑料、蜡等，它们与一些市场化的产品所采用的材料还存在一定的差距，很大程度上导致其RP制造的产品只能作为样品在市场上流通。RP技术的跨越式发展还得依赖于新型快速成形材料的开发以及成形精度和速度的控制的研究。其中，发展全新的RP 材料，特别是复合材料（如纳米材料、非均质材料、传统方法难以制作的复合材料），已是当前RP成形材料研究的热点。5.3 新型成形方法与工艺的研发目前，快速成形技术的成形精度还不高，一般精度等级还只能达到0.01mm，表面粗糙度也还较差，均还有待进一步提高。市场上流通的快速成形工件，其主要的缺陷还是在于零件的强度和韧性不能完全满足实际工程需求。因此，如何在现有设备的基础上完善并开发出成形精度高、强度和韧性好，设备运行成本低，是当前机遇要解决的问题4。第六章 快速成型技术在河源市的发展及应用 河源市是广东省的一个山区是，是比较知名的旅游城市。自2001年开始实行工业立市以来，已经有多家企业进驻河源。诸如，龙记金属制品有限公司、西可通讯有限公司、永勤实业有限公司等等。随着多家企业的进驻，快速成型技术也不断地在河源应用和发展起来。6.1 RP技术应用于新产品的开发 河源的多家企业都需进行新产品的开发，而RP技术在河源的首要应用是进行新产品开发的设计验证和模拟样品的试制。新产品的开发过程一般为产品的概念设计（或创新设计）造型设计结构设计功能评估模拟样品试制。如果用传统方法，需要完成绘图、工艺设计、工装模具制造等多个环节，周期长、费用高。如果不进行设计验证而直接投产，则一旦存在设计失误，将会造成极大的损失。RP技术科快速地讲产品设计的CAD模型转换成物理实物模型，这样可以方便地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，发现设计中的问题可及时修改，这样可缩短生产周期，节省生产成本，提高企业的市场竞争力。另外，RP技术在进行新产品开发时也可用于供货询价和市场宣传。RP技术可领先生产出新产品样品样件并进行一些物理方面的功能测试、装配验证、实际外观效果审视，根据这些结果来面向市场进行供货询价，并提前进行市场宣传，使新产品能够更快地与市场需求相融合。6.2 RP技术应用于单件、小批量和特殊复杂零件的直接生产河源有多家企业是生产塑料产品的，RP技术对以塑料结构为主的产品还可以进行小批量生产，将产品小批量组装先行投放市场，达到投石问路的目的。除塑料产品外，对于高分子材料的产品，可用高强度的工程塑料直接快速成型，满足使用要求；对于复杂金属零件，可通过快速铸造或直接金属件成型获得。6.3 RP技术应用于快速模具制造众所周知，产品的生产离不开模具，尤其是注塑、铸造、锻压等加工工艺。但是模具的开发、制作时间以及成本，往往是整个产品开发时间与成本的主要部分，既需要时间，又需要投入大量的资金。同时当前市场状况发生了巨大变化，顾客需求越来越多样化，产品的更新周期越来越短，生产由少品种大批量转化为多品种小批量，市场需要促使制造商不得不加快产品的研发周期。RP技术在河源也应用于快速成型模具制造。快速模具制造方法有两种：一种为间接制模，间接制模是以快速成型为模型采用某种工艺制造模具；另一种为直接制模，直接制模实在快速成型制造设备上直接制造模具，即根据制品形状设计了解模具的三维实体模型或将零件模型转换为型腔模型，选择专用材料，利用快速成型技术制造模具。在快速制模技术中，制造出尺寸精度比较高的快速成型时前提。用快速成型制造母模，浇注蜡、硅橡胶、环氧树脂、聚氨酯等软材料，可构成软模具。河源市主要的快速成型模具为硅橡胶模具。硅橡胶制模制造工艺是一种比较普及的快速模具制造方法。由于硅橡胶模具具有良好的柔性和弹性，能够制作结构复杂、花纹精细、模斜度甚至具有倒拔模斜度以及具有深凹槽类的零件，制作周期短，制件质量高，因为备受关注。由于零件的形状尺寸不同，对硅橡胶模具的强度大小要求也不一样，因而制模方法也有所不同。硅橡胶模具能经受重复使用和粗劣操作，能保持制件原型和批量生产产品的精密公差，并能直接加工出形状复杂的零件，免去酰削和打磨加工等工序，而且脱模十分容易，大大缩短产品的试制周期，同时模具修改液很方便。此外，由于硅橡胶模具具有很好的弹性，对凸凹部分浇注成型后也可直接取出，这是它的独特之处。应用RP技术进行硅橡胶模具制作的工艺流程为：使用UG/Solid Edge等软件进行三维实体造型，以STL文件格局保留；将文件输入快速成型机作出制件原型，处理后作为硅橡胶母模；组合模框后将硅橡胶和固化剂的混合物浇注于框中，通过真空脱泡、固化后剖切掏出母样即得硅胶模；最后在真空注型机中浇注塑料样件。以下为制作硅胶模具的工艺流程：树脂浇注浇注硅胶模和固化剂的混合物分模固化制作模框RP快速成型制作母件生成STL文件CAD三维造型软件第七章 我国快速成形技术发展中存在的问题我国快速成形技术自20世纪世纪90年代初开始发展，西安交通大学、清华大学、华中科技大学、北京隆源公司等院校和企业在典型的快速成形设备、软件、材料等方面的研究和产业化方面的获得了重大进展。随后国内许多高校和研究机构也开展了相关研究，重点在金属成形方面开展研究，如西北工业大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学、上海交通大学、中北大学、中国工程物理研究院等单位都在做探索性的研究工作。我国快速成形技术的研究工作基本与国际同步。在快速成形技术新设备研发和应用方面我国则落后于国外。由于我国在这方面的投入少，企业的应用开发能力弱，故相对于欧美国家，在新技术的开发上已显落后。例如三维彩色打印技术缺少研究与开发。在应用上，我们许多行业缺少后续技术研发，例如在快速制造的原型向模具和功能零件转化方