快速成型制造技术的应用及开发重点

1、第24卷增刊辽宁工程技术大学学报2005年4月V ol.24Suppl. Journal of Liaoning Technical University Apr. 2005文章编号:1008-0562(2005增刊-0221-03快速成型制造技术的应用及开发重点王西建,徐平,高奇(辽宁工程技术大学机械工程学院, 辽宁阜新 123000摘要:从快速成型制造技术的基本原理出发,探讨了其主要工艺方法、工艺过程、特点、应用领域及研究现状;论述了其发展目标应为实现各类产品或零部件的快速、低成本、高精度、直接的成型制造,其进一步开发重点应为材料、能源、运动机构、工艺的创新,设备性能的提高等,以期推动快速

2、成型制造技术在产品开发和制造业中的迅速发展和应用。关键词:快速成型;先进制造技术;应用领域;开发重点中图分类号:TG 49 文献标识码:AApplication and research emphasis of rapid prototyping technologyWANG Xi-jian, XU Ping, GAO Qi(College of Mechanical Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000 China Abstract:Based on the principle of rapid prototypin

3、g technology, main craft method, technological process, characteristic, application field and research situation are proposed; development goals of realizing kinds of products manufactured in a fast, low cost, high accuracy and direct prototyping way are discussed; development emphasis in the future

4、 that innovation of material energy, movement organization, craft, and improvement of equipment performance are narrated, in order to promote development and application of the rapid prototyping manufacture technology in product developing and manufacturing.Key words:rapid prototyping;advanced manuf

5、acturing technology;application field;develop emphasis0 引 言快速成型制造技术(RPT是20世纪80年代末出现的成型方式,是先进制造技术的重要组成部分。在目前产业策略以市场响应速度为第一的状况下,RPT以其可以缩短产品开发周期,降低开发成本,提高企业的竞争力,带来巨大的经济效益而越来越引起人们的重视,也成为机械制造领域的一个重要研究课题。近年来,随着扫描振镜性能的提高,以及材料科学和计算机技术的发展,RPT已日趋成熟,并于1994年正式进入推广普及阶段。近十多年来RPT水平和应用领域等方面均得到了迅速的发展,越来越多的快速成型技术和设备投

6、入到实际应用中,大大缩短了用户和制造商需求距离,满足了市场的需求。本文着重介绍了快速成型技术的应用领域和进一步的开发重点,以期推动快速成型技术在产品开发和制造业中的迅速发展和应用。1 RPT的基本原理RPT从成型思想上突破了传统的去除成型(车、铣、刨、磨、钳等方法和受迫成型(锻压、铸造粉末冶金等方法,它采用逐点或逐层堆积材料的方法制造物理模型,属于离散/堆积成型方法,即分层实体制造。通过对任意复杂的CAD三维模型分层切片得到各层的截面轮廓。RP系统成型头(扫描头或喷头在计算机控制下按照切片处理截面轮廓进行扫描,激光束选择性的切割纸(或固化液态树脂,烧结粉末材料,喷射粘结剂和热熔材料等得到一层层

7、截面,再通过截面逐层叠加形成三维实体,完成CAD模型到三维实体的转换。2 目前RP的主要工艺方法RP工艺发展非常迅速,目前已经有十多种成型工艺。主要工艺方法有1:(1立体印刷(SLA用激光束对液态光敏树脂选择性逐层扫描固化,叠加形成三维实体;(2分层实体制造(LOM用激光束和加热辊对薄形材料(如底面涂胶的纸、塑料带、金属箔等进行选择性切割和逐层粘结,叠加形成三维实体;收稿日期:2004-12-10作者简介:王西建(1979-,男,陕西汉中人,硕士研究生。本文编校:焦 丽辽宁工程技术大学学报第24卷222(3选择性激光烧结(SLS用激光束对粉末材料(腊粉、塑料粉、覆膜陶瓷和金属粉等进行逐层选择性

8、烧结,叠加形成三维实体;(4熔化沉积成型(FDM用逐步送入热熔丝状材料(如塑料丝的方法选择性逐层熔覆,叠加形成三维实体;(5三维立体印刷(3D-P用逐层铺粉末材料,选择性喷射粘结剂的方法,叠加形成三维实体;(6固基光敏液相法(SGC用光掩膜法逐层固化液态光敏树脂的方法,叠加形成三维实体;(7热塑性材料选择性喷洒(Ink-jet用逐层选择性喷洒热塑性材料的方法,叠加形成三维实体。3 RP的工艺过程尽管存在许多种快速成型技术,但是都有以下几步工艺过程2,如图1 。 图1 快速成型工艺过程 Fig. 1 Process of Rapid Prototyping4 RPT的特点RPT与激光技术,材料科

9、学、数控技术、现代设计方法学、检测技术、CAD、机械科学、电子技术等学科与技术息息相关,高度的技术集成,实现了材料提取过程一体化与设计(CAD和制造(CAM一体化。RPT将一个复杂的三维加工过程简化成一系列二维加工过程的组合,与传统的去除材料成型方法形成鲜明对比。RPT具有以下特点:(1成型的复制性、互换性高;(2高效率,高度的柔性,制造工艺与制造成型的几何形状无关,可迅速制造出自由曲面和任意复杂形态的零件;(3可以实现自由制造,与传统制造方法结合,可以实现快速模具制造和快速铸造3,为传统制造方法注入新的活力,特别适合于新产品的开发和单件小批量生产;(4加工周期短、成本低,一般费用可降低50%

10、以上,周期缩短70%以上;(5无切割废料、噪音和振动等,有利于环保;(6夜间也可以实现完全自动化生产。5 RPT的应用RPT的应用领域几乎覆盖了制造领域的各个行业。在美学、人体工程、文物保护建筑业等行业也得到了越来越广泛的应用。PRT的主要应用方面有:(1产品设计验证与功能测试 RPT可以快速实现产品设计的CAD模型到物理实物模型的转换,可以方便地验证设计思想和产品结构的合理性、可装配性、美观性,发现设计中的问题及时修改,可以大大缩短制造周期,降低费用,减小风险;(2可制造性、可装配性检验对复杂系统的可制造性和可装配性用RPT进行检验和设计,将大大降低设计制造难度。对于难以确定的复杂零件,用R

11、P进行试生产可以确定最佳的合理的工艺;(3产品供货询价、市场宣传 RPT是产品从设计到商品化各个环节中进行交流的有效手段。(4单件、小批量和复杂零件的直接生产对于高分子材料的零部件,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获得4。(5快速模具制造和快速铸造通过各种转换技术可以将RP成型转换成各种快速模具,以适应市场激烈竞争条件下,产品多品种、小批量复杂零件生产的发展趋势,缩短生产制造周期,降低生产成本和风险。6 RPT的现状及进一步开发重点现在越来越多的机构从事快速成型设备、工艺和相关应用软件的研制开发工作,越来越多的企业利用PRT直接为生产

12、和新产品开发服务。在国外,许多世界著名大学和研究机构投入了大量经费和人力进行了RPT的研究,美国一直处于领先地位,英国、日本、德国,比利时等国的学术、研究单位也投入了力量积极开展这方面的工作,且卓有成效。国内的研究起步于20世纪90年代初,清华大学、华中理工大学、西安交通大学、西北工业大学、华北工学院、北京隆源公司等在快速成型工艺、设备、材料、软件方面做了大量的研究和开发工作,取得了很大进展,有些已经产业化。RPT发展到今天,已经趋于完善和发展,各种新的成型工艺不断涌现。展望该技术的进一步走向,增 刊 王西建等:快速成型制造技术的应用及开发重点 223其发展目标应为实现各类产品或零部件的快速、

13、低成本、高精度、直接的成型制造。为此, RPT进一步的研究和开发的重点有:(1优化产品信息的采集与处理 以现有三维CAD模型构造技术为基础,进一步与成型材料的成分、组织、性能分析相结合,形成成型的几何造型与物理性态的构建、分析为一体的CAD综合构造模块。在三维模型构造思路上,融入反求工程5,能对已有产品的构造、材料等信息进行快速、准确地采集与处理,为新产品的剖析与改进,拓展新产品开发思路提供参考。开发快速成型的高性能软件,改进切片处理技术,降低切片处理带来的转换误差,以提高制件的精度。完善RP系统与CAD系统的接口,制定更加科学、兼容性与交换性好的国际统一的数据交换标准,探索更有效的三维模型数

14、据离散模式。(2开发新的成型材料成型材料是决定RPT发展的基本要素之一。加工对象和应用方向的侧重点不同,使用的材料不同,与RP制造的4个目标(概念型,测试型,模具型、功能零件相适应,对材料的要求也不同。目前应用较多的成型材料及其形态有液态树脂类、金属或陶瓷粉末类、纸、塑料薄膜或金属片(箔类等,存在材料成本高、过程工艺要求高、制成成型的表面质量与内在性能还欠理想等不足。进一步的研究课题包括开发成本与性能更好的新材料、开发可以直接制造最终产品的新材料、研究适宜快速成型工艺及后处理工艺的材料形态、探索特定形态成型材料的低成本制备技术、造型材料新工艺等。(3提高成型制造采用的能源性能 当前RPT所采用

15、的能源有光能(SLA、SLS、SGC等、热能(FDM、焊接成型技术等、化学能(3D-P等、机械能(数控加工等。在能源密度、能源控制的精细性(包括能源本身的精细性,如激光光斑的大小;能源运动控制机构的精度等、成型加工质量等方面均需进一步提高。(4研究新的成型制造方式当前RPT的方式基本为按照成型的三维模型构造,逐层叠加材料制作出三维产品。另外一种更理想的成型制造方式为生物生长成型制造,即借鉴生物生长的原理与方法,利用材料的活性,通过基因型生长信息控制机制,控制生长元自行形成具有特定构造与性能的实体,把信息过程和物理过程有机结合,实现以全息生长元为基础的智能材料自生生长,建立智能制造的新模式。(5

16、开发经济、高效的快速成型制造系统 经济性是RPT普及的关键,高效是RPT与传统模式相竞争的基础。现有的快速成型制造系统在这两方面还有一定不足。进一步的研究课题包括在确保功能的前提下,通过材料、能源、运动机构、工艺的创新,提高RP设备的性能、提高加工效率和质量、增强制作大件的能力、提高成型的速度,加工精度和表面质量,推出经济实用的性价比较高的系统。(6拓展RPT的应用领域 当前RPT主要应用于新产品的开发方面,目的是缩短开发周期,探询用户与市场反应。进一步可通过生物医学领域的计算机辅助断层扫描(CT、核磁共振成像(MRI、三维B超等与反求技术(RE手段的有机结合,实现对现有产品的快速仿制、剖析、

17、改进。(7开展远程制造随着网络技术的发展和普及,以及集成化的研究,设计和制造人员可以通过各种桌面系统直接控制制造过程,实现设计和制造过程统一协调和无人化,实现异地操作与数据交换。用户可以通过网络将产品的CAD数据传给制造商,制造商可以根据要求快速的为用户制造各种制品,从而利用实现远程制造6。7 结 语RPT已经成为并行工程和敏捷制造的一种技术途径。随着快速成型制造系统成本的不断降低与制造成型性能的不断提高,必会形成以快速成型制造系统为核心的微型制造中心格局,将会对制造型企业的构建形式、运作方式、管理模式均带来巨大的变革。RPT的发展也将为各相关学科的发展增添新的研究内容,推动相关技术产业的发展。参考文献:1 朱林泉,白培康,朱江淼.快速成型与快速制造技术M.北京:国防工业出版社,2003.8-14.2 William Palm. Rapid Prototyping prime