快速原型技术的应用

1、机械工程学院先进技术制造论文题目：快速原型制造技术的发展和应用专 业：机械设计制造及其自动化班 级：10B2学生学号：学生姓名：二。一三 年 月快速原型制造技术的发展和应用摘要 : 十几年前兴起的快速原型制造(RP， Rapid Prototyping )技术，与传统的去除型加工不同，乃是一种基于离散/ 堆积原理的“生长型”加工，也称为分层叠加成形。所谓离散 / 堆积原理，是指在计算机的管理与控制下，先将模型离散成一层层截面轮廓信息，然彳爰在RP成形设备上依次制造出各个片层并逐层粘结成一体，从而堆积出三维实 体制件。显而易见，RP是在零件CAD真型的驱动下快速制造出任意复杂形状实体的技术。RP

2、 工艺极大地依赖于材料本身的特性，所处理的材料既要首先能够满足离散/ 堆积成形的特殊要求，又要能进行彳爰处理和成形彳爰具有必要功能，因此RP工艺所擅长处理的材料目前只限于树脂、蜡、某些工程塑料和纸等几类，与制造领域广泛使用的金属等 高强度材料尚有距离，故以往多用于产品开发过程制造物理原型件，也就是说RP最初是作为复杂形状构件原型的成形方法出现的，故称之为“快速原型制造”。如果进一步细分，物理原型件又可分为概念原型和功能原型两类。概念原型主要是展示制品的立体形态和结构，供人多角度观察和用手触摸，比计算机上的虚拟原型具有 更强的真实感。它不仅有助于激发设计者的创新火花，还能促进设计部门与其它部门和

3、 客户进行深入交流。功能原型则不仅要给人提供视觉和触觉反馈，而且还可以进行装配 检查(现在有的概念原型也有此要求)以及承受传热、流体力学等性能实验。以母模为基础来制造各种模具，速度快、成本低，但母模特别是形状复杂的母模获取不易，而RP技术很易将体现设计构思的CAD真型变为非金属材料的母模，为快速制模(RT, Rapid Tooling )技术注入了新的活力，RP与RT的结合(RP+RT是快速原型 技术应用领域最重要的扩展。除此之外，人们也正将RP技术应用于微纳米制造领域。RP 技术不只在制造业的应用方兴未艾， 在生物医学领域的应用也充满生机。 不仅根 据CT扫描或MRI磁共振数据快速制作的人体

4、器官实体模型可以帮助医生进行诊断和确 定治疗方案，而且借助RP技术制作的人体假肢还能与结合部位实现最大程度的吻合。 近几年国内外更是热衷于研究将生物材料快速成形为人工器官的课题， 其中人工骨的研 究已取得可喜的成果。例如中国清华大学采用喷射方法，将生物材料在低温环境下堆积 成形，制成多孔大段人工骨的细胞载体框架，经动物实验证明该框架能有效降解。有专家甚至说，虽然RP技术最初出现在制造行业，但它最激动人心的应用将是在生物医学 领域。基于RP的快速制模技术模具是现代工业生产最重要的工艺装备，而且模具形状复杂又属单件生产，最好能借助RP技术由模具（零件反型）的CAD真型直接制作金属模具，但其工艺目前

5、尚不十分成熟。因此当前更多的还是以RP制作的非金属原型件为母模，结合传统的制造方法来间接快速制作模具。薄材。它是用激光切割或高速铣削的方法制造出层面轮廓，再经由焊接或粘结叠加为三维金属制件，比如日本先用激光将两面涂敷低熔点合金之0.2mm厚度的薄钢板切割成层面轮廓，再逐层互焊成为钢模具。金属薄材毕竟厚度不会太小，台阶效应明显，如材料为薄膜便可使成形精度得到改进。基于RP技术的间接快速制模法，可以根据所要求模具寿命的不同，结合不同的传 统制造方法来实现。对于寿命要求不超过500件的模具，可使用以RP原型作母模、再浇注液态环氧树脂与其它材料（如金属粉）的复合物而快速制成的环氧树脂模。若是仅仅生产2

6、0件50件的注塑模，还可以使用由硅胶铸模法（以RP原型件为母模）制作的硅橡胶模具。对于寿命要求在几百件至几千件 （上限为3000件5000件）的模具， 则常使用由金属喷涂法或电铸法制成的金属模壳。金属喷涂法是在RP原型上喷涂低熔点金属或合金（如用电弧喷涂Zn-Al伪合金），待沉积到一定厚度形成金属薄壳彳爰，再背衬别的材料并去掉原型便得到所需的型腔模具。电铸法与此类似，不过它不是用喷涂而是用电化学方法通过电解液将金属（锲、铜）沉积到RP原型上形成金属壳，所制成的模具寿命比金属喷涂法更长，但其成形速度慢，且非金属原型表面尚需经过导电预处理才能电铸。对于寿命要求为成千上万件（ 3000 件以上）的硬

7、质模具，主要是钢模具，常用 RP 技术快速制作石墨电极或铜电极，再通过电火花加工法制造出钢模具。比如以RP原型件作母模，翻制由环氧树脂与碳化硅混合物构成整体研磨模（研磨轮） ，再在专用的研 磨机上研磨出整体石墨电极。实践表明，RP技术与精密铸造相结合，是快速生产单件小批金属零件的有效方法。最常见的是RP技术与熔模精铸相结合，即用 RP制作的原型件作母模，或者由原型件翻制的软质模具所生产的蜡模作母模， 再借助传统的熔模铸造工艺来生产金属零件。 此外，以覆膜砂为原料，用SLS法按模具（零件反型）CAD真型也可直接烧结出铸造用的砂型 型壳，再通过铸造工艺生产出结构复杂的金属零件。参考文献 :1 汪劲松，段广洪，李方义等基于产品生命周期的绿色制造技术研究现状与展望