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三维打印机 |
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快速原型/零件制造技术 |
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1．快速原型/零件制造技术的原理
快速原型/零件制造技术是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的技术总称。它的特征是：
1）可以制造任意复杂的三维几何实体。
2）CAD模型直接驱动。
3）成形设备无需专用夹具或工具。
4）成形过程中无人干预或较少干预。
快速原型技术采用离散/堆积成型的原理，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（亦称电子模型），然后根据工艺要求，将其按一定厚度进行分层，把原来的三维电子模型变成二维平面信息（截面信息），即离散的过程；再将分层后的数据进行一定的处理，加入加工参数，产生数控代码，在微机控制下，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。
随着RPM技术的发展和人们对该项技术认识的深入，它的内涵也在逐步扩大。目前快速原型技术包括一切由CAD直接驱动的成形过程，而主要的技术特征即是成形的快捷性。对于材料的转移形式可以是自由添加、去除、以及添加和去除结合等形式。
2．RPM技术的主要方法
RPM技术的具体工艺不下30余种，根据采用材料及对材料处理方式的区别，可归纳为5类方法。
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。该方法的典型实现工艺有立体光刻（SL，Stereolithography）如图1所示，实体磨固化（DGC，Solid Ground Curing），激光光刻（LS，Light Sculpting）,总的来说，都以选择性固化液体树脂为特征。
2. 选择性层片粘接
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（Laminated Object Manufacturing——LOM），如图2所示。这里所说的箔材可以是涂覆纸（涂有粘接剂覆层的纸），涂覆陶瓷箔、金属箔或其他材质基的箔材。
3. 选择性粉末熔结/粘接
选择性粉末熔结/粘接是：对于由粉末铺成的有好密实度和平整度的层面，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。所谓直接熔结是将粉末直接熔化而连接；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。粘接则是指将粉末采用粘接剂粘接。其典型工艺有选择性激光烧结（SLS，Selective Laser Sintering）如图3所示和三维印刷（3DP，3D Printing）等。无木模铸型（PCM，Patternless Casting Mold）工艺也属于这类方法。这里的粉末材料主要有蜡、聚碳酸脂、水洗砂等非金属粉以及金属粉如铁，钴，铬以及它们的合金。
4. 挤压成形
挤压成形是指将热熔性材料（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，并与前一个层面熔结在一起，如些层层堆积而获得一个三维实体。采用熔融挤压成形的典型工艺为熔融沉积成型（FDM，Fused Deposition Modeling），如图4所示。
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，如图5所示。
3．RPM技术的工艺装备、材料及软件
国外RPM技术的研究和应用主要集中在美国、欧洲和日本。从技术、材料、应用和基础设施等方面比较来看，总的情况是美国领先于欧洲和日本，欧洲和日本平分秋色。
目前世界上已有200多家机构开展了RPM的研究，能够商品化生产RPM设备的主要有美国3D systems、Helisys、DTM Corp、日本C-MET、D-MEC、德国EOS、以色列Cubital，据统计到1988年全世界已有4300余台RPM成形设备。
1. RPM工艺设备
目前RPM的工艺装备发展速度很快，前述五种RPM技术都已由许多公司开发了自己的装备如表1所示。
美国主要的RPM生产商有6家，即3D systemes、Helisys、DTM、Stratasys、Sanders Prototype和Soligen。日本有6家，即CMET、D-MEC、Teijin Seiki、Kira Corp、Mitsui Zosen和Denken Enginerring。欧洲有3家，即EOS、Cubital和F＆S。 
表 1 国外RPM的商品化工艺设备
2. RPM成形材料
成形材料是RPM技术发展的关键环节。它影响原型的成形速度、精度和物理、化学性能，直接影响到原型的二次应用和用户对成形工艺设备的选择。国外新工艺的出现往往与新材料的应用有关。RPM现在所应用的成形材料已经较为丰富，见表2。
表 2 RPM材料的应用类型
3. RPM用软件的开发
软件是RPM系统的灵魂。其中作为CAD到RP接口的数据转换和处理软件是其关键之一。
各大RPM系统生产商一般都开发自己的数据变换接口软件，如3D SYSTEM公司的ACES、QuickCast、Helisys、cubital的SoliderDFE，Sanders Prototype的ProtBuild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，国外涌现了很多作为CAD与RP系统之间的桥梁的第三方软件。这些软件一般都以常用的数据文件格式作为输入输出接口。输入的数据文件格式有STL、IGES、DXF、HPGL、CT层片文件等，而输出的数据文件一般为CLI。国外比较著名的一些第三方接口软件有：美国Solid Concept公司的Bridge Works、Solid View，比利时Materialise公司的Magics，美国POGO公司的STLManager，美国人Igore Tebelev的Still View，美国Imageware公司的Surface-RPM等。
4. 我国几种典型RPM系统
我国发展了SLA、LOM、FDM、SLS四种，见表3。
表 3 国内所研制的主要RPM设备
4．RPM技术的应用
RPM技术应用发展很快。一个显著的指标是RPM服务机构的数量和收入。国外RPM服务机构的数量以每年59%的速度递增，从1992年的42个发展到1996年284个，1997年的331个。服务机构购买的设备占设备拥有量的29%，1995年，服务机构的总收入达到1.92亿美元，而同年成型机销售收入0.786亿美元。可以说，已经从对RPM工艺的熟悉、观望、尝试性应用阶段进入了将RPM真正作为产品开发的重要环节，提高产品开发质量、加快产品开发速度的阶段。RPM的应用主要在以下几方面：
1. RPM的应用领域
RPM在国民经济极为广阔的领域得到了应用，并且还在向新的领域发展，如图1所示。从广义上讲，这些应用均可属“产品开发范畴”。
2. 产品设计中的应用——快速产品开发RPD
RPM在RPD方面应用总图如图2所示。
RPM在产品开发中的关键作用和重要意义是很明显的，它不受复杂形状的任何限制，可迅速地将显示于计算机屏幕上的设计变为可进一步评估的实物。根据原形可对设计的正确性，造型合理性，可装配和干涉进行具体的检验。对形状较复杂而贵重的零件（如模具），如直接依据CAD模型不经原型阶段就进行加工制造，这种简化的做法风险极大，往往需要多次反复才能成功，不仅延误的开发的进度，而且往往需花费更多的资金。通过原型的检验可将此种风险减到最低的限度。
一般来说采用RPM快速产品开发技术可减少产品开发成本30%～70%，减少开发时间50%。如开发光学照相机机体采用RPM技术仅3～5天（从CAD建模到原型制作）花费5000马克，而用传统的方法则至少需一个月，耗需3万马克。
3. Rapid Tooling（快速工具）
模具是快速工具制造技术应用的重要方面，基于RPM的快速模具总体情况见图3。
原型的快速设计和自动制造也保证了工具的快速制造。无需数据铣削，无需电火花加工，无需任何专用 工装和工具，直接根据原形而将复杂的工具和型腔制造出来是当今Rapid Tooling的最大优势。一般来说，采用RP技术模具制造时间和成本均为传统技术的1/3。
5．RPM技术的发展趋势
RPM技术的主要发展趋势是：
1. 不同制造目标相对独立发展
从制造目标来说，RPM主要用于①快速概念设计原型制造，②快速模具原型制造，③快速功能测试原型制造及④快速功能零件制造。
由于快速概念型制造和快速模个型制造的巨大市场和技术可行性，将来这两个方面将是研究和商品化的重点。由于彼此特点有较大差距，两者将呈相对独立发展的态势。快速测试型制造由于使用范围的限制和特点不够鲜明，本身不会形成独立流派，将附属于快速概念型制造。快速功能零件制造将是发展的一个重要方向，但技术难度很大在今后的很长一段时间内，仍将局限于研究领域。
2. 向大型制造与微型制造进军
分析各大公司的产品系列，可以发现，原型的制造尺寸呈增大的趋势。由于大型模具的制造难度和RPM在模具制造方面的优势，可以预测将来的RPM市场将有一定比例为大型原型制造所占据。与此成鲜明对比的将是RPM向地领域的进军，SL的一个重要发展方向是微米印刷（Microlithography），以制造微米零件（Microscale Parts）。日本Nagoya University在这方面领先。激光光斑可达5μm，成形时原型不动，激光束通过透明板精密聚焦在被成形的原型上。X-Y扫描全停位精度为0.00025mm，Z向停位精度为0.001mm，可制造5μm×5μm×3μm零件如静脉阀、集成电路零件等。
3. 追求RPM的更快的制造速度、更高的制造精度、更高的可靠性。
4. RPM设备的使用外设化，操作智能化。使RPM设备的安装和使用变得非常简单，不需专门的操作人员。
5. RPM行业标准化，并且与整个产品制造体系相融合。
(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(6/24/2004) |
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