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快速成型技术及其在产品开发中的应用 |
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作者：芶吉华 王水来 彭颖红 阮雪榆 |
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摘要：介绍了快速成型技术的起源和特点，并对几种典型的快速成型工艺进行了比较。最后讨论了引入快速成型技术后的产品开发模式及其在产品开发中的作用。
1 快速成型技术的基本原理
在需求不断向多样化，高质量高性能，低成本发展的今天，面对日趋激烈的市场竞争，制造业的经营战略，从50～60年代的“规模效益第一”和70～80年代的“价格竞争第一”转变为90年代的“市场响应速度第一”，时间因素被提到了首要地位(如图1)。
图1产品需求的变化
快速成型技术正是在这种需求下，通过计算机、数控、激光和材料等高新技术的集成而发展起来的，基于离散堆积思想的一种先进制造技术。它是指在计算机控制与管理下根据零件CAD模型，采用材料精确堆积(由点堆积成面，由面堆积成三维实体)的方法制造原型或零件的技术，是一种基于离散/堆积成形原理的新型制造方法。其基本原理和成形过程如图2所示。先由CAD软件设计出所需件的计算机三维曲面或实体模型，然后据工艺要求，其将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(截面形状)；再将分层后的二维信息生成数控代码，以平面加工方式有顺序地连续加工出每个薄层模型并使它们自动粘接而成形。
图2快速成型基本原理
80年代后期发展起来的快速成型技术，被认为是近20年来制造领域的重大突破，其对制造业的影响可与50～60年代数控技术相比，RP技术可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评估，修改和试验，大大缩短产品研制周期。
2 快速成型技术的特点
2.1快速性
从CAD设计到原型零件制成，一般只需几个小时至几十个小时，速度比传统的成形方法快得多，使快速成型技术尤其适合于新产品的开发与管理。
2.2设计制造一体化
落后的CAPP一直是实现设计制造一体化的较难克服的一个障碍，而对于快速成型来说，由于采用了离散堆积的加工工艺，CAPP已不再是难点，CAD和CAM能够很好地结合。
2.3自由成形制造
自由的含义有两个：一是指可以根据零件的形状，无需专用工具的限制而自由地成形，可以大大缩短新产品的试制时间；二是指不受零件形状复杂程度限制。
2.4高度柔性
仅需改变CAD模型，重新调整和设置参数即可生产出不同形状的零件模型。
2.5材料的广泛性
快速成型技术可以制造树脂类、塑料类原型，还可以制造出纸类、石蜡类、复合材料以及金属材料和陶瓷材料的原型。
2.6技术的高度集成
RP技术是计算机、数据、激光、材料和机械的综合集成，只有在计算机技术、数控技术、激光器件和功率控制技术高度发展的今天才可能诞生快速成型技术，因此快速成型技术带有鲜明的时代特征。
零件的复杂程度和生产批量与制造成本基本无关。
3 几种典型的快速成型工艺及其比较
3.1几种典型的快速成型工艺
(1)光固化立体造型(SLA-Stereolithography Apparatus)
该技术以光敏树脂为原料，计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面。当一层固化完毕，移动工作台，在原先固化子的树脂表面再敖上一层新新的液态树脂以便进行下层扫描固化。新固化的一层牢固地粘合地层上，如此重复至整个零件原型制造完毕。
(2)分层物件制造(LOM-laminated Object Manufacturing)
LOM工艺将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起。位于上方的激光器按照C AD分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓，然后新的一层纸再叠加在上面通过热压装置和下面已切割层粘合在一起，激光束再次切割，这样反复逐层切割、粘合、切割…，直至整个零件模型制作完成。
(3)选择性激光烧结(SLS-Selected Laser Sintering)
在工作台上均匀铺上一层很薄(100μ-200μ)的粉末在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理便获得零件。目前成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉，用金属粉或陶瓷粉进行粘结或烧结的工艺还正在实验阶段。
(4)熔融沉积造型(FDM-Fused Deposition Modeling)
FDM喷头受CAD分层数据控制使半流动状态的材料中挤压出来，凝固形成轮廓形状的薄层每层厚度范围在0.025～0.762mm，一层叠一层最后形成整个零件模型。
3.2几种典型的快速成型工艺的比较
几种典型的快速成型工艺的比较如表1所示
4 快速成型技术在产品开发中的应用
4.1传统的产品开发模式
传统的产品开发模式是产品设计开发→生产→市场开拓三者逐一开展，相对弧立的模式(如图3)。该模式的主要问题是开发中所存在的问题将直接带入生产，并最终影响到产品的市场推广及销售。
图3传统的产品开发流程
4.2基于快速成型技术的产品开发模式
快速成型技术的出现，创立了产品开发研究的新模式，使设计师以前所未的直观方式体会设计的感觉、感性而迅速验证，检查所设计产品的结构、外形，从而使设计工作进入了一个全新的境界，改善了设计过程中的人机交流，缩短了产品开发的周期，加快了产品更新换代的速度，降低了企业校装新产品的风险，加强了企业引导消费的力度。
4.3快速成型技术在产品开发中的作用
图4基于快速成型技术的产品开发流程
从图4中可以看出，在引入快速成型技术的产品开发模式中，快速成型技术已参与产品开发的几乎所有环节，其主要作用表现在以下几个方面：
(1)为决策层提供决策直观性
一个新产品的开发总是从外形设计开始的，外观是否美观实用往往决定了该产品是否能够被市场接受，传统的做法是根据设计师的思想，先制作出效果图及手工模型，经决策层评审后在进行后续设计。但由于二维效果图的表达效果受到很大限制，决策过程中不够直观，手工制作模型费时长，精度又差，手工模型与设计师的意图存在着较大的差异，这一问题一直不能够得到较好解决。快速成型技术能够迅速的将设计师的设计思想变成三维的实体模型，与手工制作相比，不仅节省了大量的时间，而且精确地体现了设计师的设计理念，为决策层产品评审的决策工作提供了直接准确的模型，减少了决策工作中的不正确因素。
(2)减少人为缺陷，提高设计质量
在产品的开发设计过程中，由于设计手段和其它方面的限制，每一个设计都会存在着一些人为的设计缺陷，如果不能及早发现，就会影响接下来的工作，造成不必要的损失，甚至会导致整个设计的失败。因此，及早地发现并改正设计缺陷变的十分重要，使用快速成型 技术可以将这种人为的影响减少到最低限度。快速成型技术由于成形时间短，精确度高，可以在设计的同时制造高精度的模型，使设计师能够在设计阶段对产品的整机或局部进行装配和综合评价，从而发现设计上的缺陷与不合理因素，来不断的改进设计。快速成型技术的应用可把产品的设计缺陷消灭在设计阶段，最终提高产品整体的设计质量。
(3)缩短设计周期，加快开发进度
快速成型技术的应用，可以做到产品的设计和模具生产并行，对于一般产品从设计到模具验收需要一段相当长的时间，按传统的设计手段，只有在模具验收合格后才能进行整机的装配以及进行各种验收。对于在试验中发现的设计不合理之处，需要对原来的设计进行修改，再相应的对模具进行修改。这样就会在设计与制造过程中造成大量重复性的工作，使模具的制造周期加长，最终导致修改时间约占整个制作时间的20%～30%。应用快速成型技术之后，可以充分利用模具制造的这段时间，利用快速成型的制件进行整机装配和各种试验，随时与模具中心进行信息交流，力争做到模具一次性通过验收，这样模具制造与整机的试验评价并行工作，大大加快了产品的开发进度，迅速完成从设计到投产的转换。另外，快速成型技术形成的模型对于模具的设计与制造过程有着明显的指导作用。对于具体产品来说，模具制造时间可以大大缩短，模具制造的质量可以得到提高，相应的对产品质量得到最终保证起到了积极的影响。
(4)提供样件
由于应用快速成型技术制作出的样品比二维效果图更加直观，比工作站中的三维图象更加真实，而且具有手工制作的模型所无法比拟的精度，因而在样件制作方面有比较大的优势。利用快速成型技术制作出的样件能够使用户非常直观的了解尚未投入批量生产的产品的外观及其性能并及时做出评价。使生产方能够根据用户的需求及时改进产品，为产品的销售创造有利条件，同时避免了由于盲目生产可能造成的损失，同时，在工程投标中投标方常常被要求提供样品，为投标方直观全面的进行评价提供依据，设计更加完善，为中标创造有利条件。
(5)快速模具制造
以快速成型生成的实体模作模芯或模套、结合精铸、粉末烧结或电极研磨技术可以快速制造企业产品所需要的功能模具或工装设备。其制造周期一般为传统的数控切削方法的1/5～1/10，而成本仅为其1/3～1/5，模具的几何复杂程度愈高，这种效益愈显著。
(6)为并行工程的实施提供统一依据和条件
并行工程将是21世纪开发新产品的主流方式，而快速成型技术是并行工程中进行复杂原型和模具制作的有效手段，并提供了新的产品开发模式。快速成型技术是一种正在发展和完善的高技术，是一个富有前景而又充满挑战的领域，因此值得进一步的研究和应用。(end)
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(12/20/2005) |
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