快速成形工艺的合理选择

作者：天津快速原型制造技术生产力促进中心 杨莉

欢迎访问e展厅 展厅 5 三维打印机展厅 三维打印机, 快速成型机, 3D打印材料/光固化材料, 快速成型制造软件, ... 快速成形（以下简称RP）技术是近十年来兴起的 一项新技术，自问世以来，在成形理论、成形 工艺、设备开发及应用技术等方面取得了显著进展。从企业的角度来看，面对全球制造业市场激烈的竞争，为保持其活力就必须不断地进行新产品的开发与研制，而新产品的设计质量的优劣、开发与生产成本的高低,以及投放市场的快慢成为超越竞争对手的关键因素。目前，高度发达的计算机技术和CAD/CAM技术的广泛应用，使得RP技术与企业的新产品开发更加有机地结合在一起。通过RP技术的应用，可将设计者的概念设计快速变成实物样件，有利于快速实现新产品的设计审查、装配验证、功能验证和市场营销，从而大幅度降低新产品的开发研制成本及投资风险，显著缩短新产品的研制周期，确保新产品的上市时间。 快速成形基本原理 RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。但是基本原理都是一样的，那就是“分层制造，逐层叠加”，类似于数学上的积分过程。形象地讲，快速成形系统就像是一台“立体打印机”。 其工作的基本原理是：将计算机内的三维数据模型进行分层切片得到各层截面的轮廓数据，计算机据此信息控制激光器（或喷嘴）有选择性地烧结一层接一层的粉末材料（或者固化一层又一层的液态光敏树脂，或者切割一层又一层的片状材料，或者喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂）形成一系列具有一个微小厚度的的片状实体，再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐层堆积成一体，便可以制造出所设计的新产品样件、模型或模具。 RP技术的优越性显而易见 ：它可以在无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下，直接接受产品设计（CAD）数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型。因此，RP技术的推广应用可以大大缩短新产品开发周期、降低开发成本、提高开发质量。由传统的“去除法”到今天的“增长法”，由有模制造到无模制造，这就是RP技术对制造业产生的革命性意义。 多种成形工艺的合理选择 目前，应用比较广泛的RP 成形工艺有：光敏树脂固化成形工艺(Stereo Lithography Apparatus—简称SLA)、激光选区烧结或粉末烧结(Selective Laser Sintering— 简称SLS)、叠层制造或切纸成形工艺(Laminated Object Manufacture — 简称LOM)等。RP技术的应用领域很广，机械、汽车、电子信息、家用电器、航空航天、医疗器械、首饰、玩具等行业，都迫切需要RP技术。也可以说，哪里有新产品开发哪里就需要RP技术。但是，这些领域中的产品从大小到结构都迥然各异，大到几米，小到几毫米，有薄壳状的，有实心的，有的结构极为复杂，样件的制造目的不同、制造精度和制造成本的要求也不同，这就需要根据不同的产品结构和制造要求来选择最佳的RP工艺了。 结论：应根据产品的结构特点和具体要求来选择最佳的RP成形工艺 应用案例分析 多种成形工艺可以使客户在成形材料、制件精度、交货期和成本上有更多的选择余地，从而真正体验到RP技术快捷、准确、实用的技术优势，以下通过几个典型结构产品的应用案例进行分析： ◆ 电子及通讯类产品 通常电子及通讯类产品尺寸不大，产品外形多为塑料薄壳结构，但对产品的尺寸精度和表面光洁度要求很高，在多数情况下还要作为后续快速制模工艺用的母模，实现样件的小批量快速制造。 经过三种工艺对比，类似手机或仪表盒大小的壳体，SLA工艺在材料性能、尺寸精度、表面质量和装配效果等方面有明显的优势 ；虽然制造成本相对略高，但是由于样件尺寸和重量较小，其绝对制造成本并不高。因此采用SLA工艺制作最为合理，应用效果最佳。 举例产品：手机，尺寸（mm）104×40×8 (如图1所示)。 样件用途：外形及结构验证，装配验证和样件订货等，要求尺寸精度和表面光洁度高，有装配要求。 最佳工艺：SLA ◆ 机械、交通类结构部件 机械、交通类产品通常尺寸较大，对制件的精度和表面质量要求略低，制作原型样件的目的多用于产品的外观、结构以及功能的验证。由于尺寸相对较大，比较注重控制产品的制造成本。 通过三种工艺的对比，类似进气歧管、发动机气缸体等尺寸较大的壳体零件， 应用SLA和SLS均可实现满意的应用效果；但是由于SLA工艺制造成本较高，故采用SLS工艺制作最为合理，性能价格比最佳。 ◆ 有特定要求的产品样件 某些产品样件在制作时，对材料的物理特性有特定的要求，如强度、耐温性、密封性、透光性等。可以通过组合应用不同的RP 工艺、快速制模工艺和成形材料来实现。 ◆ 快速制模和精密铸造方面的应用 举例产品：进气歧管，尺寸(mm) 300×230×400(如图2所示)。样件用途：外形验证、结构验证及功能验证。 最佳工艺：SLS 快速成形制件适合于单件制造，且制件材料为工艺规定的专用材料，因此制件的材料性能有一定的局限性。将RP技术与真空注型技术或精密铸造技术结合起来应用，不仅可以满足产品设计对特定材质的要求，而且可以快速实现新产品的小批量生产。应用RP、硅胶模和真空注型工艺可以实现小批量塑料件的快速制造，如手机或电子产品外壳的小批量制作，图3是用该工艺快速制造的小批量塑料电子壳体样件。RP与精密铸造工艺结合应用，可以实现金属样件的快速制造，图4所示是用该工艺快速制造的金属铸件。 RP服务中心可为用户提供全方位的技术服务 目前，RP设备的采购成本和运行维护成本还较高。因此，国内外普遍采用建立RP服务中心的模式推广应用RP技术。RP服务中心由于拥有多种性能先进的RP设备，以及工业设计、三维CAD实体建模、反求工程和快速制模等配套技术的支持，可以为企业提供高质量、低成本、快速和规范化的服务。 企业通过RP服务中心来制作新产品样件，不仅可以得到高质量的服务，实现最佳的应用效果，而且可以显著节约制造成本。 快速成形技术作为一种先进制造技术，其推广应用的现实意义重大。按照用户的产品特点和具体要求，合理选择RP工艺制作新产品样件，可以最大限度地满足用户需求并节约成本。(end)

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