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快速成型制造技术在现代制造业中的应用 |
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1 引言
特种加工技术是先进制造技术的重要组成部分，是衡量一个国家制造技术水平和能力的重要标志，在我国的许多关键制造业中发挥着不可替代的作用。采用特种加工技术可以加工特殊材料，且加工中无切削力，能够进行微细加工及复杂的空间曲面成形，所以能够解决航空航天、军工、汽车、模具、冶金、机械等工业中的关键技术难题，从而逐步形成新兴的特种加工行业。特种加工技术主要包括电加工技术、高能束流加工技术、快速成型制造技术等，其中以快速成型制造技术对现代制造业的影响最为重大。
快速成型制造技术(Rapid Prototyping Manufac—turing，RPM)，就是根据零件的三维模型数据，迅速而精确地制造出该零件。它是在20世纪80年代后期发展起来的，被认为是最近20年来制造领域的一次重大突破，是目前先进制造领域研究的热点之一。快速成型制造技术是集CAD技术、数控技术、激光加工、新材料科学、机械电子工程等多学科、多技术为一体的新技术。传统的零件制造过程往往需要车、钳、铣、磨等多种机加工设备和各种夹具、刀具、模具，制造成本高，周期长，对于一个比较复杂的零件，其加工周期甚至以月计，很难适应低成本、高效率的加工要求。快速成型制造技术能够适应这种要求，是现代制造技术的一次重大变革。
2 快速成型技术原理与特点
随着CAD建模和光、机、电一体化技术的发展，快速成型技术的工艺方法发展很快H．5 J。目前已有光固法(SLA)、层叠法(LOM)、激光选区烧结法(SLS)、熔融沉积法(FDM)、掩模固化法(SGC)、三维印刷法(TDP)、喷粒法(BPM)等10余种。
2.1 光固化立体造型(Stereolithography，SLA)
该技术以光敏树脂为原料，将计算机控制下的紫外激光，以预定零件各分层截面的轮廓为轨迹，对液态树脂逐点扫描，由点到线到面，使被扫描区的树脂薄层产生聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面。当一层固化完毕，升降工作台移动一个层片厚度的距离，在原先固化好的树脂表面再覆盖一层新的液态脂以便进行新一层扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上，如此重复直到整个零件原型制造完毕，其工作原理如图l所示。SLA法是第一个投入商业应用的RPM技术，其方法特点是精度高、表面质量好、原材料利用率将近100％，可以制造形状特别复杂、外观特别精细的零件。
图1 光固化立体造型原理图
2.2 层片叠加制造(Laminated Object Manufacturing，LOM)
层片叠加制造工艺是将单面涂有热溶胶的箔材(涂覆纸——涂有粘接剂覆层的纸、涂覆陶瓷箔、金属箔等)通过热辊加热粘接在一起，位于上方的激光器按照CAD分层模型所获数据，用激光束将箔材切割成所制零件的内外轮廓，然后新的1层箔材再叠加在上面，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，这样反复逐层切割一粘合一切割，直至整个零件模型制作完成。工作原理如图2。
图2 片叠加造型原理图
2.3 选择性激光烧结(Selected Laser Sintering。SLS)
以激光器为能量源，通过红外激光束使塑料、蜡、陶瓷和金属(或复合物)的粉末材料均匀地烧结在加工平面上旧J。激光束在计算机的控制下，通过扫描器以一定的速度和能量密度按分层面的二维数据扫描。激光束扫描之处，粉末烧结成一定厚度的实体片层，未扫描的地方仍然保持松散的粉末状。根据物体截层厚度而升降工作台，铺粉滚筒再次将粉末铺平后，开始新一层的扫描。如此反复，直至扫描完所有层面。去掉多余粉末，经打磨、烘干等处理后获得零件。工作原理如图3所示。
图3 选择性激光烧结原理图
2.4熔融沉积造型(Fused Deposition Modeling FDM)
将CAD模型分为一层层极薄的截面，生成控制FDM喷嘴移动轨迹的二维几何信息。FDM加热头把热熔性材料(ABS、尼龙、蜡等材料)加热到临界半流动状态，在计算机控制下，喷嘴头沿CAD确定的二维几何信息运动轨迹挤出半流动的材料，沉积固化成精确的零件薄层，通过垂直升降系统降下新形成层，进行固化。这样层层堆积粘结，自下而上形成一个零件的三维实体。工作原理如图4所示。
图4 熔融沉积造型原理图
上述4种RPM方法，都有一个共同几何物理基础——分层制造原理。从几何上讲，将任意复杂的三维实体沿某一确定方向用平行的截面去依次截取厚度为8的制造单元，可获得若干个层面，将这些厚度为8的单元叠加起来又可形成原来的三维实体，这样就将三维问题转化为二维问题，既降低了处理的难度，又不受零件复杂程度的限制。RPM的总体目标是在CAD技术的支持下，快速完成复杂形状零件的制造，其主要技术特征是：直接用CAD软件驱动，无需针对不同零件准备工装夹具；零件制造全过程快速完成；不受复杂三维形状所限制的工艺方法的影响。
3 RPM技术体系的基本环节
3.1 三维CAD造型
利用各种三维CAD软件进行几何造型，得到零件的三维CAD数学模型，是快速成型技术的重要组成部分，也是制造过程的第一步。三维造型方式主要有实体造型和表面造型，目前许多CAD软件在系统中加入一些专用模块，将三维造型结果进行离散化，生成面片模型文件或层片模型文件。
3.2 反求工程
物理形态的零件是快速成型技术体系中零件几何信息的另一个重要来源。几何实体同样包含了零件的几何信息，但这些信息必须通过反求工程进行数字化，方可进行下一步的处理。反求工程要对零件表面进行数字化处理，提取零件的表面三维数据。主要的技术手段有三坐标测量仪、三维激光数字化仪、工业CT和自动断层扫描仪等。通过三维数字化设备得到的数据往往是一些散乱的无序点或线的集合，还必须对其三维重构得到三维CAD模型，或者层片模型等。
3.3 数据转换
三维CAD造型或反求工程得到的数据必须进行大量处理，才能用于控制RPM成型设备制造零件。数据处理的主要过程包括表面离散化，生成STL文件或CFL文件，分层处理生成SLC，CLI，HPGL等层片文件，根据工艺要求进行填充处理，对数据进行检验和修正并转换为数控代码。
3.4 原型制造
原型制造即利用快速成型设备将原材料堆积成为三维物理实体。材料、设备、工艺是快速原型制造中密切相关的3个基本方面。成型材料是快速成型技术发展的关键。它影响零件的成型速度、精度和性能，直接影响到零件的应用范围和成型工艺设备的选择。
3.5 物性转换
通过快速成型系统制造的零件，其力学、物理性能往往不能直接满足要求，仍然需要进一步的处理，即对其物理性质进行转换。该环节是RPM实际应用的一个重要环节，包括精密铸造、金属喷涂制模、硅胶模铸造、快速EDM电极、陶瓷型精密铸造等多项配套制造技术，这些技术与RPM技术相结合，形成快速铸造、快速模具制造等新技术。
4 RPM技术的应用
RPM技术即可用于产品的概念设计、功能测试等方面，又可直接用于工件设计、模具设计和制造等领域，RPM技术在汽车、电子、家电、医疗、航空航天、工艺品制作以及玩具等行业有着广泛的应用。
4.1 产品设计评估与功能测验为提高设计质量，缩短试制周期，RPM系统可在几小时或几天内将图纸或CAD模型转变成看得见、摸得着的实体模型。根据设计原型进行设计评估和功能验证，迅速地取得用户对设计的反馈信息。同时也有利于产品制造者加深对产品的理解，合理地确定生产方式、工艺流程和费用。与传统模型制造相比，快速成型方法不仅速度快、精度高，而且能够随时通过CAD进行修改与再验证，使设计更完善。
4.2 快速模具制造
以RPM生成的实体模型作为模芯或模套，结合精铸、粉末烧结或电极研磨等技术可以快速制造出产品所需要的功能模具，其制造周期一般为传统的数控切削方法的1／5～1／10。模具的几何复杂程度越高，这种效益愈显著。
4.3 医学上的仿生制造
医学上的CT技术与RPM技术结合可复制人体骨骼结构或器官形状，整容、重大手术方案预演，以及进行假肢设计和制造。
4.4 艺术品的制造
艺术品和建筑装饰品是根据设计者的灵感，构思设计出来的，采用RPM可使艺术家的创作、制造一体化，为艺术家提供最佳的设计环境和成型条件。快速成型制造开创了一个崭新的设计、制造概念。它以相对低的成本，可修改性强的特点，独到的工艺过程，为提高产品的设计质量，降低成本，缩短设计、制造周期，使产品尽快地推向市场提供了方法，对于复杂形状的零件则更为有利。快速成型制造技术作为一种先进制造技术将在21世纪的制造业中占据重要的地位。(end)
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(12/10/2008) |
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