基于RP的快速制造技术

作者：西安交通大学 卢秉恒 唐一平 王平

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, ... 摘要 本文介绍了基于快速原型制造的集成制造系统，介绍了系统的几个主要技术组成部分，即快速原型、快速模具制造、快速反求工程及基于INTERNET网的RP远程制造服务。文章介绍了RP/RT技术在国内外的发展现状、经济效益及对增强企业产品开发能力的重要作用。 关键词 快速成型 快速模具制造 反求工程 远程制造 科技的进步、信息时代的到来、人们消费的个性化，导致市场的快速多变。只有具备对市场迅速响应能力的企业，才能生存发展。快速原型（Rapid Prototyping）快速模具（Rapid Tooling）快速反求工程（Reverse Engineering）在信息互联网（Internet）支持下，便形成一套快速响应制造的系统技术，可以给企业带来一种加快产品开发，迅速响应市场的能力。 集成RP&M的技术构成如下： 1. 快速原型制造(RP) 在计算机控制下,CAD数据驱动制作出来的模型比图纸和计算机屏幕提供了一个信息更丰富、更直观的实体。国际统计资料表明，RP原型中1/3被用来作为可视化的手段，用于评估设计、协助设计模具，沟通设计者与制造商及工程投标，1/3被用来进行试装配和性能试验，如空气动力学试验、光弹应力分析等，1/4以上用于协助完成模具制造。 原型制造的另一个重要应用领域是医疗。它用于制作教学或手术参考的模型，或帮助制造假肢，用于外科修复。 速原型制造技术按成型材料及技术不同，主要发展了光固化法（SL），粉末烧结法（SLS），熔堆法（FDM），层迭法（LOM），三维打印法（3DP），逐层固化法（SGC）等。截止96年，全世界已安装了望200多台成型机，97年的销售超过了1000台，预计98年将又有1500台成型机投入工作。目前，SL成型机的总销售量为最大，约占50%。FDM机的销售比例有所上升，概念机异军突起，呈现了高速上升的趋势。概念机主要以价位低为特征（一般5-9万美元/台），其生成原型的强度、精度均较差，主要用于验证设计概念、培训人才，大有成为CAD的一个终端机的趋势。 我国华中理工大学、隆源公司、清华大学、西安交通大学已分别开发出LOM、SLS、FDM及SL成型机。西安交通大学今年下半年将推出普及型成型机，相应于国外的概念机,售价在30万元以内,使用成本将降为SL机的1/10。 2. 快速模具制造技术（RT） 这一技术是用高新制造技术改造传统技术的成功范例。它包括用硅橡胶、金属粉环氧树脂粉、低熔点合金等方法将RP原型准确复制成模具，这些简易模具的寿命是50-1000件，适宜产品试制阶段。 对制造长寿命的钢制模具，一个成熟的工艺是RP原型® 三维砂轮研磨 整体石墨电极 电火花钢模。这一工艺的特点在于RP原型及振动研磨法，它避开了CNC加工，节约了CNC编程及加工时间。一个中等大小，较为复杂的电极一般4-8小时即可完成，复形精度也较高。这一工艺对制造注塑模、锻模、压铸模等型腔模均较适合。 运用RP/RT技术比传统的数控加工制造模具，周期缩短为1/3-1/10，费用降低为1/3-1/5。由于RT的显著经济效益，近年来，工业界对RT的研究开发投入了日益增多的人力和资金，因而，RT的收益也获得了巨大的增长。据SME统计，四年来，RT服务的收益年增长率均高于RP系统销售，如96年比95年增长62.7%,而RP设备销售额的增长为42.6%。 建立以RP/RT设备为主导的服务机构，为大批中小企业服务，已成为非常看好的行业。迄今为止，全球已建立了近300家服务机构。96年底，其总收入达2.864亿美元，占RP&M行业收入的58.2%。 RP/RT服务机构在开创阶段，往往规模很小，仅一台RP系统、一台CAD工作站、不到10名职工，以RP原型制作为主。近年来，由于服务机构的良好效益，服务机构规模日益扩大，出现了一批具有相当规模的RP/RT企业。如日本的ARRK创业网络公司，有15个店面。日本Compression公司有8个店面、240名员工、16套RP系统、36台CNC加工中心、15台注塑机、65台工作站。美国一家有雇员210名、28台RP设备（20台SL机、6台SLS机、2台FDM机）、16台CNC加工中心、5台电火花机床、12台注塑机。服务机构的业务范围扩展到硅橡胶软模、蜡芯、铸件、电极及各类模具。大部分服务机构还保持在20人左右的规模。 深圳殷华公司，固定资产投资1000多万元，建立了以SLA机、石墨电极成型机、硅橡胶成型机为主的服务中心，已开始有良好效益。 目前国内已有设计及成套提供RP&M服务中心所需要的设备、材料和技术的能力，将大大节约投资和运行费用，因而将使服务中心获得更良好的效益。 3. 快速精铸（Quick Casting） 由RP方法可以提供蜡芯原型（FDM法、SLS法）或几乎可完全气化的光敏树脂原型，故可用失蜡铸造或消失法铸造，铸出精密铸件。用陶瓷型铸造工艺，可铸出粗糙度达6.4m 的精密铸件。也可以直接用RP工艺制造出压制蜡芯的树脂模具，以经济地铸造出小批量铸件。为了减少消失法铸造产生过多的气体，RP原型可制成中空结构，中空部分还可以加以蜂窝状支撑，以增强RP原型刚度。由于RP原型可以很容易附加上冷却管道等结构，由RP原型甚至可以直接作为注塑模，制造出少量塑料件，以供产品开发阶段使用。 RP与QC相结合，就为产品开发期的金属件需求提供了一个快速响应技术。尤其对航天、航空、兵器等领域,复杂形状零件非常适用。 4. 快速反求工程（Rapid Reverse Engineering） 尽管已经出现了许多成功的三维CAD商用软件，如UG、Pro/E、I-Deas、 Solid Works等，但运用这些软件建立一个复杂的零件模型，还是相当费时的工作。有时工程界提供的往往是实物，需要由实物制造模具或在它的基础上作出设计上的改进。快速检测及三维CAD重构技术提供了由实物直接获得CAD模型的途径。检测的方法一种是CMM（三座标测量机）方法，CMM法检测精度高，但较慢，有时还必须事先知道曲面形状，以编制CNC检测程序。一种是激光扫描法，它采用光刀法或振镜法实现每个截面的扫描，用CCD传感器摄像，获得密集的数据。这种方法的精度稍差，目前可达0.05mm。另一缺点是有光学上的死点，对零件的内表面无能为力。第三种方法是层切法。这是RP生长成型的逆过程。它用充填剂将零件内外封装起来，用铣刀一层层铣出截面来，CCD摄象获得截层数据，精度可达到0.02mm，可以满足工程所需的精度要求。有了测量数据，还需要三维重构软件来建立CAD模型。三维重构软件的功能是精化海量数据，找出曲面的交界点及特征点，使数据与CAD软件合理匹配。最后通过调用CAD软件，自动获得CAD模型。目前，国内西安交通大学在开发此项技术。 用这一技术输入复杂零件的设计信息比人工利用CAD软件输入要快得多，一般较复杂的中小零件，几个小时即可完成，而CAD软件人工输入往往要数天才能完成，同时也大大降低了对人员的技术水平要求。 5. RP的远程制造服务 信息技术的发展缩短了用户与制造商之间的距离，同时也改变了制造业的面貌。利用INTERNET网的远程设计，远程制造服务形成了敏捷制造系统（AM）。由于RP制造只需要CAD的STL格式数据，这是目前商用CAD软件都具备的，而不涉及到数控加工的CAM/CAPP编程问题，所以可以非常方便地提供RP远程制造服务。为此，西安交通大学受全国机械制造工艺协会快速成型制造分会之托，已建立了中国RP&M网络站点，为我国RP制造商，RP技术应用服务中心，科研院所及广大用户提供信息服务，这使我国RP&M技术的发展和应用推广开始就有一个高的起点，有一个高技术的环境。同时，信息网可以使我国有限的制造资源得到充分发挥，使用户的需求得到最快的响应。中国RP&M信息网络中心将在沟通用户与RP应用服务中心方面发挥积极作用。 6. 集成的快速响应制造系统 CAD、RP、RT、RRE、QC诸技术集成，可以形成一个闭环的集成的快速制造系统。 与传统的机械加工方法相比，该系统在以下几个环节上大大缩短了工期，提高了质量： 1．CAD® RP的数据转换是自动的不依赖加工设备，没有传统加工的CAPP、CAM编程环节,节约了工期,降低了对人员的技术要求。 2．RRE形成一个快速建造CAD模型的系统，比人工输入零件住处节约了许多时间。 3．闭环制造，可以在CAD中修改模型，以补偿各工艺环节无法避免的误差，也可以用CAE软件预测误差，在CAD中预选补偿。 闭环制造的另一优越性是可以通过CAE测量和预修正，达到一次制造成功，避免设计® 试制® 修改多次反复造成的时间和财力的浪费。 7. 应用实例 西安交通大学利用自行开发的LPS-600激光快速成型机、石墨电极成形机及快速模具制造技术，为工业界开展了服务。以下提供几个案例，供参考。 1) 显示器偏转线圈隔离器 彩虹彩管厂在开发电视机新品种时,需要一种新型隔离器。因为零件特别复杂，必须用模具才可制造，需花费数十万元、数月时间，但在新产品开发阶段，这一投资是有风险的。 采用RP技术制作，由CAD设计数据，仅用10个小时就完成了原型制作。在另一种型号的隔离器的仿制中采用了CT测量截面数据，用CAD重构，构造了线圈密贴的曲面，CAD软件平台是Pro-E。 2) 汽车空调器叶轮与支架 某汽车空调器厂设计了新型空调器，支架是用于固定电机的，上面有固定叶片。叶轮是动叶片，装配于电机轴上。用LPS-600A制作，两个件共用了24小时。用RP原型直接装配上电机，即装在汽车上试车。经试验觉得风力不够，将叶片数由8个增加到12个，24小时又制作出一副新的支架及叶轮，交付试车，大大缩短了新产品开发周期。 3) 洁具艺术把手 艺术家提供了洁具表面艺术雕花造型，为了形成投标用样品，先用CAD设计了内型功能结构，用RP制作出内型原型，采用了硅橡胶方法复制出模具。用硅橡胶模浇注树脂样品，经电镀后，完成了投标用样品，以此获得了数十万美元的定货。 4) 多媒体彩电罩壳 新型25寸彩电其外型作了较大改变，但内部安装尺寸必须满足已有电视器件的配合要求，用Pro-E软件完成了设计，在LPS-600A机器上对前壳制作了RP原型，耗时79小时。由于经过RP样件的试作，大大减少了模具的风险。这种罩壳的多媒体电视已经面市。 5) 人像注塑模 对艺术家的石膏造型，采用硅橡胶软模过渡，使造型得到完整复制，然后用硅橡胶模具制作三维砂轮，在西安交通大学开发的石墨电极成形机GET-500上利用振动研磨法研磨出整体石墨电极，用电火花加工出钢模型腔。比传统制造电极方法大大节约了时间和费用，同时艺术家的思想得到了充分的保留。 我国制造业面临着巨大的挑战，企业是否具备迅速响应市场的能力已成为生死存亡的关键。只有具备快速产品开发能力，才能抓住市场机遇，才能通过快速的循环不断改善质量，占领市场。统计数据表明，最早上市的几家公司，往往占据市场80%以上份额。以往衡量制造技术的三大要素：质量、成本、生产率，已被新的T（时间）、Q（质量）、C（价格）、S（服务）所代替，响应时间已成为第一要素。我国机电产品在世界市场上缺乏竞争能力，主要是缺少名牌产品及企业新产品开发能力薄弱。目前国际机电产品的开发周期一般为3-6个月,产品技术寿命一般为2年,而我国机电产品开发周期一般为2年.名牌产品的形成有多种因素，但主要是质量、功能，而高性能、优质的名牌产品往往要经历多次的设计、研制、评价改进、市场多次反复循环，每一循环都涉及到新的零件制造及模具制造。模具制造是制约我国汽车、家电、轻工等行业发展的瓶颈和关键。我国每年需进口模具达8亿美元，主要是复杂、精密模具。而RP&M可以大大节约这方面的时间和费用，对我国企业提高竞争能力有关键性的作用。因此，RP&M技术在今后制造业世界竞争中将起到越来越重要的作用。(end)

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