快速成型技术的发展及关键技术

1、摘要 成形材料的开发应用 , 可提升成形质量、 拓宽原型应用的领域、 开发新的成形工艺 . 软件是快速成形技术的灵魂 , 第三方软件介入是 当前快速成形技术软件开发的一个明显趋势 . 基于快速成形思想的各 种新的工艺方法、研究与工艺装备开发 , 以及桌面化设备和功能原型 成形设备的开发 , 是新的快速成形设备研制的两大趋势 .关键词 快速成形 , 成形材料 , 软件技术 , 工艺装备Abstract By developing and applying material of forming or shaping, forming quality can be promoted, protot

2、ype appli- cation can be broadened, and new RP process can be developed. Software is the core of rapid prototyping technology. The field of rapid prototyping technology where commercial software involved is an obvious trend of software technique development at present. The research on various new te

3、chnological method and technological equipment based on the principleof rapid prototyping as well as the development of desktop equipment and functionalizing equipment, are two R& D bigtrends in developing new RP equipment.Keywords rapid prototyping, forming material, software technique, process

4、 equipment引言快速成形制造 (RPM是 20世纪 80年代末、 90年代初由美国开发的高 新制造技术 , 其重要意义可与数控 (CNC技术相比。 该技术采用材料累加的新成形原理 , 直接通过 CAD 数据制成三维实体模型。这一技术不 需要传统的机床、夹具、刀具 , 便可快速而精密地制造出任意复杂形 状的零件模型 , 从而实现了 “自由制造” 。 快速成形出现给工业产品的 造型开发、工艺品的模型设计提供了最为便捷的制造工具 , 使产品的 开发速度数十倍地提高。而且越是复杂结构的物体 , 其制造速度提高 越显著。1快速成形技术的国内外研究现状快速成形技术 (Rapid Prototypi

5、ng Technology,以下简称 RP 技术 是 20世纪 80年代中后期发展起来的一项新兴的先进制造技术 , 其核 心思想是基于降维离散的方法 , 把任意复杂的三维实体通过切片处理 , 转换为二维平面的制造和沿成形方向做一维的层片叠加 , 实现物理原 型的快速制造 .我国快速成形技术自 20世纪世纪 90年代初开始发展 , 西安交通大学、 北京隆源公司等院校和企业在典型的快速成形设备、 软件、 材料等方 面的研究和产业化方面的获得了重大进展。 随后国内许多高校和研究 机构也开展了相关研究 , 重点在金属成形方面开展研究。我国快速成 形技术的研究工作基本与国际同步。在快速成形技术新设备研发

6、和应用方面我国则落后于国外。 由于我国 在这方面的投入少 , 企业的应用开发能力弱 , 故相对于欧美国家 , 在新 技术的开发上已显落后。 在应用上 , 我们许多行业缺少后续技术研发 , 例如在快速制造的原型向模具和功能零件转化方面没有形成系统技 术体系 , 企业没有很好地将此技术应用在产品开发方面。国外快速成形技术在航空领域超过 8%的应用量 , 而我国在这方面的应用量则非常 低。 快速成形尤其适合于航空航天产品中的零部件单件小批量的制造 , 具有成本低和效率高的优点。 国外在航空航天器的研制中不断尝试应 用快速成形技术 , 显示出了巨大发展潜力。在我国重大的专项研究和 航空航天事业发展中

7、, 快速成形这一技术都有广泛的用途。 因此 , 通过 “产学研用”结合 , 通过不断与企业合作 , 拓展应用领域 , 将是快速成 形制造技术发展的根本方向。2快速成型系统的构成和原理2.1 系统构成快速成型系统主要由硬件和软件两部分组成。其中 , 硬件由工业控制 计算机、 激光选区烧结器、 光路及其扫描系统、 成型室及送料室组成 ; 软件由操作系统、 CAD 软件、 CAD 切层软件、激光选区烧结控制软件 等组成。(一快速成型技术的原理快速成型技术是将计算机技术、 CAD 、机械工程、数控技术、检测技 术、激光技术和材料科学等集合为一体的高新技术。近年来,该技术 在国内外得到了迅速的发展,并将

8、成为 21世纪制造业的重要组成部 分。 其原理是根据对三维 CAD 电子模型进行分层切片处理, 得到一系 列的二维截面轮廓, 然后用激光束或其它方法切割、 固化或烧结某种 状态材料,得到一层层的产品截面并逐步叠加成三维实体。 RP 技术 摒弃了传统机械加工的材料“去除”加工法,而采用全新的材料增长加工法, 将复杂的三维加工分解成简的二维加工的组合, 它从成型原 理上提出了一个全新的思维模式,是一个从离散到堆积的过程(二快速成型工艺过程在快速成型工艺过程中, 由于系统是由三维 CAD 模型直接驱动, 因此 首先要构建所加工件的三维 CAD 模型。 该三维 CAD 模型可以利用计算 机辅助设计软件

9、直接构建, 也可以将现有产品的二维图样进行转换而 形成三维模型,或对产品实体进行激光扫描、断层扫描,得到点云数 据, 然后利用反求工程的方法来构造三维模型。 其次是三维模型的近 似处理, 由于产品往往有一些不规则的自由曲面, 加工前要对模型进 行近似的处理, 以方便后续的数据处理工作。 由于格式文件格式简单、 实用, 目前已经成为快速成型领域的标准接口文件。 它是用一系列的 小三角形平面来逼近原来的模型, 每个小三角形用 3个顶点坐标和一 个法向量来描述, 三角形的大小可以根据精度要求进行选择。 文件有 二进制码和 ASCn 码两种输出形式,二进制码输出形式所占的空间比 ASCn 码输出形式的

10、文件所占用的空间小得多,但 ASCn 码输出形式可 以阅读和检查。典型的 CAD 软件都带有转换和输出 STL 文件的功能。 后是三维模型的切片处理, 根据被加工模型的特征选择合适的加工方 向,在成型高度方向上用一系列一定间隔的平面切割近似后的模型, 以便提取截面的轮廓信息。间隔一般常用 0.1mm 。间隔越小,成型精 度越高,但成型时间也越长,效率就越低,反之则精度越低,但效率 高。最后成型加工与零件的后处理,根据切片处理的截面轮廓,在计 算机控制下, 相应的成型头按各截面轮廓信息做扫描运动, 在工作台上一层一层地堆积材料,然后将各层相粘结,最终得到原型产品。成 型零件的后处理是从成型系统里

11、取出成型件, 进行打磨、 抛光、 涂挂, 或放在高温炉中进行后烧结,进一步提高其强度。3 快速成型技术的特点快速成型技术有如下优点 :(1与模具的复杂程度无关 , 可以实现自由制造。 无论多么复杂的模具 , 只要设计出来 , 就可以用快速成型技术制造出来 , 这是传统的模具加工方法无法比拟的。 (2生产模具的单价与批量无关 , 特别适合于新模具的开发和单件小 批量模具的生产。(3对一些直接用成型料生产的模具 , 可以实现非接触加工 ; 没有工具 的更换和磨损之类的问题 ; 可以实现无人值班 ; 不需要机加工方面的专门知识就可操作 ; 无切割、噪音和振动等 ;有利于环保 , 材料无浪费。(4生产

12、过程数字化 , 与 CAD 模型有直接的关联 , 零件可大可小 , 所见 即所得 , 可随时修改、随时制造。(5模具生产周期大大缩短 , 是模具制造业甚至是制造业上的又一次 革命。比较见表 1。(6大大节约模具生产的费用 , 有的可减少到传统生产方法的几分之 一甚至几十分之一。4快速成形技术发展趋势快速成形制造是一种以材料累加为原理的制造方法 , 可以制造任意复 杂的三维结构。 快速成形发展目前最大的难题是材料的物理与化学性 能制约了工艺实现。 例如 , 在成形材料上 , 目前主要是有机高分子材料 ; 金属材料直接成形是近十多年的研究热点 , 难点在于如何提高精度。 在成形材料上 , 发展方向

13、是研究陶瓷材料和复合材料的快速成形制造。 在制造装备的发展上 , 三维打印机是国外近年来的发展热点。将其作 为计算机一个外设在应用。快速成形技术在工业造型、产品创意、工 艺美术等方面有着广泛的应用前景和巨大的商业价值。 快速成形技术 的研究热点和发展方向分 3个方面 :(1快速成形制造技术本身的发展。 例如三维打印技术 , 使快速成形走 向信息市场 ; 金属直接成形技术使结构功能零件可直接制造。进一步 的发展是陶瓷零件的快速成形技术和复合材料的快速成形。(2快速成形应用领域的拓展。例如快速成形在汽车制造领域的应用 为新产品的开发提供了快捷的支持技术。 快速成形在生物假体与组织 工程上的应用 ,

14、 为人工定制假体制造、三维组织支架制造提供了有效 的技术手段。 进一步是向创意设计、 航空航天制造和功能结构器件领 域发展。(3快速成形学术思想的发展。快速成形从过去的外形制造向材料组 织与外形结构设计制造一体化方向发展。 力图实现从微观组织到宏观 结构的可控制造。例如在制造复合材料时 , 能否将复合材料组织设计 制造与外形结构设计制造同步完成。 这样从更广泛的意义上实现结构体的“设计材料制造”一体化。5快速成形的相关技术1. 计算机技术是快速成形产生的根本。 CAD 技术的出现使设计出现了 一次飞跃 , 它使得人的思维、创新设计能力以数字的形式记录于机器 之中。这样对其进行的后处理也变得十分

15、容易。 CAD 技术实现了零件 的曲面和实体造型 , 能够进行精确的离散运算和繁杂的数据转换。 2. 数控技术是快速成形技术中的重要使能技术之一。 数控技术的发展 使得精确的运动控制、能量传输控制、材料转移控制等成为可能。 3. 激光技术是快速成形技术中的重要使能技术之一 , 激光的极高能量 密度和极小光斑直径的特性是实施切割、 烧结、 聚合反应等工艺的保 证。4. 材料科学已经能够设计、制造满足各种性能要求的材料 , 如光敏材 料、热敏材料等。我国需要研发新的快速成形技术 , 向产业化发展。加强快速成形后续 应用技术的研发 , 通过 “产学研用” 结合 , 与企业合作不断拓展应用领 域。参考

16、文献 :1 王振林 . 数控加工技术是应用发展现代制造技术的基础 J.机 电产品创新与开发 ,2001,(5: 30-32.2 鞠华 , 李剑 , 王文 , 等 . 快速原型制造与反求工程集成的几个关键 技术 J.机械制造 ,2001,(6: 22-24.1李春祥,彭淑慧.快速成型技术原理及应用 J.甘肃工业大学学 报, 2000, 26(3 .2刘伟军. 快速成型技术及应用 M. 北京 :机械工业出版社, 2004. 3王广春,赵国群.快速成型与快速模具制造技术及应用 M.机械 工业出版社, 2003.4马承银,郑文姬,胡慧萍.水性环氧树脂的制备和固化机理的探 讨 J.高分子通报, 2006

17、, (1 .颜永年 , 郭海滨等 . 多功能快速成形制造系统的研究 . 中国先进制造学 术会议 ,1996,9:91392013 徐 健 , 颜永年 , 卢 伟 , 等 . 快速成形技术的发展方向 J.航空 制造技术 ,2002,11:5 2714 黄树槐 , 肖跃加 , 莫健华 , 等 . 快速成形技术的展望 J.中国机械 工程 ,2000,11(2:195 200Jiang K Y, Gu Y H. Study of the shape deposition manufacturing of polymer partsJ. Key Engineering Materials,2003,(2

18、56-260:672 676国家自然科学基金委员会工程与材料科学部 , 机械工程科学技术前沿编委会 . 机械工程科学技术前沿 . 北京 :机械工业出版社 , 1996(1提高 RP 系统的速度、控制精度和可靠性优化设备结构 , 选用性能价格比高、 寿命长的元器件 , 使系统更简洁 , 操作更方便 , 可靠性更高 , 速度更快。 开发不同档次、 不同用途的机亦 是 RP 系统发展的一个方面 , 例如 :一方面开发高精度、 高性能的机型 , 以满足对制件尺寸、 形状和表面质量要求更高、 或有特殊要求的用户。 另一方面 , 开发专门用于检验设计、模拟制品可视化 , 而对尺寸精度、 形状精度和表面粗糙

19、度要求不高的概念机。(2提高数据处理速度和精度 研究开发用 CAD 原始数据直接切片方 法 , 减少数据处理量以及由 STL 格式转换过程而产生的数据缺陷和轮 廓失真。(3研究开发成本低、易成形、变形小、强度高、耐久及无污染的成 形材料 将现有的材料 , 特别是功能材料进行改造或预处理 , 使之适 合于 RP 技术的工艺要求。 从 RP 的特点出发 , 结合各种应用要求 , 发展 全新的 RP 材料 , 特别是复合材料 , 例如纳米材料、非均质材料、其它 方法难以制作的复合材料等。降低 RP 材料的成本 , 发展新的更便宜的材料。(4开发新的成形能源 前述的主流成形技术中 ,SLA 、 LOM

20、 和 SLS 均 以激光作为能源 , 而激光系统 (包括激光器、冷却器、电源和外光路 的价格及维护费昂贵而传输效率较低 , 影响制件的成本。新成形能源 方面的研究也是 RP 技术的一个重要方向。(5研究开发新的成形方法 在过去的十年中 , 许多研究者开发出了 十几种成形方法 , 基本上都基于立体平面化 -离散 -堆积的思路。这种 方法还存在着许多不足 , 今后有可能研究集“堆积”和“切削”于一体的快速成形方法 , 即 RP 与 CNC 机床和其它传统的加工方式相结合 , 以提高制件的性能和精度 , 降低生产成本。还可能从 RP 原理延伸 , 产生一些新的快速成形方法。(6继续研究快速制模和快速

21、制造技术 一方面研究开发 RP 制件的 表面处理技术 , 提高表面质量和耐久性 ; 另一方面研究开发与注塑技 术、精密铸造技术相结合的新途径和新工艺 , 快速经济地制造金属模 具、金属零件和塑料件。(7应用范围扩大 通过对现有 RP 系统的改进和新材料的开发 , 使之 能够经济地生产出直接可用的模具、工业产品和民用消费品 ; 制造出 人工器官 , 用于治疗疾病。快速成形技术与众多技术密切相关,其中最主要的支持技术有以下几 项。 2.1 计算机辅助设计与辅助制造技术(CAD/CAM快速成形技术制造 零件时,必须首先利用 CAD 系统设计出一个三维零件的模型,再利用 CAD 软件对该模型进行离散化

22、,然后用 CAM 软件对零件模型进行切片 并确定每个层片生成制作的最佳扫描路径。可以看出,如果没有已趋 成熟的 CAD/CAM 技术,也就没有快速成形技术。因此,CAD/CAM 技术是 快速成形技术产生和应用的前提技术和基础技术。 2.2 数控技术 快速成形技术的成形过程是通过“离散”把三维实体制造问题转化为 一系列二维平面分层制造问题的过程,然后再将二维分层制造的平面 层片堆积叠加成三维的空间实体。在这个分解与组合的过程中,必须 由数控系统按照 CAM 的分层信息,控制分层的运动方式和加工参数, 并对加工时的光学参数、温度、功率和材料进给量等进行实时补偿。 如果快速成形技术采用“层堆积”的工艺方法成形零件时,数控系统 应提供在 X-Y 平面内的二维两轴联动控制。如果快速成形技术采用 “点堆积”的工艺方法成形零件时,数控系统应提供在 X-Y-Z 空间内 的三轴联动控制。由此可见,如果没有数控系统提供的精确运动,就 无法将片材或点材(粉末“堆积”叠加成空间实体零件。因此,数控 技术是快速成形技术实现“生长型制造”的保证技术。 2.3 激光技术 在基于激光的快速成形技术工作过程中,固化、切割或熔化成形材料 所采用的能源为激光。激光具有能量集中