快速成型技术的发展与应用

1、快速成型技术的发展与应用摘要:是现代制造技术较为先进的加工方法,其结合了数控、计算机制造、激光等技术。本文主要介绍了几种的发展与现状及其加工原理,对其在产品设计、模具制造、建筑、医疗等方面的应用作了探讨,分析了该技术在应用中的优缺点。 关键词:;工作原理;应用 1前言 为了满足现代社会消费者的需求,各种各样的新产品不断出现。现代产品的设计不但追求质量好,功能强,而且要求造型美观。一方面,制造商要面对消费者“喜新厌旧”的心理,产品的更新换代不断加快,谁能够利用最短的时间不断的推出新产品,谁就能留住消费者;另一方面,现代制造业的市场是竞争越来越激烈,降低成本,生产出高质量的产品是商家制胜的法宝。这

2、就使得传统的产品设计与制造的方法已经不能完全满足现在产品设计的要求。在这种形势下,催使(Rapid Prototyping Manufacturing,RPM)的出现与成熟。 2快速成型的原理 传统的加工技术是采用去材料的加工方式,在毛坯上把多余的材料去除,得到我们想要的产品。而即是采用加材料的方式进行加工,材料从没有到有,一层层的叠加得到产品,有别于传统的加工方式。采用离散或堆积成型的原理,由三维的CAD模型根据不同的加工工艺进行分层,每一层就变成了一个二维图形,从而由大量的二维图形取代了三维图形,只要所分的层是足够的薄,那么大量的二维图形叠加在一起就越逼近三维图形。然后经过对数据进行处理,

3、让每一个二维图形生成数控程序,利用数控系统把所得的数控程序以平面加工的方式还原成每一层二维图形的薄片,让薄片一层一层的叠加起来就得到了三维的模型。 经过近年来的不断发展与完善,已经产生了很多种的加工方法。目前主要的有:美国3D SYSTEM公司的光固化成型法(Stereo Lithography Apparatus,SLA)、美国Helisys的分层实体制造法(Laminated Object Manufacturing,LOM)、德国的ESO选择性激光烧结法 (Selective Laser Sintering,SLS)、美国Stratasys的熔融沉积法(Fused Deposition

4、Modding,FDM)、美国MIT-Z的三维打印法 (Three Dimensional Printing and Gluing,3DP)等常用的方法。 2.1光固化成型技术(SLA)是以光敏树脂为原料,放在液槽里,激光器发出紫外激光经过扩束镜、聚焦镜把激光束聚焦到振镜扫描头上。计算机根据由三维实体图分割而成的二维图的形状控制振镜扫描头运动。激光所扫描到的液体上表面的地方,光敏树脂马上发生光聚合反应,形成一层薄层。激光没有扫描到的地方,树脂还是处于液体的状态。然后把托板往下移动,让液体再次充满上表面,再次进行激光扫描并凝固,即得到另外一层薄片,跟前面的一层薄片粘合在一起。这样一层一层的扫描凝

5、固、粘合,直到把三维实体加工出来为止。(如图1) 2.2熔融沉积法(FDM)技术是以热融性的(ABS、尼龙、蜡等)作为材料,材料在喷头处被加热成液体。三维立体图被分割成大量的二维图后,设备的喷嘴受到系统的控制,根据二维图的形状一边运动一边挤出在喷头里融化了的材料,形成一层与二维图形状一样的薄层。一层一层的薄层叠加在一起即可得到三维的实体。如图(2) 2.3三维打印 (3DP)技术是以特殊粉末与粘合剂为材料。系统把三维模型分割成适合打印机打印的二维截面图。在工作台上铺一层薄薄的粉末,根据打印机的原理,打印喷头喷出黏合剂,粉末遇到黏合剂即凝固,生成一层薄片层,工作台随即降低一层薄片层的高度,再铺一

6、层新的粉末,重复整个过程,一层层薄层叠加在一起生成整个三维模型。如图(3) 2.4选择性激光烧结技术 (SLS)是利用各种粉末作为材料,以激光作为能源。在工作台上铺一层薄薄的粉末,设备控制激光按照从三维模型分割出来的二维图的形状扫描,扫描到的粉末被激光烧结,形成薄层,一层完成后再到下一层,烧结完成后,经过打磨、烘干等的后处理即可得到模型。 2.5分层实体制造技术(LOM)是将单面涂有热溶胶的纸片通过加热粘接在一起,系统根据所获得的二维数据,利用激光将纸切割成所制模型的内外轮廓,然一层层的纸再叠加在上面进行切割,把每一层粘合在一起,生成模型。 3在产品开发中的应用 Dimension公司生产的快

7、速成型机是利用熔融沉积方法进行加工产品。设备主要以ABS料作为加工材料。能加工出复杂的工件,所加工的工件几乎与工件的复杂程度无关,在加工复杂工件时较传统加工技术节省了时间,从而节省了成本,使得整个产品的开发周期缩短。最大的优势是能加工出工件的配合件与扣件。由于ABS料有较好的强度,可以对加工出来的工件进行结构与力学上的分析。这是该成型技术的优势。 Z Corporation公司生产的Z Corp ZPrinter 450快速成型机利用的技术是三维打印技术(3DP)。该设备以粉末作为主要的材料,一个喷头挤出黏合剂,另一个喷头喷出彩色的墨水进行调色。加工出来的产品可以直接带上色彩,无需再对产品进行

8、上色的后处理,产品出来后,根据你想要的性能,可用不同的加强剂对产品进行强化,能得到硬性与塑性的模型。所以这是其一大优点。 在产品外观设计中的应用,产品外观设计时,设计者往往是根据自己的理念与空间的想象,首先设计出产品的三维图表达其造型,再对产品进行色彩渲染,定好产品的色调,然后进行不断的修改到满意。但用三维图来表现出来的产品始终是跟真的实物是有一定的差别的,往往就需要做出模型来检验设计者的设计理念、造型、色调等,特别还要检验产品的结构是否合理。那么就要求对模型进行多次的修改然后最终定型。所以做出模型对产品的设计的意义是十分重要的。传统做模型多数利用手工制造(如玩具行业)或者利用数控设备进行加工

9、,然后通过一些后处理,再进行上色,这样既耗时又耗人力,又难免造成偏差。利用Z Corp ZPrinter 450彩色打印机可以一步到位,能在几个小时内把产品的造型、字体(图案)、色彩等一次性加工出来,比起传统加工技术大大节省了做模型的时间与成本。如图(4)、(5)。 在模具制造行业中的应用,有时需要对产品的结构外型与材料的性能进行分析,就要求制造出简易的模具生产产品。可以快速的制造出模套与型芯,可得到铸造模具进行浇铸生产得到产品。如图(6) 在建筑行业的应用,建筑设计师设计时不但要考虑房子的结构与造型,还要考虑到房子的位置布局、房子的外观格调等是否与周围的环境能和谐的结合在一起,要做到面面俱到

10、,对设计师来说是一个挑战。设计太复杂了,建筑工程师要读懂设计师的设计图纸实施工程的建设也有一定的难度。那么如果把整个建筑物及其周围的环境都做成模型,将会既可以让设计师检验房屋的布局、结构、外观等是否符合其设计理念,以便可以进行及时的修改,也有利于建筑工程师通过模型实物了解设计师的设计意图,避免在建造时出现偏差,浪费时间与成本。也可用作于房屋的展示。还可以制作城市里的整体或局部的立体地图。如图(7)、图(8)。 在医学上的应用,在很多重大、复杂的手术上,医生都要进行手术的仔细研究,为了得到比较优化的手术方案,医生要进行多次手术的预演。这就要求能快速的制作出医学上用的三维模型用于手术前的研究与手术

11、预演。在整形与骨头外伤手术上,结合逆向工程技术进行设计与制作假体植入人体也得到比较广泛的应用。如图(9)。 4的优缺点 优点:由于其加工原理有别于传统加工原理,能加工传统加工方法无法加工的产品,加工的产品几乎与产品的复杂程度无关,很多新颖的产品设计能得以实现。在开发新产品时较传统加工能更快加工出模型,并能直接给产品上色,缩短了开发的周期、节省了材料与工时,提高了效率。 缺点在于:设备昂贵,容易损耗,设备的维护与材料的成本较高。加工的精度普遍不高,表面精度较差。产品的刚度和强度不足,难以进行结构与受力分析。加工的速度也是有待提高。 5结束语 是在一项在不断发展与完善中的技术。对于现代产品的多样化与复杂化来说,其应用于产品开发中有其较大的优势,能使得产品的开发周期大大的缩短,为开发产品节省了成本,赢得市场。但也具有机器与材料成本相对来说较高,精度难以达到工业上要求的缺点,使得该技术有一定的局限性。若能克服以上的缺点,将会有很好的发展前景。 参考文献: 1周振堂,马廉洁.零件制造的及其应