快速成型技术及其向产品化生产发展所面临的技术问题

1、快速成型技术及其向产品化生产发展所面临的技术问题梁江波陕西科技大学, 陕西咸阳 (712081摘要:介绍了目前常见的快速成型方法,并分析了各种方法的优缺点,阐述了目前快速成型制造中及其向产品化生产发展所面临的一系列技术问题,最后针对成型制造自身的结构特点,对进一步的研究提出一些建议。关键词:快速成型成型工艺精度数据接口1. 前言在新产品的开发过程中,总是需要对所设计的零件或整个系统在投入大量资金组织加工或装配之前加工一个简单的例子或原型。这样做主要是因为生产成本昂贵,而且模具的生产需要花费大量的时间准备,因此,在准备制造和销售一个复杂的产品系统之前,工作原型可以对产品设计进行评价、修改和功能验

2、证。一个产品的典型开发过程是从前一代的原型中发现错误或从进一步研究中发现更有效和更好的设计方案,而一件原型的生产极其费时,模具的准备需要几个月,一个复杂的零件用传统方法加工非常困难。快速成型(Rapid Prototyping技术是近年来发展起来的直接根据CAD模型快速生产样件或零件的成组技术总称,它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果,是先进制造技术的重要组成部分。与传统制造方法不同,快速成型从零件的CAD几何模型出发,通过软件分层离散和数控成型系统,用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加,因而可以在不用模具和工具

3、的条件下生成几乎任意复杂的零部件,极大地提高了生产效率和制造柔性1。一个更为人们关注的问题是一个产品从概念到可销售的成品的流程速度。在市场竞争中,众所周知,产品在竞争对手之前进入市场更为有利可图并能享有更大的市场氛围。同时,还有一个更为令人关心的问题是产品的高质量生产。由于这些原因,努力使高质量的产品快速的进入市场就显得极为重要。快速成型技术问世这些年,已实现了相当大的市场,发展非常迅速。人们对材料逐层添加法这种新的制造方法已逐步适应。该技术通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段结合,已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段,在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了广泛应用2。快

4、速原型技术的优点:1.快速原型作为一种使设计概念可视化的重要手段,计算机辅助设计的零件的实物模型可以在很短时间内被加工出来,从而可以很快对加工能力和设计结果进行评估。2.由于它是将复杂的三维型体转化为两维截面来解决,因此,它能制造任意复杂型体的高精度零件,而无须任何工装模具。3.快速原型作为一种重要的制造技术,采用适当的材料,这种原型可以被用在后续生产操作中以获得最终产品。4.快速原型操作可以应用于模具制造,可以快速、经济地获得模具。5.产品制造过程几乎与零件的复杂性无关,可实现自由制造(Free Form Fabrication,这是传统制造方法无法比拟的3。2. 快速成型的基本原理基于材料

5、累加原理的快速成型的操作过程实际上是一层一层地离散制造零件。为了形象化这种操作可以想象一整条面包的结构是一片面包落在另一片面包之上一层层累积而成的。快速成型有很多种工艺方法,但所有的快速成型工艺方法都是一层一层地制造零件,区别是制造每一层的方法和材料不同而已。快速成型的一般工艺过程原理如下:1.三维模型的构造。在三维CAD设计软件(如Pro/E、UG、SolidWorks、SolidEdge等中获得描述该零件的CAD文件,如图1-2(a中所示的三维零件。目前一般快速成型支持的文件输出格式为STL模型,即对实体曲面近似处理,即所谓面型化(Tessallation处理,是用平面三角面片近似模型表面

6、。这样处理的优点是大大地简化了CAD模型的数据格式,从而便于后续的分层处理。由于它在数据处理上较简单,而且与CAD系统无关,所以很快发展为快速成型制造领域中CAD系统与快速成型机之间数据交换的准标准,每个三角面片用四个数据项表示,即三个顶点坐标和法向矢量,而整个CAD模型就是这样一组矢量的集合。在三维CAD设计软件对CAD模型进行面型化处理时,一般软件系统中有输出精度控制参数,通过控制该参数,可减小曲面近似处理误差4。如Pro/E软件是通过选定弦高值(ch-chord height作为逼近的精度参数,如图1-1为一球体,给定的两种ch值所转化的情况。对于一个模型,软件中给定一个选取范围,一般情

7、况下这个范围可以满足工程要求。但是,如果该值选的太小,要牺牲处理时间及存贮空间,中等复杂的零件都要数兆甚至数十兆左右。并且这种数据转换过程中无法避免地产生错误,如某个三角形的顶点在另一三角形边的中间、三角形不封闭等问题是实践中经常遇到的,这给后续数据处理带来麻烦,需要进一步检查修补。 图 1-1 不同ch值时的效果2.三维模型的离散处理。通过专用的分层程序将三维实体模型(一般为STL模型分层(图1-2b,分层切片是在选定了制作(堆积方向后,需对CAD模型进行一维离散,获取每一薄层片截面轮廓及实体信息。通过一簇平行平面沿制作方向与CAD模型相截,所得到的截面交线就是薄层的轮廓信息,而实体信息是通

8、过一些判别准则来获取的。平行平面之间的距离就是分层的厚度,也就是成型时堆积的单层厚度。在这一过程中,由于分层,破坏了切片方向CAD模型表面的连续性,不可避免地丢失了模型的一些信息,导致零件尺寸及形状误差的产生。切片层的厚度直接影响零件的表面粗糙度和整个零件的型面精度,分层切片后所获得的每一层信息就是该层片上下轮廓信息及实体信息,而轮廓信息由于是用平面与CAD模型的STL文(面型化后的CAD模型求交获得的,所以轮廓是由求交后的一系列交点顺序连成的折线段构成,所以,分层后所得到的模型轮廓已经是近似的,而层层之间的轮廓信息已经丢失,层厚大,丢失的信息多,导致在成型过程中产生了型面误差4。综上所述,为

9、提高零件精度,应该考虑更小的切片层厚度。 (a 零件的三维模型(b 零件被分层离散 (c 支撑材料(d 采用熔积法对图(c A-A截面加工的挤压路径图1-2 快速成型原理图3. 快速成型的工艺方法目前快速成型主要工艺方法及其分类见图1-3所示。本书仅介绍目前工业领域较为常用的工艺方法。RP 工艺方法及其分类图1-3 目前快速成型主要工艺方法及其分类3.1熔积成型法(Fused Deposition Modeling在熔积成型法(FDM的过程中(图1-4龙门架式的机械控制喷头可以在工作台的两个主要方向移动,工作台可以根据需要向上或向下移动。热塑性塑料或蜡制的熔丝从加热小口处挤出。最初的一层是按照

10、预定的轨迹(如图1-2d以固定的速率将熔丝挤出在泡沫塑料基体上形成的。当第一层完成后,工作台下降一个层厚并开始迭加制造一层。FDM工艺的关键是保持半流动成型材料刚好在熔点之上(通常控制在比熔点高1左右。FDM 制作复杂的零件时,必须添加工艺支撑。如图1-5(a所示零件很难直接加工,因为一旦零件加工到了a的高度,下一层熔丝将铺在没有材料支撑的空间。解决的方法是独立于模型材料单独挤出一个支撑材料,支撑材料可以用低密度的熔丝,比模型材料强度低,在零件加工完成后可以将它拆除。FDM的优点是材料的利用率高;材料的成本低;可选用的材料种类多;工艺干净、简单、易于操作且对环境的影响小。缺点是精度低;结构复杂

11、的零件不易制造;表面质量差;成型效率低,不适合制造大型零件。该工艺适合于产品的概念建模以及它的形状和功能测试,中等复杂程度的中小原型,由于甲基丙烯酸ABS材料具有较好的化学稳定型,可采用伽马射线消毒,特别适用于医用5。 (a 熔积法成型的示意图(b 熔积成型5000,熔积成型设备图1-4 熔积成型法原理图 (a 有一个突出截面需要支撑材料的零件 (b 在快速原型机器中常用的支撑结构图1-5 快速原型支撑结构图3.2 光固化法(Stereolithography 光固化法是目前应用最为广泛的一种快速原型制造工艺,它实际上比熔积法发展的还要早。光固化采用的是将液态光敏树脂固化(硬化到特定形状的原理

12、。以光敏树脂为原料,在计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂逐点扫描,使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应,从而形成零件的一个薄层截面。如图1-6所示零件,成型开始时工作台在它的最高位置(深度a ,此时液面高于工作台一个层厚,激光发生器产生的紫外激光在计算机控制下聚焦到液面并按零件第一层的截面轮廓进行扫描,使扫描区域的液态光敏树脂固化,形成零件第一个截面的固化层。然后工作台下降一个层厚,使先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂然后重复扫描固化,与此同时新固化的一层牢固地粘接在前一层上,该过程一直重复操作到达到b 高度。此时已经产生了一个有固定壁厚的圆柱体环形零件。这时可以注意到工作台在垂直方向下降了距离ab 。到达b 高度后,光束在x -y 面的移动范围加大从而在前面成型的零件部分上生成凸缘形状(一般此处应添加类似于FDM 的支撑。当一定厚度的液体被固化后,该过程重复进行产生出另 一个从高度b 到c 的圆柱环形截面。注意,周围的液态树脂仍然是可流动的,因为它并没有在紫外线光束范