快速原型制造技术论文1

新疆农业大学机械交通学院课程论文题目：快速原型制造技术分析研究学院：专业：机械设计制造及自动化班级：姓名：学号：指导教师：职称：教授2013年6月21日TOC\o"1-5"\h\z摘要2前言3\o"CurrentDocument"1RPM技术的基本原理3\o"CurrentDocument"2技术概述和指标3\o"CurrentDocument"3快速原型制造技术目前的适用对象33.1在工业产品开发中的应用3\o"CurrentDocument"3.1.1应用于模具制造4\o"CurrentDocument"3.1.2应用于电动工具的开发43.2在口腔下颌骨相关治疗中的应用5\o"CurrentDocument"3.2.1在口腔修复领域中的应用5\o"CurrentDocument"3.2.2在口腔种植领域中的应用53.2.3在口腔内科及正畸科领域中的应用5\o"CurrentDocument"3.2.4口腔颌面外科领域的应用53.3在软件无线电中的应用63.4在航空领域中的应用6\o"CurrentDocument"4结论7参考文献8，快速原型制造技术分析研究摘要：制造业是一个国家的重要基础产业，它为国民经济的各个部门提供先进的手段和装备。在新的世纪，随着市场多样化需求的发展，产品竞争日益激烈，加速新产品的开发和提高制造技术的柔性、敏捷性已成为企业赢得竞争的关键，在此背景下快速原型制造技术（RapidPrototypingManufacturing,简称RPM或RP）应运而生。快速原型技术（RPT）被用于许多工业领域，尤其是新产品的开发方面。现有的工艺能直接利用CAD的三维数据使一些材料（比如光固化树脂、粉纸）快速成型为实体零件。关键字：快速原型；三维；制造；工业刖言快速原型制造(RapidPrototypingManufacturing,简称RPM)技术是二十世纪九十年代后期起源于美国，并很快发展起来的一项先进制造技术，他是近二十年来制造技术领域的一次重大突破。快速原型制造技术是通过CAD、数控、激光和材料等高新技术的集成而发展起来的，它是一种崭新的CAD/CAM技术，可以自动快速地将思想物化为具有一定结构和性能的原型或直接制造零部件，从而可以对产品设计进行快速评价、修改，以响应市场需求，提高企业的竞争能。本文目的是对这项技术的关键原理、技术指标和和适用对象等分析研究。1RPM技术的基本原理将计算机内的三维数据模型进行分层切片得到各层截面的轮廓数据，计算机据此信息控制激光器(或喷嘴)有选择性地烧结一层接一层的粉末材料(或固化一层又一层的液态光敏树脂，或切割一层又一层的片状材料，或喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂)形成一系列具有一个微小厚度的片状实体，再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐层堆积成一体，便可以制造出所设计的新产品样件、模型或模具，简单描述就是“分层制造，逐层叠加”，类似于积分过程。如图1-1，RP技术在不需要任何刀具、模具及工装卡具的情况下，直接接受产品计算机辅助设计(CAD)数据，可实现任意复杂形状新产品的快速制造，快速制造出新产品的样件、模具或模型，优越性显而易见。用RP技术快速制造出的模型或样件可直接用于新产品设计验证、功能验证、外观验证、工程分析、市场订货等，有利于优化产品设计，大大提高新产品开发的一次成功率，缩短研发周期，降低研发成本，提高产品的市场竞争力。图1-12技术概述和指标所有制造技术被分为材料去除型和材料累积型两类。现有的制造技术要么是这两种类型中的一种，要么是这两种类型的混合。快速原型技术特点是一旦加工过程开始，就几乎不需要人工的参与，完全在计算机的控制下完成°Burns(1993)在他的书中写到RPT是一种自动化制造°Burns用五个标准来判断一种工艺是否为快速原型工艺。这五个标准是：

（1）利用块状、薄片或者液体之类的原材料来制造有特定形状的实体。（2）加工过程中必须没有过多人的参与。（3）必须是制造有一定复杂度的三维实体，这个标准是用来排除了在薄片材料通过冲压、剪切或者钻削来制造简单的孔的加工方法。（4）不需要为每个不同的零件制造对应的加工工具（专用工具）。这个标准排除了所有类型的模制、铸造、线切割加工和仿形铣。这就排除了胶粘、焊接和（5）制造目标必须是一个整体，不是组件装配而成，铆接之类连接方法。这就排除了胶粘、焊接和工：「I-格武:'切片心工：「I-格武:'切片心或如图2-1所示符合这些标准的制造技术就是自动制造技术。3快速原型制造技术目前的适用对象3.1在工业产品开发中的应用3.1.1应用于模具制造随着快速成型软硬件设备与快速成型材料的不断发展和完善，快速原型件的强度和精度得到不断的提高，其快速设计、快速制造、快速校验产品生产的特性尤其适合模具的快速制造，快速成型技术已经逐渐地深入到模具制造领域。1）用快速成形机直接制作模具快速成形件可直接用作模具，如同制作单个或者小批量注塑模具一样。选择性激光烧结快速成型工艺能够实现金属粉末烧结，所制作出来的部件本身就具有较高的强度，如果再配合后续的金属溶渗，则可以制作成强度足够高的金属模。此外，对于试制用注塑模或低熔点合金铸造模，由于对模具的强度、熔点要求不高，可以直接用硅橡胶、环氧树脂模，也可以采用快速模具制造方法直接制作硅橡胶、环氧树脂模。2）用快速成形件作为母模，翻制软模具当制造小批量零件时，或者对于试制用注塑模或低熔点合金铸造模，可以采用以快速成型原型作母模，采用硅橡胶浇注制作硅橡胶模或者树脂浇注成环氧树脂模。硅橡胶良好的柔性和弹性，对于结构复杂、花纹精细、无拔模斜度以及具有深凹槽的零件来说，制件浇注完成后均可直接取出。如熔模铸造用的蜡模，就可以采用这种方法来制作软模具，对于形状复杂的蜡模采用快速成型技术更能体现其优势性。这种方法还被大量的运用到文物、工艺品等形状特别复杂、纹理特别清晰物件的原型翻制硅橡胶软模具上。3）用快速成形件作为母模，翻制硬模具软模具的用途是有限的，很多情况下是要求制作的模具具有一定的强度、较高的熔点和适当的寿命，这就必须要制造出硬模具。采用快速模具制造方法制造硬模具的基本方法是：用快速成形件作母模，或根据快速成型件复制得到的软模具，浇注（或涂覆）石膏、陶瓷、金属基合成材料、金属，构成硬模具（如各种铸造模、注塑模、蜡模的压型、拉伸模），从而批量生产塑料件或金属件。这种模具有良好的机械加工性能，可进行局部切削加工，以便获得更高的精度，或镶入嵌块、冷却系统、浇注系统等。4）用快速成形系统制作电脉冲机床用电极用电火花电极加工是制造钢制模具的一个重要方法，特别是对于形状复杂的型腔，电火花电极加工应用广泛，可以将快速成型技术和电火花加工技术结合起来提高模具生产效率。其基本方法是：用快速成型件作为母体，然后通过喷镀或涂覆金属、粉末冶金、精密铸造、浇注石墨粉或特殊研磨，制作成良好导电性和足够强度的金属电极，用于电火花加工型腔，能大幅降低模具的生产成本和时间。3.1.2应用于电动工具的开发电动工具产品的设计开发具有下面几个特点：1）外形结构复杂。电动工具的表面90%都是由复杂的自由曲面所构成（如图1所示）。由于手持电动工具直接由使用者手持操作，因此对其人机工程性能提出了较高要求，设计时既要满足手感要求，又要考虑外形美观，还需根据不同客户的地域性差异、不同的手型大小等进行针对性设计。2）设计周期短。电动工具产品更新换代快，企业为了提高产品的市场竞争力，每一款新产品从市场调研、概念设计、结构设计到产品定型、模具设计及制造等，需要在较短时间内完成。在电动工具产品中，精密零件占据了一定的比重,其品种多、形状复杂的特点使得采用传统制造方法周期长、成本高。快速成形技术与材料的迅速发展，实现了将产品设计、模具设计和加工过程组合在一起，产生了快速模具制造（见图4）。快速模具技术集成度高，由数字原型到物理原型转换速度快，与采用传统数控技术制造模具相比，制造周期仅为前者的1/10-1/3,生产成本为前者的1/5-1/3。在快速制模技术中，先做出快速原型、然后由原型复制得到模具的方法，应用非常普遍。因此开发直接面向最终模具的快速原型工艺及设备，一直是快速原型研究者追求的目标。据报道,欧洲最大的快速原型生产商EOS公司最新推出了用选择性激光烧结（SLS）方法直接制作金属零件和模具的技术和设备。3.2在口腔下颌骨相关治疗中的应用大体上可分为3个阶段，初级阶段:用于诊断学和操作的生物实体模型；中级阶段（相容性生物模型）：用于治疗学和康复工程的植入体；高级阶段（高级生物模型）：人工器官（可参与代谢过程的“真正”骨）。目前主要集中在前两个阶段。3.2.1在口腔修复领域中的应用在口腔科其他领域，RPMT同样对传统工艺提出挑战。在口腔修复领域中有许多应用实例，他们利用RPMT技术制作患者牙冠、牙槽骨等的三维模型，根据模型设计、制作、和安装义齿。Witkowski等利用SLA技术与失蜡法相结合给患者制作可摘义齿，效果满意且大大缩短了制作时间。Wu等利用RPMT方法辅助制作了铸钛牙冠，且浇铸前使用商用软件对铸道进行了优化设计。他认为此技术在替代传统的“取印模和上蜡”等步骤上有着巨大的潜力。美国麻省理工学院的强度，并可加热至几百度以缩短干燥时间。国内高勃等利用LOM法制作全牙列模型，有很好的几何相似性，为进一步应用激光烧结金属或陶瓷粉末直接制作口腔修复体奠定了基础。3.2.2在口腔种植领域中的应用做种植义齿时，CT等影像技术对周密的手术计划有很大帮助,RPMT在口腔领域的应用使得这些数字影像发挥了更大的作用。Sarment等发现仅在CT影像指导下进行种植手术，术前计划与术后相比，在牙槽嵴植入点平均相差1.5mm.,骨内种植体顶点相差2.1mm;在SLA模型指导下进行手术这两个值分别减小到0.9mm和1.0mm。Sader等对23个患者利用RPMT的可视化实体预测上颌牙槽骨重度萎缩的患者上颌窦提升并植入种植体后颌面部的外形轮廓，指导手术，结果全部患者对手术效果满意。3.2.3在口腔内科及正畸科领域中的应用Kim等报道了一个接受口腔内科治疗的患者，甲状腺功能减退1年后发现有多发侧副根管侵入性牙根吸收，他利用RPMT制作了一副牙齿后，很快明确了发生的位置和面积。健康的牙周膜中活性细胞的保持对于牙齿自体移植的成功起着非常重要的作用，因而缩短体外操作时间意义重大°Lee等利用RPMT制作了供区牙齿模型，在受区比测合适后再取供区牙齿进行移植，结果减少了手术时间，总共移植的22颗牙齿的牙周膜良好。3.2.4口腔颌面外科领域的应用SLA、LOM、SLS、FDM、TDP等技术先后用于这一领域，在辅助诊断（骨折、关节强直甚至是阻生齿）、制定计划、模拟手术、治疗等方面发挥了重要作用。如邱明国等曾用LOM法制出颞骨的纸质实物模型，可用于复杂耳神经外科术前设计，也可模拟手术操作。3.3在软件无线电中的应用快速原型技术与软件无线电技术各自存在着一些固有的特性。应用系统日益复杂，对产品开发周期的要求越来越高；同时，大量软硬件模块具备了可重用能力。原型不再只用于评测，而直接进化为最终产品。模块库与IP核（IntelligentPropertyCore）简化了超大规模集成电路的设计，快速原型技术在嵌入式系统的设计中得到了广泛的应用。在FPGA的开发环境中，采用已有的描述模块，将DSP核以及与之配合的外围电路在FPGA阵列中同时实现;并利用软件工具对FPGA-DSP核进行DSP指令编程。软件和硬件的快速原型结合到了一起。首先对目标系统采用DFL语言进行说明，然后使用Mistral的结构级综合工具,翻译为VHDL,描述了DSP核以及周边的控制逻辑、接口和加速的数据通道等辅助单元。接下来使用DesignCompiler进行综合，进而应用ConceptSi-licon将综合的结果下载到FPGA中。而软件环节的工作相对简单,即利用DSP核的指令系统编写汇编语言程序,生成软件系统，并将软件也同时下载到FPGA中。这样，软硬件都存在于FPGA中，具有完整功能的系统原型产生了。这一方案并不是在FP-GA上实现DSP核，而是将核的内容作为一个宏模块来对待,FPGA得到更加有效的利用，而DSP核和其它模块化核的重用率也提高了。3.4在航空领域中的应用为了加快亚轨道飞行器再入段导航制导系统从算法设计到硬件产品的实现过程，可以采用快速原型技术进行设计。借助基于RTX的快速原型开发平台，利用Matlab/Simulink/RTW将导航制导模型自动生成C代码,对自动生成代码做出相应修改以满足系统实时性要求，再编译链接生成可执行DSP代码,加载到DSP（数字信号处理器），实现了亚轨道飞行器再入段导航制导系统的DSP硬件在回路仿真。该系统的实时仿真结果与Simulink数字仿真结果一致，表明快速原型系统设计的正确性。该方法具有开发周期短、实时性能好等优点，如图3-1所示。Realtimelorkshop册1NGN9按口+~~AnJ㈡部竺竺可二工|_^当槐报器辅入戡口住:册1NGN9按口+~~AnJ㈡部竺竺可二工|_^当槐报器辅入戡口住:1__D通遇输出榛口]1¥图3-14结论正如上文所说，由于RP技术独特和高度柔性的制造原理及其在产品开发过程中所起的作用，已越来越受到制造厂商和科技界人士的重视。其应用也正从原型制造向最终产品制造方向发展，特别是RP与RT技术的结合，已取得较明显的成果。但是，RP技术本身目前的发展水平，也还存在一些局限性。成形精度不高。影响RP成形精度的因素很多，它既包括前处理（数据格式转换）与后处理（含与环境和时间相关的制件尺寸变化）所引起的误差，更因为成形过程自身伴随着材料的相变和温度变化，是一个复杂的热力学过程，其尺寸控制远比机械加工困难，所以目前日？技术所能达到的最佳尺寸精度大概在±0.1mm左右。而且成形速度与成形精度之间还存在矛盾，为提高成形精度而减少切片层厚会降低成形效率。由于精度不够，目前RP技术尚难于制造精度较高的最终产品，一般只能作为一种准净成形（NearNetShape）技术。处理工艺成熟的材料范围有限。前文已经提到，目前比较成熟的RPX艺所处理的材料大概只限于树脂、蜡、某些工程塑料和纸等几种。用这些材料制成的零件，即使经过后处理也大多不能作为真正的机械零件使用。而以金属材料作为RP的处理对象来直接生产金属零件和模具的工艺尚不十分成熟，如何提高直接金属成形件的尺寸精度、表面质量和机械性能并降