快速成型的原理及应用

题目：1、快速成型原理是什么？其技术有何特点？2、按制造工艺原理分，快速成型工艺主要分成哪几类？3、简述快速成型技术有哪些应用？4、典型的快速成型工艺有哪几种？试分析成型工艺的特点。5、反求工程的基本含义是什么？应用在那几个方面？6、结合课程知识点，谈谈快速成型技术对新产品设计的作用。1、快速成型原理是什么？其技术有何特点？快速成型原理RP系统可以根据零件的形状，每次制做一个具有一定微小厚度和特定形状的截面，然后再把它们逐层粘结起来，就得到了所需制造的立体的零件。当然，整个过程是在计算机的控制下，由快速成形系统自动完成的。不同公司制造的RP系统所用的成形材料不同，系统的工作原理也有所不同，但其基本原理都是一样的，那就是"分层制造、逐层叠加"。这种工艺可以形象地叫做"增长法"或"加法”。每个截面数据相当于医学上的一张CT像片；整个制造过程可以比喻为一个"积分"的过程。RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。RP技术的基本原理是：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。自美国3D公司1988年推出第一台商品SLA快速成形机以来，已经有十几种不同的成形系统，其中比较成熟的有SLA、SLS、LOM和FDM等方法。其成形原理分别介绍如下：（1）SLA快速成形系统的成形原理：成形材料：液态光敏树脂；制件性能：相当于工程塑料或蜡模；主要用途：高精度塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。（2）SLS快速成形系统的成形原理：成形材料：工程塑料粉末；制件性能：相当于工程塑料、蜡模、砂型；主要用途：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。（3）LOM快速成形系统的成形原理：成形材料：涂敷有热敏胶的纤维纸；制件性能：相当于高级木材；主要用途：快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。（4）FDM快速成形系统的成形原理：成形材料：固体丝状工程塑料；制件性能：相当于工程塑料或蜡模；主要用途：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。快速原形技术的特点：（1）、自由成型制造：自由成型制造也是快速成型技术的另外一个用语。作为快速成型技术的特点之一的自由成型制造的含义有两个方面：一是指无需要使用工模具而制作原型或零件，由此可以大大缩短新产品的试制周期，并节省工模具费用；二是指不受形状复杂程度的限制，能够制作任何形状与结构、不同材料复合的原形或零件。（2）、制造效率快：从CAD数模或实体反求获得的数据到制成原形，一般仅需要数小时或十几小时，速度比传统成型加工方法快的多。该项目技术在新产品开发中改善了设计过程的人机交流，缩短了产品设计与开发周期。以快速成型机为母模的快速模具技术，能够在几天内制作出所需材料的实际产品，而通过传统的钢质模具制作产品，至少需要几个月的时间。该项技术的应用，大大降低了新产品的开发成本和企业研制新产品的风险。（3）、由CAD模型直接驱动：无论哪种RP制造工艺，其材料都是通过逐点、逐层以添加的方式累积成型的。无论哪种快速成型制造工艺，也都是通过CAD数字模型直接或者间接地驱动快速成型设备系统进行制造的。这种通过材料添加来制造原形的加工方式是快速成型技术区别传统的机械加工方式的显著特征。这种由CAD数字模型直接或者间接地驱动快速成型设备系统的原形制作过程也决定了快速成型的制造快速和自由成型的特征。（4）、技术高度集成：当落后的计算机辅助工艺规划（ComputerAidedProcessPlanning,CAPP）一直无法实现CAD与CAM一体化的时候，快速成型技术的出现较好的填补了CAD与CAM之间的缝隙。新材料、激光应用技术、精密伺候驱动技术、计算机技术以及数控技术等的高度集成，共同支撑了快速成型技术的实现。（5）、经济效益高：快速成型技术制造原型或零件，无须工模具，也与成型或零件的复杂程度无关，与传统的机械加工方法相比，其原型或零件本身制作过程的成本显著降低。此外，由于快速成型在设计可视化、外观评估、装配及功能检验以及快速模具母模的功用，能够显著缩短产品的开发试制周期，也带来了显著的时间效益。也正是因为快速成型技术具有突出的经济效益，才使得该项技术一经出现，便得到了制造业的高度重视和迅速而广泛的应用。（6）、精度不如传统加工；数据模型分层处理时不可避免的一些数据丢失外加分层制造必然产生台阶误差，堆积成形的相变和凝固过程产生的内应力也会引起翘曲变形，这从根本上决定了RP造型的精度极限。2、按制造工艺原理分，快速成型工艺主要分成哪几类？快速成型工艺主要分成：光固化立体造型工艺:该技术以光敏树脂为原料，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。当一层固化完毕，移动工作台，在原先固化子的树脂表面再敖上一层新新的液态树脂以便进行下层扫描固化。新固化的一层牢固地粘合地层上，如此重复全整个零件原型制造完毕。分层物件制造工艺:LOM工艺将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起。位于上方的激光器按照CAD分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓，然后新的一层纸再叠加在上面通过热压装置和下面已切割层粘合在一起，激光束再次切割，这样反复逐层切割、粘合、切割…，直至整个零件模型制作完成。选择性激光烧结工艺:在工作台上均匀铺上一层很薄(100p-200p)的粉末在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理便获得零件。目前成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉，用金属粉或陶瓷粉进行粘结或烧结的工艺还正在实验阶段。熔融沉积造型工艺:FDM喷头受CAD分层数据控制使半流动状态的材料中挤压出来，凝固形成轮廓形状的薄层每层厚度范围在0.025〜0.762mm，一层叠一层最后形成整个零件模型。3、简述快速成型技术有哪些应用？快速成型技术的应用：除了制造原型外，该项技术也特别适合于新产品的开发、单件及小批量零件制造、不规则或复杂形状零件制造、模具设计与制造、产品设计的外观评估和装配检验、快速反求与复制，也适合于难加工材料的制造等。这项技术不仅在制造业具有广泛的应用，而且在材料科学与工程、医学、文化艺术以及建筑工程等领域也有广阔的应用前景。4、典型的快速成型工艺有哪几种？试分析成型工艺的特点。⑴典型的快速成型工艺：有光固化成型工艺、叠层实体加型工艺、选择性激光烧结成型工艺、熔融沉积成型工艺。⑵特点：①光固化成型工艺特点：a、成型过程自动化程度高。b、尺寸精度高。c、优良的表面质量。d、可以制作结构十分复杂、尺寸比较精细的模型。e、可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失型。f、制作的原型可以在一定程度上替代塑料件。叠层实体加型工艺特点：a、原材料价格便宜，原型制作成本低。b、制件尺寸大。c、无需后固化处理。d、无需设计和制作支撑结构。e、废料易剥离。f、制件能承受高达200摄氏度的温度，有较高的硬度和较好的力学性能，可进行各种切削加工。g、原型精度高°h、设备采用了高质量的元器件，有完善的安全、保护装置，因而能长时间继续运行，可靠性高，寿命长。匚操作方便。选择性激光烧结成型工艺特点：a、可采用多种材料。b、制造工艺比较简单。c、高精度。d、无需支撑结构。e、材料利用率高。熔融沉积成型工艺特点：a、由于采用了热融挤压头的专利技术，使整个系统构造原理和操作简单，维护成本低，系统运行安全。b、可以使用无毒的原材料，设备系统可在办公环境中安装使用。c、可以成型任意复杂程度的零件，常用于成型具有很复杂的内腔、孔等零件。d、用蜡成型的零件原型，可以直接用于失蜡铸造。e、原材料在成型中无化学变化，制件的翘曲变形小°f、原材料利用率高，且材料寿命长。g、支撑去除简单，无需化学清洗，分离容易。h、可直接制作彩色原型。5、反求工程的基本含义是什么？应用在哪几个方面？⑴反求工程的基本含义：反求工程也称逆向工程、反向工程,是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程，是一个从样品生成产品数字化信息模型，并在此基础上进行产品设计开发及生产的全过程。⑵应用：①企业只能拿到真实零件而没有图样，又要求对此零件进行分析、复制及改型。②在汽车、家电等行业要分析油泥模型，对油泥模型进行修改，得到满意结果后将此模型的外型在计算机中建立数字模型。③对现有的零件工装等建立数字模型。④在模具行业，往往需要用于工修模，修改后的模具型腔数据必须及时地反映到相应的CAD设计之中，这样才能最终制造出符合要求的模具。6、结合课程知识点，谈谈快速成型技术对新产品设计的作用。快速成型技术的出现，创立了产品开发研究的新模式，使设计师以前所未的直观方式体会设计的感觉、感性而迅速验证，检查所设计产品的结构、外形，从而使设计工作进入了一个全新的境界，改善了设计过程中的人机交流，缩短了产品开发的周期，加快了产品更新换代的速度，降低了企业校装新产品的风险，加强了企业引导消费的力度。CL4FD速图4基于快速成型技术的产品开发流程从图4中可以看出，在引入快速成型技术的产品开发模式中，快速成型技术已参与产品开发的几乎所有环节，其主要作用表现在以下几个方面：为决策层提供决策直观性一个新产品的开发总是从外形设计开始的，外观是否美观实用往往决定了该产品是否能够被市场接受，传统的做法是根据设计师的思想，先制作出效果图及手工模型，经决策层评审后在进行后续设计。但由于二维效果图的表达效果受到很大限制，决策过程中不够直观，手工制作模型费时长，精度又差，手工模型与设计师的意图存在着较大的差异，这一问题一直不能够得到较好解决。快速成型技术能够迅速的将设计师的设计思想变成三维的实体模型，与手工制作相比，不仅节省了大量的时间，而且精确地体现了设计师的设计理念，为决策层产品评审的决策工作提供了直接准确的模型，减少了决策工作中的不正确因素。减少人为缺陷，提高设计质量在产品的开发设计过程中，由于设计手段和其它方面的限制，每一个设计都会存在着一些人为的设计缺陷，如果不能及早发现，就会影响接下来的工作，造成不必要的损失，甚至会导致整个设计的失败。因此，及早地发现并改正设计缺陷变的十分重要，使用快速成型技术可以将这种人为的影响减少到最低限度。快速成型技术由于成形时间短，精确度高，可以在设计的同时制造高精度的模型，使设计师能够在设计阶段对产品的整机或局部进行装配和综合评价，从而发现设计上的缺陷与不合理因素，来不断的改进设计。快速成型技术的应用可把产品的设计缺陷消灭在设计阶段，最终提高产品整体的设计质量。缩短设计周期，加快开发进度快速成型技术的应用，可以做到产品的设计和模具生产并行，对于一般产品从设计到模具验收需要一段相当长的时间，按传统的设计手段，只有在模具验收合格后才能进行整机的装配以及进行各种验收。对于在试验中发现的设计不合理之处，需要对原来的设计进行修改，再相应的对模具进行修改。这样就会在设计与制造过程中造成大量重复性的工作，使模具的制造周期加长，最终导致修改时间约占整个制作时间的20%〜30%。应用快速成型技术之后，可以充分利用模具制造的这段时间，利用快速成型的制件进行整机装配和各种试验，随时与模具中心进行信息交流，力争做到模具一次性通过验收，这样模具制造与整机的试验评价并行工作，大大加快了产品的开发进度，迅速完成从设计到投产的转换。另外，快速成型技术形成的模型对于模具的设计与制造过程有着明显的指导作用。对于具体产品来说，模具制造时间可以大大缩短，模具制造的质量可以得到提高，相应的对产品质量得到最终保证起到了积极的影响。提供样件由于应用快速成型技术制作出的样品比二维效果图更加直观，比工作站中的三维图象更加真实，而且具有手工制作的模型所无法比拟的精度，因而在样件制作方面有比较大的优势。利用快速成型技术制作出的样件能够使用户非常直观的了解尚未投入批量生产的产品的外观及其性能并及时做出评价。使生产方能够根据用户的需求及时改进产品，为产品的销售创造有利条件，同时避免了由于盲目生产可能造成的损失，同时，在工程投标中投标方常常被要求提供样品，为投标方直观全面的进行评价提供依据，设计