快速成型技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì).doc

精品文檔 快速成型技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)摘要:；快速成型技術(shù)憑借其加工原理的獨(dú)特性和相對(duì)傳統(tǒng)加工時(shí)間的大大節(jié)省，在模具工業(yè)和修復(fù)醫(yī)學(xué)方面得到了大力的推廣和應(yīng)用同時(shí)也是一種結(jié)合計(jì)算機(jī)、數(shù)控、激光和材料技術(shù)于一體的先進(jìn)制造技術(shù)，并提出快速成型技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：快速成型；快速模具；修復(fù)醫(yī)學(xué)；成型方法；成型材料；引言快速成型(Rapid Prototyping，簡(jiǎn)稱RP)是80年代末期開(kāi)始商品化的一種高新制造技術(shù)，它是集CADCAM技術(shù)、激光加工技術(shù)、數(shù)控技術(shù)和新材料等技術(shù)領(lǐng)域的最新成果于一體的零件原型制造技術(shù)快速成型不同于傳統(tǒng)的用材料去除方式制造零件的方法，而是用材料一層一層積累的方式構(gòu)造零件模型它利用所要制造零件的三維CAD模型數(shù)據(jù)直接生成產(chǎn)品原型，并且可以方便地修改CAD模型后重新制造產(chǎn)品原型由于該技術(shù)不像傳統(tǒng)的零件制造方法需要制作木模、塑料模和陶瓷模等，可以把零件原型的制造時(shí)間減少為幾天、幾小時(shí)，大大縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，減少了開(kāi)發(fā)成本隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和三維CAD軟件應(yīng)用的不斷推廣，越來(lái)越多的產(chǎn)品基于三維CAD設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，使得快速成型技術(shù)的廣泛應(yīng)用成為可能快速成形技術(shù)已廣泛應(yīng)用于宇航、航空、汽車、通訊、醫(yī)療、電子、家電、玩具、軍事裝備、工業(yè)造型(雕刻)、建筑模型、機(jī)械行業(yè)等領(lǐng)域1。1.快速成型技術(shù)的應(yīng)用1.1 工業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及樣件試制作為一種可視化的設(shè)計(jì)驗(yàn)證工具，RP具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。(1)在國(guó)外，快速原型即首版的制作，已成為供應(yīng)商爭(zhēng)取訂單的有力工具。美國(guó)Detroit的一家制造商，利用2臺(tái)不同型號(hào)的快速成型機(jī)以及快速精鑄技術(shù)，在接到rd公司標(biāo)書(shū)后的4個(gè)工作日內(nèi)生產(chǎn)出了第一個(gè)功能樣件，從而拿到了Ford公司年生產(chǎn)總值300萬(wàn)美元的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋精鑄件的合同。(2)在RP系統(tǒng)中，一些使用特殊材料制作的原型(如光敏樹(shù)脂等)可直接進(jìn)行裝配檢驗(yàn)、模擬產(chǎn)品真實(shí)工作狀況的部分功能試驗(yàn)。Chrysler直接利用RP技術(shù)制造的車體原型進(jìn)行高速風(fēng)洞流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，節(jié)省成本達(dá)70。(3)結(jié)合逆向工程、并行工程，RP顯示出了更大的發(fā)展空間。1.2 快速模具(Rapid Tool ing)制造RP技術(shù)可用于制作注塑模、鑄造模、陶瓷模、硬質(zhì)合金模、鍛模和沖壓模等等，其各種工藝方法都可直接或是間接地用于快速模具制造。例如，LOM法可制及用于制造下列用途的紙模具：灌注石蠟鑄造蠟?zāi)５哪＞摺⑹喑尚湍?、塑料壓鑄成型模和低熔點(diǎn)合金鑄造模等；SLS法可直接燒結(jié)金屬模具或陶瓷模具，用作注塑、壓鑄、擠塑等塑料成型模及沖壓成型模，SLS制作的模具經(jīng)浸銅后，還可直接用作金屬模具。硅橡膠復(fù)型工藝則是一種典型的間接制模方法。其特點(diǎn)是批量小，工藝簡(jiǎn)單。硅橡膠有很好的彈性和復(fù)印性能，用它來(lái)復(fù)制模具時(shí)，可以不考慮拔模斜度，基本不會(huì)影響尺寸精度。將快速成型機(jī)制作的工件作為模具母模，用硅橡膠可以方便的翻制成硅膠模具，再往模具里澆注不同性能的樹(shù)脂，便可快速得到不同強(qiáng)度的塑料件。在陶瓷精鑄技術(shù)中RP制作的原型還可以通過(guò)電鑄的方法鑄出電極或直接成為模具型腔，這種方法的復(fù)型精度很高，零件上的細(xì)微之處(如掌紋)均可以復(fù)制出來(lái)2。1.3 在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用由于醫(yī)學(xué)上一些嚴(yán)重面容畸形的形態(tài)特殊（如先天性唇裂，面容的多發(fā)性骨折等）其周圍解剖關(guān)系復(fù)雜，往往通過(guò)二維平面的觀察很難確定病變范圍。這給醫(yī)生制定手術(shù)方案帶來(lái)很大的困難。因此，如果在手術(shù)前，利用逆向工程應(yīng)用螺旋CT或MRI獲得缺損骨連續(xù)性缺損三維數(shù)據(jù)模型，在計(jì)算機(jī)上模擬重建三維圖像，可以直觀地對(duì)骨性疾病做出正確的診斷。然后將三維數(shù)據(jù)模型通過(guò)快速成型技術(shù)轉(zhuǎn)化為二維仿真生物模型后，為術(shù)者提供了手術(shù)平臺(tái)，術(shù)前能夠?qū)€(gè)體化實(shí)體模型直觀地進(jìn)行分析、測(cè)量，并預(yù)演整個(gè)手術(shù)過(guò)程，明確截骨范圍，熟悉手術(shù)過(guò)程，縮短了手術(shù)時(shí)間，簡(jiǎn)化手術(shù)，從而減少手術(shù)并發(fā)癥狀的發(fā)生3。2. 快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)2.1 新型分層疊加成型方法的研究與開(kāi)發(fā)口?？焖俪尚偷幕A(chǔ)是分層制造、積分疊加成型，然而，用什么材料進(jìn)行分層疊加，以及如何進(jìn)行分層疊加卻大有文章可做。因此，除了常見(jiàn)的SLA、SLS、LOM、FDM、TDP等方法外，現(xiàn)正在研究開(kāi)發(fā)一些新的分層疊加成型方法，以便進(jìn)一步改善制件的性能、精度和成型效率，這些方法主要有：a.多種材料組織的熔積成型。它可以逐層制造出一個(gè)由多種材料和部件組成的三維實(shí)體器件，而無(wú)需分件加工和裝配。b侵入式光成型。由日本大阪Sangyo大學(xué)的YojiMarutani提出，它是將激光束通過(guò)一個(gè)管子，直接插入到光敏樹(shù)脂槽中，如圖3所示，管子可在水平方向自由運(yùn)動(dòng)，為了在光固化時(shí)防止樹(shù)脂流人管子而將工件與管子粘到一起，可在管子中充人空氣，控制氣壓，在管口部形成氣泡，將管子端口與工件分離開(kāi)，激光通過(guò)管子中的透鏡聚焦在工件上進(jìn)行逐層加工。這種方法可以節(jié)省通常的SLA成型的再涂層裝置和工藝，節(jié)約加工時(shí)間，提高加工效率。c輪廓成型工藝。由美國(guó)南加州(Southern Cohfornie)大學(xué)的Barok Khoshnevis申請(qǐng)的將擠壓工藝與類似于FDM 的成型方法結(jié)合起來(lái)的被稱為“CotourCrafting”的專利技術(shù)。d光成型表面光順工藝，由英國(guó)Notting ham大學(xué)的一個(gè)科研小組提出的一種對(duì)光固化成型表面修整的方法，可減小制件的表面粗糙度值4。2.2 快速成型技術(shù)的進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)的方向RP技術(shù)雖然有其巨大的優(yōu)越性，但是也有它的局限性，由于可成型材料有限，零件精度低，表面粗糙度高；原型零件的物理性能較差，成型機(jī)的價(jià)格較高，運(yùn)行制作的成本高等，所以在一定程度上成為該技術(shù)的推廣普及的瓶頸。從目前國(guó)內(nèi)外RP技術(shù)的研究和應(yīng)用狀況來(lái)看，快速成型技術(shù)的進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)的方向主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：a.大力改善現(xiàn)行快速成型制作機(jī)的制作精度、可靠性和制作能力，提高生產(chǎn)效率，縮短制作周期。尤其是提高成型件的表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能，為進(jìn)一步進(jìn)行模具加工和功能試驗(yàn)提供平臺(tái)。b.隨著成型工藝的進(jìn)步和應(yīng)用的擴(kuò)展，其概念逐漸從快速成型向快速制造轉(zhuǎn)變，從概念模型向批量定制轉(zhuǎn)變，成型設(shè)備也向概念型、生產(chǎn)型和專用型三個(gè)方向分化。c.開(kāi)發(fā)性能更好的快速成型材料 材料的性能既要利于原型加工，又要具有較好的后續(xù)加工性能，還要滿足對(duì)強(qiáng)度和剛度等不同的要求。d.提高RP系統(tǒng)的加工速度和開(kāi)拓并行制造的工藝方法。目前即使是最快的快速成型機(jī)也難以完成象注塑和壓鑄成型的快速大批量生產(chǎn)。將來(lái)的快速成型機(jī)需要向快速和多材料的制造系統(tǒng)發(fā)展，以便可以直接面向產(chǎn)品制造。e.開(kāi)發(fā)直寫(xiě)技術(shù)。直寫(xiě)技術(shù)對(duì)于材料單元有著精確的控制能力，開(kāi)發(fā)直寫(xiě)技術(shù)，是快速RP技術(shù)的材料范圍擴(kuò)大到細(xì)胞等活性材料領(lǐng)域，f.開(kāi)發(fā)用于快速成型的RPM 軟件。這些軟件有快速高精度直接切片軟件，快速造型制造和后續(xù)應(yīng)用過(guò)程中的精度補(bǔ)償軟件，考慮快速成型原型制造和后續(xù)應(yīng)用的CAD 等。g.開(kāi)發(fā)新的成型能源。目前大多數(shù)成型機(jī)都是以激光作為能源，而激光系統(tǒng)的價(jià)格和維修費(fèi)用昂貴，并且傳輸效率較低。這方面也需要得到改善和發(fā)展。h.RPM 與CAD 、CAM、CAPP、CAE 以及高精度自動(dòng)測(cè)量、逆向工程的集成一體化。i亥項(xiàng)技術(shù)可以大大提高新產(chǎn)品的第一次投入市場(chǎng)就十分成功的可能性，也可以快速實(shí)現(xiàn)反求工程。i.研制新的快速成型方法和工藝。除了目前SLA、LOM、SLS、FDM 外，直接金屬成型工藝將是以后的發(fā)展焦點(diǎn)。j.提高網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)全球化異地協(xié)同合作5。2.3 研究新的成型方法與工藝 在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，拓展RP技術(shù)的應(yīng)用，開(kāi)展新的成型技術(shù)的探索。新的成型方法層出不窮，如三維微結(jié)構(gòu)制造、生物活性組織的工程化制造、激光三維內(nèi)割技術(shù)、層片曝光方式等。對(duì)于RP微型制造的研究主要集中于：RP微成型機(jī)理與方法、RP系統(tǒng)的精度控制、激光光斑尺寸的控制以及材料的成型特性等方面。目前制作的微零件僅是概念模型，并不能稱之為功能零件，更談不上微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），要達(dá)到MEMS還需克服很多的問(wèn)題，如：隨著尺寸的減小，表面積與體積之比相對(duì)增大，表面力學(xué)、表面物理效應(yīng)將起主導(dǎo)作用；微摩擦學(xué)、微熱力學(xué)、微系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試等6。2.4 開(kāi)發(fā)新的成型材料成型材料是決定快速成型技術(shù)發(fā)展的基本要素之一。加工對(duì)象和應(yīng)用方向的側(cè)重點(diǎn)不同，使用的材料不同，與RP制造的4個(gè)目標(biāo)(概念型，測(cè)試型，模具型、功能零件)相適應(yīng)，對(duì)材料的要求也不同。目前應(yīng)用較多的成型材料及其形態(tài)有液態(tài)樹(shù)脂類、金屬或陶瓷粉末類、紙、塑料薄膜或金屬片(箔)類等，存在材料成本高、過(guò)程工藝要求高、制成成型的表面質(zhì)量與內(nèi)在性能還欠理想等不足。進(jìn)一步的研究課題包括開(kāi)發(fā)成本與性能更好的新材料、開(kāi)發(fā)可以直接制造最終產(chǎn)品的新材料、研究適宜快速成型工藝及后處理工藝的材料形態(tài)、探索特定形態(tài)成型材料的低成本制備技本、造型材料新工藝等7。結(jié)語(yǔ)快速成型技術(shù)是一種處在發(fā)展完善過(guò)程的高新技術(shù)其技術(shù)本身和應(yīng)用領(lǐng)域尚需進(jìn)行大量的開(kāi)發(fā)研究。21世紀(jì)將是以知識(shí)經(jīng)濟(jì)和信息社會(huì)為特征的時(shí)代制造業(yè)面臨信息社會(huì)中瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)對(duì)小批量多品種產(chǎn)品要求的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在制造業(yè)日趨國(guó)際化的狀況下縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和減少開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品投資風(fēng)險(xiǎn)，成為企業(yè)賴以生存的關(guān)鍵。因此，快速成型、制模、制造技術(shù)將會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展。 參考文獻(xiàn)1 金杰，張安陽(yáng)，快速成型技術(shù)及其應(yīng)用，浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)-2005,33(5)2 王曉聰， 孫錫紅，快速成形技術(shù)研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用前景，精密制造與自動(dòng)化-2007(3)3 江靜， 祁文軍， 阿地力莫明，快速成型技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，機(jī)械設(shè)計(jì)與制造-