快速成型技術(shù)的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)

1、摘要 成形材料的開發(fā)應(yīng)用 , 可提升成形質(zhì)量、 拓寬原型應(yīng)用的領(lǐng)域、 開發(fā)新的成形工藝 . 軟件是快速成形技術(shù)的靈魂 , 第三方軟件介入是 當(dāng)前快速成形技術(shù)軟件開發(fā)的一個(gè)明顯趨勢(shì) . 基于快速成形思想的各 種新的工藝方法、研究與工藝裝備開發(fā) , 以及桌面化設(shè)備和功能原型 成形設(shè)備的開發(fā) , 是新的快速成形設(shè)備研制的兩大趨勢(shì) .關(guān)鍵詞 快速成形 , 成形材料 , 軟件技術(shù) , 工藝裝備Abstract By developing and applying material of forming or shaping, forming quality can be promoted, protot

2、ype appli- cation can be broadened, and new RP process can be developed. Software is the core of rapid prototyping technology. The field of rapid prototyping technology where commercial software involved is an obvious trend of software technique development at present. The research on various new te

3、chnological method and technological equipment based on the principleof rapid prototyping as well as the development of desktop equipment and functionalizing equipment, are two R& D bigtrends in developing new RP equipment.Keywords rapid prototyping, forming material, software technique, process

4、 equipment引言快速成形制造 (RPM是 20世紀(jì) 80年代末、 90年代初由美國開發(fā)的高 新制造技術(shù) , 其重要意義可與數(shù)控 (CNC技術(shù)相比。 該技術(shù)采用材料累加的新成形原理 , 直接通過 CAD 數(shù)據(jù)制成三維實(shí)體模型。這一技術(shù)不 需要傳統(tǒng)的機(jī)床、夾具、刀具 , 便可快速而精密地制造出任意復(fù)雜形 狀的零件模型 , 從而實(shí)現(xiàn)了 “自由制造” 。 快速成形出現(xiàn)給工業(yè)產(chǎn)品的 造型開發(fā)、工藝品的模型設(shè)計(jì)提供了最為便捷的制造工具 , 使產(chǎn)品的 開發(fā)速度數(shù)十倍地提高。而且越是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的物體 , 其制造速度提高 越顯著。1快速成形技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀快速成形技術(shù) (Rapid Prototypi

5、ng Technology,以下簡(jiǎn)稱 RP 技術(shù) 是 20世紀(jì) 80年代中后期發(fā)展起來的一項(xiàng)新興的先進(jìn)制造技術(shù) , 其核 心思想是基于降維離散的方法 , 把任意復(fù)雜的三維實(shí)體通過切片處理 , 轉(zhuǎn)換為二維平面的制造和沿成形方向做一維的層片疊加 , 實(shí)現(xiàn)物理原 型的快速制造 .我國快速成形技術(shù)自 20世紀(jì)世紀(jì) 90年代初開始發(fā)展 , 西安交通大學(xué)、 北京隆源公司等院校和企業(yè)在典型的快速成形設(shè)備、 軟件、 材料等方 面的研究和產(chǎn)業(yè)化方面的獲得了重大進(jìn)展。 隨后國內(nèi)許多高校和研究 機(jī)構(gòu)也開展了相關(guān)研究 , 重點(diǎn)在金屬成形方面開展研究。我國快速成 形技術(shù)的研究工作基本與國際同步。在快速成形技術(shù)新設(shè)備研發(fā)

6、和應(yīng)用方面我國則落后于國外。 由于我國 在這方面的投入少 , 企業(yè)的應(yīng)用開發(fā)能力弱 , 故相對(duì)于歐美國家 , 在新 技術(shù)的開發(fā)上已顯落后。 在應(yīng)用上 , 我們?cè)S多行業(yè)缺少后續(xù)技術(shù)研發(fā) , 例如在快速制造的原型向模具和功能零件轉(zhuǎn)化方面沒有形成系統(tǒng)技 術(shù)體系 , 企業(yè)沒有很好地將此技術(shù)應(yīng)用在產(chǎn)品開發(fā)方面。國外快速成形技術(shù)在航空領(lǐng)域超過 8%的應(yīng)用量 , 而我國在這方面的應(yīng)用量則非常 低。 快速成形尤其適合于航空航天產(chǎn)品中的零部件單件小批量的制造 , 具有成本低和效率高的優(yōu)點(diǎn)。 國外在航空航天器的研制中不斷嘗試應(yīng) 用快速成形技術(shù) , 顯示出了巨大發(fā)展?jié)摿ΑＴ谖覈卮蟮膶ｍ?xiàng)研究和 航空航天事業(yè)發(fā)展中

7、, 快速成形這一技術(shù)都有廣泛的用途。 因此 , 通過 “產(chǎn)學(xué)研用”結(jié)合 , 通過不斷與企業(yè)合作 , 拓展應(yīng)用領(lǐng)域 , 將是快速成 形制造技術(shù)發(fā)展的根本方向。2快速成型系統(tǒng)的構(gòu)成和原理2.1 系統(tǒng)構(gòu)成快速成型系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成。其中 , 硬件由工業(yè)控制 計(jì)算機(jī)、 激光選區(qū)燒結(jié)器、 光路及其掃描系統(tǒng)、 成型室及送料室組成 ; 軟件由操作系統(tǒng)、 CAD 軟件、 CAD 切層軟件、激光選區(qū)燒結(jié)控制軟件 等組成。(一快速成型技術(shù)的原理快速成型技術(shù)是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、 CAD 、機(jī)械工程、數(shù)控技術(shù)、檢測(cè)技 術(shù)、激光技術(shù)和材料科學(xué)等集合為一體的高新技術(shù)。近年來,該技術(shù) 在國內(nèi)外得到了迅速的發(fā)展,并將

8、成為 21世紀(jì)制造業(yè)的重要組成部 分。 其原理是根據(jù)對(duì)三維 CAD 電子模型進(jìn)行分層切片處理, 得到一系 列的二維截面輪廓, 然后用激光束或其它方法切割、 固化或燒結(jié)某種 狀態(tài)材料,得到一層層的產(chǎn)品截面并逐步疊加成三維實(shí)體。 RP 技術(shù) 摒棄了傳統(tǒng)機(jī)械加工的材料“去除”加工法,而采用全新的材料增長(zhǎng)加工法, 將復(fù)雜的三維加工分解成簡(jiǎn)的二維加工的組合, 它從成型原 理上提出了一個(gè)全新的思維模式,是一個(gè)從離散到堆積的過程(二快速成型工藝過程在快速成型工藝過程中, 由于系統(tǒng)是由三維 CAD 模型直接驅(qū)動(dòng), 因此 首先要構(gòu)建所加工件的三維 CAD 模型。 該三維 CAD 模型可以利用計(jì)算 機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件

9、直接構(gòu)建, 也可以將現(xiàn)有產(chǎn)品的二維圖樣進(jìn)行轉(zhuǎn)換而 形成三維模型,或?qū)Ξa(chǎn)品實(shí)體進(jìn)行激光掃描、斷層掃描,得到點(diǎn)云數(shù) 據(jù), 然后利用反求工程的方法來構(gòu)造三維模型。 其次是三維模型的近 似處理, 由于產(chǎn)品往往有一些不規(guī)則的自由曲面, 加工前要對(duì)模型進(jìn) 行近似的處理, 以方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作。 由于格式文件格式簡(jiǎn)單、 實(shí)用, 目前已經(jīng)成為快速成型領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)接口文件。 它是用一系列的 小三角形平面來逼近原來的模型, 每個(gè)小三角形用 3個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)和一 個(gè)法向量來描述, 三角形的大小可以根據(jù)精度要求進(jìn)行選擇。 文件有 二進(jìn)制碼和 ASCn 碼兩種輸出形式,二進(jìn)制碼輸出形式所占的空間比 ASCn 碼輸出形式的

10、文件所占用的空間小得多,但 ASCn 碼輸出形式可 以閱讀和檢查。典型的 CAD 軟件都帶有轉(zhuǎn)換和輸出 STL 文件的功能。 后是三維模型的切片處理, 根據(jù)被加工模型的特征選擇合適的加工方 向,在成型高度方向上用一系列一定間隔的平面切割近似后的模型, 以便提取截面的輪廓信息。間隔一般常用 0.1mm 。間隔越小,成型精 度越高,但成型時(shí)間也越長(zhǎng),效率就越低,反之則精度越低,但效率 高。最后成型加工與零件的后處理,根據(jù)切片處理的截面輪廓,在計(jì) 算機(jī)控制下, 相應(yīng)的成型頭按各截面輪廓信息做掃描運(yùn)動(dòng), 在工作臺(tái)上一層一層地堆積材料,然后將各層相粘結(jié),最終得到原型產(chǎn)品。成 型零件的后處理是從成型系統(tǒng)里

11、取出成型件, 進(jìn)行打磨、 拋光、 涂掛, 或放在高溫爐中進(jìn)行后燒結(jié),進(jìn)一步提高其強(qiáng)度。3 快速成型技術(shù)的特點(diǎn)快速成型技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn) :(1與模具的復(fù)雜程度無關(guān) , 可以實(shí)現(xiàn)自由制造。 無論多么復(fù)雜的模具 , 只要設(shè)計(jì)出來 , 就可以用快速成型技術(shù)制造出來 , 這是傳統(tǒng)的模具加工方法無法比擬的。 (2生產(chǎn)模具的單價(jià)與批量無關(guān) , 特別適合于新模具的開發(fā)和單件小 批量模具的生產(chǎn)。(3對(duì)一些直接用成型料生產(chǎn)的模具 , 可以實(shí)現(xiàn)非接觸加工 ; 沒有工具 的更換和磨損之類的問題 ; 可以實(shí)現(xiàn)無人值班 ; 不需要機(jī)加工方面的專門知識(shí)就可操作 ; 無切割、噪音和振動(dòng)等 ;有利于環(huán)保 , 材料無浪費(fèi)。(4生產(chǎn)

12、過程數(shù)字化 , 與 CAD 模型有直接的關(guān)聯(lián) , 零件可大可小 , 所見 即所得 , 可隨時(shí)修改、隨時(shí)制造。(5模具生產(chǎn)周期大大縮短 , 是模具制造業(yè)甚至是制造業(yè)上的又一次 革命。比較見表 1。(6大大節(jié)約模具生產(chǎn)的費(fèi)用 , 有的可減少到傳統(tǒng)生產(chǎn)方法的幾分之 一甚至幾十分之一。4快速成形技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)快速成形制造是一種以材料累加為原理的制造方法 , 可以制造任意復(fù) 雜的三維結(jié)構(gòu)。 快速成形發(fā)展目前最大的難題是材料的物理與化學(xué)性 能制約了工藝實(shí)現(xiàn)。 例如 , 在成形材料上 , 目前主要是有機(jī)高分子材料 ; 金屬材料直接成形是近十多年的研究熱點(diǎn) , 難點(diǎn)在于如何提高精度。 在成形材料上 , 發(fā)展方向

13、是研究陶瓷材料和復(fù)合材料的快速成形制造。 在制造裝備的發(fā)展上 , 三維打印機(jī)是國外近年來的發(fā)展熱點(diǎn)。將其作 為計(jì)算機(jī)一個(gè)外設(shè)在應(yīng)用。快速成形技術(shù)在工業(yè)造型、產(chǎn)品創(chuàng)意、工 藝美術(shù)等方面有著廣泛的應(yīng)用前景和巨大的商業(yè)價(jià)值。 快速成形技術(shù) 的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向分 3個(gè)方面 :(1快速成形制造技術(shù)本身的發(fā)展。 例如三維打印技術(shù) , 使快速成形走 向信息市場(chǎng) ; 金屬直接成形技術(shù)使結(jié)構(gòu)功能零件可直接制造。進(jìn)一步 的發(fā)展是陶瓷零件的快速成形技術(shù)和復(fù)合材料的快速成形。(2快速成形應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。例如快速成形在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用 為新產(chǎn)品的開發(fā)提供了快捷的支持技術(shù)。 快速成形在生物假體與組織 工程上的應(yīng)用 ,

14、 為人工定制假體制造、三維組織支架制造提供了有效 的技術(shù)手段。 進(jìn)一步是向創(chuàng)意設(shè)計(jì)、 航空航天制造和功能結(jié)構(gòu)器件領(lǐng) 域發(fā)展。(3快速成形學(xué)術(shù)思想的發(fā)展?？焖俪尚螐倪^去的外形制造向材料組 織與外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造一體化方向發(fā)展。 力圖實(shí)現(xiàn)從微觀組織到宏觀 結(jié)構(gòu)的可控制造。例如在制造復(fù)合材料時(shí) , 能否將復(fù)合材料組織設(shè)計(jì) 制造與外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造同步完成。 這樣從更廣泛的意義上實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體的“設(shè)計(jì)材料制造”一體化。5快速成形的相關(guān)技術(shù)1. 計(jì)算機(jī)技術(shù)是快速成形產(chǎn)生的根本。 CAD 技術(shù)的出現(xiàn)使設(shè)計(jì)出現(xiàn)了 一次飛躍 , 它使得人的思維、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力以數(shù)字的形式記錄于機(jī)器 之中。這樣對(duì)其進(jìn)行的后處理也變得十分

15、容易。 CAD 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了零件 的曲面和實(shí)體造型 , 能夠進(jìn)行精確的離散運(yùn)算和繁雜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。 2. 數(shù)控技術(shù)是快速成形技術(shù)中的重要使能技術(shù)之一。 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展 使得精確的運(yùn)動(dòng)控制、能量傳輸控制、材料轉(zhuǎn)移控制等成為可能。 3. 激光技術(shù)是快速成形技術(shù)中的重要使能技術(shù)之一 , 激光的極高能量 密度和極小光斑直徑的特性是實(shí)施切割、 燒結(jié)、 聚合反應(yīng)等工藝的保 證。4. 材料科學(xué)已經(jīng)能夠設(shè)計(jì)、制造滿足各種性能要求的材料 , 如光敏材 料、熱敏材料等。我國需要研發(fā)新的快速成形技術(shù) , 向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。加強(qiáng)快速成形后續(xù) 應(yīng)用技術(shù)的研發(fā) , 通過 “產(chǎn)學(xué)研用” 結(jié)合 , 與企業(yè)合作不斷拓展應(yīng)用領(lǐng) 域。參考

16、文獻(xiàn) :1 王振林 . 數(shù)控加工技術(shù)是應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ) J.機(jī) 電產(chǎn)品創(chuàng)新與開發(fā) ,2001,(5: 30-32.2 鞠華 , 李劍 , 王文 , 等 . 快速原型制造與反求工程集成的幾個(gè)關(guān)鍵 技術(shù) J.機(jī)械制造 ,2001,(6: 22-24.1李春祥,彭淑慧.快速成型技術(shù)原理及應(yīng)用 J.甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué) 報(bào), 2000, 26(3 .2劉偉軍. 快速成型技術(shù)及應(yīng)用 M. 北京 :機(jī)械工業(yè)出版社, 2004. 3王廣春,趙國群.快速成型與快速模具制造技術(shù)及應(yīng)用 M.機(jī)械 工業(yè)出版社, 2003.4馬承銀,鄭文姬,胡慧萍.水性環(huán)氧樹脂的制備和固化機(jī)理的探 討 J.高分子通報(bào), 2006

17、, (1 .顏永年 , 郭海濱等 . 多功能快速成形制造系統(tǒng)的研究 . 中國先進(jìn)制造學(xué) 術(shù)會(huì)議 ,1996,9:91392013 徐 健 , 顏永年 , 盧 偉 , 等 . 快速成形技術(shù)的發(fā)展方向 J.航空 制造技術(shù) ,2002,11:5 2714 黃樹槐 , 肖躍加 , 莫健華 , 等 . 快速成形技術(shù)的展望 J.中國機(jī)械 工程 ,2000,11(2:195 200Jiang K Y, Gu Y H. Study of the shape deposition manufacturing of polymer partsJ. Key Engineering Materials,2003,(2

18、56-260:672 676國家自然科學(xué)基金委員會(huì)工程與材料科學(xué)部 , 機(jī)械工程科學(xué)技術(shù)前沿編委會(huì) . 機(jī)械工程科學(xué)技術(shù)前沿 . 北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 , 1996(1提高 RP 系統(tǒng)的速度、控制精度和可靠性優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu) , 選用性能價(jià)格比高、 壽命長(zhǎng)的元器件 , 使系統(tǒng)更簡(jiǎn)潔 , 操作更方便 , 可靠性更高 , 速度更快。 開發(fā)不同檔次、 不同用途的機(jī)亦 是 RP 系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)方面 , 例如 :一方面開發(fā)高精度、 高性能的機(jī)型 , 以滿足對(duì)制件尺寸、 形狀和表面質(zhì)量要求更高、 或有特殊要求的用戶。 另一方面 , 開發(fā)專門用于檢驗(yàn)設(shè)計(jì)、模擬制品可視化 , 而對(duì)尺寸精度、 形狀精度和表面粗糙

19、度要求不高的概念機(jī)。(2提高數(shù)據(jù)處理速度和精度 研究開發(fā)用 CAD 原始數(shù)據(jù)直接切片方 法 , 減少數(shù)據(jù)處理量以及由 STL 格式轉(zhuǎn)換過程而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)缺陷和輪 廓失真。(3研究開發(fā)成本低、易成形、變形小、強(qiáng)度高、耐久及無污染的成 形材料 將現(xiàn)有的材料 , 特別是功能材料進(jìn)行改造或預(yù)處理 , 使之適 合于 RP 技術(shù)的工藝要求。 從 RP 的特點(diǎn)出發(fā) , 結(jié)合各種應(yīng)用要求 , 發(fā)展 全新的 RP 材料 , 特別是復(fù)合材料 , 例如納米材料、非均質(zhì)材料、其它 方法難以制作的復(fù)合材料等。降低 RP 材料的成本 , 發(fā)展新的更便宜的材料。(4開發(fā)新的成形能源 前述的主流成形技術(shù)中 ,SLA 、 LOM

20、 和 SLS 均 以激光作為能源 , 而激光系統(tǒng) (包括激光器、冷卻器、電源和外光路 的價(jià)格及維護(hù)費(fèi)昂貴而傳輸效率較低 , 影響制件的成本。新成形能源 方面的研究也是 RP 技術(shù)的一個(gè)重要方向。(5研究開發(fā)新的成形方法 在過去的十年中 , 許多研究者開發(fā)出了 十幾種成形方法 , 基本上都基于立體平面化 -離散 -堆積的思路。這種 方法還存在著許多不足 , 今后有可能研究集“堆積”和“切削”于一體的快速成形方法 , 即 RP 與 CNC 機(jī)床和其它傳統(tǒng)的加工方式相結(jié)合 , 以提高制件的性能和精度 , 降低生產(chǎn)成本。還可能從 RP 原理延伸 , 產(chǎn)生一些新的快速成形方法。(6繼續(xù)研究快速制模和快速

21、制造技術(shù) 一方面研究開發(fā) RP 制件的 表面處理技術(shù) , 提高表面質(zhì)量和耐久性 ; 另一方面研究開發(fā)與注塑技 術(shù)、精密鑄造技術(shù)相結(jié)合的新途徑和新工藝 , 快速經(jīng)濟(jì)地制造金屬模 具、金屬零件和塑料件。(7應(yīng)用范圍擴(kuò)大 通過對(duì)現(xiàn)有 RP 系統(tǒng)的改進(jìn)和新材料的開發(fā) , 使之 能夠經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)出直接可用的模具、工業(yè)產(chǎn)品和民用消費(fèi)品 ; 制造出 人工器官 , 用于治療疾病?？焖俪尚渭夹g(shù)與眾多技術(shù)密切相關(guān),其中最主要的支持技術(shù)有以下幾 項(xiàng)。 2.1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與輔助制造技術(shù)(CAD/CAM快速成形技術(shù)制造 零件時(shí),必須首先利用 CAD 系統(tǒng)設(shè)計(jì)出一個(gè)三維零件的模型,再利用 CAD 軟件對(duì)該模型進(jìn)行離散化

22、,然后用 CAM 軟件對(duì)零件模型進(jìn)行切片 并確定每個(gè)層片生成制作的最佳掃描路徑?？梢钥闯?如果沒有已趨 成熟的 CAD/CAM 技術(shù),也就沒有快速成形技術(shù)。因此,CAD/CAM 技術(shù)是 快速成形技術(shù)產(chǎn)生和應(yīng)用的前提技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。 2.2 數(shù)控技術(shù) 快速成形技術(shù)的成形過程是通過“離散”把三維實(shí)體制造問題轉(zhuǎn)化為 一系列二維平面分層制造問題的過程,然后再將二維分層制造的平面 層片堆積疊加成三維的空間實(shí)體。在這個(gè)分解與組合的過程中,必須 由數(shù)控系統(tǒng)按照 CAM 的分層信息,控制分層的運(yùn)動(dòng)方式和加工參數(shù), 并對(duì)加工時(shí)的光學(xué)參數(shù)、溫度、功率和材料進(jìn)給量等進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。 如果快速成形技術(shù)采用“層堆積”的工藝方法成形零件時(shí),數(shù)控系統(tǒng) 應(yīng)提供在 X-Y 平面內(nèi)的二維兩軸聯(lián)動(dòng)控制。如果快速成形技術(shù)采用 “點(diǎn)堆積”的工藝方法成形零件時(shí),數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)提供在 X-Y-Z 空間內(nèi) 的三軸聯(lián)動(dòng)控制。由此可見,如果沒有數(shù)控系統(tǒng)提供的精確運(yùn)動(dòng),就 無法將片材或點(diǎn)材(粉末“堆積”疊加成空間實(shí)體零件。因此,數(shù)控 技術(shù)是快速成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)“生長(zhǎng)型制造”的保證技術(shù)。 2.3 激光技術(shù) 在基于激光的快速成形技術(shù)工作過程中,固化、切割或熔化成形材料 所采用的能源為激光。激光具有能量集中