快速原型技術(shù)――工藝及優(yōu)勢(shì)

1、快速原型技術(shù)快速制造發(fā)展的應(yīng)用和優(yōu)勢(shì)利物浦大學(xué)工程院制造工程和工業(yè)管理專(zhuān)業(yè)，信箱：大不列顛聯(lián)合王國(guó)利物浦147號(hào)，郵編：L693BX近年來(lái)，快速原型技術(shù)（RPT）被用于許多工業(yè)領(lǐng)域，尤其是新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)方面?，F(xiàn)有的工藝能直接利用CAD的三維數(shù)據(jù)使一些材料（比如光固化樹(shù)脂、粉紙）快速成型為實(shí)體零件。本文目的是對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)、應(yīng)用范圍和它的對(duì)于制造業(yè)的貢獻(xiàn)進(jìn)行概述。關(guān)鍵詞：快速原型，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，制造業(yè)1、引入在這個(gè)即時(shí)通訊的時(shí)代，企業(yè)制造了大量的信息，這些信息通過(guò)傳真、調(diào)制解調(diào)器和電子郵件傳送到世界的每個(gè)角落。沒(méi)有人會(huì)懷疑世界的相互依賴(lài)型已經(jīng)成為常態(tài)，即使許多國(guó)家聯(lián)合成為一個(gè)世界級(jí)的國(guó)家也并非不

2、可想象。隨著電信業(yè)的發(fā)展，高新技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)成為國(guó)家之間的另一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)方面。許多新興的未完全工業(yè)化國(guó)家，曾經(jīng)不被認(rèn)為是高新技術(shù)裝備的主要市場(chǎng)，但如今這他們也在積極尋求更好的技術(shù)、設(shè)備和工藝，以便在國(guó)際市場(chǎng)上更加具有競(jìng)爭(zhēng)力。這些國(guó)家不再想以廉價(jià)勞動(dòng)力和廉價(jià)產(chǎn)品而著稱(chēng)。相反，他們正在奮力前進(jìn)，向更具競(jìng)爭(zhēng)力的高新技術(shù)跨越，以驚人的速度大步提升自己的設(shè)計(jì)制造能力。在最近五年里，幾乎沒(méi)有哪項(xiàng)技術(shù)能夠像快速原型技術(shù)（RPT）那樣貢獻(xiàn)這么大。RPT可以把數(shù)字化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器零件、模型、設(shè)計(jì)原型和模具的三維實(shí)體。它每次制造實(shí)體的一個(gè)切片，但他能在一夜之間制造出高質(zhì)量的模型，這之前需要花費(fèi)幾周或者幾個(gè)月。他們有不同的

3、工藝方法，例如Onuh在1996年探討過(guò)的光固化快速成型（SL）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、疊層實(shí)體制造（LOM）、熔融沉積制造（FDM）、直接殼制造（DSP）、三維印刷成型制造和其它許多已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用的或者正在發(fā)展階段的快速原型工藝。本文旨在對(duì)這項(xiàng)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較新穎的技術(shù)，以及其廣泛的應(yīng)用、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和所面臨的一些問(wèn)題進(jìn)行概述。本文也著重討論了該技術(shù)在九十年的發(fā)展方向和其對(duì)制造業(yè)的巨大貢獻(xiàn)。2、技術(shù)概述所有制造技術(shù)被分為材料去除型和材料累積型兩類(lèi)?，F(xiàn)有的制造技術(shù)要么是這兩種類(lèi)型中的一種，要么是這兩種類(lèi)型的混合?？焖僭图夹g(shù)特點(diǎn)是一旦加工過(guò)程開(kāi)始，就幾乎不需要人工的參與，完全在計(jì)算機(jī)的控制下完成。B

4、urns(1993在他的書(shū)中寫(xiě)到RPT是一種自動(dòng)化制造。Burns用五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷一種工藝是否為快速原型工藝。這五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是：（1）利用塊狀、薄片或者液體之類(lèi)的原材料來(lái)制造有特定形狀的實(shí)體。（2）加工過(guò)程中必須沒(méi)有過(guò)多人的參與。（3）必須是制造有一定復(fù)雜度的三維實(shí)體，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是用來(lái)排除了在薄片材料通過(guò)沖壓、剪切或者鉆削來(lái)制造簡(jiǎn)單的孔的加工方法。（4）不需要為每個(gè)不同的零件制造對(duì)應(yīng)的加工工具（專(zhuān)用工具）。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)排除了所有類(lèi)型的模制、鑄造、線切割加工和仿形銑。（5）制造目標(biāo)必須是一個(gè)整體，不是組件裝配而成，這就排除了膠粘、焊接和鉚接之類(lèi)連接方法。數(shù)控技術(shù)（CNC），比如數(shù)控銑削、數(shù)控磨削和數(shù)控鉆削

5、，在裝夾比較復(fù)雜的工件時(shí)需要人的參與，因而并不嚴(yán)格符合那五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。然而，如果是一個(gè)把多種加工能力集成在一起的多用途多軸的能夠自動(dòng)化制造的加工中心，那么就認(rèn)為它滿(mǎn)足了那些標(biāo)準(zhǔn)。3、術(shù)語(yǔ)因?yàn)榭焖僭图夹g(shù)還是相對(duì)比較新的技術(shù)，所以表述它的術(shù)語(yǔ)還沒(méi)被確定。十九世紀(jì)八十年代，快速原型系統(tǒng)第一次公布就引起了很多人的巨大興趣，之后許多研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)始開(kāi)發(fā)研究自己的系統(tǒng)，許多關(guān)于這項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用的文章也投機(jī)性的發(fā)表。4、分層制造技術(shù)：工藝過(guò)程及原理幾乎所有的快速原型過(guò)程，無(wú)論目前已經(jīng)商業(yè)化或者還在發(fā)展中的，都基于分層制造方法，它是通過(guò)單獨(dú)制造所建實(shí)體的一橫向切片，然后再把這個(gè)切片與前一層粘在一起，直到整個(gè)實(shí)體被制造

6、完成。對(duì)于大部分RPT系統(tǒng)來(lái)說(shuō)其主要的工藝過(guò)程階段都是相同，但是每層的制造方法顯然有不同的系統(tǒng)決定。5、分層制造面臨的問(wèn)題不考慮每層的制造技術(shù)問(wèn)題，這種把實(shí)體看做一系列橫切片累積的制造方法也提出了一些必須解決的問(wèn)題。其中一些問(wèn)題也許是技術(shù)性問(wèn)題或是由于硬件限制引起的，但是除此之外的問(wèn)題或許歸結(jié)于最終的加工方法。這些亟待解決的問(wèn)題影響了其未來(lái)的應(yīng)用。這一節(jié)將對(duì)使用分層技術(shù)制造零件過(guò)程中必須考慮的問(wèn)題進(jìn)行探討。5.1.“階梯”現(xiàn)象5.2 切片厚度的選擇由圖.4a顯然可知，越小的切片厚度，最終的工件質(zhì)量就越好（如圓柱體.1圓柱體.3所示）。用系統(tǒng)所能產(chǎn)生的最小的厚度去制造看上去是明智的，但是，切片厚

7、度越小，就會(huì)產(chǎn)生越多的切片，這將導(dǎo)致更長(zhǎng)的數(shù)據(jù)處理時(shí)間、更多的數(shù)據(jù)文件和更長(zhǎng)的制造時(shí)間。為了使制造過(guò)程最優(yōu)，要針對(duì)不同的類(lèi)型的工件采用不同的厚度。如圖.4（b）所示的漏斗，在容易發(fā)生“階梯”現(xiàn)象的傾斜部分采用較小的切片厚度，在垂直部分采用較厚的切片。Suh（1994）認(rèn)為自適應(yīng)切片厚度算法將會(huì)促進(jìn)可變的切片厚度技術(shù)分層制造技術(shù)中的應(yīng)用。5.3 CAD幾何的誤差上面舉的兩個(gè)例子中，其每一層的上表面是符合CAD幾何形狀，這也是許多商業(yè)化的快速原型系統(tǒng)就是這種情況。SL原理是激光束被引導(dǎo)照射在液體聚合物的表面，描繪出每一層的形狀，每當(dāng)激光束照射到液體時(shí)就會(huì)固化一塊，固化的深度取決去激光的強(qiáng)度和掃描的速度。每層的表面必須與CAD幾何形狀一致，因?yàn)檫@就是實(shí)際要掃描在樹(shù)脂表面的形狀，被固化的樹(shù)脂的厚度是連續(xù)的