快速成型綜述

1、快速成型綜述快速成型（Rapid Prototyping簡稱RP）技術(shù)，被認(rèn)為是近年來制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破，其對(duì)制造業(yè)的影響可與數(shù)控技術(shù)的出現(xiàn)相媲美?？焖俪尚拖到y(tǒng)綜合了機(jī)械工程、CAD、數(shù)控技術(shù)，激光技術(shù)及材料科學(xué)技術(shù)，可以自動(dòng)、直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想物化為具有一定功能的原型或直接制造零件，從而可以對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行快速評(píng)價(jià)、修改及功能試驗(yàn)，有效地縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期。而以RP系統(tǒng)為基礎(chǔ)發(fā)展起來并已成熟的快速模具工裝制造 （Quick Tooling）技術(shù)，快速精鑄技術(shù)（Quick Casting），快速金屬粉末燒結(jié)技術(shù)（Quick Powder Sintering）, 則可實(shí)現(xiàn)零件的

2、快速成品。快速成型技術(shù)，迴異于傳統(tǒng)的去除成型 （如車、削、刨、磨 ），拼合成型 （如焊接），或受迫成型 （如鑄、鍛，粉末冶金 ）等加工方法，而是采用材料累加法制造零件原型，其原理是先將CAD生成的三維實(shí)體模型通過分層軟件分成許多細(xì)小薄層，每個(gè)薄層斷面的二維數(shù)據(jù)用于驅(qū)動(dòng)控制激光光束，掃射液態(tài)光敏樹脂，使其固化，以逐層固化的薄層累積成所設(shè)計(jì)的實(shí)體原型，激 光快速成型技術(shù)較之傳統(tǒng)的諸多加工方法展示了以下的優(yōu)越性 :產(chǎn)品設(shè)計(jì)評(píng)估與校審快速成型技術(shù)將 CAD 的設(shè)計(jì)構(gòu)想快速、精確、而又經(jīng)濟(jì)地生成可觸摸的物理實(shí)體。顯然比將三維的幾何造型展示于二維的屏幕或圖紙上具有更高的直觀性和啟示性。 正可謂“一圖值千言

3、， 一物值千圖”。因此，設(shè)計(jì)人員可以更快，更易地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤。更重要的是，對(duì)成品而言，設(shè)計(jì)人員可及時(shí)體驗(yàn)其新設(shè)計(jì)產(chǎn)品的使用舒適性和美學(xué)品質(zhì)。RP 生成的模型亦是設(shè)計(jì)部門與非技術(shù)部門交流的更好中介物。有鑒于此，國外常把快速成型系統(tǒng)作為 CAD 系統(tǒng)的外圍設(shè)備，并稱桌上型的快速成型機(jī)為 “三維實(shí)體印刷機(jī) （3D Solid Printer） ?！?產(chǎn)品工程功能試驗(yàn)在 RP 系統(tǒng)中使用新型光敏樹脂材料制成的產(chǎn)品零件原型具有足夠的強(qiáng)度，可用于傳熱、流體力學(xué)試驗(yàn)，用某些特殊光敏固化材料制成的模型還具有光彈特性?？捎糜诋a(chǎn)品受載應(yīng)力應(yīng)變 的實(shí)驗(yàn)分析。例如，美國 GM 在為其 97 年將推出的某車型開發(fā)中

4、，直接使用 RP 生成的模型進(jìn)行其車內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)、冷卻循環(huán)系統(tǒng)及冬用加熱取暖系統(tǒng)的傳熱學(xué)試驗(yàn)，較之以往的同類試 驗(yàn)節(jié)省費(fèi)用 40%以上。 Chrysler 則直接利用 RP 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%。廠家與客戶或訂購商的交流手段在國外，RP原型成為某些制造廠家爭奪訂單的手段。例如位于Detroit的一家僅組建兩年的制造商，由于裝備了 2臺(tái)不同型號(hào)的快速成型機(jī)及以此為基礎(chǔ)的快速精鑄技術(shù)，僅在接到Ford公司標(biāo)書后的 4個(gè)工作日內(nèi)便生產(chǎn)出了第一個(gè)功能樣件，從而在眾多的競爭者中奪到了為Ford 公司生產(chǎn)年總產(chǎn)值達(dá) 300 萬美元發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋精鑄件的合同；零一方面，客戶總

5、是更樂意對(duì)著實(shí)物原型“指手劃腳”，提出其對(duì)產(chǎn)品的修改意見。因此， RP 模型是設(shè)計(jì)制造商就其產(chǎn)品與客戶交流溝通的最佳手段。快速模具制造以RP生成的實(shí)體模型作模心或模套，結(jié)合精鑄、粉末燒結(jié)或電極研磨等技術(shù)可以快速制造出企業(yè)生產(chǎn)所需要的功能模具或工裝設(shè)備，其制造周期較之傳統(tǒng)的數(shù)控切削方法可縮短 30%40%以上，而成本卻下降35%70%。模具的幾何復(fù)雜程度愈高，這種效益愈顯著。據(jù)一家位于美國 Chicago的模具供應(yīng)商（僅有20名員工）聲稱，其車間在接到客戶CAD設(shè)計(jì)文件后1 周內(nèi)可提供任意復(fù)雜的注塑模具，而實(shí)際上 80%模具則可在2448小時(shí)內(nèi)完工?？焖僦苯又圃炜焖俪尚图夹g(shù)利用材料累加法亦可用來

6、制造塑料、陶瓷、金屬及各種復(fù)合材料零件。由于RP技術(shù)給工業(yè)界帶來巨大的效益。因而，它被譽(yù)為近十年來工業(yè)界的一項(xiàng)重大（革命性與突破性）的科技發(fā)展， 1992年以前全世界總共裝機(jī)為 300臺(tái)，而到1995年世界裝機(jī)為 1000 臺(tái)，分布于六大洲的 40多個(gè)國家，這期間幾乎以每年 50%的速度增長而從 1995年到1996 年4月， 具美國Dayton國際RP技術(shù)研討會(huì)上一份報(bào)告統(tǒng)計(jì)臺(tái)數(shù)增長為 40%以上，而在設(shè)計(jì)開發(fā)，制造中使用過 RP技術(shù)的廠商數(shù)目增長率為52%。鑒于這種形勢，我國政府在 九五"的第一年 就將該技術(shù)列入九五"攻關(guān)項(xiàng)目，同時(shí)， 九五"國家科技攻關(guān)中，把

7、先進(jìn)制造技術(shù)列為重點(diǎn)資助的領(lǐng)域之一，而先進(jìn)制造技術(shù)中的幾項(xiàng)重要內(nèi)容，如：精密成型、CAD推廣應(yīng)用、并行設(shè)計(jì)和并行工程、敏捷制造、虛擬制造等技術(shù)方面都與 RP 有關(guān)，甚至主要以 RP 作技術(shù)支撐?？焖俪尚渭夹g(shù)優(yōu)越性和特點(diǎn)： 產(chǎn)品制造過程幾乎與零件的復(fù)雜性無關(guān)。產(chǎn)品的單價(jià)幾乎與批量無關(guān)，特別適合于新產(chǎn)品的開發(fā)和單件小批量零件的生產(chǎn)。 采用非接觸加工，沒有工具更換和磨損之類的問題，可以做到無人值守。無切割、噪音和振動(dòng)等，有利于環(huán)保。生產(chǎn)過程數(shù)字化，與 CAD 模型具有直接的關(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。 與傳統(tǒng)方法結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)快速鑄造，快速模具制造，小批量零件生產(chǎn)等功能，為傳

8、統(tǒng)制造方法注入新的活力?？焖俪尚偷淖鳂I(yè)流程無論是新的概念設(shè)計(jì)還是產(chǎn)品仿制，快速成型的過程是生成三維CAD模型或曲面模型文件，將 CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成STL文件格式，并利用軟件從 STL文件“切"（Slice）出一定厚度的一系列的片層，或者直接從 CAD 文件切出一系列的片層，得到這一系列片層的過程稱為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。將每一片層的資料傳到快速成型設(shè)備中去，依次將每一層掃描出來，直到完成整個(gè)零件。 判斷得到的零件實(shí)物是否滿足要求，如果滿足要求，就可以對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步測試和研究，也可以進(jìn)行小批量的生產(chǎn)，模具開發(fā)過程結(jié)束。如果不滿足要求，則需要修改 CAD 數(shù)據(jù)甚至重新設(shè)計(jì)得到 CAD 數(shù)據(jù)，重復(fù)上述步

9、驟，直到合乎要求為止?？焖俪尚图夹g(shù)工藝方法熔融堆積成型(Fused Deposition Modeling, FDM ) FDM成型工藝原理：FDM(Fused Depostion Modeling)工藝由美國學(xué)者 Dr. Scott Crump于1988年研制成功，并由美國Stratasys公司推岀商品化的3D Modeler 1000、1100和FDM1600、1650等規(guī)格的系列產(chǎn)品，最新產(chǎn)品是制造大型ABS原型的FDM8000、Quantum等型號(hào)的產(chǎn)品。清華大學(xué)開發(fā)了與其工藝原理相近的 MEM(Melted Extrusion Manufacturing) 工藝及系列產(chǎn)品。iiqui

10、fiec (moves inX and Y)Foam slabextrusionnozzlesSuppwrtnnatenalspool(nroves in Z)build malenai spoolFDM工藝一般使用熱塑性材料，如蠟、ABS、尼龍等。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔化的材料以絲狀擠出；材料迅速凝固，并與周圍的材料凝結(jié)。如果熱熔性材料的溫度始終稍高于固化溫度，而成型的部分溫度稍低于固化溫度，就能保證熱熔性材料擠噴出噴嘴后，隨即與前一個(gè)層面熔結(jié)在一起。一個(gè)層面沉積完成后，工作臺(tái)按預(yù)定的增量下降一個(gè)層的厚度，再繼續(xù)熔噴沉積，直至完成整個(gè)實(shí)體造型。FD

11、M工藝不用激光器件，因此使用、維護(hù)簡單，成本較低。用蠟成形的零件原型，可以直接用于失蠟鑄造。用ABS制造的原型因具有較高強(qiáng)度而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、測試與評(píng)估等方面得到廣泛應(yīng)用。由于以FDM工藝為代表的熔融材料堆積成形工藝具有一些顯著優(yōu)點(diǎn)，該類工藝發(fā)展極為迅速。其缺點(diǎn)是表面粗糙度較高，需后處理；成形時(shí)間較長；材料昂貴。疊層實(shí)體制造(Laminated Object Manufacturing , LOM)LOM成型工藝原理LOM (Laminated Object Manufacturing)工藝最早是由美國Helisys公司開發(fā)的。該項(xiàng)技術(shù)將特殊的薄片材料一層一層地堆疊起來，激光束只須掃描和切割每一層

12、的邊沿，而不必象SL那L林PliilinmTaiue-upRipply RolCn>ss fianclung -Lar皿訶7RdlwPsi Block樣，要對(duì)整個(gè)表面層進(jìn)行掃描。它是將單面涂有熱溶膠的箔材(涂覆紙一涂有粘接劑覆層的紙、涂覆陶瓷箔、金屬箔等)通過熱輥加熱粘接在一起，使激光束在片材平面內(nèi)沿確定軌跡掃 描而形成平面模型。平面模型逐層堆疊在并在滾壓輥的滾壓下粘接逐步形成整體物理模型，去除廢料后即成型。廢料部分切成網(wǎng)絡(luò)是為了便于消除。目前最常用的材料是一種在一個(gè)面上涂布了熱熔樹脂膠的紙。在LOM成型機(jī)器里，材料由一個(gè)供料卷筒被拉出，膠面朝下平整地經(jīng)過造型平臺(tái)，由位于另一方的收料卷筒

13、收卷起來。每敷覆一層紙，就由一個(gè)熱壓輥壓過紙的背面，將其粘合在平臺(tái)上或前一層紙上。這時(shí)激光束開始沿著當(dāng)前層的輪廓進(jìn)行切割。激光束經(jīng)準(zhǔn)確聚焦，使之剛好能切穿一層紙的厚度。在模型四周和內(nèi)腔的紙被激光束切割成細(xì)小的碎片以便后期處理時(shí)可以除去這些材料。同時(shí)，在成型過程中，這些碎片可以對(duì)模型的空腔和懸臂結(jié)構(gòu)起支撐的作用。一個(gè)薄層完成后，工作平臺(tái)下降一個(gè)層的厚度，箔材已割離的四周剩余部分被收料卷筒卷起，拉動(dòng)連續(xù)的箔材進(jìn)行下一個(gè)層的敷覆。如此周而復(fù)始，直至整個(gè)模型完成。LOM工藝的后處理加工包括去除模型四周和空腔內(nèi)的碎紙片，必要的時(shí)候還可以通過加工去除模型臺(tái)階狀表面。LOM模型相當(dāng)堅(jiān)固，它可以進(jìn)行機(jī)加工、打

14、磨、拋光、繪制、加涂層等各種形式的加工。目前用于LOM技術(shù)的箔材主要有涂覆紙、覆膜塑料、覆蠟陶瓷箔、覆膜金屬箔等。這種工藝的優(yōu)點(diǎn)是尺寸精度較高；只須對(duì)輪廓線進(jìn)行切割，制作效率高；無需設(shè)計(jì)支撐；制成的樣件有類似木質(zhì)制品的硬度，稍作處理后可在200 C以下環(huán)境中使用，可進(jìn)行一定的切削加工；所用二氧化碳激光器壽命達(dá) 20000小時(shí)；構(gòu)形材料價(jià)格便宜。缺點(diǎn)是不能直接制作塑料件；表面粗糙度較高，工件表面有明顯的臺(tái)階紋，成型后要進(jìn)行打磨；易吸濕膨脹，成形 后要盡快表面防潮處理；工件缺少彈性。LOM工藝由美國Helisys公司的Michael Feygin于1986年研制成功，該公司已推出 LOM-1050

15、和LOM-2030兩種型號(hào)成型機(jī)。類似 LOM工藝的RP工藝有日本Kira公司的SC(SolidCenter)、瑞典Sparx公司的Sparx、新加坡Kinergy精技私人有限公司的ZIPPY等。立體光固化成型(Stereo Lithography Apparatus , SLA) SLA成型工藝原理：SL (Stereolithography )工藝由Charles Hull在1984年獲美國專利；1988年美國3D System 公司推出 商品化樣機(jī)SLA-1 ,這是世界上第一臺(tái)快速成型技術(shù)成型機(jī)。SL各型成型機(jī)占據(jù)著RP設(shè)備市場的較大份額，除了美國3D System公司的SLA系列成型機(jī)

16、外，還有日本CMET公司的SOUP系列、D-MEC(JSR/Sony)公司的SCS系列和采用杜邦公司技術(shù)的 Teijin Seiki公司的Solidform，在歐洲有德國EOS公司的STEREOS、Fockele & Schwarze 公司的LMS以及 法國 Laser 3D 公司的 Stereophotolithography(SPL)。Liquid _5；心-SL工藝也稱光造型或立體光刻，SL技術(shù)是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長和強(qiáng)度的紫外光(如X =325nm的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，分子量急劇增大，材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。液槽中盛滿液態(tài)光固化樹

17、脂，激光束在偏轉(zhuǎn)鏡作用下 ，能在液態(tài)表面上掃描，掃描的軌跡及光線的有無均由計(jì)算機(jī)控制，光點(diǎn)打到的地方,液體就固化。成型開始時(shí)，工作平臺(tái)在液面下一個(gè)確定的深度，聚焦后的光斑在液面上按計(jì)算機(jī)的指令逐點(diǎn)掃描，即逐點(diǎn)固化。當(dāng)一層掃描完成后，未被照射的地方仍是液態(tài)樹脂。然后升降臺(tái)帶動(dòng)平臺(tái)下降一層高度，已成型的層面上又布滿一層樹脂，刮平器將粘度較大的樹脂液面刮平，然后再進(jìn)行下二層的掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復(fù)直到整個(gè)零件制造完畢 得到一個(gè)三維實(shí)體模型。100%，而且不產(chǎn)生環(huán)SL工藝方法是目前快速成型技術(shù)領(lǐng)域中研究最多的方法，也是技術(shù)上最為成熟的方法。這一方法的優(yōu)點(diǎn)是成型精度高、成型零件表

18、面質(zhì)量好、原材料利用率接近 境污染，特別適合于制作含有復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)的零件.；但這種方法也有自身的局限性，比如需要支撐、樹脂收縮導(dǎo)致精度下降、光固化樹脂有一定的毒性等。SL法用光固化樹脂必須滿足低黏度、好的鋪展性及從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)體積收縮小等要求，目前所用的有自由基型光固化樹脂、陽離子型光固化樹脂及混雜型光固化樹脂。選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering , SLS) SLS成型工藝原理：SLS(Selective Laser Sintering)工藝最早由美國德克薩司大學(xué)開發(fā)，并由DTM公司將其推向市場。SLS的原理與SL十分相象，主要分別在于所使用的材料及其性狀

19、。SL所用的材料是液態(tài)的光敏可凝固樹脂，而 SLS則使用粉狀材料。這是該項(xiàng)技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)之一，因?yàn)槔碚撋先魏慰扇鄣姆勰┒伎梢杂脕碇圃炷Ｐ?，這樣的模型可以用作真實(shí)的原型元件。目前，可用于SLS技術(shù)的材料包括：尼龍粉、覆裹尼龍的玻璃粉、聚碳酸脂粉、聚酰胺粉、蠟粉、金屬粉(成型后常須進(jìn)行再燒結(jié)及滲銅處理)、覆裹熱凝樹脂的細(xì)沙、覆蠟陶瓷粉和復(fù)蠟金屬粉等。I irt 1Cn La set SdarreSLS激光燒結(jié)成型機(jī)，該技術(shù)以CO2激光器為能量源，通過紅外激光束使塑料、石蠟、陶瓷和金屬(或復(fù)合物)的粉末材料均勻地?zé)Y(jié)在加工面上。激光束在計(jì)算機(jī)的控制下，通過掃 描器以一定的速度和能量密度按分層面的二維

20、數(shù)據(jù)掃描。激光束掃描之處，粉末燒結(jié)成一定厚度的實(shí)體分層，未掃描的地方仍然保持松散的粉末狀。根據(jù)物體截層厚度而升降工作臺(tái)，鋪 粉滾筒再次將粉末鋪平臺(tái)，開始新一層的掃描。如此反復(fù)，直至掃描完所有層面。去除多余粉末，經(jīng)修磨、烘干等處理后獲得零件。SLS工藝的特點(diǎn)是材料適應(yīng)面廣，不僅能制造塑料零件，還能制造陶瓷、蠟等材料的零件。特別是可以制造金屬零件。這使SLS工藝頗具吸引力。SLS工藝無需加支撐，因?yàn)闆]有燒結(jié)的粉末起到了支撐的作用。其缺點(diǎn)是：成形件結(jié)構(gòu)疏松多孔，表面粗糙度較高；成形效率不高；得到的塑料、陶瓷或金屬件遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)成形方法得到的同類材質(zhì)工件，需進(jìn)行滲銅等后處理，但在后處理中難于保證制件尺寸

21、精度。立體噴墨印刷(Ink-Jet Printing )Ink-Jet Printing技術(shù)采用噴墨打印的原理，將液態(tài)造型墨水由打印頭噴出，逐層堆積而形成一個(gè)三維實(shí)體。該項(xiàng)技術(shù)的主要特點(diǎn)是非常精細(xì)，可以在實(shí)體上造出小至0.1mm的孔。為了支持空腔和懸臂結(jié)構(gòu)，必須使用兩種墨水，一種用于支持空腔，而另一種則用于實(shí)體造型。撒布粉末單層印別循環(huán)垂復(fù)It圖1 3DP（三維打印）匸藝原理圖Fig. 1 Prinriplof 31） jirinter美國麻省理工大學(xué)開發(fā)了一項(xiàng)基于立體噴墨印刷技術(shù)的 直接模殼制造"的鑄造技術(shù)。這一技術(shù)隨后授權(quán)于 Soligen Inc.公司用于金屬鑄造。DSPC首先

22、利用CAD軟件定義所需的型腔, 通過加入鑄造圓角、消除可待后處理時(shí)通過機(jī)加工生成的小孔等結(jié)構(gòu)對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)和修飾，然后根據(jù)鑄造工藝所需的型腔個(gè)數(shù)生成多型腔的鑄模。DSPC的工藝過程是這樣的：首先在成型機(jī)的工作臺(tái)上覆蓋一層氧化鋁粉，然后一股微細(xì)的硅膠沿著工件的外廓噴射在這層粉末上。硅膠將氧化鋁粉固定在當(dāng)前層上，并為下一層的氧化 鋁粉提供粘著層。每一層完成后，工作臺(tái)就下降一個(gè)層的高度，使下一層的粉末繼續(xù)復(fù)敷和粘固。未粘固在模型上的粉末就堆積在模型的周圍和空腔內(nèi)，起著支撐的作用。整個(gè)模型完成 后，型腔內(nèi)所充填的粉末必須去除。這項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)已商業(yè)化，它使熔模鑄造行業(yè)得以直接制造模殼而節(jié)省了制造蠟?zāi)５哪＞吆?/p>

23、蠟?zāi)１旧淼某杀尽？焖俪尚图夹g(shù)的應(yīng)用快速成型應(yīng)用的領(lǐng)域幾乎包括了制造領(lǐng)域的各個(gè)行業(yè)，在醫(yī)療、人體工程、文物保護(hù)等行業(yè)也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前主要是應(yīng)用于新產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和模擬樣品的試制上，即完成從產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)T造型設(shè)計(jì)一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一基本功能評(píng)估一模擬樣件試制這段開發(fā)過程。對(duì)某些以塑料結(jié)構(gòu)為主的產(chǎn)品還可以進(jìn)行小批量試制，或進(jìn)行一些物理方面的功能測試、裝配驗(yàn)證、實(shí)際外觀效果審視，甚至將產(chǎn)品小批量組裝先行投放市場，達(dá)到投石問路的目的。快速成型技術(shù)的主要應(yīng)用各行業(yè)的應(yīng)用狀況如下：汽車、摩托車：外形及內(nèi)飾件的設(shè)計(jì)、改型、裝配試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)、汽缸頭試制。家電：各種家電產(chǎn)品的外形與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，裝配試驗(yàn)與

24、功能驗(yàn)證，市場宣傳，模具制造。通訊產(chǎn)品：產(chǎn)品外形與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，裝配試驗(yàn)，功能驗(yàn)證，模具制造。航空、航天：特殊零件的直接制造，葉輪、渦輪、葉片的試制，發(fā)動(dòng)機(jī)的試制、裝配試驗(yàn)。輕工業(yè)：各種產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、裝配，市場宣傳，玩具、鞋類模具的快速制造。醫(yī)療：醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)、試產(chǎn)、試用，CT掃描信息的實(shí)物化，手術(shù)模擬，人體骨關(guān)節(jié)的配制。國防：各種武器零部件的設(shè)計(jì)、裝配、試制，特殊零件的直接制作，遙感信息的模型制作。應(yīng)用RP技術(shù)的重要意義大大縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，確保新產(chǎn)品上市時(shí)間；提高了制造復(fù)雜零件的能力，使復(fù)雜模型的直接制造成為可能；提高新產(chǎn)品開發(fā)生產(chǎn)的一次成功率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)存在的問題，避免后續(xù)更改

25、工序所造成的大量損失；支持同步(并行)工程的實(shí)施；使新產(chǎn)品設(shè)計(jì)、原形制造、市場定貨、批量生產(chǎn)等工作能同步進(jìn)行；支持技術(shù)創(chuàng)新、改進(jìn)產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)；大幅度降低 新產(chǎn)品開發(fā)成本等。RP技術(shù)是九十年代發(fā)展起來的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)和新產(chǎn)品研發(fā)手段。自1988年第一臺(tái)商品成型機(jī)問世以來，RP技術(shù)在發(fā)達(dá)國家制造業(yè)企業(yè)的新產(chǎn)品開發(fā)活動(dòng)中得到了迅速的推廣應(yīng)用，大大縮短了新產(chǎn)品的研發(fā)周期，確保了新產(chǎn)品的上市時(shí)間和新產(chǎn)品開發(fā)的一次成功，從而明顯提高了產(chǎn)品在市場上的競爭力和企業(yè)對(duì)市場的快速反應(yīng)能力。RP技術(shù)在不需要任何刀具，模具及工裝卡具的情況下，可將任意復(fù)雜形狀的設(shè)計(jì)方案快速轉(zhuǎn)換為三維的實(shí)體模型或樣件，這就是RP技術(shù)所

26、具有的潛在的革命意義。RP技術(shù)是集成計(jì)算機(jī)、數(shù)控、激光和新材料等最新技術(shù)而發(fā)展起來的先進(jìn)的產(chǎn)品研究與開發(fā)技術(shù)，它將一個(gè)物理實(shí)體的復(fù)雜的三維加工離散成一系列層片的加工，大大降低了加工難度，且成型過程的難度與待成型的物理實(shí)體形狀和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度無關(guān)。以RP技術(shù)為核心，集成逆向工程(Reverse Engineering RE)技術(shù)、快速模具制造(Rapid Tooling-RT )技術(shù)的RP&M新產(chǎn)品快速開發(fā)技術(shù)，可以縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低新產(chǎn) 品的開發(fā)成本，是新產(chǎn)品制造活動(dòng)之前優(yōu)化新產(chǎn)品開發(fā)的利器，是一項(xiàng)實(shí)現(xiàn)敏捷制造的重要技術(shù)。我國自從1992年開始研究、開發(fā)與應(yīng)用該技術(shù)以來，應(yīng)用企

27、業(yè)大大加快了新產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度，為產(chǎn)品開發(fā)帶來巨大效益。幾種常見快速成型工藝優(yōu)缺點(diǎn)比較在快速領(lǐng)域里一直站主導(dǎo)地位快速成型工藝主要包括：FDM、SLA、SLS及LOM等工藝，而這幾種工藝又各有千秋，下面我們在主要看一下這幾種工藝的優(yōu)缺點(diǎn)比較：FDM絲狀材料選擇性熔覆(Fused Deposition Modeling )快速原型工藝是一種不依靠激光作為成型能源、而將各種絲材(如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等)加熱熔化進(jìn)而堆積成型方法，簡稱 FDM。絲狀材料選擇性熔覆的原理如下：加熱噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)產(chǎn)品零件的截面輪廓信息，作X-Y平面運(yùn)動(dòng)，熱塑性絲狀材料由供絲機(jī)構(gòu)送至熱熔噴頭，并在噴頭

28、中加熱和熔化成半液態(tài)，然后被擠壓出來，有選擇性的涂覆在工作臺(tái)上，快速冷卻后形成一層大約0.127mm厚的薄片輪廓。一層截面成型完成后工作臺(tái)下降一定高度，再進(jìn)行下一層的熔覆，好像一層層"畫出”截面輪廓，如此循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品零件。這種工藝方法同樣有多種材料可供選用，如工程塑料 ABS、聚碳酸酯PC、工程塑料PPSF以及ABS與PC的混合料等。這種工藝干凈，易于操作，不產(chǎn)生垃圾，并可安全地用于辦公環(huán)境，沒有產(chǎn)生毒氣 和化學(xué)污染的危險(xiǎn)。適合于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的概念建模以及產(chǎn)品的形狀及功能測試。專門開發(fā)的針對(duì)醫(yī)用的材料ABS-i，因?yàn)槠渚哂辛己玫幕瘜W(xué)穩(wěn)定性，可采用伽碼射線及其他醫(yī)用方式消毒，特別

29、適合于醫(yī)用。FDM快速原型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：1、制造系統(tǒng)可用于辦公環(huán)境，沒有毒氣或化學(xué)物質(zhì)的污染；2、一次成型、易于操作且不產(chǎn)生垃圾；3、獨(dú)有的水溶性支撐技術(shù)，使得去除支撐結(jié)構(gòu)簡單易行，可快速構(gòu)建瓶狀或中空零件以及一次成型的裝配結(jié)構(gòu)件；4、原材料以材料卷的形式提供，易于搬運(yùn)和快速更換。5、 可選用多種材料，如各種色彩的工程塑料 ABS、PC、PPSF以及醫(yī)用ABS等。FDM快速原型技術(shù)的缺點(diǎn)是：1、 成型精度相對(duì)國外先進(jìn)的SLA工藝較低，最高精度0.127mm2、成型表面光潔度不如國外先進(jìn)的 SLA工藝；3、成型速度相對(duì)較慢SLA光敏樹脂選擇性固化是采用立體雕刻(Stereolithography

30、 )原理的一種工藝，簡稱SLA，是最早出現(xiàn)的一種快速成型技術(shù)。在樹脂槽中盛滿液態(tài)光敏樹脂，它在紫夕卜激光束的照射下會(huì)快速固化。成型過程開始時(shí)，可升降的工作臺(tái)處于液面下一個(gè)截面層厚的高度，聚焦后的激光束，在計(jì)算機(jī)的控制下，按照截面輪廓的要求，沿液 面進(jìn)行掃描，使被掃描區(qū)域的樹脂固化，從而得到該截面輪廓的樹脂薄片。然后，工作臺(tái)下降一層薄片的高度，以固化的樹脂薄片就被一層新的液態(tài)樹脂所覆蓋，以便進(jìn)行第二層激光掃描固化，新固化的一 層牢粘結(jié)在前一層上，如此重復(fù)不已，直到整個(gè)產(chǎn)品成型完畢。最后升降臺(tái)升出液體樹脂表面，取出工件，進(jìn)行清洗、去處支撐、二次固化以及表面光潔處理等。 光敏樹脂選擇性固化快速成型技

31、術(shù)適合于制作中小形工件，能直接得到樹脂或類似工程塑料的產(chǎn)品。主要用于概念模型的原型制作，或用來做簡單裝配檢驗(yàn)和工藝規(guī)劃。SLA 快速原型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：1、表面質(zhì)量較好；2、成型精度較高，精度在 0.1mm （國內(nèi) SLA 精度在 0.1 0.3mm 之間，并且存在很大的波動(dòng)性）；3、系統(tǒng)分辨率較高。SLA 快速原型的技術(shù)缺點(diǎn)：1、需要專用的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，成型件需要后處理，比如：二次固化，防潮處理等工序。2、尺寸穩(wěn)定性差，隨著時(shí)間推移，樹脂會(huì)吸收空氣中的水分，導(dǎo)致軟薄部分的翹曲變形，進(jìn)而極大地影響成型件的整體尺寸精度；3、氦 -鎘激光管的壽命僅 3000 小時(shí)，價(jià)格較昂貴，由于需對(duì)整個(gè)截面進(jìn)行掃描

32、固化，成型時(shí)間較長，因此制作成本相對(duì)較高。4、可選擇的材料種類有限，必須是光敏樹脂。由這類樹脂制成的工件在大多數(shù)情況下都不能進(jìn)行耐久性和熱性能試驗(yàn)，且光敏樹脂對(duì)環(huán)境有污染，使皮膚過敏。5、需要設(shè)計(jì)工件的支撐結(jié)構(gòu)，以便確保在成型過程中制作的每一個(gè)結(jié)構(gòu)部位都能可靠定位，支撐結(jié)構(gòu)需在未完全固化時(shí)手工去除，容易破壞成型件。SLS粉末材料選擇性燒結(jié)（ Selected Laser Sintering ）是一種快速原型工藝，簡稱 SLS 。 粉末材料選擇性燒結(jié)采用二氧化碳激光器對(duì)粉末材料（塑料粉等與粘結(jié)劑的混合粉）進(jìn)行選擇性燒結(jié)，是一種由離散點(diǎn)一層層堆集成三維實(shí)體的快速成型方法。 粉末材料選擇性燒結(jié)采用二

33、氧化碳激光器對(duì)粉末材料（塑料粉、陶瓷與粘結(jié)劑的混合粉、金屬與粘結(jié)劑的混合粉等）進(jìn)行選擇性燒結(jié)，是一種由離散點(diǎn)一層層對(duì)集成三維實(shí)體的工藝方法。 在開始加工之前，先將充有氮?dú)獾墓ぷ魇疑郎?，并保持在粉末的熔點(diǎn)一下。成型時(shí)，送料筒上升，鋪粉滾筒移動(dòng)，先在工作平臺(tái)上鋪一層粉末材料，然后激光束在計(jì)算機(jī)控制下按照截面輪廓對(duì)實(shí)心部分所在 的粉末進(jìn)行燒結(jié)，使粉末溶化繼而形成一層固體輪廓。第一層燒結(jié)完成后，工作臺(tái)下降一截面層的高度，在鋪上一層粉末，進(jìn)行下一層燒結(jié)，如此循環(huán)，形成三維的原型零件。最后經(jīng)過 5-10 小時(shí)冷卻，即 可從粉末缸中取出零件。未經(jīng)燒結(jié)的粉末能承托正在燒結(jié)的工件，當(dāng)燒結(jié)工序完成后，取出零件。粉

34、末材料選擇性燒結(jié)工藝適合成型中小件，能直接的到塑料、陶瓷或金屬零件，零件的翹曲變形比液態(tài)光敏 樹脂選擇性固化工藝要小。但這種工藝仍需對(duì)整個(gè)截面進(jìn)行掃描和燒結(jié)，加上工作室需要升溫和冷卻，成型時(shí)間較長。此外，由于受到粉末顆粒大小及激光點(diǎn)的限制，零件的表面一般呈多孔性。在燒結(jié)陶瓷、 金屬與粘結(jié)劑的混合粉并得到原型零件后，須將它置于加熱爐中，燒掉其中的粘結(jié)劑，并在孔隙中滲入填充物，其后處理復(fù)雜。粉末材料選擇性燒結(jié)快速原型工藝適合于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可視化表現(xiàn)和制作功能測試零件。由于它可采用各種不同成分的金屬粉末進(jìn)行燒結(jié)、進(jìn)行滲銅等后處理，因而其制成的產(chǎn)品可具有與金屬零件相近的機(jī)械 性能，但由于成型表面較粗糙，

35、滲銅等工藝復(fù)雜，所以有待進(jìn)一步提高。SLS 快速原型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：1、與其他工藝相比，能生產(chǎn)較硬的模具。2、可以采用多種原料，包括類工程塑料、蠟、金屬、陶瓷等。3、零件的構(gòu)建時(shí)間較短，可達(dá)到 1in/h 高度。4、無需設(shè)計(jì)和構(gòu)造支撐。SLS 快速原型技術(shù)缺點(diǎn)是：1、有激光損耗，并需要專門實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，使用及維護(hù)費(fèi)用高昂。2、需要預(yù)熱和冷卻，后處理麻煩；3、成型表面粗糙多孔，并受粉末顆粒大小及激光光斑的限制。4、需要對(duì)加工室不斷充氮?dú)庖源_保燒結(jié)過程的安全性，加工成本高。5、成型過程產(chǎn)生有毒氣體和粉塵，污染環(huán)境。LOM箔材疊層實(shí)體制作（ Laminated Object Manufacturing

36、）快速原型技術(shù)是薄片材料疊加工藝，簡稱 LOM 。箔材疊層實(shí)體制作是根據(jù)三維CAD模型每個(gè)截面的輪廓線，在計(jì)算機(jī)控制下，發(fā)出控制激光切割系統(tǒng)的指令，使切割頭作X和Y方向的移動(dòng)。供料機(jī)構(gòu)將地面涂有熱溶膠的箔材（如涂覆紙、涂覆陶瓷箔、金屬箔、塑料箔材）一段段的送至工作臺(tái)的上方。激光切割系統(tǒng)按照計(jì)算機(jī)提取的橫截面輪廓用二氧化碳激光束對(duì)箔材沿輪廓線將工作臺(tái)上的紙割出輪廓線，并將紙的無輪廓區(qū)切割成小碎片。然后，由熱壓機(jī)構(gòu)將一層層紙壓緊并粘合在一起?？缮倒ぷ髋_(tái)支撐正在成型的工件，并在每層成型之后，降低一個(gè)紙厚，以便送進(jìn)、粘合和切割新的一層紙。最后形成由許多小廢料塊包圍的三維原型零件。 然后取出，將多余的

37、廢料小塊剔除，最終獲得三維產(chǎn)品。疊層實(shí)體制作快速原型工藝適合制作大中型原型件，翹曲變形較小，成型時(shí)間較短，激光器使用壽命長，制成件有良好的機(jī)械性能，適合于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的概念建模和功能性測試零件。且由于制成的零件具有木 質(zhì)屬性，特別適合于直接制作砂型鑄造模。LOM 快速原型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：1、成型速度較快，由于只需要使激光束沿著物體的輪廓進(jìn)行切割，無需掃描整個(gè)斷面，所以成型速度很快，因而常用于加工內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單的大型零件。2、無需設(shè)計(jì)和構(gòu)建支撐結(jié)構(gòu)。LOM 快速原型技術(shù)的缺點(diǎn)是：1、有激光損耗，并需要專門實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，維護(hù)費(fèi)用高昂；2、可實(shí)際應(yīng)用的原材料種類較少，盡管可選用若干原材料，例如紙、塑料、陶土以

38、及合成材料，但目前常用的只是紙，其他箔材尚在研制開發(fā)中；3、必須進(jìn)行防潮處理，紙制零件很容易吸濕變形，所以成型后必須立即進(jìn)行樹脂、防潮漆涂覆等后處4、難以構(gòu)建形狀精細(xì)、多曲面的零件，僅限于結(jié)構(gòu)簡單的零件。5、廢料去除困難，所以該工藝不宜構(gòu)建內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。6、當(dāng)加工室的溫度過高時(shí)常有火災(zāi)發(fā)生。因此，工作過程中需要專職人員職守。快速成型技術(shù)簡介激光固化快速成型基本原理 激光固化快速成型技術(shù)，迴異于傳統(tǒng)的去除成型、拼合成型、或受迫成型等加工方法，而是采用材料累加法制造零件原型，它是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)的光敏樹脂材料在一定波長 和強(qiáng)度的紫外光（如入=355nm）的照射下能

39、迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，分子量急劇增大，材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。液槽中盛滿液態(tài)光固化樹脂，激光束在掃描偏轉(zhuǎn)鏡作用下能在樹脂上掃描 , 掃描的軌跡及光束的有無均由計(jì)算機(jī)控制 , 光束照射到的地方 , 樹脂就固化，成型開始時(shí)，工作平臺(tái)在液面下一個(gè)確定的深度， 聚焦后的光斑在液面上按計(jì)算機(jī)的指令逐點(diǎn)掃描，即逐點(diǎn)固化。當(dāng)一層掃描完成后，未被照射的地方仍是液態(tài)樹脂。然后升降臺(tái)帶動(dòng)平臺(tái)下降一層高度，已成型的層面上又布滿一層樹脂，刮平器將粘度較大 的樹脂液面刮平，然后再進(jìn)行下二層的掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復(fù)直到整個(gè)零件制造完畢，得到一個(gè)三維實(shí)體模型。激光固化快速成型技術(shù)要解決的關(guān)鍵問題光固

40、化成型工藝中使用光敏樹脂材料，光敏樹脂材料經(jīng)歷由液體到固體的相變過程，在這一過程中，液態(tài)的單體分子發(fā)生聚合反應(yīng)變?yōu)橐曰瘜W(xué)鍵結(jié)合形式的固態(tài)，由于形成固態(tài)后分子之間距離縮小，材料體積收縮而導(dǎo)致零件 產(chǎn)生變形；由于設(shè)計(jì)和制作的原因，如用作控制激光束掃描的振鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)角和二維平面的非線性映射關(guān)系、雙掃描的振鏡的布放方式和光學(xué)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)焦距等問題而產(chǎn)生形變；由于機(jī)械控制的原因，如 升降臺(tái)下降的每一層高度不均勻?qū)е铝慵冃紊踔练止?jié)；在光固化過程中已固化部分可能因下沉或漂移而產(chǎn)生形變。GIET0501系列激光固化快速成型設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)使用精密設(shè)計(jì)的光速聚焦和掃描系統(tǒng)，獲得較小的光斑尺寸，提高定位精度，提高設(shè)備

41、的技術(shù)性能指標(biāo)，減少設(shè)備中光機(jī)系統(tǒng)的畸變失真；利用預(yù)處理 軟件對(duì)產(chǎn)品的3D設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)所使用的光敏固化樹脂的特性進(jìn)行收縮預(yù)補(bǔ)償、選擇合適的支撐結(jié)構(gòu)和優(yōu)化工藝的控制參數(shù)，減少固化成型過程中零件的收縮變形而提高成型零件的精度；采 用高穩(wěn)定度的激光器，結(jié)合動(dòng)態(tài)激光功率監(jiān)測，閉環(huán)控制掃描速度，達(dá)到穩(wěn)定均勻的激光輻照能量。快速成型技術(shù)為現(xiàn)代制造業(yè)提供強(qiáng)勁動(dòng)力在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，60 %90 %的工業(yè)產(chǎn)品需要使用模具加工，模具工業(yè)已經(jīng)成為制造業(yè)中的一項(xiàng)基礎(chǔ)工業(yè)，是技術(shù)成果轉(zhuǎn)化的手段，同時(shí)又是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要領(lǐng)域，在歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國家被成為'點(diǎn)鐵成金"的"磁力工業(yè)&q

42、uot;。我國模具權(quán)威人士稱之為 "模具是印鈔機(jī)"。可見模具工業(yè)在世界各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要的顯著地位。當(dāng)前，產(chǎn)品制造業(yè)呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢： 1 生產(chǎn)、經(jīng)營及市場全球化； 2用戶需求個(gè)性化、多樣化； 3產(chǎn)品生命周期短，更新?lián)Q代加速； 4產(chǎn)品技術(shù)高科技化； 5市場競爭激烈化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國新產(chǎn)品的 平均開發(fā)周期為 18個(gè)月，產(chǎn)品的生命周期為 10.5年。而美國1990年已實(shí)現(xiàn)"3個(gè)3"，即產(chǎn)品的生命周期為 3年，產(chǎn)品的試制周期為 3個(gè)月，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期為 3周。因此，制造企業(yè)要想在 21世紀(jì)求得生 存和發(fā)展，就必須面對(duì)這一新的形勢，不斷研究或引進(jìn)新的技術(shù)。過去，傳統(tǒng)的零件成型方法是采用多種機(jī)械加工機(jī)床，以及刀具和模具，還要有高水平的技工，成本高，制造周期往往長達(dá)