快速成型技術(shù)及其在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用

1、快速成型技術(shù)及其在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用摘要：介紹了快速成型技術(shù)的起源和特點(diǎn)，并對(duì)幾種典型的快速成型工藝進(jìn)行了比較。最后討論了引入快速成型技術(shù)后的產(chǎn)品開發(fā)模式及其在產(chǎn)品開發(fā)中的作用。1快速成型技術(shù)的基本原理在需求不斷向多樣化，高質(zhì)量高性能，低成本發(fā)展的今天，面對(duì)日趨激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，制造業(yè)的經(jīng)營(yíng)戰(zhàn)略，從5060年代的“規(guī)模效益第一”和7080年代的“價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)第一”轉(zhuǎn)變?yōu)?0年代的“市場(chǎng)響應(yīng)速度第一”，時(shí)間因素被提到了首要地位。產(chǎn)品需求的變化快速成型技術(shù)正是在這種需求下，通過計(jì)算機(jī)、數(shù)控、激光和材料等高新技術(shù)的集成而發(fā)展起來的，基于離散堆積思想的一種先進(jìn)制造技術(shù)。它是指在計(jì)算機(jī)控制與管理下根據(jù)零件CAD

2、真型，采用材料精確堆積（由點(diǎn)堆積成面，由面堆積成三維實(shí)體）的方法制造原型或零件的技術(shù)，是一種基于離散/堆積成形原理的新型制造方法。其基本原理和成形過程如圖2所示。先由CAM件設(shè)計(jì)出所需件的計(jì)算機(jī)三維曲面或?qū)嶓w模型，然后據(jù)工藝要求，其將按一定厚度進(jìn)行分層，把原來的三維電子模型變成二維平面信息（截面形狀）；再將分層后的二維信息生成數(shù)控代碼，以平面加工方式有順序地連續(xù)加工出每個(gè)薄層模型并使它們自動(dòng)粘接而成形?？焖俪尚突驹?0年代后期發(fā)展起來的快速成型技術(shù)，被認(rèn)為是近20年來制造領(lǐng)域的重大突破，其對(duì)制造業(yè)的影響可與5060年代數(shù)控技術(shù)相比，RP技術(shù)可以自動(dòng)、直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸?/p>

3、定功能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)估，修改和試驗(yàn)，大大縮短產(chǎn)品研制周期。2 快速成型技術(shù)的特點(diǎn)2.1 快速性從CADS計(jì)到原型零件制成，一般只需幾個(gè)小時(shí)至幾十個(gè)小時(shí)，速度比傳統(tǒng)的成形方法快得多，使快速成型技術(shù)尤其適合于新產(chǎn)品的開發(fā)與管理。2.2 設(shè)計(jì)制造一體化落后的CAPP一直是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化的較難克服的一個(gè)障礙，而對(duì)于快速成型來說，由于采用了離散堆積的加工工藝，CAPF再不再是難點(diǎn)，CAMCAMtg夠很好地結(jié)合。2.3 自由成形制造自由的含義有兩個(gè)：一是指可以根據(jù)零件的形狀，無需專用工具的限制而自由地成形，可以大大縮短新產(chǎn)品的試制時(shí)間；二是指不受零件形狀復(fù)雜程度限制。

4、2.4 高度柔性僅需改變CAD真型，重新調(diào)整和設(shè)置參數(shù)即可生產(chǎn)出不同形狀的零件模型。2.5 材料的廣泛性快速成型技術(shù)可以制造樹脂類、塑料類原型，還可以制造出紙類、石蠟類、復(fù)合材料以及金屬材料和陶瓷材料的原型。2.6 技術(shù)的高度集成RP技術(shù)是計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)、激光、材料和機(jī)械的綜合集成，只有在計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光器件和功率控制技術(shù)高度發(fā)展的今天才可能誕生快速成型技術(shù)，因此快速成型技術(shù)帶有鮮明的時(shí)代特征。零件的復(fù)雜程度和生產(chǎn)批量與制造成本基本無關(guān)。3 幾種典型的快速成型工藝及其比較3.1 幾種典型的快速成型工藝(1) 光固化立體造型(SLA-StereolithographyApparatus)

5、該技術(shù)以光敏樹脂為原料，計(jì)算機(jī)控制下的紫外激光按預(yù)定零件各分層截面的輪廓為軌跡逐點(diǎn)掃描，使被掃描區(qū)的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)，從而形成零件的一個(gè)薄層截面。當(dāng)一層固化完畢，移動(dòng)工作臺(tái)，在原先固化子的樹脂表面再敖上一層新新的液態(tài)樹脂以便進(jìn)行下層掃描固化。新固化的一層牢固地粘合地層上，如此重復(fù)至整個(gè)零件原型制造完畢。(2) 分層物件制造(LOM-laminatedObjectManufacturing)LOM工藝將單面涂有熱溶膠的紙片通過加熱輾加熱粘接在一起。位于上方的激光器按照CAD分層模型所獲數(shù)據(jù)，用激光束將紙切割成所制零件的內(nèi)外輪廓，然后新的一層紙?jiān)侬B加在上面通過熱壓裝置和下面已切割層粘合在一起

6、，激光束再次切割，這樣反復(fù)逐層切割、粘合、切割，直至整個(gè)零件模型制作完成。(3) 選擇性激光燒結(jié)(SLS-SelectedLaserSintering)在工作臺(tái)上均勻鋪上一層很薄(100仙-200小)的粉末在計(jì)算機(jī)控制下按照零件分層輪廓有選擇性地進(jìn)行燒結(jié)，一層完成后再進(jìn)行下一層燒結(jié)。全部燒結(jié)后去掉多余的粉末，再進(jìn)行打磨、烘干等處理便獲得零件。目前成熟的工藝材料為蠟粉及塑料粉，用金屬粉或陶瓷粉進(jìn)行粘結(jié)或燒結(jié)的工藝還正在實(shí)驗(yàn)階段。(4) 熔融沉積造型(FDM-FusedDepositionModeling)FDM噴頭受CA8層數(shù)據(jù)控制使半流動(dòng)狀態(tài)的材料中擠壓出來，凝固形成輪廓形狀的薄層每層厚度范圍

7、在0.0250.762mm一層疊一層最后形成整個(gè)零件模型。3.2 幾種典型的快速成型工藝的比較幾種典型的快速成型工藝的比較4 快速成型技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用4.1 傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)模式傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)模式是產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)-生產(chǎn)-市場(chǎng)開拓三者逐一開展，相對(duì)弧立的模式。該模式的主要問題是開發(fā)中所存在的問題將直接帶入生產(chǎn)，并最終影響到產(chǎn)品的市場(chǎng)推廣及銷售。傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)流程4.2 基于快速成型技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)模式快速成型技術(shù)的出現(xiàn)，創(chuàng)立了產(chǎn)品開發(fā)研究的新模式，使設(shè)計(jì)師以前所未的直觀方式體會(huì)設(shè)計(jì)的感覺、感性而迅速驗(yàn)證，檢查所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、外形，從而使設(shè)計(jì)工作進(jìn)入了一個(gè)全新的境界，改善了設(shè)計(jì)過程中的人機(jī)交流，

8、縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期，加快了產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度，降低了企業(yè)校裝新產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)，加強(qiáng)了企業(yè)引導(dǎo)消費(fèi)的力度。4.3 快速成型技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中的作用基于快速成型技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)流程在引入快速成型技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)模式中，快速成型技術(shù)已參與產(chǎn)品開發(fā)的幾乎所有環(huán)節(jié)，其主要作用表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1) 為決策層提供決策直觀性一個(gè)新產(chǎn)品的開發(fā)總是從外形設(shè)計(jì)開始的，外觀是否美觀實(shí)用往往決定了該產(chǎn)品是否能夠被市場(chǎng)接受，傳統(tǒng)的做法是根據(jù)設(shè)計(jì)師的思想，先制作出效果圖及手工模型，經(jīng)決策層評(píng)審后在進(jìn)行后續(xù)設(shè)計(jì)。但由于二維效果圖的表達(dá)效果受到很大限制，決策過程中不夠直觀，手工制作模型費(fèi)時(shí)長(zhǎng)，精度又差，手工模型與設(shè)計(jì)師的意圖存在

9、著較大的差異，這一問題一直不能夠得到較好解決?？焖俪尚图夹g(shù)能夠迅速的將設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)思想變成三維的實(shí)體模型，與手工制作相比，不僅節(jié)省了大量的時(shí)間，而且精確地體現(xiàn)了設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)理念，為決策層產(chǎn)品評(píng)審的決策工作提供了直接準(zhǔn)確的模型，減少了決策工作中的不正確因素。(2) 減少人為缺陷，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量在產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，由于設(shè)計(jì)手段和其它方面的限制，每一個(gè)設(shè)計(jì)都會(huì)存在著一些人為的設(shè)計(jì)缺陷，如果不能及早發(fā)現(xiàn)，就會(huì)影響接下來的工作，造成不必要的損失，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)設(shè)計(jì)的失敗。因此，及早地發(fā)現(xiàn)并改正設(shè)計(jì)缺陷變的十分重要，使用快速成型技術(shù)可以將這種人為的影響減少到最低限度。快速成型技術(shù)由于成形時(shí)間短，精確度高

10、，可以在設(shè)計(jì)的同時(shí)制造高精度的模型，使設(shè)計(jì)師能夠在設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品的整機(jī)或局部進(jìn)行裝配和綜合評(píng)價(jià)，從而發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上的缺陷與不合理因素，來不斷的改進(jìn)設(shè)計(jì)?？焖俪尚图夹g(shù)的應(yīng)用可把產(chǎn)品的設(shè)計(jì)缺陷消滅在設(shè)計(jì)階段，最終提高產(chǎn)品整體的設(shè)計(jì)質(zhì)量。(3) 縮短設(shè)計(jì)周期，加快開發(fā)進(jìn)度快速成型技術(shù)的應(yīng)用，可以做到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和模具生產(chǎn)并行，對(duì)于一般產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到模具驗(yàn)收需要一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，按傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手段，只有在模具驗(yàn)收合格后才能進(jìn)行整機(jī)的裝配以及進(jìn)行各種驗(yàn)收。對(duì)于在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的設(shè)計(jì)不合理之處，需要對(duì)原來的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，再相應(yīng)的對(duì)模具進(jìn)行修改。這樣就會(huì)在設(shè)計(jì)與制造過程中造成大量重復(fù)性的工作，使模具的制造周期加長(zhǎng)，最終導(dǎo)

11、致修改時(shí)間約占整個(gè)制作時(shí)間的20%-30%應(yīng)用快速成型技術(shù)之后，可以充分利用模具制造的這段時(shí)間，利用快速成型的制件進(jìn)行整機(jī)裝配和各種試驗(yàn)，隨時(shí)與模具中心進(jìn)行信息交流，力爭(zhēng)做到模具一次性通過驗(yàn)收，這樣模具制造與整機(jī)的試驗(yàn)評(píng)價(jià)并行工作，大大加快了產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)度，迅速完成從設(shè)計(jì)到投產(chǎn)的轉(zhuǎn)換。另外，快速成型技術(shù)形成的模型對(duì)于模具的設(shè)計(jì)與制造過程有著明顯的指導(dǎo)作用。對(duì)于具體產(chǎn)品來說，模具制造時(shí)間可以大大縮短，模具制造的質(zhì)量可以得到提高，相應(yīng)的對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量得到最終保證起到了積極的影響。(4) 提供樣件由于應(yīng)用快速成型技術(shù)制作出的樣品比二維效果圖更加直觀，比工作站中的三維圖象更加真實(shí)，而且具有手工制作的模型所無法比擬的精度，因而在樣件制作方面有比較大的優(yōu)勢(shì)。利用快速成型技術(shù)制作出的樣件能夠使用戶非常直觀的了解尚未投入批量生產(chǎn)的產(chǎn)品的外觀及其性能并及時(shí)做出評(píng)價(jià)。使生產(chǎn)方能夠根據(jù)用戶的需求及時(shí)改進(jìn)產(chǎn)品，為產(chǎn)品的銷售創(chuàng)造有利條件，同時(shí)避免了由于盲目生產(chǎn)可能造成的損失，同時(shí)，在工程投標(biāo)中投標(biāo)方常常被要求提供樣品，為投標(biāo)方直觀全面的進(jìn)行評(píng)價(jià)提供依據(jù)，設(shè)計(jì)更加完善，為中標(biāo)創(chuàng)造有利條件。(5) 快速模具制造以快速成型生成的實(shí)體模作模芯或模套、結(jié)合精鑄、粉末燒結(jié)或電極研磨技術(shù)可以快速制造企業(yè)產(chǎn)品所需要的功能模具或工裝設(shè)備。其制造周期一般為傳