6 快速原型制造技術及設備

1、6 快速原型制造技術及設備 6-1快速原型制造技術及應用6.1.1快速原型制造技術(P175) 1.原型與原型制造技術的概念1） 原型 原型是產品在一維或多維空間中的一種表示。即:產品開發(fā)人員認為有意義的產品在某個方面的表示,可以看作原型,包括從概念設計到具有完整功能制品的有形和無形的表示。例如:汽車中的概念產品。原型分為物理原型和分析原型。(1)物理原型 近似或直接的產品的有形實體表示。它是存在的可以檢測和實驗,從視覺和觸覺上都類似產品。如:汽車產品的樣本。(2)分析原型 為產品的非有形表示,它未被制造出來,是以仿真視覺圖像,方程或分析結果來表示。如:模擬推演.一般情況下,原型是指物理原型,

2、即三維空間的實物來表示物體,本章介紹的為物理原型。2)原型制造技術原型制造技術是設計、建造原型的過程。按物體成形方式分為三類:去除成形,凈尺寸成形和原型制造（添加成形）。（1）原型制造通過快速自動成形系統(tǒng)與計算機數據模型相結合,制造出多種復雜的原型和零件。原料利用率100%,出產周期短,成本大幅度降低.(2)用反求技術實現(xiàn)。按樣品或提供實物,用已有知識和技術，按要求和目的進行設計和加工，經修改或原封不動制成復制或仿制品。2.快速原型制造技術的原理和特點快速原型制造技術是20世紀80年代后期在美國首先產生并商品化,上世紀90年代在全球迅速發(fā)展起來的一種全新概念的制造技術。是繼60年代NC技術之后

3、制造領域的又一突破,是先進制造技術的重要組成部分。(1)快速原型技術的原理快速原型技術采用分層累加的方法(添加成形制造工藝)。如圖6-1(P176)所示原理圖,即:先用CAD三維造型,然后用專門軟件對模型分層切片,獲得每一層的二維輪廓信息。最后將每一層的二維輪廓順序堆積,疊加成三維物理實體?？焖僭图夹g的基本理論和思想內涵，是基于離散/堆積:即微積分思想。將一個物理實體復雜的三維加工離散成一系列二維層片的加工,然后疊加。是一種降維制造或添材加工制造技術。2 ）快速原型技術(RP)的特點 （p175-176） 1) 制造快速快速原型技術是并行工程中進行復雜原型和零件制作的有效手段。即從產品CAD

4、或者從實體反求獲的數據制作原型。一般僅需要幾個小時至幾十個小時。傳統(tǒng)成型加工方法通常需要數天數月甚至更長。(如用實體獲得數據通常要檢測、測繪、制圖、工藝、材料、加工、檢測裝調。或采用數控切削加工，先編程轉換成代碼然后加工)。RP是建立在高度技術集成基礎上，無需工模、制造調整等。2)自由成形制造和高柔性加工:(p176) 自由成形無需使用刀具和模具,由CAD模型直接驅動，能夠制造任意復雜形狀結構的、不同材料復合的原型和零件。改變CAD模型或反求數據結構模型，重新調整和設置參數即可生產不同形狀的原型或零件。還能借助電鑄、電弧噴漆等技術進一步將塑膠原型制成金屬模具.3) 技術高度集成(P176)快速

5、原型制造技術是將計算機技術、數據收集與處理技術、材料工程、機電加工與控制技術的綜合體現(xiàn)。成形過程高度自動化,特別是在曲面制造過程中，CAD數據轉化(切片分層)百分之百的自動完成。而數控切削加工，則需要高級技術人員復雜的人工輔助勞動,轉化成工藝數控代碼。4) 可選材料的廣泛性 (P176)快速原型制造技術可以采用的材料十分廣泛。如:塑料、樹脂、紙、石蠟類,另外復合材料、金屬材料、陶瓷材料的粉末，箔、絲小塊體。也可以是涂覆某種粘合劑的顆粒,板、薄膜等。此外，RP技術是邊堆積邊成形,因此由可能在成形過程中改變成材料的組分,制造出由材料梯度的零件。5) 環(huán)保型制造技術（P176）快速原型制造技術為非接

6、觸加工,不需要機床切削中所必需的刀具和夾具,避免了刀具磨損和切削力影響,制造過程中無振動無噪音沒有或很少下腳料。3、快速原型制造技術的工藝流程:如圖6-2所示P117. 6.1.2應用領域:P1761、產品設計開發(fā)RP技術將CAD的設計構想快速精確而又經濟的變成可觸摸的物理實體。比把三維幾何造型展示在工作屏幕或圖紙上，具有更高的直觀性和啟示性。設計人員可以更快、更容易的發(fā)現(xiàn)設計中的錯誤并及時修改。目前,RP技術已成為廠家爭取訂單與客戶交流溝通的最佳手段。2.快速模具制造P176.以RP技術生成實體模型,做模芯、模套,結合精鑄,粉末燒結或電極研磨等技術,生產出企業(yè)所需要的功能模具或工裝設備,制造

7、周期比傳統(tǒng)數控短縮30%-40%,成本下降35%-70%,模具的幾何復雜程度愈高，效益愈顯著。一般利用CAD設計文件后80%模具24-48%小時后可完工。3.產品功能測試（P177）RP技術可嚴格的按照原材料將模型迅速的制造出來,進行功能試驗與相應的研究,從而優(yōu)化產品設計.4.生物膜與仿真制造:P177RP可用于人體骨骼修復和矯形整容,例:牙齒矯形,美觀及舒適性均優(yōu)于傳統(tǒng)的矯形器。6.2 快速成形機(P178) 6.2.1 快速成形機的分類 (P178)RP技術的產生和發(fā)展結合了當代眾多的高新技術,如:計算機輔助技術,數控技術、激光技術、材料技術、并將隨著技術更新而不斷發(fā)展。自1986出現(xiàn)至今

8、不足20年,世界上已有大約二十多種不同的新工藝和成形方法。而且新工藝和新方法不斷涌現(xiàn)。而快速成形機按照成形工藝原理不斷涌現(xiàn)出新的類型。成形機按照成形工藝原理進行分類,目前,比較典型快速成形工藝有:立體光固化成形(SLA)、分層實體制造(LOM),選區(qū)激光燒結（SLS）和熔絲沉積制造（FDM）四種，它們產生于上世紀80年代，在快速原型技術中,技術成熟,成形工藝各有優(yōu)缺點，并占主導地位。下面介紹其相對應的成形設備。1.立體光固化快速成形機(SLA)(1)光固化(Stereolithography.）工藝由Charles,Huii于1984年獲美國專利,1988美國3DSySToms公司推出商品化樣

9、機SLA-1型，是世界上第一臺快速成形系統(tǒng),目前系列占據RP設備市場碼較大份額(2) 工藝原理 SL工藝原理是基于液態(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(325nm)和（10400mW）強度的紫外線照射下能迅速發(fā)生光聚合反應,分子量急劇增大,材料也就從液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)。(3)成形工作原理成形材料主要有液態(tài)的自由基光固化樹脂,陽離子光固化樹脂和混雜型光固化樹脂。圖6-3是立體光固化快速成形機工作原理圖.首先:升降臺置于最高位置,工作臺上液態(tài)光敏樹脂厚度為一個層厚.其次，紫外線激光器聚焦掃描X-Y方向,使之固化模型第一層.最后，工作臺下降第二層掃描固化第二層,至直完成三維實體模型.(

10、4)特點:成形精度高,表面質量好,類似塑料質感。由于需要加支撐、成本高。目前,中國上海聯(lián)泰,陜西恒通智能機器公司等生產出各自的設備。 2、選區(qū)激光燒結快速成形機(SLS)SLS工藝由美國德克薩斯大學奧斯丁分校于1989研制成功,由美國DTM公司推出產品SLS MODEL125成形機,德國EOS公司和中國北京隆源公司也推出各自的成形機EOSINT和AFS.工藝原理:如圖6-4所示,SLS工藝利用粉末狀材料鋪灑在已成形零件的上表面并刮平,用高強度二氧化碳激光器在上面掃描出新零件截面并被燒結在一起,獲得零件截面,同時與下面已成形部分粘接,當一層截面燒結完成，鋪上新的一層材料粉末,選擇性的燒結下層截面

11、。重復上述過程,完成三維實體模型.優(yōu)點:(1)選材廣泛,如:尼龍,蠟,ABS,樹脂裹覆砂,聚碳酸脂,金屬和陶瓷粉末都可以作為燒結對象.(2)精度高,不需要加支撐系統(tǒng),粉床上未被燒結部分可以為燒結部分的支撐結構.(3)可直接成形金屬零件獲模具,SLS與鑄造工藝關系極為緊密,如:燒結的陶瓷型可做鑄造的型殼,型芯;蠟型可做蠟膜等.目前:DTM公司已形成三代產品,2001年被3DSystoms收購,我國北京,南京空航天大學做教案.3、分層實體制造快速成形機（LOM）分層實體制造工藝又稱為疊層實體造型,工作原理如圖6-5所示. 成形材料采用薄片材料如:紙、薄膜等。用激光器按照CAD分層模型所獲得數據,用

12、CO2激光束將單面涂有熱溶膠的薄片材料或其它材料的箔帶切割成原型在該平面的內外輪廓。再通過熱輥加熱，使之與下面的已切割層粘接,通過逐層切割粘接,最后將不需要的材料剝離。得到欲求原型。特點:適合做大型實心件。精度比較高,原型件具有硬木質感。但廢料較多,后處理費時,不需加支撐。LOM工藝在RP市場曾位居第二位獲得專利,但由于工藝只能用于紙、塑料等片材，需要粘接。成本和精度無法與其他工藝相比(如：光固化SL),另外設備系統(tǒng)復雜,存在煙塵、污染等問題。在RP家族種的地位日益下降. 4.熔絲沉積制造快速成形機 (FDM) (P180) 熔融堆積成形工藝,由美國學者（Dr.Scott Grump)于198

13、8年研制成功。熱塑性材料。FDM工藝材料為：ABS、PC熱塑性材料及尼龍、蠟等以絲狀供料。工作原理如圖6-6所示：材料在噴頭內加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動。逐點、面、線地堆積成形。并利用材料的熱熔性和粘結性粘結成形。工藝特點：不用激光、使用維護簡單，成本低，材料廣泛。適宜成形空心薄壁件，需加支撐；用蠟成形的零件可直接用于失蠟鑄造。用ABS制造的原型因具有較高強度而在產品設計、測試、評估中獲廣泛應用。近年來又開發(fā)出PC，PPSF等更高強度的成形材料。用該工藝可直接成形零件。所以，該工藝發(fā)展迅速，目前已在RP系統(tǒng)中超過25%份額。目前：美國Stratasys公司應用FDM生產出最新的

14、Dimension SST系統(tǒng)最為先進。國內清華大學開發(fā)了與其工藝原理相近的MEM（Melited,Extrusions Manufacturing)工藝。由北京殷華公司推出MEM200等系列產品。6.2.2 快速成形機的技術參數:(P180)由于RP成形機不同,技術參數差別較大，主要如下:1.激光器額定功率和使用壽命(SLA):(P180)一般采用低功率激光器。立體光固化快速成形機（SLA）10mW紫外線激光器，壽命2000小時左右。 (SLS)和(LOM)采用多為25W50WCO2激光器,壽命20000h左右。2.振鏡掃描速度 (P180)高速振鏡的掃描速度直接影響成形速度，(SLA)和(

15、SLS)均采用高速振鏡掃描器，掃描速度范圍04m/s。3. 動態(tài)聚焦性能激光經聚焦后,在整個成形面積內掃描,需要用Z軸動態(tài)聚焦系統(tǒng)校正,保證光斑尺寸在各位置精度。對于(SLS).其激光光束焦點偏離焦平面的距離1mm。4.成形尺寸成形尺寸反映（RP)一次成形的最大零件尺寸,一般用(長×寬×高)表示。目前最大成形尺寸是:1180mm×730mm×550mm、1000mm×800mm×500mm、457×457×609mm。主要用于汽車大型覆蓋件。5.成型速度反映生產效率,單位為g/h、即每小時可成形多少克的模型。成形速

16、度直接與制件精度要求,掃描速度和分層厚度有關,精度要求越高,掃描速度越小,分層厚度越小則成形速度越小。6.成形精度立體光固化快速成形機(SLA)成形的精度最高,可達±0.01mm；其余一般為±0.1mm。6.2.3 快速成形機 (RP) 的基本結構（P181）快速成形機種類不同結構也不同,但通用的基本結構可分為如下部分：1.光學系統(tǒng)或熱源系統(tǒng)采用激光為能源進行快速成形，光學系統(tǒng)為關鍵部件之一。包括:激光器、光路傳輸機構,光束聚焦機構和高速振鏡掃描器。選區(qū)激光燒結快速成型機(SLS)和分層實體制造快速成型機(LOM)等采用低功率CO2激光器。立體光刻快速成型機（SLA）采用紫

17、外激光器。光學系統(tǒng)主要包括激光器、光路傳輸機構、光束傳輸聚焦機構和高速振鏡掃描器。也有采用專用熱源系統(tǒng)對成形原材料進行加熱，而不用激光器。 如熔碳沉積制造快速成型機2.控制系統(tǒng)可識別三維數學模型分層截面信息，快速控制（RP）各部件協(xié)調一致按信息運動，高速自動化地實現(xiàn)堆積成形。3.升降機構作用原理與機械機構基本相似，升降機構的作用是按分層厚度順序移動，使模型層面疊加、堆積成形。是快速成型機的必備機構之一。一般數控機床中無此機構。4.供材機構供材機構也是快速成型機的必備機構之一，（RP）不同的快速成型機，供材機構的機械結構差異較大。立體光刻快速成型機（SLA）采用浸漬式，由容器、刮平器和升降工作組成。選區(qū)激光燒結快速成型機(SLS)采用為輥刮式，由供料缸，鋪粉滾輪和升降臺工作組成。分層實體制造快速成型機(LOM)采用輥卷式，由送料筒收紙輥筒，導向輥等組成。熔絲沉積制造快速成形機 (FDM)采用噴涂式，由噴嘴、儲料器和供料器組成。 5.加熱機構：僅在選區(qū)激