快速成型的原理及應用

題目：1、快速成型原理是什么？其技術有何特點？2、按制造工藝原理分，快速成型工藝主要分成哪幾類？3、簡述快速成型技術有哪些應用？4、典型的快速成型工藝有哪幾種？試分析成型工藝的特點。5、反求工程的基本含義是什么？應用在那幾個方面？6、結(jié)合課程知識點，談談快速成型技術對新產(chǎn)品設計的作用。1、快速成型原理是什么？其技術有何特點？快速成型原理RP系統(tǒng)可以根據(jù)零件的形狀，每次制做一個具有一定微小厚度和特定形狀的截面，然后再把它們逐層粘結(jié)起來，就得到了所需制造的立體的零件。當然，整個過程是在計算機的控制下，由快速成形系統(tǒng)自動完成的。不同公司制造的RP系統(tǒng)所用的成形材料不同，系統(tǒng)的工作原理也有所不同，但其基本原理都是一樣的，那就是"分層制造、逐層疊加"。這種工藝可以形象地叫做"增長法"或"加法”。每個截面數(shù)據(jù)相當于醫(yī)學上的一張CT像片；整個制造過程可以比喻為一個"積分"的過程。RP技術是在現(xiàn)代CAD/CAM技術、激光技術、計算機數(shù)控技術、精密伺服驅(qū)動技術以及新材料技術的基礎上集成發(fā)展起來的。RP技術的基本原理是：將計算機內(nèi)的三維數(shù)據(jù)模型進行分層切片得到各層截面的輪廓數(shù)據(jù)，計算機據(jù)此信息控制激光器（或噴嘴）有選擇性地燒結(jié)一層接一層的粉末材料（或固化一層又一層的液態(tài)光敏樹脂，或切割一層又一層的片狀材料，或噴射一層又一層的熱熔材料或粘合劑）形成一系列具有一個微小厚度的的片狀實體，再采用熔結(jié)、聚合、粘結(jié)等手段使其逐層堆積成一體，便可以制造出所設計的新產(chǎn)品樣件、模型或模具。自美國3D公司1988年推出第一臺商品SLA快速成形機以來，已經(jīng)有十幾種不同的成形系統(tǒng)，其中比較成熟的有SLA、SLS、LOM和FDM等方法。其成形原理分別介紹如下：（1）SLA快速成形系統(tǒng)的成形原理：成形材料：液態(tài)光敏樹脂；制件性能：相當于工程塑料或蠟模；主要用途：高精度塑料件、鑄造用蠟模、樣件或模型。（2）SLS快速成形系統(tǒng)的成形原理：成形材料：工程塑料粉末；制件性能：相當于工程塑料、蠟模、砂型；主要用途：塑料件、鑄造用蠟模、樣件或模型。（3）LOM快速成形系統(tǒng)的成形原理：成形材料：涂敷有熱敏膠的纖維紙；制件性能：相當于高級木材；主要用途：快速制造新產(chǎn)品樣件、模型或鑄造用木模。（4）FDM快速成形系統(tǒng)的成形原理：成形材料：固體絲狀工程塑料；制件性能：相當于工程塑料或蠟模；主要用途：塑料件、鑄造用蠟模、樣件或模型?？焖僭渭夹g的特點：（1）、自由成型制造：自由成型制造也是快速成型技術的另外一個用語。作為快速成型技術的特點之一的自由成型制造的含義有兩個方面：一是指無需要使用工模具而制作原型或零件，由此可以大大縮短新產(chǎn)品的試制周期，并節(jié)省工模具費用；二是指不受形狀復雜程度的限制，能夠制作任何形狀與結(jié)構、不同材料復合的原形或零件。（2）、制造效率快：從CAD數(shù)模或?qū)嶓w反求獲得的數(shù)據(jù)到制成原形，一般僅需要數(shù)小時或十幾小時，速度比傳統(tǒng)成型加工方法快的多。該項目技術在新產(chǎn)品開發(fā)中改善了設計過程的人機交流，縮短了產(chǎn)品設計與開發(fā)周期。以快速成型機為母模的快速模具技術，能夠在幾天內(nèi)制作出所需材料的實際產(chǎn)品，而通過傳統(tǒng)的鋼質(zhì)模具制作產(chǎn)品，至少需要幾個月的時間。該項技術的應用，大大降低了新產(chǎn)品的開發(fā)成本和企業(yè)研制新產(chǎn)品的風險。（3）、由CAD模型直接驅(qū)動：無論哪種RP制造工藝，其材料都是通過逐點、逐層以添加的方式累積成型的。無論哪種快速成型制造工藝，也都是通過CAD數(shù)字模型直接或者間接地驅(qū)動快速成型設備系統(tǒng)進行制造的。這種通過材料添加來制造原形的加工方式是快速成型技術區(qū)別傳統(tǒng)的機械加工方式的顯著特征。這種由CAD數(shù)字模型直接或者間接地驅(qū)動快速成型設備系統(tǒng)的原形制作過程也決定了快速成型的制造快速和自由成型的特征。（4）、技術高度集成：當落后的計算機輔助工藝規(guī)劃（ComputerAidedProcessPlanning,CAPP）一直無法實現(xiàn)CAD與CAM一體化的時候，快速成型技術的出現(xiàn)較好的填補了CAD與CAM之間的縫隙。新材料、激光應用技術、精密伺候驅(qū)動技術、計算機技術以及數(shù)控技術等的高度集成，共同支撐了快速成型技術的實現(xiàn)。（5）、經(jīng)濟效益高：快速成型技術制造原型或零件，無須工模具，也與成型或零件的復雜程度無關，與傳統(tǒng)的機械加工方法相比，其原型或零件本身制作過程的成本顯著降低。此外，由于快速成型在設計可視化、外觀評估、裝配及功能檢驗以及快速模具母模的功用，能夠顯著縮短產(chǎn)品的開發(fā)試制周期，也帶來了顯著的時間效益。也正是因為快速成型技術具有突出的經(jīng)濟效益，才使得該項技術一經(jīng)出現(xiàn)，便得到了制造業(yè)的高度重視和迅速而廣泛的應用。（6）、精度不如傳統(tǒng)加工；數(shù)據(jù)模型分層處理時不可避免的一些數(shù)據(jù)丟失外加分層制造必然產(chǎn)生臺階誤差，堆積成形的相變和凝固過程產(chǎn)生的內(nèi)應力也會引起翹曲變形，這從根本上決定了RP造型的精度極限。2、按制造工藝原理分，快速成型工藝主要分成哪幾類？快速成型工藝主要分成：光固化立體造型工藝:該技術以光敏樹脂為原料，計算機控制下的紫外激光按預定零件各分層截面的輪廓為軌跡逐點掃描，使被掃描區(qū)的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應，從而形成零件的一個薄層截面。當一層固化完畢，移動工作臺，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，如此重復全整個零件原型制造完畢。分層物件制造工藝:LOM工藝將單面涂有熱溶膠的紙片通過加熱輥加熱粘接在一起。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，然后新的一層紙再疊加在上面通過熱壓裝置和下面已切割層粘合在一起，激光束再次切割，這樣反復逐層切割、粘合、切割…，直至整個零件模型制作完成。選擇性激光燒結(jié)工藝:在工作臺上均勻鋪上一層很薄(100p-200p)的粉末在計算機控制下按照零件分層輪廓有選擇性地進行燒結(jié)，一層完成后再進行下一層燒結(jié)。全部燒結(jié)后去掉多余的粉末，再進行打磨、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行粘結(jié)或燒結(jié)的工藝還正在實驗階段。熔融沉積造型工藝:FDM噴頭受CAD分層數(shù)據(jù)控制使半流動狀態(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在0.025?0.762mm，一層疊一層最后形成整個零件模型。3、簡述快速成型技術有哪些應用？快速成型技術的應用：除了制造原型外，該項技術也特別適合于新產(chǎn)品的開發(fā)、單件及小批量零件制造、不規(guī)則或復雜形狀零件制造、模具設計與制造、產(chǎn)品設計的外觀評估和裝配檢驗、快速反求與復制，也適合于難加工材料的制造等。這項技術不僅在制造業(yè)具有廣泛的應用，而且在材料科學與工程、醫(yī)學、文化藝術以及建筑工程等領域也有廣闊的應用前景。4、典型的快速成型工藝有哪幾種？試分析成型工藝的特點。⑴典型的快速成型工藝：有光固化成型工藝、疊層實體加型工藝、選擇性激光燒結(jié)成型工藝、熔融沉積成型工藝。⑵特點：①光固化成型工藝特點：a、成型過程自動化程度高。b、尺寸精度高。c、優(yōu)良的表面質(zhì)量。d、可以制作結(jié)構十分復雜、尺寸比較精細的模型。e、可以直接制作面向熔模精密鑄造的具有中空結(jié)構的消失型。f、制作的原型可以在一定程度上替代塑料件。疊層實體加型工藝特點：a、原材料價格便宜，原型制作成本低。b、制件尺寸大。c、無需后固化處理。d、無需設計和制作支撐結(jié)構。e、廢料易剝離。f、制件能承受高達200攝氏度的溫度，有較高的硬度和較好的力學性能，可進行各種切削加工。g、原型精度高°h、設備采用了高質(zhì)量的元器件，有完善的安全、保護裝置，因而能長時間繼續(xù)運行，可靠性高，壽命長。匚操作方便。選擇性激光燒結(jié)成型工藝特點：a、可采用多種材料。b、制造工藝比較簡單。c、高精度。d、無需支撐結(jié)構。e、材料利用率高。熔融沉積成型工藝特點：a、由于采用了熱融擠壓頭的專利技術，使整個系統(tǒng)構造原理和操作簡單，維護成本低，系統(tǒng)運行安全。b、可以使用無毒的原材料，設備系統(tǒng)可在辦公環(huán)境中安裝使用。c、可以成型任意復雜程度的零件，常用于成型具有很復雜的內(nèi)腔、孔等零件。d、用蠟成型的零件原型，可以直接用于失蠟鑄造。e、原材料在成型中無化學變化，制件的翹曲變形小°f、原材料利用率高，且材料壽命長。g、支撐去除簡單，無需化學清洗，分離容易。h、可直接制作彩色原型。5、反求工程的基本含義是什么？應用在哪幾個方面？⑴反求工程的基本含義：反求工程也稱逆向工程、反向工程,是指用一定的測量手段對實物或模型進行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法重構實物的CAD模型的過程，是一個從樣品生成產(chǎn)品數(shù)字化信息模型，并在此基礎上進行產(chǎn)品設計開發(fā)及生產(chǎn)的全過程。⑵應用：①企業(yè)只能拿到真實零件而沒有圖樣，又要求對此零件進行分析、復制及改型。②在汽車、家電等行業(yè)要分析油泥模型，對油泥模型進行修改，得到滿意結(jié)果后將此模型的外型在計算機中建立數(shù)字模型。③對現(xiàn)有的零件工裝等建立數(shù)字模型。④在模具行業(yè)，往往需要用于工修模，修改后的模具型腔數(shù)據(jù)必須及時地反映到相應的CAD設計之中，這樣才能最終制造出符合要求的模具。6、結(jié)合課程知識點，談談快速成型技術對新產(chǎn)品設計的作用?？焖俪尚图夹g的出現(xiàn)，創(chuàng)立了產(chǎn)品開發(fā)研究的新模式，使設計師以前所未的直觀方式體會設計的感覺、感性而迅速驗證，檢查所設計產(chǎn)品的結(jié)構、外形，從而使設計工作進入了一個全新的境界，改善了設計過程中的人機交流，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)品的風險，加強了企業(yè)引導消費的力度。CL4FD速圖4基于快速成型技術的產(chǎn)品開發(fā)流程從圖4中可以看出，在引入快速成型技術的產(chǎn)品開發(fā)模式中，快速成型技術已參與產(chǎn)品開發(fā)的幾乎所有環(huán)節(jié)，其主要作用表現(xiàn)在以下幾個方面：為決策層提供決策直觀性一個新產(chǎn)品的開發(fā)總是從外形設計開始的，外觀是否美觀實用往往決定了該產(chǎn)品是否能夠被市場接受，傳統(tǒng)的做法是根據(jù)設計師的思想，先制作出效果圖及手工模型，經(jīng)決策層評審后在進行后續(xù)設計。但由于二維效果圖的表達效果受到很大限制，決策過程中不夠直觀，手工制作模型費時長，精度又差，手工模型與設計師的意圖存在著較大的差異，這一問題一直不能夠得到較好解決?？焖俪尚图夹g能夠迅速的將設計師的設計思想變成三維的實體模型，與手工制作相比，不僅節(jié)省了大量的時間，而且精確地體現(xiàn)了設計師的設計理念，為決策層產(chǎn)品評審的決策工作提供了直接準確的模型，減少了決策工作中的不正確因素。減少人為缺陷，提高設計質(zhì)量在產(chǎn)品的開發(fā)設計過程中，由于設計手段和其它方面的限制，每一個設計都會存在著一些人為的設計缺陷，如果不能及早發(fā)現(xiàn)，就會影響接下來的工作，造成不必要的損失，甚至會導致整個設計的失敗。因此，及早地發(fā)現(xiàn)并改正設計缺陷變的十分重要，使用快速成型技術可以將這種人為的影響減少到最低限度。快速成型技術由于成形時間短，精確度高，可以在設計的同時制造高精度的模型，使設計師能夠在設計階段對產(chǎn)品的整機或局部進行裝配和綜合評價，從而發(fā)現(xiàn)設計上的缺陷與不合理因素，來不斷的改進設計?？焖俪尚图夹g的應用可把產(chǎn)品的設計缺陷消滅在設計階段，最終提高產(chǎn)品整體的設計質(zhì)量。縮短設計周期，加快開發(fā)進度快速成型技術的應用，可以做到產(chǎn)品的設計和模具生產(chǎn)并行，對于一般產(chǎn)品從設計到模具驗收需要一段相當長的時間，按傳統(tǒng)的設計手段，只有在模具驗收合格后才能進行整機的裝配以及進行各種驗收。對于在試驗中發(fā)現(xiàn)的設計不合理之處，需要對原來的設計進行修改，再相應的對模具進行修改。這樣就會在設計與制造過程中造成大量重復性的工作，使模具的制造周期加長，最終導致修改時間約占整個制作時間的20%?30%。應用快速成型技術之后，可以充分利用模具制造的這段時間，利用快速成型的制件進行整機裝配和各種試驗，隨時與模具中心進行信息交流，力爭做到模具一次性通過驗收，這樣模具制造與整機的試驗評價并行工作，大大加快了產(chǎn)品的開發(fā)進度，迅速完成從設計到投產(chǎn)的轉(zhuǎn)換。另外，快速成型技術形成的模型對于模具的設計與制造過程有著明顯的指導作用。對于具體產(chǎn)品來說，模具制造時間可以大大縮短，模具制造的質(zhì)量可以得到提高，相應的對產(chǎn)品質(zhì)量得到最終保證起到了積極的影響。提供樣件由于應用快速成型技術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，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。利用快速成型技術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做出評價。使生產(chǎn)方能夠根據(jù)用戶的需求及時改進產(chǎn)品，為產(chǎn)品的銷售創(chuàng)造有利條件，同時避免了由于盲目生產(chǎn)可能造成的損失，同時，在工程投標中投標方常常被要求提供樣品，為投標方直觀全面的進行評價提供依據(jù)，設計