《加工工藝學》4-2快速原形技術(shù)RP

快速原形技術(shù)RP一種全新的制造概念—材料累加法(MaterialIncreaseManufacturing)被提了出來。由于CAD技術(shù)和光、機、電控制技術(shù)的發(fā)展，這種新型的零件生產(chǎn)工藝就成為RP（快速成型）的主要實現(xiàn)手段。

RP綜合了機械工程、CAD、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)及材料科學技術(shù)，可以自動、直接、快速、精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?，從而可以對產(chǎn)品設(shè)計進行快速評估，修改及功能試驗，大大縮短產(chǎn)品的研制周期。而以RP系統(tǒng)為基礎(chǔ)發(fā)展起來并已成熟的快速工裝模具制造(QuickTooling/Molding)、快速精鑄技術(shù)(QuickCasting)則可實現(xiàn)零件的快速制造(QuickManufacturing)。RP（RapidPrototyping）技術(shù)1.光固化立體造型（SL—Stereolithography）

2.分層物件制造(LOM—LaminatedObjectManufacturing)

3.選擇性激光燒結(jié)(SLS—Se1ectedLaserSintering)

4.熔融沉積造型(FDM—FusedDepositionModeling)光固化立體造型

該技術(shù)以光敏樹脂為原料，將計算機控制下的紫外、激光按預(yù)定零件各分層截面的輪廓為軌跡對液態(tài)樹脂逐點掃描，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薄層截面。當一層固化完畢，移動工作臺，在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂以便進行下一層掃描固化。新固化的一層牢固地粘合在前一層上，如此重復(fù)直到整個零件原型制造完畢。分層物件制造

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(fù)逐層切割一粘合一切割……直至整個零件模型制作完成。選擇性激光燒結(jié)

(SLS—Se1ectedLaserSintering)

該法采用CO2激光器作能源，目前使用的造型材料多為各種粉未材料。在工作臺上均勻鋪上一層很?。?00μ~200μ）的粉未，激光束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)，最終獲得零件。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接或燒結(jié)的工藝還正在實驗研究階段。熔融沉積造型

(FDM—FusedDepositionModeling)

FDM工藝的關(guān)鍵是保持半流動成型材料剛好在熔點之上（通常控制在比熔點高1℃左右）。FDM噴頭受CAD分層數(shù)據(jù)控制使半流動狀態(tài)的熔絲材料（絲材直徑一般在1.5mm以上）從噴頭中擠壓出來，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。RP工藝技術(shù)比較工藝精度表面質(zhì)量材料價格材料利用率運行成本生產(chǎn)效率設(shè)備費用占有率%SL好優(yōu)較貴接近100%較高高較貴78LOM一般較差較便宜較差較低高較便宜7.3SLS一般一般較貴接近100%較高一般較貴6.0FDM較差較差較貴接近100%一般較低較便宜6.1快速成型法的特點和優(yōu)點1.特別適合于形狀復(fù)雜，精細的零件加工；

2.減少了對熟練技術(shù)操作者的需求；

3.成功地解決了CAD中三維造型“看得見、摸不著”的問題；

4.生產(chǎn)柔性高，只需改CAD數(shù)據(jù)，就可生產(chǎn)不同形狀的零件模型；

5.技術(shù)集成，設(shè)計制造一體化；

6.不需專門的工裝夾具和模具，大大縮短了新產(chǎn)品試制時間；

7.零件的復(fù)雜程度和生產(chǎn)批量與制造成本基本無關(guān).SLA激光快速成型在生物工程研究中的應(yīng)用——數(shù)字化下頜骨的制造過程

人體的下頜骨不僅形狀的個體差異大，而且骨骼外形對人體面部形狀及其工作性能的影響也很明顯。傳統(tǒng)的通用型金屬植入體不僅無法為患者提供具有定制化外形的骨替代物，而且，由于不具有生物活性，植入體無法與鄰接的人骨自然彌合和生長。純粹的生物活性材料由于強度較低，在用于大塊骨移植中容易發(fā)生早期的人工骨骨折。

數(shù)據(jù)提取

為了給患者提供與其原下頜骨外形相匹配的人工植入體，必須借助醫(yī)學CT準確提取被替代骨的斷層圖像。由于各層圖像既包含骨的輪廓，又包含軟骨和其他組織的圖案，因此，必須采取合理的圖像處理技術(shù)對各層圖像進行二值化處理，以便獲得骨輪廓的清晰圖案；然后進一步獲得骨輪廓的矢量圖形文件。

曲面重構(gòu)及實體CAD

根據(jù)點云數(shù)據(jù)可在患側(cè)對植入體外形進行曲面重構(gòu)設(shè)計，曲面重構(gòu)的目的是為重新分層提供原始模型，更重要的是為了對原始模型進行必要的CAD設(shè)計（修改形狀）。如圖2所示。

快速原型數(shù)據(jù)準備

曲面重構(gòu)和CAD后就可以重新分層,這個過程是通過SL快速成型機所附帶的快速原型數(shù)據(jù)準備軟件RpData完成的。分層所需的模型數(shù)據(jù)格式必須是三角面片文件格式（STL）。通過RpData還可完成輪廓編輯和支撐設(shè)置以使隨后的快速成型能夠可靠穩(wěn)定地進行，之后就可以輸出加工文件。快速制造植入體原型制造

人工骨原型必須在快速成型機上完成制造過程。利用LPS激光快速成型機快速制造出修補部分原型，整個成型過程需2～4小時。圖3是髁突原型和將髁突原型與鈦支架原型粘結(jié)后的樹脂模型，這個模型可直接作為消失模進行包埋。鈦合金下頜骨的消失法鑄造

由于光敏樹脂原型件具備在700℃以上溫度可燒蝕的特性，可以采用消失法鑄造鈦合金下頜骨。

采用Ti6Al4V作為植入體鈦支架材料，這是一種已被廣泛應(yīng)用的材料，具有較好的生物相容性。得到仿生下頜骨鈦合金植入體如圖4

軍工企業(yè)國營西安某廠導(dǎo)彈引信葉輪的開發(fā)的傳統(tǒng)流程為：軍工企業(yè)國營西安東方機械廠導(dǎo)彈引信葉輪的開發(fā)的傳統(tǒng)流程為：

→

→

→

→

存在問題：

⑴由于渦輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，葉片參數(shù)化設(shè)計，常規(guī)設(shè)計是二維圖紙，既不直觀而且往往很復(fù)雜，不能準確表達設(shè)計意圖，技術(shù)人員交流非常不方便；

⑵葉型要求極高，常規(guī)機械加工難以進行；

⑶模具制作困難，難以進行脫模工作；

⑷加工周期長達數(shù)月左右，費用高。采用快速成型工藝制作首先在三維軟件中進行零件設(shè)計，圖形直觀，工作人員很容易表達自己的意見；零件設(shè)計完畢后利用LPS600激光快速成型工藝制作葉輪的樹脂模型，即可進行空氣動力學實驗，如果不滿足要求，再進行CAD模型的修改，直到滿足要求為止。該廠早先設(shè)計的九齒方案，由于齒數(shù)與進氣道數(shù)目相同，在進行靜止吹風實驗時發(fā)現(xiàn)漏氣，根本無法帶動齒輪轉(zhuǎn)動，馬上進行方案改進，節(jié)省了大量的時間和費用；同時采用硅膠模技術(shù)，低壓注