材料成型工藝基礎(chǔ)(第四版)課件 第9章

第9章快速成型技術(shù)9.1快速成型技術(shù)簡(jiǎn)介9.2快速成型工藝9.3快速成型技術(shù)的應(yīng)用

9.1快速成型技術(shù)簡(jiǎn)介

快速成型技術(shù)(RapidPrototyping,RP)又稱快速原型制造技術(shù),是20世紀(jì)80年代末發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)制造技術(shù),它突破了傳統(tǒng)的制造方法,直接根據(jù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)模型,不使用機(jī)械加工設(shè)備就可快速制造形狀復(fù)雜的零件。該方法綜合了CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等,是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。

9.1.1快速成型技術(shù)的原理

快速成型技術(shù)的成型工藝均基于離散疊加原理來(lái)實(shí)現(xiàn)快速加工原型或零件的生產(chǎn)。首先,由三維CAD軟件設(shè)計(jì)零件的三維實(shí)體模型;然后,根據(jù)工藝要求,按照一定的規(guī)則將模型離散為一系列有序單元:通常對(duì)其進(jìn)行切片分層,得到離散的多層平面,將三維模型變成一系列二維層片,并把各平面的數(shù)據(jù)信息傳給成型系統(tǒng)的工作部件。用激光束或其他方法控制成型材料按照一定規(guī)律,精確、迅速地層層堆積黏結(jié)起來(lái),形成三維的原型;最后,經(jīng)后處理成為零件。具體工作原理如圖9-1所示

圖9-1快速成型技術(shù)的工作原理

9.1.2快速成型技術(shù)的分類及特點(diǎn)

快速成型工藝的種類很多,可按照材料的不同進(jìn)行分類,快速成型材料包括液態(tài)材料、離散顆粒和實(shí)體薄片。液態(tài)材料的快速成型方法有液態(tài)樹(shù)脂固化成型和熔融材料凝結(jié)成型,而液態(tài)樹(shù)脂固化又包括逐點(diǎn)固化和逐面固化;熔融材料凝結(jié)成型又包括逐點(diǎn)凝結(jié)和逐面凝結(jié)。離散顆粒材料快速成型方法包括激光熔融顆粒成型和黏結(jié)劑黏結(jié)顆粒成型兩種方法。實(shí)體薄片材料快速成型方法有薄片黏結(jié)堆積成型和光堆積成型兩種。

快速成型方法與其他傳統(tǒng)方法相比較,具有以下特點(diǎn):

(1)快速成型技術(shù)具有高度的柔性,它屬于非接觸式加工,不使用刀具、夾具等專用工具,在計(jì)算機(jī)控制下制造出任意復(fù)雜形狀的零件,從而擺脫了傳統(tǒng)加工方法的局限性。

(2)快速成型技術(shù)方便地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)制造一體化,通過(guò)離散分層模型工藝,將CAD、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)技術(shù)和制造技術(shù)有效地結(jié)合在一起。

(3)快速成型技術(shù)與傳統(tǒng)制造方法相比,不需要傳統(tǒng)的刀具或工裝等生產(chǎn)準(zhǔn)備工作,任何復(fù)雜零件的加工均可在一臺(tái)設(shè)備上完成,因此,很大程度上縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期,降低了開(kāi)發(fā)成本。

(4)成型過(guò)程中無(wú)震動(dòng)、噪聲和廢料。

9.2快速成型工藝9.2.1光固化成型工藝(SLA)光固化成型又稱為光敏液相固化法、立體光刻、光造型等,是世界上第一種快速成型技術(shù),它使用的成型材料是對(duì)某特種光束敏感的樹(shù)脂。其基本原理為:在液槽內(nèi)盛有液態(tài)的光敏樹(shù)脂,激光束或紫外光光點(diǎn)在液面上按計(jì)算機(jī)切片軟件所得到的輪廓軌跡,對(duì)液態(tài)光敏樹(shù)脂進(jìn)行掃描固化,形成連續(xù)的固化點(diǎn),從而構(gòu)成模樣的一個(gè)薄截面輪廓。一個(gè)層面掃描完成后,進(jìn)行下一層掃描,新固化的層黏結(jié)在前一層上,直至完成整個(gè)三維零件,如圖9-2所示。

圖9-2光固化成型過(guò)程

9.2.2疊層制造成型工藝(LOM)

疊層制造成型又稱為分層實(shí)體制造,它采用薄片材料,如紙、塑料薄膜等。其成型工藝如圖9-3所示。

圖9-3疊層制造成型工藝

9.2.3選擇性激光燒結(jié)成型工藝(SLS)

選擇性激光燒結(jié)成型工藝是在一個(gè)充滿氮?dú)獾亩栊詺怏w加工室中利用粉末狀材料成型的,所采用的材料較廣泛,包括尼龍、蠟、ABS塑料、樹(shù)脂、聚碳酸酯、金屬及陶瓷粉末等。其工藝如圖9-4所示。

圖9-4選擇性激光燒結(jié)成型技術(shù)工藝

9.2.4熔融堆積成型工藝(FDM)

熔融堆積成型工藝采用熱塑性材料,即蠟、ABS塑料、聚碳酸酯、尼龍等,并以絲狀供料。其工藝如圖9-5所示。

圖9-5熔融堆積成型工藝

9.2.5三維打印技術(shù)(3DP)

三維打印采用粉末材料,如陶瓷粉末、金屬粉末,但不是經(jīng)過(guò)燒結(jié)連接的,而是通過(guò)噴頭用黏結(jié)劑將零件的截面“印刷”在材料粉末上。其成型工藝如圖9-6所示。

圖9-6三維打印技術(shù)成型工藝

9.2.6快速成型工藝的比較

光固化快速成型工藝使用的是遇到光照射便固化的液體材料,稱為光敏樹(shù)脂。當(dāng)掃描器在計(jì)算機(jī)的控制下掃描光敏樹(shù)脂液面時(shí),掃描到的區(qū)域就發(fā)生聚合反應(yīng)和固化,這樣層層加工即完成了原型的制造。光固化快速成型工藝所用的激光波長(zhǎng)有限,這種工藝成型的零件有較高的精度且表面光潔。但其缺點(diǎn)是可用材料的范圍較窄,材料成本較高,激光器價(jià)格昂貴,從而導(dǎo)致零件制作成本較高。

選擇性激光燒結(jié)成型工藝使用固體粉末材料,該材料在激光的照射下,吸收能量,發(fā)生熔融固化,從而完成每層信息的成型。這種工藝材料適用范圍很廣,特別是在金屬和陶瓷材料的成型方面有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是所成型的零件精度低和表面粗糙度較高。

三維印刷工藝是一種簡(jiǎn)單的快速成型技術(shù),操作簡(jiǎn)單,速度高,適合辦公室環(huán)境使用。缺點(diǎn)是工件表面順滑度受制于粉末的大小,因此工件表面粗糙,須用后處理加以改善;原型件結(jié)構(gòu)較松散,強(qiáng)度較低。

9.3快速成型技術(shù)的應(yīng)用

1.新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)快速成型技術(shù)的主要應(yīng)用就是開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品,也就是產(chǎn)品的概念原型與功能原型的制造。

1)為決策層提供決策直觀性

一個(gè)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)總是從外形設(shè)計(jì)開(kāi)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)審后再進(jìn)行后續(xù)設(shè)計(jì)。

2)減少人為缺陷,提高設(shè)計(jì)質(zhì)量

在產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中,由于設(shè)計(jì)手段和其他方面的限制,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(lái)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)缺陷變得十分重要,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。

3)縮短設(shè)計(jì)周期,加快開(kāi)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。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手段中,只有在模具驗(yàn)收合格后才能進(jìn)行整機(jī)的裝配以及各種驗(yàn)收。設(shè)計(jì)修改模具和制造模具會(huì)導(dǎo)致

設(shè)計(jì)與制造過(guò)程包含大量重復(fù)性的工作,延長(zhǎng)模具的制造周期,最終導(dǎo)致修改時(shí)間約僅占整個(gè)制作時(shí)間的20%~30%。應(yīng)用快速成型技術(shù)之后,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,這樣模具制造與整機(jī)的試驗(yàn)評(píng)價(jià)并行工作,迅速完成從設(shè)計(jì)到投產(chǎn)的轉(zhuǎn)換。

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像更加真實(shí),而且具有手工制作的模型所無(wú)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,使用戶非常直觀地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)造了有利條件,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,投標(biāo)方可通過(guò)樣品展示進(jìn)行直觀全面的項(xiàng)目介紹,用更加完善的設(shè)計(jì),為中標(biāo)創(chuàng)造有利條件。

2.快速模具制造

模具是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中最重要的工藝裝備,其形狀復(fù)雜又屬單件生產(chǎn),傳統(tǒng)模具制作工藝復(fù)雜、時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高,而快速成型技術(shù)與傳統(tǒng)工藝相結(jié)合推動(dòng)了快速成型制造經(jīng)濟(jì)

的發(fā)展,也取得了很多成果。目前,較多地以快速成型技術(shù)制作的非金屬原型件為母模,結(jié)合傳統(tǒng)的制造方法來(lái)間接快速制作模具。

快速成型技術(shù)與精密鑄造相結(jié)合互補(bǔ),是快速生產(chǎn)單件小批量復(fù)雜形狀金屬零件的有效方法。最常見(jiàn)的是快速成型技術(shù)與熔模精鑄相結(jié)合,即用快速成型制作的原型件作母模,或者由原型件翻制的軟質(zhì)模具所生產(chǎn)的蠟?zāi)Ｗ髂改?再借助傳統(tǒng)的熔模鑄造工藝來(lái)生產(chǎn)金屬零件。快速成型技術(shù)在精密鑄造中的應(yīng)用可以分為三種:一是消失成型件(模)過(guò)程,用于小批量件生產(chǎn);二是直接型殼法,用于小量生產(chǎn);三是快速蠟?zāi)Ｄ＞咧圃?用于大批量生產(chǎn)。

3.醫(yī)學(xué)仿生制造

快速成型技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用日益增多。根據(jù)電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)掃描或磁共振成像(MRI)核磁共振的