快速成型技術(shù)

1、冊爭Jbc主要內(nèi)容保1速成型技術(shù)的產(chǎn)生背景快速成型技術(shù)的基本原理幾種常見的快速成型工藝快速成型技術(shù)的應用領域快速成型技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及義勢：快速成型技術(shù)的產(chǎn)生背景由于全球一體化市場的形成，制造業(yè)的競爭十分激烈,產(chǎn)品開發(fā)周期的長短直接影響到一個企業(yè)的生死存亡。一個 新產(chǎn)品在開發(fā)過程中，總是要經(jīng)過對初始設計的多次修改, 才有可能真正推向市場。制造業(yè)中的“修改”，是個非常困難的事。哪怕是外觀 上的一點修改，往往就要重新制作模具。而模具的制作是一 件非常費錢費時的事情，更嚴重的是拖延了時間就可能意味 著失去市場。因此，客觀上需要一種可以直接地將設計數(shù)據(jù)快速地轉(zhuǎn)化為三維實體的技術(shù)。這樣，不但可以快速直觀地

2、驗證設計 的正確性，而且可以向客戶、甚至僅僅是有意向的潛在客戶 提供未來產(chǎn)品的實體模型，從而達到迅速占領市場的目的。快速成型技術(shù)(Rapid Prototyping,®稱RP)就是在這樣的社 會背景下出現(xiàn)的。快速成型技術(shù)最早產(chǎn)生于二十世紀70年代末到80年代 初，美國3M公司的Akin J. Hebert (1978)、日本的小玉秀男 (1980)、美國UVP公司的Charles W. Hull (1982)和日本 的丸谷洋二(1983),在不同的地點各自獨立地提出了RP 的概念，即用分層制造產(chǎn)生三維實體的思想。1992年開發(fā) 了第一臺商業(yè)機型3D-Modelero5快速成型技術(shù)的原

3、理快速成型技術(shù)(Rapid Prototyping,簡稱RP)，首先將計 算機設計出來的三維實體模型數(shù)據(jù)分為二維層片數(shù)據(jù)?？焖?成型的成型機根據(jù)這些數(shù)據(jù)，利用特定的材料，一個薄層一 個薄層地創(chuàng)建出實體，每一薄層都貼合粘結(jié)到前一個薄層 ±,直至完成整個實體的創(chuàng)建。RP技術(shù)是計算機技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學、現(xiàn)代光電技術(shù)、機械工程技術(shù)集成等的結(jié)晶，是實現(xiàn)并行工程和敏捷制造的有效途徑。快速成型原理示意圖7從CAD模型到RPM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模型的轉(zhuǎn)換CAD模型STL模型STL文件文本格式solid prtl一個三角形數(shù)據(jù)廠 facet normal 7.968876e-01 7848658e-

4、02 -5.990076e-01 法向量坐標 outer loopvertex 1.628367e-01 5926770e-02 2.186166e-02< vertex 2.313727e-014602288e-02 1.113028e-01頂點坐標vertex 2.359055e-01 2.888914e-17 1.113028e-01endloop< endfacetfacet normal -7.851632e-01 -3.252253e-01 -5.270173e-01 outer loopvertex -3.333042e-01 -8.930858e-02 2.3813

5、54e-01< vertex -2.988323e-01 -1.725309e-01 2.381354e-01 vertex -4.388466e-01 -1.175886e-01 4.128267e-01 endloopJ endfacetendsolid prtl11求輪廓實物模型截面輪廓13常見的RP工藝化快速成型工藝(Stereo lithography Apparatus,簡稱SLA)光敏樹脂工作臺#HRPL-III光固化快速成型機11二分層實體制造工藝(Laminated Obj ect Manufacturing,簡稱LOM )#工作過程工件廢料紙帶(b)平面模型13三選擇

6、性激光燒結(jié)成型工藝(Selective Laser Sintering,簡稱SLS )#鋪粉羅筒工作臺激光二維擔描頭生成的零件 加工平面I 15AFS-450成型系統(tǒng)（北京隆源自動成型公司）回n成型過 程控制RP成型過程控制界面# 2d 文件(E)查看他 零件(臼 零件瀏覽悩 電機控制 加工9)設備狀態(tài)迦 工山 系琢設富® 妙戒(E)幫肋(出滲 I » 價& o 謝輔丨對丨it 丨p 匠鬲亦蕊麗畫 進 國會I鉉|-200 -150 -100 -50100150200x|激光功率俠) 內(nèi)部掃描功率:支撐掃描功率：6；r：!S：3：r；i：S5：i!»

7、71;*1uiuiura外部掃描功率:0 - -50 - -100- -150- -200-*-h200-150-100-50一 0-50-100-150總層數(shù)：| 1603 起貽層:n 零件總高度:| 320.6零件個數(shù)：n 終止層：I 1603 需料高度：400 7AX : | 0?2000 AT : | 0.2000 AZ : | -0.200成型缸位置:;電機狀態(tài)-| -271.68極限:POK料缸位置：3菖29鋪粉裝置位置：F 248. 83極限:0K極限:pOK加工或瀏覽進度!總層數(shù)：Reos|E¥當前層數(shù):両預計加工時間：| 23時26分46秒 開始加工時間：| 13：

8、 2:39 己加工時間：| 21時9分3邂-200 -150 -100 -50050100150200備狀態(tài)激光功率：內(nèi)部亍 夕卜部腐"支撐兩一 設置溫度： 設備已運行設置溫度©麗逞度參數(shù)2d溫控二 :當前溫度rci r55礦 =四熔融堆積成型工藝(Fuse Deposition Modeling,簡稱FDM )工作 臺FDM快速成型機（北京瑞科達快速成型公司）傳統(tǒng)的機加工19#數(shù)控加工21#TXK全系列數(shù)控鎮(zhèn)銃床數(shù)控龍門加工中心（威海）#如何縮短復雜零件的研發(fā)周期?如何加工高難度的零件?快速成型技術(shù)的特點快速性其制造周期僅為數(shù)控加工的1/51/10,速度比傳統(tǒng)成型加 工方

9、法快得多。成功地解決了CAD造型“看得見摸不著”的問題。生產(chǎn)柔性好 不需要專門的模具和夾具，成型件的變化只需通過 修改其CAD模型即可實現(xiàn)。無振動，無噪音，無切削。高度集成化RP技術(shù)是計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)釆集與處理技術(shù)、材料 工程和機電工程與控制技術(shù)的綜合體現(xiàn)?？蛇x材料的廣泛性可采用樹脂類、塑料類、紙類、石蠟類原料, 也可采用復合材料、金屬材料或陶瓷材料等。廣泛的應用領域 新產(chǎn)品開發(fā)、快速單件及小批量零件制造、不 規(guī)則零件或復雜形狀零件的制造、模具、難加工材料的制造等?？焖俪尚图夹g(shù)的用途a產(chǎn)品開發(fā)過程中的設計評價和功能測試 a實現(xiàn)快速模具制造及快速制造復雜金屬零件 a醫(yī)學上的輔助診斷和手術(shù)模擬仿真

10、a微型零件制造的研究開發(fā)a與逆向工程(Reverse Engineering)集成29RPD 快速產(chǎn)品幷發(fā)小批扯模型設計朋功能酬制蚩模型再生產(chǎn)測試 方案測試町接受雋試功能測試 干涉測試 安裝測試 流體測試変制 轉(zhuǎn)換屮間體 復制模般肢模型考古物之 直構(gòu)醫(yī)學模型 建戲物穢型 地形模型復雜幾何形狀 之單低生產(chǎn) 復雜幾何形狀 之小批生產(chǎn)31(-)產(chǎn)品開發(fā)過程中的設計評價和功能測試33密碼輸入器組件#檢驗發(fā)動機外殼和管接頭的裝配情況35奇瑞發(fā)動機進氣管（石膏型鑄造）發(fā)動機葉輪30（二）快速制造模具及復雜金屬零件（小批量）蠟模金剛砂模31制作周期：10天32坦克發(fā)動機部件飛機發(fā)動機部件33清華有研院直接金

11、屬沉積制造的零件#長安汽車發(fā)動機罩板J快速模具35零件的RP模型翻制得到凸、凹模最終模具翻制模具喬意圖#連桿RP原型(b)連桿藉密硏磨工具9)連桿鋼質(zhì)模具(c)連桿EDM電極37#連桿快速模具制作案例#CAD模型RP原型硅膠型硅椽膠模RPKS陶住型樣件39（三）醫(yī)學上的輔助診斷和手術(shù)模擬仿真將RP技術(shù)與醫(yī)學CT（Computerized Topography）, MRI （Magnetic Resonance Imaging磁共振成像）技術(shù)結(jié) 合，能輔助外科醫(yī)生迅速準確地實施復雜的外科手術(shù) 以及進行假肢設計和制造。由CT片層數(shù)據(jù)獲得骨骼輪廓信息，用快速成型技 術(shù)可復制骨骼三維實體模型，為矯形外

12、科、頜面外科 的假肢設計制造，復雜骨骼疾病診斷以及臨床教學打 下基礎。顱頜面三維結(jié)構(gòu)和復雜顱面畸形的觀察分析、定位 和定量診斷以及周密準確的手術(shù)設計模擬對于成功的顱 頜面整形外科治療尤為重要。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國每年因先天性畸形或腫瘤、外傷、 車禍造成的顱頜骨缺損患者超過幾十萬例。上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院釆用生物活性人工骨 材料，通過計算機三維技術(shù)“量身定做”顱頜骨假體，用以 修復顱頜骨缺損患者，效果顯著，該項技術(shù)已申請國家發(fā)明 專利。2005年8月26日，由西安交通大學承擔的“人工生物活性骨 的快速復合制造技術(shù)研究”課題通過了863計劃先進制造與 自動化技術(shù)領域組織的專家驗收。43#

13、CT圖像一 點云 RP模型#基于快速成型的人工生物活性骨骼制造原理45r3J生曲fta加w mv I E "-生物材料快速成型機47網(wǎng)狀彈力繃帶和彈力網(wǎng)帽升降頸托（高分子）#（四）微型機械/零件制造的研究開發(fā)采用激光熔化金屬粉末材料直接制造金屬零件是RP技 術(shù)向RM發(fā)展的必然趨勢，也是世界各國研究開發(fā)的熱點。 微型部件，薄壁金屬零部件，通信產(chǎn)品零部件等難于用傳統(tǒng) 方法加工，適合于光化學快速成型。微型光快速成型CAD/CAM技術(shù)研究，是我國國防科工委青年基金項目的一部分。采用激光直接燒結(jié)微細金屬粉末 技術(shù)可以制造三維微型機械。利用微納粉末金屬材料進行微成型目前尚處于探索階段。 目前已經(jīng)

14、成功制作出壁厚只有l(wèi)OOpm左右的微小金屬件。桌面制造系統(tǒng)是RP領域產(chǎn)品開發(fā)的一個熱點。RP設備系統(tǒng)作為CAD系統(tǒng)三維圖形輸出的外設而被人們接受。而桌面系 統(tǒng)要求體積小，操作、維護簡單，噪音、污染少，對環(huán)境無特 別要求，且成形速度快，但精度要求適當降低。美國Sanders Prototype公司推出了廉價的桌面系統(tǒng)Model Makero設備體積小作為微型計算機的3維輸出外圍設備。成本低 為同類設備價格的1/51/20,設備銷售價格為1012 萬元/臺，批量生產(chǎn)的價格還可降低。使用維持費用低 運行成本僅相當于同類產(chǎn)品的1/81/20。成型范圍的自由度大 既可滿足中小尺寸零件的快速成型要求， 又

15、可制作一定尺寸的微小機栽?？煽啃愿?可長時間無人全自動化工作?？焖俪尚臀⑿土慵a(chǎn)品（五）與反求工程結(jié)合所謂反求工程（Reverse Engineering）,指的是針對一現(xiàn)有的樣品，利用3D數(shù)字化測量儀器準確.快速地將其輪廓 坐標量出，并進行三維CAD曲面重構(gòu)后傳至CAD/CAM系統(tǒng)， 再由CAM產(chǎn)生刀具的NC加工路徑送至CNC加工設備制作所 需的模具，或者送到快速成型機（RP）將樣品制作出來。在反求工程中引入RP技術(shù)，能使反求檢測結(jié)果以最快的 速度仿制出優(yōu)化設計的產(chǎn)品原型。RP技術(shù)與三坐標測量儀、 三維掃描儀、工業(yè)CT等反求測量手段以及傳統(tǒng)的數(shù)控加工結(jié) 合，組成了集成的快速制造系統(tǒng)，可實施快

16、速反求工程。49三坐標測量儀49現(xiàn)場測量管件測j=1鑄件測量整車掃描整車掃描數(shù)據(jù)激光跟蹤儀現(xiàn)場檢測51利用RP技術(shù)快速仿制實物#葉輪實物葉輪點云曲面重構(gòu)快速成型機53在人像藝品上的應用53#報價2. 8%裝配模型15.6%功能樓型16. 1%人類工程學4. 4%項目建議5. 8%工具制造可 視化 6. 9%其它4. 4%工程可視化16. 5%金屬鑄造模直接RP模具型4.9%模具母模9. 2%13. 4%RP技術(shù)比例示意圖RP國外研究狀況地區(qū)分布：美國、日本.西歐（德國瑞典法國）研究重點：金屬直接成形、桌面制造系統(tǒng)、新工藝/新方法美國主要RP技術(shù)公司和學校的研究開發(fā)情況:3D System In

17、c.研究以SLA工藝及其應用為主，并開發(fā)成功 分辯率為300dpi的多噴頭3D-MJM系統(tǒng)；Strategy Inc.開發(fā)了 FDM和桌面制造系統(tǒng)Genesis;The University of Dayton 以Allan J.Lightman 為首從事多種RP工藝的研究，每年在這所大學召開國際RPM學術(shù)會議。日本僅次于美國，大力發(fā)展RP,主要的研究單位有： 東京大學以中山威雄為首，從事SLA和LOM技術(shù)的研究； SONY公司屬下的D-MEC,從事SLA,推出SCS型設備； Mitsubishi公司屬下的CMET INC.從事SLA,推出SOUP設 備，在日本已占據(jù)相當市場；西歐許多研究機構(gòu)

18、和廠商也將目光瞄準這一領域，如:德國 Electro-Optical System Gumbo 即EOS,主要從事SLA和 SLS;瑞典Spar AB (Larson Brothers CO. AB)推出"Hot Plot Rapid Prototyping"系統(tǒng)，類似于Helices 的LOM;法國 Laser 3D 推出 RP System o金屬直接成形:金屬合金粉末的直接燒結(jié)。該方法基于SLS （激光選擇性燒 結(jié)）工藝。美國Austin大學在這方面進行了大量的研究，并 研制了成形高溫材料的燒結(jié)設備。用金屬絲線，利用堆焊的方法成形金屬零件。英國的 Nottingham

19、大學正在進行這方面的研究。用激光切割金屬板材，并用激光焊接的方法將各層截面連接起來。上述這些方法目前都處在研究過程中，還沒有真正實 用。但直接成形金屬零件是一個很有潛力的發(fā)展目標，它 可以大大地擴大RP技術(shù)的應用領域，使設計和制造更緊密 地聯(lián)接在一起。59直接金屬沉積制造的零件Rp國內(nèi)研究狀況研究單位：清華、華中科大、西安交大、北京隆源公司等其它研究內(nèi)容：材料研究.RP前端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理.RP后端應用技術(shù)清華大學機械工程系是最早進行RP技術(shù)研究的單位，于92年成立了 “激光快速成形中心” o 1994年6月，該中心在國內(nèi)首次實現(xiàn)了 “分層實體制造” SSM工藝，相當于美國的LOM;目前，中心主

20、要的研究方向在：MRPMS多功能快速成形機 的開發(fā)；低溫冰成形；基于RP的陶瓷型精密鑄造技術(shù)等；其 多功能快速成形設備MRPMS,并遠銷至泰國.香港以及國 內(nèi)多家研究機構(gòu)。華中理工大學于1994年開始研制LOM工藝，開發(fā)出了類似于LOM的“快速成形系統(tǒng)” -RPS (Rapid PrototypingSystem)0該系統(tǒng)已實現(xiàn)商品化。目前，他們正立足國內(nèi)，59開發(fā)國產(chǎn)的RPS。另外，該校的光電子系在進行SLA光敏 樹脂的研制。浙江大學在國家自然科學基金的支持下，開展光敏樹脂的固化精度研究。南京航空航天大學正進行SLS工藝的研究。trJ西安交通大學在國家科委.教委的支持下，開發(fā)SLA工藝及設備

21、的研究。北京隆源公司積極投入力量開發(fā)SLS工藝，1995年3月其 SLS設備通過鑒定。經(jīng)過多年的宣傳和推廣，RP技術(shù)在國內(nèi)逐漸被認識和接 受。越來越多的工廠、公司和科研機構(gòu)對它表示了興趣。如: 廣東華寶空調(diào)器廠、廣東科技實業(yè)開發(fā)公司、上海上菱公司 都引進了美國3D System公司的SLA-500,進行產(chǎn)品開發(fā)與對 外服務；青島利勃海爾電冰箱廠引進日本CMET公司的 SOUP-600。深圳生產(chǎn)力促進局、廣州華泰公司購買了FDM 設備開展技術(shù)服務。清華大學激光快速成形中心利用其引進的SLA-250以及 自主開發(fā)的MRPMS設備（含SSM和MEM兩種工藝）為社會 服務，為用戶制造了包括電話機、玩具汽車、衛(wèi)生潔具、汽 車零件鑄件毛坯等多種原形，受到用戶的廣泛好評。RPM技術(shù)的發(fā)展趨勢不同制造目標相對獨立發(fā)展從制造目標來說衛(wèi)PM主要用于快速概念設計原型制造，快 速模具原型制造，快速功能測試原型制造及快速功能零件制造。由快速概念型制造和快速模具原型制造的巨大市場和技術(shù)可行性，將來這