快速成型技術(shù)及其向產(chǎn)品化生產(chǎn)發(fā)展所面臨的技術(shù)問題

1、快速成型技術(shù)及其向產(chǎn)品化生產(chǎn)發(fā)展所面臨的技術(shù)問題快速成型技術(shù)問世以來，已實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)大的市場，發(fā)展非常迅速。人們對材料逐層添加法這種新的制造方法已逐步適應(yīng)。該技術(shù)通過與數(shù)控加工、鑄造、金屬冷噴涂、硅膠模等制造手段結(jié)合，已成為現(xiàn)代模型、模具和零件制造的強(qiáng)有力手段，在航空航天、汽車摩托車、家電等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。1快速成型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)1)快速成型作為一種使設(shè)計(jì)概念可視化的重要手段，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)零件的實(shí)物模型可以在很短時間內(nèi)被加工出來，從而可以很快對加工能力和設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行評估。2)由于快速成型技術(shù)是將復(fù)雜的三維型體轉(zhuǎn)化為兩維截面來解決，因此，它能制造任意復(fù)雜型體的高精度零件，而無須任何工裝模具。3)

2、快速成型作為一種重要的制造技術(shù)，采用適當(dāng)?shù)牟牧希@種原型可以被用在后續(xù)生產(chǎn)操作中以獲得最終產(chǎn)品。4)快速成型操作可以應(yīng)用于模具制造，可以快速、經(jīng)濟(jì)地獲得模具。5)產(chǎn)品制造過程幾乎與零件的復(fù)雜性無關(guān)，可實(shí)現(xiàn)自由制造,這是傳統(tǒng)制造方法無法比擬的。2快速成型的基本原理基于材料累加原理的快速成型操作過程實(shí)際上是一層一層地離散制造零件。為了形象化這種操作，可以想象一整條面包的結(jié)構(gòu)是一片面包落在另一片面包之上一層層累積而成的。快速成型有很多種工藝方法，但所有的快速成型工藝方法都是一層一層地制造零件，區(qū)別是制造每一層的方法和材料不同而已。2. 1快速成型的一般工藝過程原理在三維CAD設(shè)計(jì)軟件(如Pro/EU

3、GSolidWorksSolidEdge等)中獲得描述該零件的CAD文件。目前一般快速成型支持的文件輸出格式為5TL模型，即對實(shí)體曲面近似處理，即所謂面型化(Tessallation)處理，是用平面三角面片近似模型表面。這樣處理的優(yōu)點(diǎn)是大大地簡化了GAD模型的數(shù)據(jù)格式，從而便于后續(xù)的分層處理。由于它在數(shù)據(jù)處理上較簡單，而且與CAD系統(tǒng)無關(guān)，所以很快發(fā)展為快速成型制造領(lǐng)域中CAD系統(tǒng)與快速成型機(jī)之間數(shù)據(jù)交換的準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，每個三角面片用4個數(shù)據(jù)項(xiàng)表示，即3個頂點(diǎn)坐標(biāo)和法向矢量，而整個CAD模型就是這樣一組矢量的集合。在三維CAD設(shè)計(jì)軟件對C.AD模型進(jìn)行面型化處理時，一般軟件系統(tǒng)中有輸出精度控制參數(shù)，

4、通過控制該參數(shù)，可減小曲面近似處理誤差。如Pro/E軟件是通過選定弦高值(eh-chord height)作為逼近的精度參數(shù)，如圖1為一球體，給定的兩種ch值所轉(zhuǎn)化的情況。對于一個模型，軟件中給定一個選取范圍，一般情況下這個范圍可以滿足工程要求。但是，如果該值選的太小，要犧牲處理時間及存貯空間，中等復(fù)雜的零件都要數(shù)兆甚至數(shù)十兆左右的存貯空間。并且這種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中無法避免地產(chǎn)生錯誤，如某個三角形的頂點(diǎn)在另一三角形邊的中間、三角形不封閉等問題是實(shí)踐中經(jīng)常遇到的，這給后續(xù)數(shù)據(jù)處理帶來麻煩，需要進(jìn)一步檢查修補(bǔ)。通過專用的分層程序?qū)⑷S實(shí)體模型(一般為5TL模型)分層，分層切片是在選定了制作(堆積)方

5、向后，需對CAD模型進(jìn)行一維離散，獲取每一薄層片截面輪廓及實(shí)體信息。通過一簇平行平面沿制作方向與CAD模型相截，所得到的截面交線就是薄層的輪廓信息，而實(shí)體信息是通過一些判別準(zhǔn)則來獲取的。平行平面之間的距離就是分層的厚度，也就是成型時堆積的單層厚度。在這一過程中，由于分層，破壞了切片方向CAD模型表面的連續(xù)性，不可避免地丟失了模型的一些信息，導(dǎo)致零件尺寸及形狀誤差的產(chǎn)生。切片層的厚度直接影響零件的表面粗糙度和整個零件的型面精度，分層切片后所獲得的每一層信息就是該層片上下輪廓信息及實(shí)體信息，而輪廓信息由于是用平面與CAD模型的STL文件(面型化后的CAD模型)求交獲得的，所以輪廓是由求交后的一系列

6、交點(diǎn)順序連成的折線段構(gòu)成，所以，分層后所得到的模型輪廓已經(jīng)是近似的，而層層之間的輪廓信息已經(jīng)丟失，層厚大，丟失的信息多，導(dǎo)致在成型過程中產(chǎn)生了型面誤差。3 快速成型技術(shù)在向產(chǎn)品生產(chǎn)化發(fā)展中所存在的主要問題在制造業(yè)日趨國際化的狀況下，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和減少開發(fā)新產(chǎn)品投資風(fēng)險，成為企業(yè)賴以生存的關(guān)鍵。因此，快速成型、快速制模、快速制造技術(shù)將會得到進(jìn)一步發(fā)展。3. 1快速成型技術(shù)研究中存在的問題。1)材料問題.目前快速成型技術(shù)中成型材料的成型性能大多不太理想，成型件的物理性能不能滿足功能性、半功能性零件的要求，必須借助于后處理或二次開發(fā)刁'能生產(chǎn)出令人滿意的產(chǎn)品。由于材料技術(shù)開發(fā)的專門性，一

7、般快速成型材料的價格都比較貴，造成生產(chǎn)成本提高。2)高昂的設(shè)備價格.快速成型技術(shù)是綜合計(jì)算機(jī)、激光、新材料、CAD/CAM集成等技術(shù)而形成的一種全新的制造技術(shù)，是高科技的產(chǎn)物，技術(shù)含量較高，所以，目前快速成型設(shè)備的價格較貴，限制了快速成型技術(shù)的推廣應(yīng)用。3)功能單一.現(xiàn)有快速成型機(jī)的成型系統(tǒng)都只能進(jìn)行一種工藝成型，而且大多數(shù)只能用一種或少數(shù)幾種材料成型。這主要是因?yàn)榭焖俪尚图夹g(shù)的專利保護(hù)問題，各廠家只能生產(chǎn)自己開發(fā)的快速成型工藝成型設(shè)備，隨著技術(shù)的進(jìn)步，這種保護(hù)體制已成為快速成型技術(shù)集成的障礙。4)成型精度和質(zhì)量問題.由于快速成型的成型工藝發(fā)展還不完善，特別是對快速成型軟件技術(shù)的研究還不成熟，

8、目前快速成型零件的精度及表面質(zhì)量大多不能滿足工程直接使用的需要，不能作為功能性零件，只能作原型使用。為提高成型件的精度和表面質(zhì)量，必須改進(jìn)成型工藝和快速成型軟件。5)應(yīng)用問題.雖然快速成型技術(shù)在航空航天、汽車、機(jī)械、電子、電器、醫(yī)學(xué)、玩具、建筑、藝術(shù)品等許多領(lǐng)域都已獲得了廣泛應(yīng)用，但大多僅作為原型件進(jìn)行新產(chǎn)品開發(fā)及功能測試等，如何生產(chǎn)出能直接使用的零件是快速成型技術(shù)面臨的一個重要問題。隨著快速成型技的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，直接零件制造是快速成型技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。6)軟件問題。隨著快速成型技術(shù)的不斷發(fā)展，快速成型技術(shù)的軟件問題越來越突出，快速成型軟件系統(tǒng)不但是實(shí)現(xiàn)離散/堆積成型的重要環(huán)節(jié)，對成型速度

9、，成型精度，零件表面質(zhì)量等方面都有很大影響，軟件問題已成為快速成型技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。3. 2快速成型技術(shù)軟件系統(tǒng)存在的問題1)快速成型軟件大多是隨機(jī)安裝，無法進(jìn)行二次開發(fā);2)各公司的軟件都是自行開發(fā)，沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口;3)隨機(jī)攜帶的快速成型軟件都只能完成一種工藝的數(shù)據(jù)處理和控制成型;4)已商品化的通用性軟件價格較貴，功能單一，只能進(jìn)行模型顯示、加支撐、錯誤檢驗(yàn)與修正等中的一種或幾種功能，而且也存在數(shù)據(jù)接口問題，不易集成;5）商品化的軟件還不完善，不能滿足當(dāng)前快速成型技術(shù)對成型速度、成型精度和質(zhì)量的要求;6)當(dāng)前的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模型缺陷較多，對CAD模型的描述不夠精確，從而影響了快速成型的成型精

10、度和質(zhì)里。4快速成型技術(shù)的發(fā)展方向目前國內(nèi)外快速成型的研究、開發(fā)的重點(diǎn)是快速成型技術(shù)的基本理論、新的快速成型方法、新材料的開發(fā)、模具制作技術(shù)、金屬零件的直接制造、生物技術(shù)與工程的開發(fā)與應(yīng)用等。另外，還要追求RPM(快速成型制造)的更快的制造速度、更高的制造精度、更高的可靠性，使RPM設(shè)備的安裝使用外設(shè)化，操作智能化;使RPM設(shè)備的安裝和使用變得非常簡單，不需專門的操作人員。具體說來，有以下幾點(diǎn):1） 采用金屬材料和高強(qiáng)度材料直接成型是RPM重要發(fā)展方向，采用金屬材料和高強(qiáng)度材料直接制成功能零件是RPM(快速成型制造)一個重要發(fā)展方向。2) 不同制造目標(biāo)相對獨(dú)立發(fā)展。從制造目標(biāo)來說RPM(快速成

11、型制造)主要用于快速概念設(shè)計(jì)成型制造、快速模具成型制造、快速功能測試成型制造及快速功能零件制造。3) 向大型制造與微型制造進(jìn)軍。由于大型模具的制造難度和RPM(快速成型制造)在模具制造方面的優(yōu)勢，可以預(yù)測，將來的RPM市場將有一定比例為大型原型制造所占據(jù)。與此成鮮明對比的將是RPM(快速成型制造)向微型制造領(lǐng)域的進(jìn)軍。4) 6 結(jié)束語快速成型的出現(xiàn)把傳統(tǒng)的加工帶入全新的數(shù)字化領(lǐng)域，要讓快速成型與制造技術(shù)得到越來越廣泛、深人的應(yīng)用，應(yīng)從各個方面著手完善和發(fā)展該系統(tǒng)，進(jìn)一步拓寬該技術(shù)的應(yīng)用范圍。參考文獻(xiàn)1夏卿坤.快速成型技術(shù)J.長沙大學(xué)學(xué)報,2005(9).2羅輯,黃強(qiáng),陳世平,袁冬梅.快速成型技術(shù)及其對制