淺談快速成型技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)

1、    淺談快速成型技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)日期: 2011-1-10 14:41:42瀏覽: 0來源: 學(xué)海網(wǎng)收集整理作者: 王誠【摘要】: 快速成型技術(shù)的發(fā)展是近20年來制造領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，它不僅在制造原理上與傳統(tǒng)方法迥然不同，更重要的是在目前產(chǎn)業(yè)策略以市場(chǎng)響應(yīng)速度為第一的狀況下，RP技術(shù)可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高企業(yè)的競(jìng)爭力。RP技術(shù)所使用的材料也已從開始的光敏固化樹脂領(lǐng)域擴(kuò)展到其它諸如塑料、金屬、陶瓷等領(lǐng)域，工藝也不斷得到改進(jìn)。本文介紹快速成型技術(shù)的原理,重點(diǎn)討論了與快速成型相關(guān)的技術(shù),并試圖將此技術(shù)充分應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)評(píng)價(jià),以期縮短產(chǎn)

2、品的開發(fā)周期。 【Abstract】:Rapid prototyping technology in the last 20 years to create breakthroughs in the field, not only in the manufacture of traditional methods with very different principles and, more importantly in the current industry strategy to the market responsiveness of the conditions for the f

3、irst, RP technology shorten product development cycles, reduce development costs and improve the competitiveness of enterprises. RP technology is also used material from the beginning of the photosensitive resin extended to other areas, such as plastic, metal, ceramics and other fields, technology h

4、as also been improved. This article describes the principle of rapid prototyping technology, focused on rapid prototyping and related technologies, and tried to apply this technology to fully evaluate product design in order to shorten the product development cycle. 【關(guān)鍵詞】:快速成型 RP 反求工程 【Key words】: R

5、apid Prototyping RP Reverse Engineering 【引言】:隨著科技進(jìn)步和全球市場(chǎng)一體化的形成,現(xiàn)在工業(yè)正面臨產(chǎn)品的生命周期越來越短的代寫論文問題,作為一種新產(chǎn)品開發(fā)的重要手段,快速成型能夠迅速將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)。它為零件原型制作、新設(shè)計(jì)思想的校驗(yàn)等方面提供了一種高效低成本的實(shí)現(xiàn)手段,提高產(chǎn)品研發(fā)的效率。 【正文】： 一、快速成型技術(shù) 快速成形（Rapid Prototyping and Manufacturing，簡稱RP或RP&M）或自由實(shí)體造型（Solid Freeform Fabrication，簡稱SFF）是80年代中期發(fā)展起

6、來的一種造形新技術(shù)，它將傳統(tǒng)的“去除”加工法改變?yōu)椤霸黾印奔庸しā?快速成型技術(shù)原理在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中,設(shè)計(jì)師往往希望能快速由三維CAD模型,得到產(chǎn)品的實(shí)物模型,快速成型技術(shù)可以滿足這種需求。快速成型 (Rapid Prototyping,RP)技術(shù)是一種基于離散/堆積成型思想的新型成型技術(shù),它根據(jù)零件或物體的三維模型數(shù)據(jù),快速、精確地制造出零件或物體的實(shí)體模型。 RP技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、激光、光化學(xué)和高分子聚合物等多種技術(shù)，并且隨著RP技術(shù)與其它材料加工技術(shù)的結(jié)合，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。RP技術(shù)的基本原理是，首先根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙或“反求法”得到一系列橫截面，數(shù)控激光束按每一層的輪廓線或

7、內(nèi)部網(wǎng)格線對(duì)材料逐層加工并疊加，直至完成整個(gè)制件。RP技術(shù)無需機(jī)械加工或任何模具，直接從CAD模型生成復(fù)雜形狀的制件，因而產(chǎn)品研制周期縮短，生產(chǎn)率提高，生產(chǎn)成本降低。 1987年，美國3D Systems公司展出第一代商用RP系統(tǒng)SLA-1，之后RP技術(shù)迅速發(fā)展，在許多部門都得到應(yīng)用。其用途主要包括，快速成形技術(shù)制作模型對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證、評(píng) 價(jià)、性能測(cè)試等，制作注塑模、功能材料制件，與傳統(tǒng)制造工藝相結(jié)合制造模具和金屬零件等。 立體光刻裝置（Stereo-Lithography Apparatus,簡稱SLA）是最早的RP技術(shù)實(shí)用化產(chǎn)品，其工藝過程是，首先通過CAD設(shè)計(jì)出三維實(shí)體模型，將模型轉(zhuǎn)

8、換為標(biāo)準(zhǔn)格式的STL文件 ，利用離散程序?qū)⒛Ｐ瓦M(jìn)行切片處理，設(shè)計(jì)掃描路徑，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將精確控制掃描器和升降臺(tái)的運(yùn)動(dòng)；激光器產(chǎn)生的激光束經(jīng)聚焦照射到容器的液態(tài)光敏樹脂表面，使表面特定區(qū)域內(nèi)的一層樹脂固化后，升降臺(tái)下降一定距離，這樣SLA裝置逐層地生產(chǎn)出制件。 1、HRPL系列(SLA)光固化快速成形系統(tǒng) SLA技術(shù)的常用原料是熱固性光敏樹脂，主要用于制造多種模具、模型等，還可以通過加入其它成分用SLA原型模代替熔模精密鑄造中的蠟?zāi)?。SLA技術(shù)成形速度較快，精度較高，但由于樹脂固化過程中產(chǎn)生收縮，不可避免地會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力或引起形變。開發(fā)收縮小、固化快、強(qiáng)度高的光敏材料是其發(fā)展趨勢(shì)。 

9、0;   2、HRP系列(LOM)薄材疊層快速成形系統(tǒng) 分層實(shí)體造型(Laminated Object Manufacturing，簡稱LOM)是將薄膜材料逐層激光切割成所需形狀，然后疊加在一起的造形方法。LOM工藝與SLA工藝的區(qū)別在于將SLA中的光致固化的掃描運(yùn)動(dòng)變?yōu)長OM中的激光切割運(yùn)動(dòng)。LOM技術(shù)常用材料是紙、金屬箔、塑料膜、陶瓷膜等，除了可以制造模具、模型外，還可以直接制造結(jié)構(gòu)件或功能件。LOM技術(shù)成形速度快，制造成本低，但由于材料薄膜厚度有限制，未經(jīng)處理的表面不光潔，需要進(jìn)行再處理。 3、HRPS系列(SLS)粉末燒結(jié) 選擇性激光燒結(jié)，是使用粉狀固體材料（如石蠟

10、，聚碳酸脂，石英砂，合金粉等）進(jìn)行加工的一種快速成型方法。它在儲(chǔ)料缸中存放加工原料，在工作缸中完成原型加工。制 件加工時(shí)，儲(chǔ)料缸首先上升一個(gè)層厚，通常為0.1到0.3毫米，工作缸下降一個(gè)層厚，鋪粉機(jī)構(gòu)把粉狀材料從儲(chǔ)料缸鋪向工作缸，再由激光在工作缸中選擇性掃描整個(gè)二維截面，激 光掃描過的部分粘接成一個(gè)整體，沒有掃描過的部分仍然保持粉狀結(jié)構(gòu)。截面完成后，再進(jìn)行下一個(gè)工作周期，直到制件加工完成。 關(guān)鍵技術(shù) （1）制造工藝目前,世界上已有幾十種不同的快速成型工藝方法, 比較成熟的就有十余種。其中光固化成型法(Stereo Lithography Apparatus,SLA)、疊層實(shí)體制造法(Lamin

11、ated Object Manufactur-ing,LOM)、熔融沉積法(Fused Deposition Model-ing,FDM)、選擇性激光燒結(jié)法(Selective LaserSintering,SLS)和3DP(Three DimensionalPrinting and Gluing,也稱3DPG)五種方法,在世界范圍內(nèi)應(yīng)用最為廣泛。對(duì)于RP制造工藝的研究,一方面是在原有技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),另一方面是研究新的成型技術(shù)。新的成型方法,如三維微結(jié)構(gòu)制造、生物活性組織的工程化制造、激光三維內(nèi)割技術(shù)、層片曝光方式等。 （2）成型材料成型材料是決定快速成型技術(shù)發(fā)展的基本要素之一,它直接影響

12、到原型的精度、物理化學(xué)性能以及應(yīng)用等。與RP制造的4個(gè)目標(biāo)(概念型、測(cè)試型、模具型、功能零件) 相適應(yīng),使用的材料不同,概念型對(duì)材料成型精度和物理化學(xué)特性要求不高,主要要求成型速度快。如對(duì)光固化樹脂,要求較低的臨界曝光功率、較大的穿透深度和較低的粘度。測(cè)試型對(duì)于材料成型后的強(qiáng)度、剛度、耐溫性、抗蝕性等有一定要求,以滿足測(cè)試要求。如果用于裝配測(cè)試,則對(duì)于材料成型的精度還有一定要求。模具型要求材料適應(yīng)具體模具制造要求,如對(duì)于消失模鑄造用原型,要求材料易于去除?？焖俟δ芰慵蟛牧暇哂休^好的力學(xué)性能和化學(xué)性能。從解決的方法看,一個(gè)是研究專用材料以適應(yīng)專門需要;另一個(gè)是根據(jù)用途分類,研究幾類通用材料以

13、適應(yīng)多種需要。 （3）加工精度影響成型件精度的主要因素有兩方面:一是由CAD模型轉(zhuǎn)換成STL格式文件以及隨后的切片處理所產(chǎn)生的誤差;二是成型過程中制件翹曲變形,成型后制件吸入水分,以及由于溫度和內(nèi)應(yīng)力變化等所造成的無法精確預(yù)計(jì)的變形。為了解決第一類問題,正在研制直接切片軟件和自適應(yīng)切片軟件。所謂直接切片是不將CAD模型轉(zhuǎn)換成STL格式文件,而直接對(duì)CAD模型進(jìn)行切片處理,得到模型的各截面層輪廓信息,從而可以減少三角面近似化帶來的誤差,所謂自適應(yīng)切片是快速成型機(jī)能根據(jù)成型零件表面的曲率和斜率自動(dòng)調(diào)整切片的厚度,從而得到高品質(zhì)的光滑表面。為解決第二類問題,正在研究、開發(fā)新的成型方法、新的成型材料及

14、成型件表面處理方法,使成型過程中制件的翹曲變形小,成型后能長期穩(wěn)定不變 形。 （4）與RP技術(shù)相關(guān)軟件軟件是RP系統(tǒng)的靈魂,其中作為CAD到RP接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理軟件是其關(guān)鍵。不同CAD系統(tǒng)所采用的內(nèi)部數(shù)據(jù)格式不同,RP系統(tǒng)無法一一適從,這就要求有一種中間數(shù)據(jù)格式既便RP系統(tǒng)接受又便于不同CAD系統(tǒng)生成,STL(Stereo Lithography)格式應(yīng)運(yùn)而生了,STL文件是用大量空間小三角形面片來近似逼近實(shí)體模型。由于STL格式具有易于轉(zhuǎn)換、表示范圍廣、分層算法簡單等特點(diǎn),為大多數(shù)商用快速成形系統(tǒng)所采用,現(xiàn)己成為快速成形行業(yè)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但是,STL模型也存在許多不足之處:2.4.1精度不

15、足。由于STL模型用大量小三角形面片來近似逼近CAD模型表面,造成STL模型對(duì)產(chǎn)品幾何模型的描述存在精度損失,并且在對(duì)多張曲面進(jìn)行三角化時(shí),在曲面的相交處往往產(chǎn)生裂縫、孔洞、覆蓋及相鄰面片錯(cuò)位等缺陷。2.4.2數(shù)據(jù)冗余度大。STL模型不包含拓?fù)湫畔?三角形面片的公用點(diǎn)、邊單獨(dú)存儲(chǔ),數(shù)據(jù)的冗余度大。隨著網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來,STL模型數(shù)據(jù)冗余大的不足也使其不利于遠(yuǎn)程RF的數(shù)據(jù)傳輸,難以有效支持遠(yuǎn)程制造。 二、快速成型技術(shù)的應(yīng)用的實(shí)質(zhì)體現(xiàn) 目前RP技術(shù)的發(fā)展水平而言，在國內(nèi)主要是應(yīng)用于新產(chǎn)品（包括產(chǎn)品的更新?lián)Q代）開發(fā)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和模擬樣品的試制上，即完成從產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)（或改型設(shè)計(jì)）造型設(shè) 計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本

16、功能評(píng)估模擬樣件試制這段開發(fā)過程。對(duì)某些以塑料結(jié)構(gòu)為主的產(chǎn)品還可以進(jìn)行小批量試制，或進(jìn)行一些物理方面的功能測(cè)試、裝配驗(yàn)證、實(shí)際外觀效果審視，甚至將產(chǎn)品小批量組裝先行投放市場(chǎng)，達(dá)到投石問路的目的。 1、快速成型技術(shù)的應(yīng)用 （1）在外觀及人機(jī)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用新產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)計(jì)階段,雖然可借助設(shè)計(jì)圖紙和計(jì)算機(jī)模擬,但并不能展現(xiàn)原型,往往難以做出正確和迅速的評(píng)價(jià),設(shè)計(jì)師可以通過制作樣機(jī)模型達(dá)到檢驗(yàn)的目的。傳統(tǒng)的模型制作中主要采用的是手工制作的方法, 制作工序復(fù)雜,手工制作的樣機(jī)模型不僅工期長,而且很難達(dá)到外觀和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的精確尺寸,因而其檢查外觀及人機(jī)設(shè)計(jì)合理性的功能大打折扣?？焖俪尚驮O(shè)備制作的高精度、高

17、品質(zhì)樣機(jī)與傳統(tǒng)的手工模型相比較可以更直觀地以實(shí)物的形式把設(shè)計(jì)師的創(chuàng)意反映出來,方便產(chǎn)品的外觀造型和人機(jī)特性評(píng)價(jià)。現(xiàn)在的快速成型加工得到的成型件都是單一顏色,顏色主要由材料決定,為了對(duì)產(chǎn)品色彩外觀進(jìn)行評(píng)價(jià),有時(shí)需要手工涂色,隨著彩色成型技術(shù)的發(fā)展,這方面的問題可以解決。人機(jī)評(píng)價(jià)主要包括成型件尺寸及操作宜人性,快速成型可以很好地滿足這方面的要求。 （2）在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用通過快速成型制成的樣機(jī)和實(shí)際產(chǎn)品一樣是可裝配的,所以它能直觀地反映出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理與否,安裝的難易程度,使結(jié)構(gòu)工程師可以及早發(fā)現(xiàn)和解決問題。由于模具制造的費(fèi)用一般很高,比較大的模具往往價(jià)值數(shù)十萬乃至幾百萬,如果在模具開出后發(fā)現(xiàn)結(jié)

18、構(gòu)不合理或其他問題,其損失可想而知。而應(yīng)用快速成型技術(shù)的樣機(jī)制作可以把問題解決在開出模具之前, 大大提高了產(chǎn)品開發(fā)的效率。 （3）與反求工程結(jié)合反求工程(Reverse Engineering,RE)也稱逆向工程,就是用一定的測(cè)量手段對(duì)實(shí)物或模型進(jìn)行測(cè)量,然后根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法重建實(shí)物的CAD數(shù)字模型,從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過程。對(duì)于大多數(shù)產(chǎn)品來說,可以在通用的三維CAD軟件上設(shè)計(jì)出它們的三維模型,但是由于對(duì)某些因素,如對(duì)功能、工藝、外觀等的考慮,一些零件的形狀十分復(fù)雜,很難在CAD軟件上設(shè)計(jì)出它們的實(shí)體模型,在這種情況下,可以通過對(duì)模型測(cè)量和數(shù)據(jù)處理,獲得三維實(shí)體模型。作為一種

19、新產(chǎn)品開發(fā)以及消化、吸收先進(jìn)技術(shù)的重要 手段,反求工程和快速成型技術(shù)可以勝任消化外來技術(shù)成果的要求。對(duì)于已存在的實(shí)體模型,可以先通過反求工程,獲取模型的三維實(shí)體,經(jīng)過對(duì)三維模型處理后,使用快速成型技術(shù),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速復(fù)制,縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期,大大提高產(chǎn)品的開發(fā)效率。 2、 快速成型的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （1）新產(chǎn)品開發(fā)過程中的設(shè)計(jì)驗(yàn)證與功能驗(yàn)證。RP技術(shù)可快速地將產(chǎn)品設(shè)計(jì)的CAD模型轉(zhuǎn)換成物理實(shí)物模型，這樣可以方便地驗(yàn)證設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)思想和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性、可 裝配性、美觀性，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問題可及時(shí)修改。如果用傳統(tǒng)方法，需要完成繪圖、工藝設(shè)計(jì)、工裝模具制造等多個(gè)環(huán)節(jié)，周期長、費(fèi)用高。

20、如果不進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證而直接投產(chǎn)，則一旦存在設(shè)計(jì)失誤，將會(huì)造成極大的損失。 （2）可制造性、可裝配性檢驗(yàn)和供貨詢價(jià)、市場(chǎng)宣傳，對(duì)有限空間的復(fù)雜系統(tǒng)，如汽車、衛(wèi)星、導(dǎo)彈的可制造性和可裝配性用RP方法進(jìn)行檢驗(yàn)和設(shè)計(jì)，將大大降低此類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造難度。對(duì)于難以確定的復(fù)雜零件，可以用RP，技術(shù)進(jìn)行試生產(chǎn)以確定最佳的合理的工藝。此外，RP原型還是產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到商品化各個(gè)環(huán)節(jié)中進(jìn)行交流的有效手段。 （3）單件、小批量和特殊復(fù)雜零件的直接生產(chǎn)。對(duì)于高分子材料的零部件，可用高強(qiáng)度的工程塑料直接快速成型，滿足使用要求；對(duì)于復(fù)雜金屬零件，可通過快速鑄造或直接金屬件成型獲得。該項(xiàng)應(yīng)用對(duì)航空、航天及國防工業(yè)有特殊意義。 （4）快速模具制造。通過各種轉(zhuǎn)換技術(shù)將RP原型轉(zhuǎn)換成各種快速模具，如低熔點(diǎn)合金模、硅膠模、金屬冷噴模、陶瓷模等，進(jìn)行中小批量零件的生產(chǎn)，滿足產(chǎn)品更新