6 快速原型制造技術(shù)及設(shè)備

1、6 快速原型制造技術(shù)及設(shè)備 6-1快速原型制造技術(shù)及應(yīng)用6.1.1快速原型制造技術(shù)(P175) 1.原型與原型制造技術(shù)的概念1） 原型 原型是產(chǎn)品在一維或多維空間中的一種表示。即:產(chǎn)品開發(fā)人員認(rèn)為有意義的產(chǎn)品在某個(gè)方面的表示,可以看作原型,包括從概念設(shè)計(jì)到具有完整功能制品的有形和無形的表示。例如:汽車中的概念產(chǎn)品。原型分為物理原型和分析原型。(1)物理原型 近似或直接的產(chǎn)品的有形實(shí)體表示。它是存在的可以檢測和實(shí)驗(yàn),從視覺和觸覺上都類似產(chǎn)品。如:汽車產(chǎn)品的樣本。(2)分析原型 為產(chǎn)品的非有形表示,它未被制造出來,是以仿真視覺圖像,方程或分析結(jié)果來表示。如:模擬推演.一般情況下,原型是指物理原型,

2、即三維空間的實(shí)物來表示物體,本章介紹的為物理原型。2)原型制造技術(shù)原型制造技術(shù)是設(shè)計(jì)、建造原型的過程。按物體成形方式分為三類:去除成形,凈尺寸成形和原型制造（添加成形）。（1）原型制造通過快速自動(dòng)成形系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模型相結(jié)合,制造出多種復(fù)雜的原型和零件。原料利用率100%,出產(chǎn)周期短,成本大幅度降低.(2)用反求技術(shù)實(shí)現(xiàn)。按樣品或提供實(shí)物,用已有知識(shí)和技術(shù)，按要求和目的進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工，經(jīng)修改或原封不動(dòng)制成復(fù)制或仿制品。2.快速原型制造技術(shù)的原理和特點(diǎn)快速原型制造技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期在美國首先產(chǎn)生并商品化,上世紀(jì)90年代在全球迅速發(fā)展起來的一種全新概念的制造技術(shù)。是繼60年代NC技術(shù)之后

3、制造領(lǐng)域的又一突破,是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。(1)快速原型技術(shù)的原理快速原型技術(shù)采用分層累加的方法(添加成形制造工藝)。如圖6-1(P176)所示原理圖,即:先用CAD三維造型,然后用專門軟件對模型分層切片,獲得每一層的二維輪廓信息。最后將每一層的二維輪廓順序堆積,疊加成三維物理實(shí)體?？焖僭图夹g(shù)的基本理論和思想內(nèi)涵，是基于離散/堆積:即微積分思想。將一個(gè)物理實(shí)體復(fù)雜的三維加工離散成一系列二維層片的加工,然后疊加。是一種降維制造或添材加工制造技術(shù)。2 ）快速原型技術(shù)(RP)的特點(diǎn) （p175-176） 1) 制造快速快速原型技術(shù)是并行工程中進(jìn)行復(fù)雜原型和零件制作的有效手段。即從產(chǎn)品CAD

4、或者從實(shí)體反求獲的數(shù)據(jù)制作原型。一般僅需要幾個(gè)小時(shí)至幾十個(gè)小時(shí)。傳統(tǒng)成型加工方法通常需要數(shù)天數(shù)月甚至更長。(如用實(shí)體獲得數(shù)據(jù)通常要檢測、測繪、制圖、工藝、材料、加工、檢測裝調(diào)?；虿捎脭?shù)控切削加工，先編程轉(zhuǎn)換成代碼然后加工)。RP是建立在高度技術(shù)集成基礎(chǔ)上，無需工模、制造調(diào)整等。2)自由成形制造和高柔性加工:(p176) 自由成形無需使用刀具和模具,由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)，能夠制造任意復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)的、不同材料復(fù)合的原型和零件。改變CAD模型或反求數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，重新調(diào)整和設(shè)置參數(shù)即可生產(chǎn)不同形狀的原型或零件。還能借助電鑄、電弧噴漆等技術(shù)進(jìn)一步將塑膠原型制成金屬模具.3) 技術(shù)高度集成(P176)快速

5、原型制造技術(shù)是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)收集與處理技術(shù)、材料工程、機(jī)電加工與控制技術(shù)的綜合體現(xiàn)。成形過程高度自動(dòng)化,特別是在曲面制造過程中，CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化(切片分層)百分之百的自動(dòng)完成。而數(shù)控切削加工，則需要高級技術(shù)人員復(fù)雜的人工輔助勞動(dòng),轉(zhuǎn)化成工藝數(shù)控代碼。4) 可選材料的廣泛性 (P176)快速原型制造技術(shù)可以采用的材料十分廣泛。如:塑料、樹脂、紙、石蠟類,另外復(fù)合材料、金屬材料、陶瓷材料的粉末，箔、絲小塊體。也可以是涂覆某種粘合劑的顆粒,板、薄膜等。此外，RP技術(shù)是邊堆積邊成形,因此由可能在成形過程中改變成材料的組分,制造出由材料梯度的零件。5) 環(huán)保型制造技術(shù)（P176）快速原型制造技術(shù)為非接

6、觸加工,不需要機(jī)床切削中所必需的刀具和夾具,避免了刀具磨損和切削力影響,制造過程中無振動(dòng)無噪音沒有或很少下腳料。3、快速原型制造技術(shù)的工藝流程:如圖6-2所示P117. 6.1.2應(yīng)用領(lǐng)域:P1761、產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)RP技術(shù)將CAD的設(shè)計(jì)構(gòu)想快速精確而又經(jīng)濟(jì)的變成可觸摸的物理實(shí)體。比把三維幾何造型展示在工作屏幕或圖紙上，具有更高的直觀性和啟示性。設(shè)計(jì)人員可以更快、更容易的發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤并及時(shí)修改。目前,RP技術(shù)已成為廠家爭取訂單與客戶交流溝通的最佳手段。2.快速模具制造P176.以RP技術(shù)生成實(shí)體模型,做模芯、模套,結(jié)合精鑄,粉末燒結(jié)或電極研磨等技術(shù),生產(chǎn)出企業(yè)所需要的功能模具或工裝設(shè)備,制造

7、周期比傳統(tǒng)數(shù)控短縮30%-40%,成本下降35%-70%,模具的幾何復(fù)雜程度愈高，效益愈顯著。一般利用CAD設(shè)計(jì)文件后80%模具24-48%小時(shí)后可完工。3.產(chǎn)品功能測試（P177）RP技術(shù)可嚴(yán)格的按照原材料將模型迅速的制造出來,進(jìn)行功能試驗(yàn)與相應(yīng)的研究,從而優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì).4.生物膜與仿真制造:P177RP可用于人體骨骼修復(fù)和矯形整容,例:牙齒矯形,美觀及舒適性均優(yōu)于傳統(tǒng)的矯形器。6.2 快速成形機(jī)(P178) 6.2.1 快速成形機(jī)的分類 (P178)RP技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展結(jié)合了當(dāng)代眾多的高新技術(shù),如:計(jì)算機(jī)輔助技術(shù),數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、材料技術(shù)、并將隨著技術(shù)更新而不斷發(fā)展。自1986出現(xiàn)至今

8、不足20年,世界上已有大約二十多種不同的新工藝和成形方法。而且新工藝和新方法不斷涌現(xiàn)。而快速成形機(jī)按照成形工藝原理不斷涌現(xiàn)出新的類型。成形機(jī)按照成形工藝原理進(jìn)行分類,目前,比較典型快速成形工藝有:立體光固化成形(SLA)、分層實(shí)體制造(LOM),選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）和熔絲沉積制造（FDM）四種，它們產(chǎn)生于上世紀(jì)80年代，在快速原型技術(shù)中,技術(shù)成熟,成形工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)，并占主導(dǎo)地位。下面介紹其相對應(yīng)的成形設(shè)備。1.立體光固化快速成形機(jī)(SLA)(1)光固化(Stereolithography.）工藝由Charles,Huii于1984年獲美國專利,1988美國3DSySToms公司推出商品化樣

9、機(jī)SLA-1型，是世界上第一臺(tái)快速成形系統(tǒng),目前系列占據(jù)RP設(shè)備市場碼較大份額(2) 工藝原理 SL工藝原理是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長(325nm)和（10400mW）強(qiáng)度的紫外線照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng),分子量急劇增大,材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。(3)成形工作原理成形材料主要有液態(tài)的自由基光固化樹脂,陽離子光固化樹脂和混雜型光固化樹脂。圖6-3是立體光固化快速成形機(jī)工作原理圖.首先:升降臺(tái)置于最高位置,工作臺(tái)上液態(tài)光敏樹脂厚度為一個(gè)層厚.其次，紫外線激光器聚焦掃描X-Y方向,使之固化模型第一層.最后，工作臺(tái)下降第二層掃描固化第二層,至直完成三維實(shí)體模型.(

10、4)特點(diǎn):成形精度高,表面質(zhì)量好,類似塑料質(zhì)感。由于需要加支撐、成本高。目前,中國上海聯(lián)泰,陜西恒通智能機(jī)器公司等生產(chǎn)出各自的設(shè)備。 2、選區(qū)激光燒結(jié)快速成形機(jī)(SLS)SLS工藝由美國德克薩斯大學(xué)奧斯丁分校于1989研制成功,由美國DTM公司推出產(chǎn)品SLS MODEL125成形機(jī),德國EOS公司和中國北京隆源公司也推出各自的成形機(jī)EOSINT和AFS.工藝原理:如圖6-4所示,SLS工藝?yán)梅勰畈牧箱仦⒃谝殉尚瘟慵纳媳砻娌⒐纹?用高強(qiáng)度二氧化碳激光器在上面掃描出新零件截面并被燒結(jié)在一起,獲得零件截面,同時(shí)與下面已成形部分粘接,當(dāng)一層截面燒結(jié)完成，鋪上新的一層材料粉末,選擇性的燒結(jié)下層截面

11、。重復(fù)上述過程,完成三維實(shí)體模型.優(yōu)點(diǎn):(1)選材廣泛,如:尼龍,蠟,ABS,樹脂裹覆砂,聚碳酸脂,金屬和陶瓷粉末都可以作為燒結(jié)對象.(2)精度高,不需要加支撐系統(tǒng),粉床上未被燒結(jié)部分可以為燒結(jié)部分的支撐結(jié)構(gòu).(3)可直接成形金屬零件獲模具,SLS與鑄造工藝關(guān)系極為緊密,如:燒結(jié)的陶瓷型可做鑄造的型殼,型芯;蠟型可做蠟?zāi)さ?目前:DTM公司已形成三代產(chǎn)品,2001年被3DSystoms收購,我國北京,南京空航天大學(xué)做教案.3、分層實(shí)體制造快速成形機(jī)（LOM）分層實(shí)體制造工藝又稱為疊層實(shí)體造型,工作原理如圖6-5所示. 成形材料采用薄片材料如:紙、薄膜等。用激光器按照CAD分層模型所獲得數(shù)據(jù),用

12、CO2激光束將單面涂有熱溶膠的薄片材料或其它材料的箔帶切割成原型在該平面的內(nèi)外輪廓。再通過熱輥加熱，使之與下面的已切割層粘接,通過逐層切割粘接,最后將不需要的材料剝離。得到欲求原型。特點(diǎn):適合做大型實(shí)心件。精度比較高,原型件具有硬木質(zhì)感。但廢料較多,后處理費(fèi)時(shí),不需加支撐。LOM工藝在RP市場曾位居第二位獲得專利,但由于工藝只能用于紙、塑料等片材，需要粘接。成本和精度無法與其他工藝相比(如：光固化SL),另外設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜,存在煙塵、污染等問題。在RP家族種的地位日益下降. 4.熔絲沉積制造快速成形機(jī) (FDM) (P180) 熔融堆積成形工藝,由美國學(xué)者（Dr.Scott Grump)于198

13、8年研制成功。熱塑性材料。FDM工藝材料為：ABS、PC熱塑性材料及尼龍、蠟等以絲狀供料。工作原理如圖6-6所示：材料在噴頭內(nèi)加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)。逐點(diǎn)、面、線地堆積成形。并利用材料的熱熔性和粘結(jié)性粘結(jié)成形。工藝特點(diǎn)：不用激光、使用維護(hù)簡單，成本低，材料廣泛。適宜成形空心薄壁件，需加支撐；用蠟成形的零件可直接用于失蠟鑄造。用ABS制造的原型因具有較高強(qiáng)度而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、測試、評估中獲廣泛應(yīng)用。近年來又開發(fā)出PC，PPSF等更高強(qiáng)度的成形材料。用該工藝可直接成形零件。所以，該工藝發(fā)展迅速，目前已在RP系統(tǒng)中超過25%份額。目前：美國Stratasys公司應(yīng)用FDM生產(chǎn)出最新的

14、Dimension SST系統(tǒng)最為先進(jìn)。國內(nèi)清華大學(xué)開發(fā)了與其工藝原理相近的MEM（Melited,Extrusions Manufacturing)工藝。由北京殷華公司推出MEM200等系列產(chǎn)品。6.2.2 快速成形機(jī)的技術(shù)參數(shù):(P180)由于RP成形機(jī)不同,技術(shù)參數(shù)差別較大，主要如下:1.激光器額定功率和使用壽命(SLA):(P180)一般采用低功率激光器。立體光固化快速成形機(jī)（SLA）10mW紫外線激光器，壽命2000小時(shí)左右。 (SLS)和(LOM)采用多為25W50WCO2激光器,壽命20000h左右。2.振鏡掃描速度 (P180)高速振鏡的掃描速度直接影響成形速度，(SLA)和(

15、SLS)均采用高速振鏡掃描器，掃描速度范圍04m/s。3. 動(dòng)態(tài)聚焦性能激光經(jīng)聚焦后,在整個(gè)成形面積內(nèi)掃描,需要用Z軸動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)校正,保證光斑尺寸在各位置精度。對于(SLS).其激光光束焦點(diǎn)偏離焦平面的距離1mm。4.成形尺寸成形尺寸反映（RP)一次成形的最大零件尺寸,一般用(長×寬×高)表示。目前最大成形尺寸是:1180mm×730mm×550mm、1000mm×800mm×500mm、457×457×609mm。主要用于汽車大型覆蓋件。5.成型速度反映生產(chǎn)效率,單位為g/h、即每小時(shí)可成形多少克的模型。成形速

16、度直接與制件精度要求,掃描速度和分層厚度有關(guān),精度要求越高,掃描速度越小,分層厚度越小則成形速度越小。6.成形精度立體光固化快速成形機(jī)(SLA)成形的精度最高,可達(dá)±0.01mm；其余一般為±0.1mm。6.2.3 快速成形機(jī) (RP) 的基本結(jié)構(gòu)（P181）快速成形機(jī)種類不同結(jié)構(gòu)也不同,但通用的基本結(jié)構(gòu)可分為如下部分：1.光學(xué)系統(tǒng)或熱源系統(tǒng)采用激光為能源進(jìn)行快速成形，光學(xué)系統(tǒng)為關(guān)鍵部件之一。包括:激光器、光路傳輸機(jī)構(gòu),光束聚焦機(jī)構(gòu)和高速振鏡掃描器。選區(qū)激光燒結(jié)快速成型機(jī)(SLS)和分層實(shí)體制造快速成型機(jī)(LOM)等采用低功率CO2激光器。立體光刻快速成型機(jī)（SLA）采用紫

17、外激光器。光學(xué)系統(tǒng)主要包括激光器、光路傳輸機(jī)構(gòu)、光束傳輸聚焦機(jī)構(gòu)和高速振鏡掃描器。也有采用專用熱源系統(tǒng)對成形原材料進(jìn)行加熱，而不用激光器。 如熔碳沉積制造快速成型機(jī)2.控制系統(tǒng)可識(shí)別三維數(shù)學(xué)模型分層截面信息，快速控制（RP）各部件協(xié)調(diào)一致按信息運(yùn)動(dòng)，高速自動(dòng)化地實(shí)現(xiàn)堆積成形。3.升降機(jī)構(gòu)作用原理與機(jī)械機(jī)構(gòu)基本相似，升降機(jī)構(gòu)的作用是按分層厚度順序移動(dòng)，使模型層面疊加、堆積成形。是快速成型機(jī)的必備機(jī)構(gòu)之一。一般數(shù)控機(jī)床中無此機(jī)構(gòu)。4.供材機(jī)構(gòu)供材機(jī)構(gòu)也是快速成型機(jī)的必備機(jī)構(gòu)之一，（RP）不同的快速成型機(jī)，供材機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)差異較大。立體光刻快速成型機(jī)（SLA）采用浸漬式，由容器、刮平器和升降工作組成。選區(qū)激光燒結(jié)快速成型機(jī)(SLS)采用為輥刮式，由供料缸，鋪粉滾輪和升降臺(tái)工作組成。分層實(shí)體制造快速成型機(jī)(LOM)采用輥卷式，由送料筒收紙輥筒，導(dǎo)向輥等組成。熔絲沉積制造快速成形機(jī) (FDM)采用噴涂式，由噴嘴、儲(chǔ)料器和供料器組成。 5.加熱機(jī)構(gòu)：僅在選區(qū)激