材料成型工藝基礎(第四版)課件 第9章

第9章快速成型技術9.1快速成型技術簡介9.2快速成型工藝9.3快速成型技術的應用

9.1快速成型技術簡介

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

9.1.1快速成型技術的原理

快速成型技術的成型工藝均基于離散疊加原理來實現(xiàn)快速加工原型或零件的生產。首先,由三維CAD軟件設計零件的三維實體模型;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:通常對其進行切片分層,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起來,形成三維的原型;最后,經后處理成為零件。具體工作原理如圖9-1所示

圖9-1快速成型技術的工作原理

9.1.2快速成型技術的分類及特點

快速成型工藝的種類很多,可按照材料的不同進行分類,快速成型材料包括液態(tài)材料、離散顆粒和實體薄片。液態(tài)材料的快速成型方法有液態(tài)樹脂固化成型和熔融材料凝結成型,而液態(tài)樹脂固化又包括逐點固化和逐面固化;熔融材料凝結成型又包括逐點凝結和逐面凝結。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劑黏結顆粒成型兩種方法。實體薄片材料快速成型方法有薄片黏結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:

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

(2)快速成型技術方便地實現(xiàn)了設計制造一體化,通過離散分層模型工藝,將CAD、計算機輔助制造(CAM)技術和制造技術有效地結合在一起。

(3)快速成型技術與傳統(tǒng)制造方法相比,不需要傳統(tǒng)的刀具或工裝等生產準備工作,任何復雜零件的加工均可在一臺設備上完成,因此,很大程度上縮短了產品的開發(fā)周期,降低了開發(fā)成本。

(4)成型過程中無震動、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,它使用的成型材料是對某特種光束敏感的樹脂。其基本原理為:在液槽內盛有液態(tài)的光敏樹脂,激光束或紫外光光點在液面上按計算機切片軟件所得到的輪廓軌跡,對液態(tài)光敏樹脂進行掃描固化,形成連續(xù)的固化點,從而構成模樣的一個薄截面輪廓。一個層面掃描完成后,進行下一層掃描,新固化的層黏結在前一層上,直至完成整個三維零件,如圖9-2所示。

圖9-2光固化成型過程

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選擇性激光燒結成型工藝(SLS)

選擇性激光燒結成型工藝是在一個充滿氮氣的惰性氣體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選擇性激光燒結成型技術工藝

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(3DP)

三維打印采用粉末材料,如陶瓷粉末、金屬粉末,但不是經過燒結連接的,而是通過噴頭用黏結劑將零件的截面“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,稱為光敏樹脂。當掃描器在計算機的控制下掃描光敏樹脂液面時,掃描到的區(qū)域就發(fā)生聚合反應和固化,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。但其缺點是可用材料的范圍較窄,材料成本較高,激光器價格昂貴,從而導致零件制作成本較高。

選擇性激光燒結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特的優(yōu)點。缺點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單的快速成型技術,操作簡單,速度高,適合辦公室環(huán)境使用。缺點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;原型件結構較松散,強度較低。

9.3快速成型技術的應用

1.新產品的開發(fā)快速成型技術的主要應用就是開發(fā)新產品,也就是產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

一個新產品的開發(fā)總是從外形設計開始的,外觀是否美觀實用往往決定了該產品是否能夠被市場接受,傳統(tǒng)的做法是根據(jù)設計師的思想,先制作出效果圖及手工模型,經決策層評審后再進行后續(xù)設計。

2)減少人為缺陷,提高設計質量

在產品的開發(fā)設計過程中,由于設計手段和其他方面的限制,每一個設計都會存在著一些人為的設計缺陷,如果不能及早發(fā)現(xiàn),就會影響接下來的工作,造成不必要的損失,甚至會導致整個設計的失敗。因此,及早地發(fā)現(xiàn)并改正設計缺陷變得十分重要,使用快速成型技術可以將這種人為的影響減少到最低限度。

3)縮短設計周期,加快開發(fā)進度

快速成型技術的應用,可以做到產品的設計和模具生產并行。傳統(tǒng)的設計手段中,只有在模具驗收合格后才能進行整機的裝配以及各種驗收。設計修改模具和制造模具會導致

設計與制造過程包含大量重復性的工作,延長模具的制造周期,最終導致修改時間約僅占整個制作時間的20%~30%。應用快速成型技術之后,利用快速成型的制件進行整機裝配和各種試驗,隨時與模具中心進行信息交流,這樣模具制造與整機的試驗評價并行工作,迅速完成從設計到投產的轉換。

4)提供樣件

由于應用快速成型技術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,而且具有手工制作的模型所無法比擬的精度,因而在樣件制作方面有比較大的優(yōu)勢。利用快速成型技術制作出的樣件,使用戶非常直觀地了解尚未投入批量生產的產品的外觀及其性能并及時做出評價,使生產方能夠根據(jù)用戶的需求及時改進產品,為產品的銷售創(chuàng)造了有利條件,同時避免了由于盲目生產可能造成的損失。同時,在工程投標中投標方常常被要求提供樣品,投標方可通過樣品展示進行直觀全面的項目介紹,用更加完善的設計,為中標創(chuàng)造有利條件。

2.快速模具制造

模具是現(xiàn)代工業(yè)生產中最重要的工藝裝備,其形狀復雜又屬單件生產,傳統(tǒng)模具制作工藝復雜、時間長、費用高,而快速成型技術與傳統(tǒng)工藝相結合推動了快速成型制造經濟

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

快速成型技術與精密鑄造相結合互補,是快速生產單件小批量復雜形狀金屬零件的有效方法。最常見的是快速成型技術與熔模精鑄相結合,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模具所生產的蠟模作母模,再借助傳統(tǒng)的熔模鑄造工藝來生產金屬零件?？焖俪尚图夹g在精密鑄造中的應用可以分為三種:一是消失成型件(模)過程,用于小批量件生產;二是直接型殼法,用于小量生產;三是快速蠟模模具制造,用于大批量生產。

3.醫(yī)學仿生制造

快速成型技術在醫(yī)學方面的應用日益增多。根據(jù)電子計算機斷層掃描(CT)掃描或磁共振成像(MRI)核磁共振的