快速成形技術
快速成形技術
快速成形技術
快速成形技術
快速成形技術又稱快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing_簡稱RPM)技術_誕生於20世紀80年代後期_是基於材料堆積法的一種高新制造技術_被認為是近20年來制造領域的一個重大成果.它集機械工程、CAD、逆向工程技術、分層制造技術、數控技術、材料科學、激光技術於一身_可以自動、直接、快速、精確地將設計思想轉變為具有一定功能的原型或直接制造零件_從而為零件原型制作、新設計思想的校驗等方面提供了一種高效低成本的實現手段.即_快速成形技術就是利用三維CAD的數據_通過快速成型機_將一層層的材料堆積成實體原型.
快速成形技術的特點
(1) 制造原型所用的材料不限_各種金屬和非金屬材料均可使用；
(2) 原型的復制性、互換性高；
(3) 制造工藝與制造原型的幾何形狀無關_在加工復雜曲面時更顯優越；
(4) 加工周期短_成本低_成本與產品復雜程度無關_一般制造費用降低50%_加工周期節約70%以上；
(5) 高度技術集成_可實現了設計制造一體化；
RP技術產生背景
(1)隨著全球市場一體化的形成_制造業的競爭十分激烈_產品的開發速度日益成為主要矛盾.在這種情況下_自主快速產品開發(快速設計和快速工模具)的能力(周期和成本)成為制造業全球競爭的實力基礎.
(2)制造業為滿足日益變化的用戶需求_要求制造技術有較強的靈活性_能夠以小批量甚至單件生產而不增加產品的成本.因此_產品的開發速度和制造技術的柔性就十分關鍵.
(3)從技術發展角度看_計算機科學、CAD技術、材料科學、激光技術的發展和普及為新的制造技術的產生奠定了技術物質基礎.
RP技術基本原理
快速成形技術是在計算機控制下_基於離散、堆積的原理采用不同方法堆積材料_最終完成零件的成形與制造的技術.
1、從成形角度看_零件可視為“點”或“面”的疊加.從CAD電子模型中離散得到“點”或“面”的幾何信息_再與成形工藝參數信息結合_控制材料有規律、精確地由點到面_由面到體地堆積零件.
2、從制造角度看_它根據CAD造型生成零件三維幾何信息_控制多維系統_通過激光束或其他方法將材料逐層堆積而形成原型或零件.
RP技術的類型
近十幾年來_隨著全球市場一體化的形成_制造業的競爭十分激烈.尤其是計算機技術的迅速普遍和CAD/CAM技術的廣泛應用_使得RP技術得到了異乎尋常的高速發展_表現出很強的生命力和廣闊的應用前景.快速成形技術發展至今_以其技術的高集成性、高柔性、高速性而得到了迅速發展.目前_快速成形的工藝方法已有幾十種之多_其中主要工藝有四種基本類型：光固化成型法、分層實體制造法、選擇性激光燒結法和熔融沉積制造法.
1.光固化成形
SLA(Stereo lithography Apparatus)工藝也稱光造型、立體光刻及立體印刷_其工藝過程是以液態光敏樹脂為材料充滿液槽_由計算機控制激光束跟蹤層狀截面軌跡_並照射到液槽中的液體樹脂_而使這一層樹脂固化_之後升降台下降一層高度_已成型的層面上又布滿一層樹脂_然後再進行新一層的掃描_新固化的一層牢固地粘在前一層上_如此重復直到整個零件制造完畢_得到1個三維實體模型.該工藝的特點是：原型件精度高_零件強度和硬度好_可制出形狀特別復雜的空心零件_生產的模型柔性化好_可隨意拆裝_是間接制模的理想方法.缺點是需要支撐_樹脂收縮會導致精度下降_另外光固化樹脂有一定的毒性而不符合綠色制造發展趨勢等.
2.分層實體制造
LOM(Laminated Object Manufacturing)工藝或稱為疊層實體制造_其工藝原理是根據零件分層幾何信息切割箔材和紙等_將所獲得的層片粘接成三維實體.其工藝過程是：首先鋪上一層箔材_然後用CO_激光在計算機控制下切出本層輪廓_非零件部分全部切碎以便於去除.當本層完成後_再鋪上一層箔材_用滾子碾壓並加熱_以固化黏結劑_使新鋪上的一層牢固地粘接在已成形體上_再切割該層的輪廓_如此反復直到加工完畢_最後去除切碎部分以得到完整的零件.該工藝的特點是工作可靠_模型支撐性好_成本低_效率高.缺點是前、後處理費時費力_且不能制造中空結構件.
3.選擇性激光燒結
SLS(Selective Laser Sintering)工藝_常采用的材料有金屬、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作為成形材料.其工藝過程是：先在工作台上鋪上一層粉末_在計算機控制下用激光束有選擇地進行燒結(零件的空心部分不燒結_仍為粉末材料)_被燒結部分便固化在一起構成零件的實心部分.一層完成後再進行下一層_新一層與其上一層被牢牢地燒結在一起.全部燒結完成後_去除多余的粉末_便得到燒結成的零件.該工藝的特點是材料適應面廣_不僅能制造塑料零件_還能制造陶瓷、金屬、蠟等材料的零件.造型精度高_原型強度高_所以可用樣件進行功能試驗或裝配模擬.
4.熔融沉積成形
FDM(Fused Deposition Manufacturing)工藝又稱為熔絲沉積制造_其工藝過程是以熱塑性成形材料絲為材料_材料絲通過加熱器的擠壓頭熔化成液體_由計算機控制擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓准確運動_使熔化的熱塑材料絲通過噴嘴擠出_覆蓋於已建造的零件之上_並在極短的時間內迅速凝固_形成一層材料.之後_擠壓頭沿軸向向上運動一微小距離進行下一層材料的建造.這樣逐層由底到頂地堆積成一個實體模型或零件.該工藝的特點是使用、維護簡單_成本較低_速度快_一般復雜程度原型僅需要幾個小時即可成型_且無污染.
除了上述4種最為熟悉的技術外_還有許多技術也已經實用化_如三維打印技術、光屏蔽工藝、直接殼法、直接燒結技術、全息干涉制造等.
RP技術的應用
不斷提高RP技術的應用水平是推動RP技術發展的重要方面.目前_快速成型技術已在工業造型、機械制造、航空航天、軍事、建築、影視、家電、輕工、醫學、考古、文化藝術、雕刻、首飾等領域都得到了廣泛應用.並且隨著這一技術本身的發展_其應用領域將不斷拓展.RP技術的實際應用主要集中在以下幾個方面：
(1)在新產品造型設計過程中的應用快速成形技術為工業產品的設計開發人員建立了一種嶄新的產品開發模式.運用RP技術能夠快速、直接、精確地將設計思想轉化為具有一定功能的實物模型(樣件)_這不僅縮短了開發周期_而且降低了開發費用_也使企業在激烈的市場競爭中占有先機.
(2)在機械制造領域的應用由於RP技術自身的特點_使得其在機械制造領域內_獲得廣泛的應用_多用於制造單件、小批量金屬零件的制造.有些特殊復雜制件_由於只需單件生產_或少於50件的小批量_一般均可用RP技術直接進行成型_成本低_周期短.
(3)快速模具制造傳統的模具生產時間長_成本高.將快速成型技術與傳統的模具制造技術相結合_可以大大縮短模具制造的開發周期_提高生產率_是解決模具設計與制造薄弱環節的有效途徑.快速成形技術在模具制造方面的應用可分為直接制模和間接制模兩種_直接制模是指采用RP技術直接堆積制造出模具_間接制模是先制出快速成型零件_再由零件復制得到所需要的模具.
(4)在醫學領域的應用近幾年來_人們對RP技術在醫學領域的應用研究較多.以醫學影像數據為基礎_利用RP技術制作人體器官模型_對外科手術有極大的應用價值.
(5)在文化藝術領域的應用在文化藝術領域_快速成形制造技術多用於藝術創作、文物復制、數字雕塑等.
(6)在航空航天技術領域的應用在航空航天領域中_空氣動力學地面模擬實驗(即風洞實驗)是設計性能先進的天地往返系統(即航天飛機)所必不可少的重要環節.該實驗中所用的模型形狀復雜、精度要求高、又具有流線型特性_采用RP技術_根據CAD模型_由RP設備自動完成實體模型_能夠很好的保證模型質量.
(7)在家電行業的應用目前_快速成形系統在國內的家電行業上得到了很大程度的普及與應用_使許多家電企業走在了國內前列.如：廣東的美的、華寶、科龍；江蘇的春蘭、小天鵝；青島的海爾等_都先後采用快速成形系統來開發新產品_收到了很好的效果.快速成形技術的應用很廣泛_可以相信_隨著快速成形制造技術的不斷成熟和完善_它將會在越來越多的領域得到推廣和應用.
快速成型技術的發展方向
從目前RP技術的研究和應用現狀來看_快速成型技術的進一步研究和開發工作主要有以下幾個方面：
(1)開發性能好的快速成型材料_如成本低、易成形、變形小、強度高、耐久及無污染的成形材料.
(2)提高RP系統的加工速度和開拓並行制造的工藝方法.
(3)改善快速成形系統的可靠性_提高其生產率和制作大件能力_優化設備結構_尤其是提高成形件的精度、表面質量、力學和物理性能_為進一步進行模具加工和功能實驗提供基礎.
(4)開發快速成形的高性能RPM軟件.提高數據處理速度和精度_研究開發利用CAD原始數據直接切片的方法_減少由STL格式轉換和切片處理過程所產生精度損失.
(5)開發新的成形能源.
(6)快速成形方法和工藝的改進和創新.直接金屬成形技術將會成為今後研究與應用的又—個熱點.
(7)進行快速成形技術與CAD、CAE、RT、CAPP、CAM以及高精度自動測量、逆向工程的集成研究.
(8)提高網絡化服務的研究力度_實現遠程控制.
關鍵詞:汽車沖壓件 汽車塗裝工藝
