快速成型

RPRapid Prototyping-快速成型

在信息技术高速发展的今天,随着人们对新产品更新换代要求的不断加快。对企业来讲,随着全球市场一体化的形成,制造业的竞争十分激烈,产品的开发速度日益成为主要矛盾。在这种情况下,自主快速产品开发(快速设计和快速工模具)的能力(周期和成本)成为制造业全球竞争的实力基础。所以,随着设计周期的不断缩短需求,设计对象复杂程度的提高,旨在提高设计效率、缩短设计周期和提高一次成功率的并行工程的实施,在设计过程早期对模型的要求显得越来越迫切。

目前,成熟的三维CAD技术在很大程度上解决了产品工程师实现了产品研发与创新的需求。 CAD模型具有很多优点:采用CAD生成的三维CAD模型,可以进行结构、性能分析,可以进行模拟装配,可以进行外观造型的渲染,甚至可以在虚拟现实环境下进行操作和使用。 但是,CAD模型的出现,无法、也不可能完全替代其它形式的模型,特别是具有三维实体形态的实体模型。例如:在产品的造型设计中,不仅要考察产品的外形、色彩效果,甚至要考察其装配性能,使用性能,感观效果等等。例如,车辆的碰撞试验,实验室的疲劳测试,航空、航天器的风洞测试,等等,所有这一切都源于,真实的模型数据有其三维CAD数据所不能代替的功用。因此,在大力研究和应用三维CAD基础上的拟实设计、拟实制造的同时,还要积极研究和采用同样是在三维CAD基础上产生和发展起来的快速成型(RP)技术。CAD技术和RP技术的结合为设计师带来完美的解决方案。

RP-快速成形技术

快速成形技术(Rapid PrototypingRP)又称快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing,简称RPM)技术,诞生于20世纪80年代后期,是基于材料堆积法的一种高新制造技术,被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身,可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件,从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。即,快速成形技术就是利用三维CAD的数据,通过快速成型机,将一层层的材料堆积成实体原型。

RP-技术基本原理

快速成形技术是在计算机控制下,基于离散、堆积的原理采用不同方法堆积材料,最终完成零件的成形与制造的技术。从成形角度看,零件可视为“点”或“面”的叠加。从CAD电子模型中离散得到“点”或“面”的几何信息,再与成形工艺参数信息结合,控制材料有规律、精确地由点到面,由面到体地堆积零件。从制造角度看,它根据CAD造型生成零件三维几何信息,控制多维系统,通过激光束或其他方法将材料逐层堆积而形成原型或零件。

RP-快速成形技术的特点

1)打印制造模型所用的材料种类多样,可以是各种金属和非金属材料,以及一些合成材料。

2)对于模型的复制性与互换性较高;

3)成型工艺与制造模型的复杂程度及几何形状无关,越是复杂的结构越是有明显的成型优势。

4)成型制造周期相较于传统的制造方式大幅缩短,制造成本降低,成本与产品复杂程度无关。

5)具有高度的灵活性,设计与测试打样一气呵成,实现了设计制造一体化。

RP技术的类型

  近十几年来,随着全球市场一体化的形成,制造业的竞争十分激烈。尤其是计算机技术的迅速普遍和CAD/CAM技术的广泛应用,使得RP技术得到了异乎寻常的高速发展,表现出很强的生命力和广阔的应用前景。快速成形技术发展至今,以其技术的高集成性、高柔性、高速性而得到了迅速发展。目前,快速成形的工艺方法已有几十种之多,其中主要工艺有四种基本类型:光固化成型法、分层实体制造法、选择性激光烧结法和熔融沉积制造法。

1)光固化成形

  SLA(Stereo lithography Apparatus)工艺也称光造型、立体光刻及立体印刷,其工艺过程是以液态光敏树脂为材料充满液槽,由计算机控制激光束跟踪层状截面轨迹,并照射到液槽中的液体树脂,而使这一层树脂固化,之后升降台下降一层高度,已成型的层面上又布满一层树脂,然后再进行新一层的扫描,新固化的一层牢固地粘在前一层上,如此重复直到整个零件制造完毕,得到1个三维实体模型。该工艺的特点是:原型件精度高,零件强度和硬度好,可制出形状特别复杂的空心零件,生产的模型柔性化好,可随意拆装,是间接制模的理想方法。缺点是需要支撑,树脂收缩会导致精度下降,另外光固化树脂有一定的毒性而不符合绿色制造发展趋势等。

2)分层实体制造

  LOM(Laminated Object Manufacturing)工艺或称为叠层实体制造,其工艺原理是根据零件分层几何信息切割箔材和纸等,将所获得的层片粘接成三维实体。其工艺过程是:首先铺上一层箔材,然后用CO,激光在计算机控制下切出本层轮廓,非零件部分全部切碎以便于去除。当本层完成后,再铺上一层箔材,用滚子碾压并加热,以固化黏结剂,使新铺上的一层牢固地粘接在已成形体上,再切割该层的轮廓,如此反复直到加工完毕,最后去除切碎部分以得到完整的零件。该工艺的特点是工作可靠,模型支撑性好,成本低,效率高。缺点是前、后处理费时费力,且不能制造中空结构件。

3)选择性激光烧结

  SLS(Selective Laser Sintering)工艺,常采用的材料有金属、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作为成形材料。其工艺过程是:先在工作台上铺上一层粉末,在计算机控制下用激光束有选择地进行烧结(零件的空心部分不烧结,仍为粉末材料),被烧结部分便固化在一起构成零件的实心部分。一层完成后再进行下一层,新一层与其上一层被牢牢地烧结在一起。全部烧结完成后,去除多余的粉末,便得到烧结成的零件。该工艺的特点是材料适应面广,不仅能制造塑料零件,还能制造陶瓷、金属、蜡等材料的零件。造型精度高,原型强度高,所以可用样件进行功能试验或装配模拟。

4)熔融沉积成形

  FDM(Fused Deposition Manufacturing)工艺又称为熔丝沉积制造,其工艺过程是以热塑性成形材料丝为材料,材料丝通过加热器的挤压头熔化成液体,由计算机控制挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动,使熔化的热塑材料丝通过喷嘴挤出,覆盖于已建造的零件之上,并在极短的时间内迅速凝固,形成一层材料。之后,挤压头沿轴向向上运动一微小距离进行下一层材料的建造。这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。该工艺的特点是使用、维护简单,成本较低,速度快,一般复杂程度原型仅需要几个小时即可成型,且无污染。

 
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