第4章快速成形 4 1概述快速成形 制造 RapidPrototyping Manufacture簡稱RP M 系統綜合了CAD 數控技術 激光技術及材料科學技術等多種機械電子技術及材料技術 是高科技技術的有機綜合和交叉應用 可以自動 直接 快速 精確地將設計思想物化為具有一定功能的原型或直接制造零件 從而可以對產品設計進行快速評價 修改及功能試驗 有效地縮短了產品的研發周期 因此 RP M技術是先進制造技術中的一個重要組成部分 4 1 1快速原形制造 RP 快速成形技術的重要特征如下 1 高度柔性 可以制造任意復雜形狀的三維實體 2 可以制成幾何形狀任意復雜的零件 而不受傳統機械加工方法中刀具無法達到某些型面的限制 3 不需要傳統的刀具或工裝等生產準備工作 任意復雜零件加工只需在一臺設備上完成 因而大大縮短了新產品的開發成本和周期 其加工效率亦遠勝于數控加工 4 設備購置投資低于數控機床 如CNC加工中心 5 曲面制造過程中 CAD數據的轉化 分層 可百分之百地全自動完成 而不需像數控切削加工中要高級工程人員進行復雜的人工輔助勞動才能轉化為完全的工藝數控代碼 6 無需人員干預或較少干預 是一種自動化的成形過程 7 成形全過程的快速性 能適應現代激烈的市場競爭對產品更新換代的需求 8 技術的高度集成性 既是現代科學技術發展的必然產物 也是對現代科學技術發展的綜合應用 帶有鮮明的高新技術特征 4 1概述 續 4 1 2快速模具制造 RT RT技術是用高新制造技術改造傳統技術的成功范例 它包括用硅橡膠 金屬粉環氧樹脂粉 低熔點合金等方法將RP原型準確復制成模具 這些簡易模具的壽命是50 1000件 適宜產品試制階段 4 1 3快速精鑄 QC RP方法可以提供蠟芯原型 FDM法 SLS法 以及幾乎可完全氣化的光敏樹脂原型 故可用熔模鑄造或實型鑄造 鑄出精密鑄件 用陶瓷型鑄造工藝 可鑄出粗糙度達6 4 m的精密鑄件 直接用RP工藝制造出壓制蠟芯的樹脂模具 可以很經濟地鑄造出小批量鑄件 4 1 4快速反求工程 RRE 目前 盡管已經出現了如UG Pro E I Deas SolidWorks等許多成功的三維CAD商用軟件 但運用這些軟件建立一個復雜的零件模型 還是相當費時的 尤其對于只提供實物 要求由實物制造模具或在實物的基礎上改進設計往往格外困難 快速檢測及三維CAD重構技術提供了由實物直接獲得CAD模型的途徑 檢測方法有三種 CMM 三坐標測量儀 方法 此方法檢測精度高 但速度較慢 有時還必須事先知道曲面形狀 以編制CNC檢測程序 激光掃描法 它采用光刀法或振鏡法實現每個截面的掃描 用CCD傳感器攝像 獲得密集的數據 這種方法精度稍差 達0 05mm 同時有光學死點 無法掃描零件的內表面 層切法 這是RP生長成形的逆過程 4 2快速成形技術的基本過程 4 2 1RP技術的工藝過程快速成形技術的基本工藝過程為 1 由CAD軟件設計出所需零件的計算機三維曲面或實體模型 2 將三維模型沿一定方向 通常為Z向 離散成一系列有序的二維層片 習慣稱為分層Slicing 3 根據每層輪廓信息 進行工藝規劃 選擇加工參數 自動生成數控代碼 4 成形機制造一系列層片并自動將它們聯接起來 得到三維物理實體 快速成形工藝過程的框圖如圖4 1所示 4 2 2RP技術的功能 1 設計者和工程師可以拿著他們設計概念的實物模型進行早期的觀察 驗證 反復改進和優化 2 模型作為并行工程的聯系工具 3 用于零部件的加工和配合測試 4 用于市場研究 作為測試樣品 研究消費者的偏好 5 幫助制定生產規劃 決定工具夾具的需求 6 幫助設計包裝襯板 7 制造出金屬原型 8 用QuickCast方法直接從SLA原型制造出成對的凸凹模具 這些模具可用于注塑成形 加工出最終使用的零件 4 3幾種常用RP技術的工藝原理 4 3 1立體光固化 SLA SLA StereolithographyApparaus 工藝也稱光造型或立體光刻 由美國的C Hall于1986年研究成功 1987年獲美國專利 立體光固化工作原理見圖4 2 4 3 2分層實體制造 LOM LOM LaminatedObjectManufacturing 工藝亦稱分層實體制造或疊層實體制造 由美國Helisys公司的MichaelFeygin于1986年研制成功 工作原理如圖4 3所示 4 3 3選擇性激光燒結 SLS SLS SelectiveLaserSintering 工藝稱為選擇性激光燒結 由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C R Dechard于1989年研制成功 工作原理如圖4 4所示 4 3 4熔融沉積成形 FDM FDM FusedDepositionModeling 工藝由美國學者Dr ScottCrump于1988年研制成功 FDM的材料一般是熱塑性材料 如蠟 ABS 尼龍等 以絲狀供料 工作原理如圖4 5所示 4 3 5三維打印 3D P 3D P ThreeDimensionalPrinting 工藝是美國麻省理工學院EmanualSachs等人研制的 3D P工藝與SLS工藝類似 采用粉末材料成形 如陶瓷粉末 金屬粉末 所不同的是材料粉末不是通過燒結連接起來的 而是通過噴頭用粘接劑 如硅膠 將零件的截面 印刷 在材料粉末上面 如圖4 6所示 4 3 6形狀沉積快速成形 SDM SDM ShapingDepositionModeling 是去除加工與分層堆積加工相結合的一種新型快速原型制造工藝 因而綜合了兩種零件成形的優點 既可以制造金屬零件 具有較高的成形精度 由切削加工保證 又基本突破了零件復雜程度限制 而且與其他快速成形工藝一樣 由CAD模型直接驅動 無需編程 如圖4 7所示 成形材料包括金屬和各種塑料 4 4RP技術的應用領域 由于快速成形技術的特點 它一經出現即得到了廣泛應用 目前已廣泛應用于航空航天 汽車 機械 電子 電器 醫學 建筑 玩具 工藝品等許多領域 取得了很大成果 1 醫學 熔融擠壓快速成形在醫學上具有極大的應用前景 2 試驗分析模型 快速成形技術還可以應用在計算分析與試驗模型上 例如 對有限元分析的結果可以做出實