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(tǒng)綜合了CAD 數(shù)控技術(shù) 激光技術(shù)及材料科學(xué)技術(shù)等多種機(jī)械電子技術(shù)及材料技術(shù) 是高科技技術(shù)的有機(jī)綜合和交叉應(yīng)用 可以自動 直接 快速 精確地將設(shè)計(jì)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(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行快速評價(jià) 修改及功能試驗(yàn) 有效地縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期 因此 RP M技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)中的一個(gè)重要組成部分 4 1 1快速原形制造 RP 快速成形技術(shù)的重要特征如下 1 高度柔性 可以制造任意復(fù)雜形狀的三維實(shí)體 2 可以制成幾何形狀任意復(fù)雜的零件 而不受傳統(tǒng)機(jī)械加工方法中刀具無法達(dá)到某些型面的限制 3 不需要傳統(tǒng)的刀具或工裝等生產(chǎn)準(zhǔn)備工作 任意復(fù)雜零件加工只需在一臺設(shè)備上完成 因而大大縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)成本和周期 其加工效率亦遠(yuǎn)勝于數(shù)控加工 4 設(shè)備購置投資低于數(shù)控機(jī)床 如CNC加工中心 5 曲面制造過程中 CAD數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化 分層 可百分之百地全自動完成 而不需像數(shù)控切削加工中要高級工程人員進(jìn)行復(fù)雜的人工輔助勞動才能轉(zhuǎn)化為完全的工藝數(shù)控代碼 6 無需人員干預(yù)或較少干預(yù) 是一種自動化的成形過程 7 成形全過程的快速性 能適應(yīng)現(xiàn)代激烈的市場競爭對產(chǎn)品更新?lián)Q代的需求 8 技術(shù)的高度集成性 既是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物 也是對現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的綜合應(yīng)用 帶有鮮明的高新技術(shù)特征 4 1概述 續(xù) 4 1 2快速模具制造 RT RT技術(shù)是用高新制造技術(shù)改造傳統(tǒng)技術(shù)的成功范例 它包括用硅橡膠 金屬粉環(huán)氧樹脂粉 低熔點(diǎn)合金等方法將RP原型準(zhǔn)確復(fù)制成模具 這些簡易模具的壽命是50 1000件 適宜產(chǎn)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?qū)嵭丸T造 鑄出精密鑄件 用陶瓷型鑄造工藝 可鑄出粗糙度達(dá)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(jīng)濟(jì)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(jīng)出現(xiàn)了如UG Pro E I Deas SolidWorks等許多成功的三維CAD商用軟件 但運(yùn)用這些軟件建立一個(gè)復(fù)雜的零件模型 還是相當(dāng)費(fèi)時(shí)的 尤其對于只提供實(shí)物 要求由實(shí)物制造模具或在實(shí)物的基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)往往格外困難 快速檢測及三維CAD重構(gòu)技術(shù)提供了由實(shí)物直接獲得CAD模型的途徑 檢測方法有三種 CMM 三坐標(biāo)測量儀 方法 此方法檢測精度高 但速度較慢 有時(shí)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(shí)現(xiàn)每個(gè)截面的掃描 用CCD傳感器攝像 獲得密集的數(shù)據(jù) 這種方法精度稍差 達(dá)0 05mm 同時(shí)有光學(xué)死點(diǎn) 無法掃描零件的內(nèi)表面 層切法 這是RP生長成形的逆過程 4 2快速成形技術(shù)的基本過程 4 2 1RP技術(shù)的工藝過程快速成形技術(shù)的基本工藝過程為 1 由CAD軟件設(shè)計(jì)出所需零件的計(jì)算機(jī)三維曲面或?qū)嶓w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(xí)慣稱為分層Slicing 3 根據(jù)每層輪廓信息 進(jìn)行工藝規(guī)劃 選擇加工參數(shù) 自動生成數(shù)控代碼 4 成形機(jī)制造一系列層片并自動將它們聯(lián)接起來 得到三維物理實(shí)體 快速成形工藝過程的框圖如圖4 1所示 4 2 2RP技術(shù)的功能 1 設(shè)計(jì)者和工程師可以拿著他們設(shè)計(jì)概念的實(shí)物模型進(jìn)行早期的觀察 驗(yàn)證 反復(fù)改進(jìn)和優(yōu)化 2 模型作為并行工程的聯(lián)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(fèi)者的偏好 5 幫助制定生產(chǎn)規(guī)劃 決定工具夾具的需求 6 幫助設(shè)計(jì)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(shù)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(shí)體制造 LOM LOM LaminatedObjectManufacturing 工藝亦稱分層實(shí)體制造或疊層實(shí)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(jié) SLS SLS SelectiveLaserSintering 工藝稱為選擇性激光燒結(jié) 由美國德克薩斯大學(xué)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(xué)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(xué)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(jié)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(jié)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(yōu)點(diǎn) 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(fù)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(qū)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(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域 由于快速成形技術(shù)的特點(diǎn) 它一經(jīng)出現(xiàn)即得到了廣泛應(yīng)用 目前已廣泛應(yīng)用于航空航天 汽車 機(jī)械 電子 電器 醫(yī)學(xué) 建筑 玩具 工藝品等許多領(lǐng)域 取得了很大成果 1 醫(yī)學(xué) 熔融擠壓快速成形在醫(yī)學(xué)上具有極大的應(yīng)用前景 2 試驗(yàn)分析模型 快速成形技術(shù)還可以應(yīng)用在計(jì)算分析與試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕?例如 對有限元分析的結(jié)果可以做出實(shí)