快速成型制造技术应用应用

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1、第七章 快速成型制造技术的应用 快速成型技术自20年前出现以来，以其显著的时间效益和经济效益得到制造业广 泛的关注，并迅速成为世界著名高校和研究机构研究的热点，涌现出了多种快速成 型技术方法和相应的商品化设备，出现了专门从事商品化快速成型设备、快速成型 与快速模具制造技术支持与服务的公司和机构，极大地促进了快速成型与快速模具 制造技术的推广与应用，为机械行业、汽车行业、医疗行业及相关的其它行业带来 了显著的效益。 据2001年Wohlers Associates Inc.对14家RP系统制造商和43家RP服务机构的统计， 对RP模型需求的行业如图7-1所示，对RP模型需求的目的如图7-2所示。

2、从图7-1可以 看出，日用消费品和汽车2大行业对RP的需求占整体需求50以上，而医疗行业的需 求增长迅速，其它的学术机构、宇航和军事领域对RP的需求也占有一定的比例。从 图7-2可以看出RP模型的主要需求目的和用途。设计可视化、装配检验与功能模型（ FitFormFunction）仍然占据着RP模型的主要需求，将近60，而另一主要应用 领域就是快速模具母模的需求。 模具工程技术研究中心 METRC7 快速成型制造技术的应用 第一节 引言 模具工程技术研究中心 METRC7快速成型制造技术的应用 图7-1 对RP模型需求的行业 模具工程技术研究中心 METRC7快速成型制造技术的应用 图7-2

3、对RP模型需求的目的 第二节 在产品设计中的应用 现代产品的设计与制造已经依托于计算机软硬件技术和数控技术与装 备进行了CAD/CAM的高度集成，显著提高了产品开发的效率和质量。然 而，从CAD到CAM一直以来都存在着一个缝隙，即产品的CAD总不能在 CAM之前尽善尽美。快速成型技术的出现，恰当好处地弥补了产品CAD 与CAM之间的这个缝隙。正因为如此，RP模型的早期应用主要集中在产 品设计阶段的外观评估、装配与功能检验方面，而且这几方面的应用至今 仍然占据着较大的需求。 模具工程技术研究中心 METRC7快速成型制造技术的应用 模具工程技术研究中心 METRC7快速成型制造技术的应用 一、概

4、念模型可视化 计算机软硬件技术的发展使传统的图纸式设计走向现代化的三维概念设 计。尽管目前造型软件的功能十分强大，但设计出来的概念模型仍然停留 在计算机屏幕上，概念模型的可视化是设计人员修改和完善设计十分渴求 而又十分必要的。有人比较形象化地形容，快速成型系统相当于一台三维 打印机，能够迅速地将CAD概念设计的物理模型非常高精度地“打印”出来 。这样，在概念设计阶段，设计者就有了初步设计的物理模型，借助于物 理模型，设计者可以比较直观地进行进一步的设计，大大提高了产品设计 的效率和可靠性。如设计者可以进行模型的合理分析和模型的观感分析， 根据原型或零件评价设计正确与否并可加以改正，如图所示。

5、模具工程技术研究中心 METRC7快速成型制造技术的应用 新产品的开发总是从外形设计开始的，外观是否美观和实用往往决定了 该产品是否能够被市场接受。传统的加工方法中，二维工程视图在设计加 工和检测方面起着重要作用。其做法是根据设计师的思想，先制作出效果 图及手工模型，经决策层评审后再进行后续设计。但由于二维工程视图或 三维观感图不够直观，表达效果受到很大限制，而手工制作模型耗时又长 ，精度较差，修改也困难。 快速成型制造技术能够迅速地将设计师的设计思想变成三维实体模型 ，既可节省大量的时间，又能精确地体现设计师的设计理念，为产品评审 决策工作提供直接、准确的模型，减少了决策工作中的不正确因素。

6、 模具工程技术研究中心 METRC7快速成型制造技术的应用 二、设计评价 利用快速成型制造技术制作出的样件能够使用户非常直观地了解尚未投 入批量生产的产品外观及其性能并能及时作出评价，使厂方能够根据用户 的需求及时改进产品，为产品的销售创造有利条件并避免由于盲目生产可 能造成的损失。同时，投标方在工程投标中采用样品，可以直观、全面地 提供评价依据，使设计更加完善，为中标创造有利条件。 在产品开发与设计过程中，由于设计手段和其他方面的限制，每一项设 计都可能存在着一些人为的设计缺陷。如果未能及早发现，就会影响后续 工作，造成不必要的损失，甚至会导致整个设计的失败。使用快速成型制 造技术可以将这种

7、人为的影响减少到最低限度。快速成型制造技术由于成 型时间短、精度高，可以在设计的同时制造高精度的模型，使设计者能够 在设计阶段对产品的整体或局部进行装配和综合评价，从而发现设计上的 缺陷与不合理因素，改进设计。 因此，快速成型制造技术的应用可把产品的设计缺陷消失在设计阶段， 最终提高产品整体的设计质量。 模具工程技术研究中心 METRC7快速成型制造技术的应用 下图给出的是某新型豪华客车用于外观评估的经过喷漆等处理的RP模型， 该模型大小为实际尺寸的1/10 模具工程技术研究中心 METRC7快速成型制造技术的应用 三、装配校核 进行装配校核、干涉检查等对新产品开发，尤其是在有限空间内的复杂

8、、昂贵系统（如卫星、导弹）的可制造性和可装配性检验尤为重要。 如果一个产品的零件多而且复杂就需要做总体装配校核。在投产之前，先 用快速成型制造技术制作出全部零件原型，进行试安装，验证设计的合理 性和安装工艺与装配要求，若发现有缺陷，便可以迅速、方便地进行纠正 ，使所有问题在投产之前得到解决。下图为某发动机气缸部件中气缸盖改 进设计后制作的用于装配检验的LOM模型。 模具工程技术研究中心 METRC7快速成型制造技术的应用 四、性能和功能测试 快速原型除了可以进行设计验证和装配校核外，还可以直接用于性能和功能参 数试验与相应的研究，如机构运动分析、流动分析、应力分析、流体和空气动力学 分析等。

9、采用快速成型制造技术可严格地按照设计将模型迅速地制造出来进行实验测试 ，对各种复杂的空间曲面更体现快速成型制造技术的优点。如风扇、风毂等设计的 功能检测和性能参数确定，可获得最佳扇叶曲面、最低噪音的结构。如果用传统的 方法制造原型，这种测试与比较几乎是不可能的。 下图给出的是为检验凸轮设计能否实现某机构的机械传动而制作的用于传动功 能检测的LOM模型。通过装机运转检测，根据反馈的信息进行了数次改进设计，最终 获得了能够完全满足运动要求的凸轮结构。 第三节 快速模具的母模 快速原型的另一大类应用就是作为翻制快速经济模具的母模，如硅橡 胶模具、聚氨酯模具、金属喷涂膜具、环氧树脂模具等软质模具进行单

10、件 小批量的试制以及浇注石膏、陶瓷、金属基合成材料、金属等硬质模具进 行塑料件或金属制件的批量生产。快速原型用作快速模具的母模是快速成 型制造技术经济效益的延伸和另一亮点。 模具工程技术研究中心 METRC7快速成型制造技术的应用 （1）硅橡胶模具的母模 硅橡胶软模在小批量制作具有精细花纹和无拔模斜度甚至倒拔模斜度的样件方 面具有突出的优越性，几乎所有的RP原型都可以作为硅橡胶模具制作的母模。下 图给出的是采用LOM原型翻制硅橡胶模具并进行产品快速制作的例子。 模具工程技术研究中心 METRC7快速成型制造技术的应用 （2）砂型铸造的木模 砂型铸造的木模一直以来依靠传统的手工制作，其周期长，精

11、度低。快速成型 技术的出现为快速高精度制作砂型铸造的木模提供了良好的手段，尤其是基于 CAD设计的复杂形状的木模制作，快速成型技术更显示了其突出的优越性。下图 给出的是砂型铸造的产品和通过快速成型技术制作的木模。 模具工程技术研究中心 METRC7快速成型制造技术的应用 （3）环氧树脂模具的母模 环氧树脂模具因为成本低廉且制件数量较硅橡胶模具大而适合于小批量产品的 试制。环氧树脂模具的制作同样需要RP模型做母模，通过树脂材料及添加材料浇 注而成，模具的寿命可以达到数百件，模具的表面质量主要取决于原型母模的表 面质量，尺寸精度可以达到0.1mm。下图给出的是环氧树脂模具制作产品的例子 。 模具工

12、程技术研究中心 METRC7快速成型制造技术的应用 第四节 在铸造领域的应用 RP技术出现以来，除了在新产品开发阶段具有较为广泛的需求外，一 直在铸造领域有着比较活跃的应用。在典型铸造工艺如熔模铸造等中为单 件或小批量铸造产品的制造带来了显著的经济效益。 在铸造生产中，模板、芯盒、压蜡型、压铸模等的制造往往是靠机械加 工的办法，有时还需要钳工进行修整，费时耗资，而且精度不高。特别是 对于一些形状复杂的薄壁铸件，例如飞机发动机的叶片、船用螺旋浆，汽 车、拖拉机的缸体、缸盖等，模具的制造更是一个老大难的问题。虽然一 些大型企业的铸造厂也进口了一些数控机床、仿型铣等高级设备，但除了 设备价格昂贵之外

13、，模具加工的周期也很长，而且由于没有很好的软件系 统支持，机床的编程也很困难。面对今天世界上经济市场的竞争，产品的 更新换代日益加快，铸造模具加工的现状很难适应当前的形势。而快速成 型制造技术的出现为解决这个问题提供了一条颇具前景的新路。 目前，快速成型技术在铸造中的应用主要有以下3个方面： 模具工程技术研究中心 METRC7快速成型制造技术的应用 模具工程技术研究中心 METRC 直接浇注铸件 这种方法适用于形状复杂的单件生产，例如航空航天工业中的特铸件，或者是在新产品 试制时先做一两个铸件供进一步试验用。具体操作是将RP原型或者用熔模铸造方法制壳浇注 铸件，或者用消失模铸造方法直接浇注铸件

14、。 用原型翻制母模后再浇注铸件 对铸件数量需要较多时可以应用这种方法。它是先用硅橡胶方法、石膏型方法等翻制母模， 然后制蜡模或直接浇注成铸件。如SLS法所使用的原料为石蜡、尼龙或聚碳酸酯等，用聚碳酸 酯材料烧结制成的原型，在许多性能上优于石蜡，可以做许多复杂的高精度件。 美国克莱斯勒公司和通用机器公司应用SLS法减少新型汽车发动机零件的开发费用。克莱 斯勒公司用SLS法制成蜡模，生产形状很复杂的汽车进排气管，通用机器公司也用这种方法来 制造航天器上的复杂零件。美国的Rorketdyhe公司甚至用蜡和尼龙来做复杂的六缸气缸体模样 ，然后用熔模铸造的方法生产铸件。 利用原型模样制造模具 这个方面的

15、应用最广泛，可用于铸件的大量生产。 美国福特汽车公司用LOM法制造长685mm的汽车曲轴模样，先分3块做，然后再拼装成砂型 铸造用的模板，尺寸精度达到0.13mm。 7快速成型制造技术的应用 一、熔模铸造 熔模铸造也称为失蜡铸造，是一种可以由几乎所有的合金材料进行净形制造金 属制件的精密铸造工艺，尤其适合于具有复杂结构的薄壁件的制造。快速成型技 术的出现和发展，为熔模精密铸造消失型的制作提供了速度更快、精度更高、结 构更复杂的保障。尤其是3DSystems公司开发的QuickCast工艺，更加突出了RP 技术在熔模铸造领域应用的优越性。 熔模铸造的工艺过程如下： 模具工程技术研究中心 METR

16、C7快速成型制造技术的应用 浇注法制作熔模铸造的消失型蜡模，如图所示。 将蜡质的标准浇注系统（浇口和浇道）和蜡型组装， 如图所示。 模具工程技术研究中心 METRC7快速成型制造技术的应用 将组装后的蜡型与浇注系统浸入到陶瓷浆中，反复挂砂和 干燥形成68mm的硬壳 ，如图所示。 向硬型壳中通入热水或蒸汽，使蜡型熔化并排出，得到空型壳 ， 如图所示。 硬型壳高温焙烧，进一步除去残留的蜡，得到可进行 浇注熔化金属的高强度陶瓷硬型壳 ， 如图所示。 模具工程技术研究中心 METRC7快速成型制造技术的应用 将陶瓷硬型壳预热至一定温度后，注入熔化金属 ，如图所 示。 冷却后，除去陶瓷壳，得到工件和浇注系统，再除去浇注系统