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1、机械工程学院计算机辅助设计论文题 目： 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 机制 1204 班 姓 名： 学 号： 得分快速成型技术应用现状及发展趋势摘要: 快速成型技术以其独特的特点和长处,成为加速新产品开发及实现并行工程的有效技术,具有广泛的应用领域和应用价值,发展十分迅猛,该技术的重要性已不容忽视。快速成型技术问世以来，已实现了相当大的市场，发展非常迅速。人们对材料逐层添加法这种新的制造方法已逐步适应。该技术通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段结合，已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了广泛应用。快速成型技术是基于离散/
2、 堆积的原理。在计算机的控制下快速成型机的成型头选择性地固化一层层的液体材料(或选择性的切割一层层的纸、烧结一层层的粉末材料、喷涂一层层的热熔性材料等) ,形成各个截面轮廓并逐步顺序叠加成三维工件实体。RP 技术的主要方法有:光固化立体造型SLA、分层物件制造、选择性激光烧结法、熔融沉积造型。关键词: 快速成型技术; 应用现状; 发展趋势一、快速成型技术的原理与发展快速成形技术(Rapid Prototyping；RPM)又称快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)技术，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
3、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。 20 世纪80 年代初在美国出现, 90 年代在全球得到迅速发展的一门综合性、交叉性前沿技术, 是先进制造技术的重要组成部分, 也是制造技术的一次飞跃, 具有很高的加工柔性和很快的市场响应速度, 为制造技术的发展创造了一个新的机遇。快速成型技术的发展历史快速成型技术首
4、先在美国得到使用, 1987 年3D System 公司首次推出商业化的快速成型设备。当1988 年将第1 台设备SLA 21 卖给Bater Healthare、Pratt and Whitney 和Eastman Kodak时, 就标志着快速成型技术工业化应用的开始。20世纪90 年代, 快速成型技术的应用范围迅速扩大,使用单位包括美国的波音和通用、德国的奥迪和宝马等许多国际知名大公司。1992 年, 快速成型设备已经在17个国家的500 个项目中得到工业应用;1994 年9 月, 世界上投入使用的快速成型设备增加到800 多台, 其中美国占绝大多数, 日本有100 多台; 1996 年底
5、, 全世界已安装了1 400 多台快速成型设备。至2000 年6 月, 已有40 多家公司设计、制造快速成型设备, 其在全球的使用数量已达2 000多台。我国于90 年代初才开始快速成型技术研究, 主要有西安交通大学、清华大学、华中科技大学及北京隆源自动成型系统有限公司, 进行了光固化成型、熔融沉积造型、分层实体制造和选区激光烧结成型技术与设备研究, 目前其相应的快速成型设备均已实现商品化。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RPM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
6、发展至今，以其技术的高速性、高集成性、高柔性、自动化程度高而得到了迅速发展。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。 二、快速成型技术特点1 快速性。通过STL格式文件, 快速成型制造系统几乎可以与所有的CAD 造型系统无缝连接, 从CAD模型到完成原型制作通常只需几小时到几十小时,可实现产品开发的快速闭环反馈。以快速原型为母模的快速模具技术, 能够在几天内制作出所需材料的实际产品, 而通过传统的钢制模具制作,至少需要几个月的时间。2 高度集成化快速成型技术实现了设计与制造的一体化。在快速成型工艺中,
7、计算机中的CAD模型数据通过接口软件转化为可以直接驱动快速成型设备的数控指令, 快速成型设备根据数控指令完成原形或零件的加工。3 与工件复杂程度无关快速成型技术由于采用分层制造工艺, 将复杂的三维实体离散成一系列层片加工和加工层片之叠加, 大大简化了加工过程。它可以加工复杂的中空结构且不存在三维加工中刀具干涉的问题,理论上可以制造具有任意复杂形状的原形和零件。4 高度柔性快速成型系统是真正的数字化制造系统, 仅需改变三维CAD模型, 适当地调整和设置加工参数, 即可完成不同类型的零件的加工制作, 特别适合新产品开发或单件小批量生产。并且, 快速成型技术在成型过程中无需专用的夹具或工具,成型过程
8、具有极高的柔性, 这是快速成型技术非常重要的一个技术特征。5 自动化程度高快速成型是一种完全自动的成型过程, 只需要在成型之初由操作者输入一些基本的工艺参数,整个成型过程操作者无需或较少干预。出现故障, 设备会自动停止, 发出警示并保留当前数据。完成成型过程时, 机器会自动停止并显示相关结果。三、快速成形的工艺方法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
9、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
10、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
11、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
12、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。 除了上述4种最为熟悉的技术外，还有许多技术也已经实用化，如三维打印技术、光屏蔽工艺、直接壳法、直接烧结技术、全息干涉制造等。 四、快速成型技术的应用和发展现状快速成型技术的核心竞争力是其制造成本低和市场响应速度快, 而生产厂家于利润和速度的考虑而逐步采用快速成型技术, 从而促使快速成型技术得以迅速发展和推广应用, 尤其在工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学
13、、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到了广泛应用。并且随着这一技术本身的发展，其应用领域将不断拓展。快速成型技术的实际应用主要集中在以下几个方面： 1.在新产品造型设计过程中的应用快速成形技术为工业产品的设计开发人员建立了一种崭新的产品开发模式。运用RPM技术能够快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的实物模型(样件)，这不仅缩短了开发周期，而且降低了开发费用，也使企业在激烈的市场竞争中占有先机。 2.在机械制造领域的应用由于RPM技术自身的特点，使得其在机械制造领域内，获得广泛的应用，多用于制造单件、小批量金属零件的制造。有些特殊复杂制件，由于只需单件生产，或少于50件的小批量，一
14、般均可用RPM技术直接进行成型，成本低，周期短。 3.快速模具制造传统的模具生产时间长，成本高。将快速成型技术与传统的模具制造技术相结合，可以大大缩短模具制造的开发周期，提高生产率，是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径。快速成形技术在模具制造方面的应用可分为直接制模和间接制模两种，直接制模是指采用RPM技术直接堆积制造出模具，间接制模是先制出快速成型零件，再由零件复制得到所需要的模具。 4.在医学领域的应用近几年来，人们对RPM技术在医学领域的应用研究较多。以医学影像数据为基础，利用RPM技术制作人体器官模型，对外科手术有极大的应用价值。 5.在文化艺术领域的应用在文化艺术领域，快速成形制造
15、技术多用于艺术创作、文物复制、数字雕塑等。 6.在航空航天技术领域的应用在航空航天领域中，空气动力学地面模拟实验(即风洞实验)是设计性能先进的天地往返系统(即航天飞机)所必不可少的重要环节。该实验中所用的模型形状复杂、精度要求高、又具有流线型特性，采用RPM技术，根据CAD模型，由RPM设备自动完成实体模型，能够很好的保证模型质量。 7.在家电行业的应用目前，快速成形系统在国内的家电行业上得到了很大程度的普及与应用，使许多家电企业走在了国内前列。如：广东的美的、华宝、科龙；江苏的春兰、小天鹅；青岛的海尔等，都先后采用快速成形系统来开发新产品，收到了很好的效果。快速成形技术的应用很广泛，可以相信，随着快速成形制造技术的不断成熟和完善，它将会在越来越多的领域得到推广和应用。快速成型技术发展现状方面：1比较典型的快速成型工艺有分层实体制造、选区激光烧结、熔丝沉积制造、三维印刷, 每种技术各有优缺点, 其中选区激光烧结的材料适用范围最广, 是实现金属零件直接快速成型的较好方法。目前实现金属零件快速成型的工艺方法有两大类: 间接法和直接法。间接法成型精度较高, 但是成型工艺复杂, 而直接法成型工艺简单, 成型精度稍差。间接法比较成熟, 主要有硅橡胶法, 选区激光烧结+ 精密铸造法, 选区激光烧结+ 铜反渗法和选区激光烧结+ HIP 法。直接法目前只有德国EO S 公司刚开
