快速成型制造技术的应用

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1、快速成型与快速模具制造技术及其应用,机械工业出版社（第三版）,第十章 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，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。快速成型技术自1988年商品化设备推出之后，其设备销售量逐年增加，图10-1给出了在最初的10几年间世界范围内RP系统的安装统计情况，图10-2给出的是各种主要RP系统截止到2

2、001年底的安装统计。从图10-1每年设备数量递增的梯度看，快速成型技术自出现之后，得到了广泛认可和迅速发展。据美国工程自动化咨询公司的RP市场2002年调查报告，该行业2002年的产值接近7亿美元，如图10-3所示。与CNC初期市场相比，RP行业的发展速度是相当惊人的，19881997年度RP产值以53.6%的年平均速度增长，而在19701981年度，CNC市场的年平均增长率为22%，所以有人比喻RP技术对制造业的冲击与贡献可以与20世纪60年代出现的数控（NC）技术相媲美。,第十章 快速成型制造技术的应用,图10-1 RP系统年安装统计,第十章 快速成型制造技术的应用,图10-2 各主要R

3、P系统的安装统计,第十章 快速成型制造技术的应用,图10-3 RP行业的年收益及增长,第十章 快速成型制造技术的应用,快速原型的基本用途,快速成型技术的应用领域,快速成型技术在铸造领域的应用,快速成型技术在医学领域的应用,1,2,3,4,快速成型技术在生物工程领域的应用,5,第十章 快速成型制造技术的应用,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

4、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模型需求的目的如图10-4所示。从图10-4可见，设计可视化、装配检验与功能模型（FitFormFunction）占据着RP模型的主要需求，约占60，而另一主要应用领域就是快速模具母模的需求。,第一节 快速原型的基本用途,图10-4 对RP模型需求的目的,第一节 快速原型的基本用途,1. 概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

5、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,图10-5 概念设计可视化,“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10-5所示。,第一节 快速原型的基本用途,新产品的开发总是从外形设计

6、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。,第一节 快速原型的基本用途,2. 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

7、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

8、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。,第一节 快速原型的基本用途,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。 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,图10-6 某新型豪华客车用于外观评估的RP模型,第一节 快速原型的基本用途,3. 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、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

9、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。,图10-7 用于装配检验的气缸盖LOM模型,第一节 快速原型的基本用途,4. 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。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

10、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。,第一节 快速原型的基本用途,图10-8 用于运动功能测试的凸轮模型,右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。,采用SLS工艺快速制造内燃机进气管模型，如图10-9所示，可以直接与相关零部件安装，进行功能验证，快速检测内燃机运行效果以评价设计的优劣，然后进行针对性的改进以达到内燃机进气管产品的设计要求。,图10-9 采用SLS工艺制作的内燃机进气管模型,第一节 快速原

11、型的基本用途,总体来说，通过快速制造出物理原型，可以尽早地对设计进行评估，缩短设计反馈的周期，方便而又快速地进行多次反复设计，大大提高了产品开发的成功率，开发成本大大降低，总体的开发时间也大大缩短。,5. 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。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。,第一节 快速原型的基本用

12、途,图10-10 LOM原型做母模翻制的硅胶模具及产品,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。图10-11给出的是环氧树脂模具制作产品的例子。,图10-11 环氧树脂模具及产品,第一节 快速原型的基本用途,6. 直接制作快速模具采用快速成型技术可以直接制作不同用途的模具。采用SLS法可直接烧结金属模具和陶瓷模具，用作注塑、压铸、挤塑等塑料成型模及钣金成形模。DTM公司用Rapid Tool

13、专利技术，在SLS系统Sinterstation2000上将Rapidsteel粉末（钢质微粒外包裹一层聚酯）进行激光烧结得到模具后放在聚合物的溶液中浸泡一定时间，然后放入加热炉中加热使聚合物蒸发，接着进行渗铜，出炉后打磨并嵌入模架内即可。图10-12给出了采用上述工艺制作的高尔夫球头的模具及产品。,图10-12 采用SLS工艺制作高尔夫球头模具及产品,第一节 快速原型的基本用途,快速原型的基本用途,快速成型技术的应用领域,快速成型技术在铸造领域的应用,快速成型技术在医学领域的应用,1,2,3,4,快速成型技术在生物工程领域的应用,5,第十章 快速成型制造技术的应用,快速成型自出现之后，在众多

14、领域都得到了较为广泛的应用。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10-13所示。从图10-13可以看出，日用消费品和汽车两大行业对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。,图10-13 对RP模型需求的行业,第二节 快速成型技术的应用领域,第二节 快速成型技术的应用领域,1. 汽车行业快速成型技术应用效益较为显著的行业为汽车制造业，世界上几乎所有著名的汽车生产商都较早地引入快速成型技术辅助其新车型的开发，取得了显著的经济效益

15、和时间效益。现代汽车生产的特点就是产品的多型号、短周期。为了满足不同的生产需求，就需要不断地改型。虽然现代计算机模拟技术不断完善，可以完成各种动力、强度、刚度分析，但研究开发中仍需要做成实物已验证其,外观形象、工装可安装性和可拆卸性。对于形状、结构十分复杂的零件，可以采用快速成型技术制作零件原型以验证设计人员的设计思想，并利用零件原型做功能性和装配性检验。右图为采用光固化快速成型及技术制造的汽车水箱面罩原型。,汽车发动机研发中需要进行流动分析实验。将透明的模型安装在一简单的实验台上，中间循环某种液体，在液体内加一些细小粒子或细气泡以显示液体在流道内的流动情况。该技术已成功的用于发动机冷却系统（

16、气缸盖、机体水箱）、进排气管等的研究。问题的关键是透明模型的制造，用传统方法时间长，花费大且不精确，而用SLA技术结合CAD造型仅仅需要45周的时间且花费只为之前的三分之一，制作出的透明模型能完全符合机体水箱和气缸盖的CAD数据要求，模型表面质量也能满足要求。,第二节 快速成型技术的应用领域,右图所示为用于冷却系统流动分析的气缸盖模型。为了进行分析，该气缸盖模型装在了曲轴箱上，并配备了必要的辅助零件。图中的蓝色液体高亮显示了腔体的内部结构。当分析结果不合格时，可以将模型拆卸，对模型零件进行修改之后重装模型，进行另一轮的流动分析，直至各项指标均满足要求为止。,第二节 快速成型技术的应用领域,光固化成型技术在汽车行业除了上述用途外，还可以与逆向工程技术、快速模具制造技术相结合，用于汽车车身设计、前后保险杆总成试制、内饰门板等结构样件/功能样件试制、赛车零件制作等等。下图为基于SLA原型，采用Keltool工艺快速制作的某赛车零件的模具及产品。,第二节 快速成型技术的应用领域,