快速成形第1章

《快速成形第1章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《快速成形第1章（45页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、快速成形与快速制模技术 Rapid Prototyping Manufacturing technology,授课人：曾珊琪机电工程学院 材料成型及控制教研室,1,第一章 概 论,1.1 快速成形技术的形成和发展 1.2 快速成形技术的基本原理和应用特点 1.3 快速成形技术的展望,1.1 快速成形技术的形成和发展,快速成形技术形成的背景 随着科学技术的进步，市场竞争日趋激烈，产品更新换代加速。缩短新产品的设计与试制周期，降低开发费用，是每个制造厂商面临的迫切问题。 按常规方法制作产品原型，一般需采用多种机床加工或手工造型，时间长达几周或几个月，加工费用昂贵。另外，对于某些复杂形状的零件和硬质

2、合金材料，即使采用多轴CNC加工也还存在一些无法解决的问题。,快速成形技术形成的条件 依赖于先进制造技术及计算机、微电子、信息、自动化、新材料和现代化企业管理技术的发展。 集计算机辅助设计、精密机械、数控、激光技术和材料科学为一体的新型技术。 采用离散、堆积原理，自动而迅速地将所设计物体的CAD几何信息转化成实物原型，根据不同要求，将RPM原型和铸造等传统工艺相结合，快速制造出实用零件。,快速成形技术的发展过程 美国3D系统公司是第1家从事RPM技术研究的。开发出世界第1套立体光照印刷成型快速成形系统(SLA) 1988年推出第1台商品化快速成形系统SLA-I。 美国Helisys公司首创分层

3、物体制造方法(LOM) 1992年推出第一台商业成形系统LOM-1015。 美国DTM公司提出了选择性激光烧结(SLS)的思想 1992年开发了基于SLS的商业成形系统Sinterstation。 Stratasys公司开发熔丝沉淀制造方法(FDM) 1992年开发了第一台商业机型3D-Modeler。 麻省理工学院开发了三维印制法（TDP）。,继美国之后，日本迅速开展了快速成形技术的研究，1988年三菱商社研制出与SLA类似的光照成型系统，命名为紫外激光扫描立体生成法SOUP（Short for Solid Object Ultraviolet Laser Plotter）,并率先在日本市场

4、出售。 随后，SONY、三井造船、帝人制机等数家公司也投入快速成形技术的开发行列。 德国EOS公司开发出Stereos Eosint系统 以色列Cubital 开发的Solider系统等。 许多国家出现了大量的快速成形技术应用服务机构（Rapid Prototping Service Bureau）。,快速成形技术的发展过程,快速成形技术应用效益举例,德国大众汽车公司采用RPM技术中的分层物体制造方法LOM，成功地制造了异常复杂的Golf、Passat轿车的齿轮箱体原型，精度超过传统方法，所用时间由8周缩短为2周。此原型用来作为铸模生产金属齿轮箱体铸件。 美国Ford汽车公司采用RPM原型和精

5、密铸造工艺方法，生产出注塑模模腔嵌块，所花时间和费用仅为传统工艺的一半。该公司认为，随着RPM技术进一步完善，将来制造注塑模的时间可减少到三周，费用降低60%，经济效益十分可观。,快速成形技术应用效益举例,美国Pratt & Whitney快速制造实验室于1994年制造了2000个铸件，按常规方法约需700万美元，而用RPM方法，只用了60-70万美元，生产时间节约了70%-90%。 美国一设计高尔夫杆的公司，原来由手工艺人和设计者共同工作，用黄铜制作模型，费时费力只制作三个方案。 采用LOM-1015型RPM机，一年之内做了90个物理模型。以低成本在短时间内尝试众多的方案。 方案确定后，用L

6、OM机加工出制造注射模用蜡模，再用熔模铸造方法，铸出不锈钢或钛球杆头部模型。,也可采用LSL方法制造球杆头部模型（图示）,快速成形技术已发展规模和趋势,目前全球生产各类快速成形设备的公司已超过18家。第1台商品化RPM设备1988年才问世 但到1994年，全球已销售了891台RPM设备 而1995年又销售了521台，比1994年上升60%。,快速成形技术已发展规模和趋势,表中所示是全世界RPM服务中心的初步统计数据（截止1996年初）。1995年时，服务中心49%分布在美国，20%分布在欧洲；1996年时，54%分布在美国，31%分布在欧洲。可见RPM应用的增长趋势是十分明显的，欧美等国尤其如

7、此。,我国自90年代开始快速成形技术的研究和应用。 有几家公司引进了国外的RPM系统。 清华大学、华中理工大学、西安交通大学、南京航空航天学等几所高等院校及北京隆源自动成形有限公司均开展了快速成形技术的研究和开发，并开始有产品问世。 已研制出的样机或系统有: 华中理工大学基于分层物体制造方法（LOM）的HRP系统； 隆源公司基于选择性激光烧结SLS的RPS系统。 自从80年代中期SLA光成形技术发展以来到90年代后期，出现了几十种不同的RP技术，SLA、LOM、SLS和FDM四种技术，目前仍然是RP技术的主流。,快速成形技术已发展规模和趋势,1.2 快速成形技术的基本原理和应用特点,快速成形技

8、术基本原理 在成形概念上，以材料添加法为基本思想，目标是将计算机三维CAD模型快速地转化为由具体物质构成的三维实体原型。 其过程可分为离散和堆积两个阶段。 1）在CAD造型系统中获得一个三维CAD模型，或通过测量仪器测取实体的形状尺寸，转化成CAD模型； 2）对模型数据进行处理，沿某一方向进行平面“分层”离散化。然后通过专有的CAM系统（成型机）将成形材料一层层加工，并堆积成原型。 其过程如下图所示。,RP成形工艺流程,RP的工艺过程,（1）三维模型构造 设计三维模型 将已有产品的二维三视图转换成三维模型 用扫描机对已有的产品实体进行扫描,得到三维模型,硬件环境：工作站和高档微型计算机。 常用

9、软件包括：Pro/E 、Auto CAD 、Solid Work 、 Unigraphics、 Computervision等。 这些软件系统能将零件的曲面或实体模型，自动转化成易于切片处理的表面三角形模型。,RP的工艺过程,（2）三维模型的近似处理 用一系列小三角形平面逼近自由曲面。 每个小三角用3个顶点坐标和一个法向量描述。 三角形大小可以选择，从而得到不同的曲面近似程度。 经过近似处理的三维模型文件称为STL格式文件。,RP的工艺过程,美国3D公司开发的CAD模型的STL格式是用一系列相连的空间三角形组成。,典型的CAD软件都有转换和输出STL格式文件的接口，但有时输出的三角形会有少量错

10、误，需要进行局部修改。,RP的工艺过程,（3）三维模型的切片处理 模型切片处理是一个分层过程，也称Z向分离。 它将STL格式的CAD模型，根据有利于零件堆积制造而优选的特殊方位，横截成一系列具有一定,厚度的薄层，得到每一切层的内外轮廓等几何信息。 若每层的厚度有变化时，可采用实时切片方式。,RP的工艺过程,切片间隔的大小按精度和生产率要求选定。 间隔越小则精度越高，成型时间越长。 间隔的范围为0.05mm0.5mm,常用0.1mm。 各种成型系统都带有切片处理软件，可以自动提取模型的截面轮廓。,（4）截面加工 根据切片处理的截面轮廓，在计算机控制下，RP系统中的成形头在x-y平面内自动按截面轮

11、廓进行一层层扫描。,RP的工艺过程,（5）截面叠加 每层截面成形之后，下一层材料被送至已成形的层面上，然后进行后一层截面的成形，并与,前一层相粘结，从而将一层层的截面逐步叠合在一起，最终形成三维产品。,RP的工艺过程,（6）后处理 从成形机中取出成形件，根据不同的要求进行打磨、涂挂、或者放进高温炉中烧结等工艺。,RP的工艺过程,快速成形技术实现了不用任何刀具而迅速完成各种零件的制作，并为用常规方法不能或难于制造的零件或模型提供了一种新型的制造手段。,快速成形技术应用领域 RPM技术的灵活性和快捷性，在航天航空、汽车外型设计、玩具、电子仪表与家用电器塑料件制造、人体器官制造、建筑美工设计、工艺装

12、饰设计制造、模具设计制造等技术领域已展现出良好的应用前景。 国外运用RPM技术的行业有：航空/航天、汽车及有关生产、消费品、电器及日用品、电子产品、铸造厂、政府研究中心、医疗界、重工业、工模具厂、大学及理工研究所、原型制作/服务中心产品设计。,快速成形技术的应用特点,1）能由产品设计图纸、CAD数据、或由测量机测得的现有产品几何数据，直接制成所描绘模型的塑料件或金属件。 2）采用将三维形体转化为二维平面分层制造的机理，对工件的几何构成复杂性不敏感，能制造任何复杂的零件，充分体现设计细节，尺寸和形状精度大为提高，不需进一步机加工。,快速成形技术的应用特点,3）快速制造模具。 能借助电铸、电弧喷涂

13、等技术，由塑料件制造金属模具； 将快速制作的原型当作消失模（也可通过原型翻制制造消失模的母模，用于批量制作消失模），进行精密铸造； 快速制作高精度的复杂木模，进一步浇铸金属件； 通过原型制造石墨电极，然后由石墨电极加工出模具型腔； 直接加工出陶瓷型壳进行精密铸造。,快速成形技术的应用特点,4）在新产品开发中的应用，通过原型,设计者可以很快地评估一次设计的可行性并充分表达其构思。 外形设计。计算机CAD造型系统在屏幕上显示产品设计模型，不能象RPM原型直接和可视，尤其对复杂形体。采用概念成型的RPM原型作为产品销售的市场宣传工具，可以迅速地让用户对其开发的新产品进行比较评价，确定最优外观。,快速

14、成形技术的应用特点,检验设计质量。以模具制造为例，传统的方法是根据CAD几何造型在数控机床上开模，这对昂贵的复杂模具而言，风险太大，设计上的不慎就可能造成一定的损失。利用RPM技术，可在开模前精确地制造出将要注射成形的零件，设计上的问题和错误都能在模型上清楚地显示出来，减少了盲目开模的风险。RP制造的模型又可作为数控仿形铣床的靠模。 功能检测。利用原型快速进行不同设计的功能测试，优化产品设计。如风扇等的设计，可获得最佳扇叶曲面、最低噪音的结构。,快速成形技术的应用特点,5）能根据有限元分析计算机辅助模拟CAE的结果，制作实体，检验仿真分析的正确性。在短时间内，用少的费用，对设计进行多次修改，制

15、作相应的模型验证，使产品达到完美。 6）快速成形过程是高自动化，长时间连续进行的，操作简单，可以做到昼夜无人看管，一次开机直至整个工件加工结束都可自动进行。,快速成形技术的应用特点,7）试制成本低。快速成形技术的制作过程不需要工装模具的投入，其成本只与成形机的运行费、材料费及操作者工资有关，与产品的批量无关，很适宜于单件、小批量及特殊、新试制品的制造。 8）直接制造复合材料零件。,快速成形技术的应用特点,9）实现反求工程。快速造型中的反求工程具有广泛的应用。激光三维扫描仪、自动断层扫描仪等多种测量设备能迅速高精度地（达几个丝的精度）测量物体外轮廓或内外轮廓并将其转化成CAD模型数据，进行RPM

16、加工。 应用包括：,快速成形技术的应用特点,现有产品的复制与改进，先对反求而得的CAD模型在计算机中进行修改、完善，再用成形机快速加工出来； 医学上，将RP与CT扫描技术结合，能快速、精确地制造假肢、人造骨骼、手术计划模型等； 人体头像立体摄影。数分钟内即可扫描完毕，由于采用的是极低功率的激光器，对人体无任何伤害。正因为反求法和RPM的结合有广泛的用途，国外的RPM服务机构一般都配有激光扫描仪。,快速成形技术的应用特点,RPM技术的应用使得产品的设计与制造过程有可能并行进行（见图），共成一闭环系统，改变了传统的设计制造程式，充分体现了“设计评价制造”一体化思想。,1.3 快速成形技术的展望,国

17、外有人预测：快速成形技术将很快成为一种一般性的加工方法，这一技术在我国许多行业将有巨大的潜在市场。 目前，快速成形技术最突出的问题是，所制原型零件的物理性能较差，成形机的价格较高，运行成本较高，零件精度低，表面粗糙度值较大，成形材料仍然有限。 国内外都在开展广泛而深入的研究，归纳起来主要在以下几个方面：,快速成形技术的展望,1）大力改善现行快速原型制作机的制作精度、可靠性和制作能力，缩短制作时间。 新一代的机型不断推出，如： 3D Systems公司新推出的SLA500/40的制作速度比SLA500/30快45%； Sinterstation 2500的制作范围已达330mm381mm432mm； Helisys96夏季推出了它的第二代LOM机，即重新工程化的LOM2030。,