快速成型技术及其发展综述

《快速成型技术及其发展综述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《快速成型技术及其发展综述（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、计算机集成制造技术与系统读书报告题目名称专业班级学号学生姓名指导老师快速成型技术及其发展摘要：快速成型技术兴起于20世纪80 年代，是现代工业发展不可或缺的一个重要环节。本 文介绍了快速成型技术的产生、技术原理、工艺特点、设备特点等方面，同时简述快速成型 技术在国内的发展历程。关键词：快速成型烧结固化叠加发展服务1 快速成形技术的产生快速原型（Rapid Prototyping, RP）技术，又称快速成形技术，是当今世界上飞速发展的制 造技术之一。快速成形技术最早产生于二十世纪70年代末到80年代初，美国3M公司的阿 伦赫伯特于1978年、日本的小玉秀男于1980年、美国UVP公司的查尔斯胡尔

2、1982年和日 本的丸谷洋二1983年，在不同的地点各自独立地提出了 RP的概念，即用分层制造产生三 维实体的思想。查尔斯胡尔在 UVP 的继续支持下，完成了一个能自动建造零件的称之为 Stereolithography Apparatus （SLA）的完整系统SLA-1, 1986年该系统获得专利，这是RP发 展的一个里程碑。同年，查尔斯胡尔和UVP的股东们一起建立了 3D System公司。与此同 时，其它的成形原理及相应的成形系统也相继开发成功。1984 年米歇尔法伊杰提出了薄材 叠层（Laminated Object Manufacturing，以下简称 LOM）的方法，并于 1985

3、 年组建 Helisys 公司，1992年推出第一台商业成形系统LOM-1015。1986年，美国Texas大学的研究生戴 考德提出了选择性激光烧结（Selective Laser Sintering,简称SLS）的思想，稍后组建了 DTM 公司，于1992年开发了基于SLS的商业成形系统Sinterstation。斯科特科瑞普在1988年提 出了熔融成形（Fused Deposition Modeling，简称FDM）的思想，1992年开发了第一台商业机 型 3D-Modeler。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， 但是SLA、SLS和FDM

4、几种技术，目前仍然是RP技术的主流，最近几年LJP （立体喷墨 打印）技术发展迅速，以色列、美国、日本等国的RP设备公司都力推此类技术设备。2基本原理快速成形技术是在计算机控制下，基于离散、堆积的原理采用不同方法堆积材料，最 终完成零件的成形与制造的技术。1、从成形角度看，零件可视为“点”或“面”的叠加。从CAD电子模型中离散得到“点” 或“面”的几何信息，再与成形工艺参数信息结合，控制材料有规律、精确地由点到面，由面 到体地堆积零件。2、从制造角度看，它根据CAD造型生成零件三维几何信息，控制多维系统，通过激 光束或其他方法将材料逐层堆积而形成原型或零件。3快速成型技术特点RP技术与传统制造

5、方法（即机械加工）有着本质的区别，它采用逐渐增加材料的方法（如 凝固、焊接、胶结、烧结、聚合等）来形成所需的部件外型，由于RP技术在制造产品的过 程中不会产生废弃物造成环境的污染，（传统机械加工的冷却液等是污染环境的），因此在当 代讲究生态环境的今天，这也是一项绿色制造技术。RP技术集成了 CAD、CAM、激光技术、数控技术、化工、材料工程等多项技术，解决了 传统加工制造中的许多难题。RP技术的基本工作原理是离散与堆积，在使用该技术时，首先设计者借助三维CAD或者 通过逆向工程所采集的几何数据，建立数字化模型，这是完成快速成型制造的一项基本条件， 借助现有的主流三维设计软件建立三维模型，再经过

6、三维CAD导出相应的文件格式输入快 速成型机当中，通过逐点、逐面进行三维的立体堆积，部件完成后，再经过必要的后续处理， 使完成的部件在性能、形状尺寸、外观上等方面达到设计要求。RP技术的特点从原理上说，应用RP技术来进行产品制造，可以忽略产品部件的外形复杂程度（这也是与 传统机械加工方式制造产品的最大区别之一），原材料的利用率接近100%，制造精度最高可 达 0.01mm。RP技术的主要特点有：3.1 制造快速RP技术是并行工程中进行复杂原型或者零件制造的有效手段,能使产品设计和模具生产同步进行，从而提高企业研发效率，缩短产品设计周期，极大的降低了新品开发的成本及风险， 对于外形尺寸较小，异形

7、的产品尤其适用。3.2 CAD/CAM技术的集成设计制造一体化一直来说是现在的一个难点，计算机辅助工艺（CAPP）在现阶段由于还无 法与CAD、CAM完全的无缝对接，这也是制约制造业信息化一直以来的难点之一，而快速 成型技术集成CAD、CAM、激光技术、数控技术、化工、材料工程等多项技术，使得设计 制造一体化的概念完美实现。3.3 完全再现三维数据经过快速成型制造完成的零部件，完全真实的再现三维造型，无论外表面的异形曲面还是 内腔的异形孔，都可以真实准确的完成造型，基本上不再需要再借助外部设备进行修复。3.4 成型材料种类繁多到目前为止，各类 RP 设备上所使用的材料种类有很多，树脂、尼龙、塑

8、料、石蜡、纸以 及金属或陶瓷的粉末，基本上满足了绝大多数产品对材料的机械性能需求。3.5 创造显著的经济效益与传统机械加工方式比较，开发成本上节约10倍以上，同样，快速成型技术缩短了企业的 产品开发周期，使的在新品开发过程中出现反复修改设计方案的问题大大减少，也基本上消 除了修改模具的问题，创造的经济效益是显而易见的。3.6 应用行业领域广RP技术经过这些年的发展，技术上已基本上形成了一套体系，同样，可应用的行业也逐渐 扩大，从产品设计到模具设计与制造，材料工程、医学研究、文化艺术、建筑工程等等都逐 渐的使用RP技术，使得RP技术有着广阔的前景。4现阶段主流的RP工艺方法介绍4.1 SLA （

9、立体光造型技术）立体光造型技术是典型的逐层制造法，采用光敏树脂（聚丙烯酸脂）为原料，紫外激光在 工控机的控制下根据零件的分层截面信息，在光敏树脂等相应材料的液面进行逐点扫描，被 扫描区域的树脂经过光聚合反应而固化，形成零件的一个分层截面，一层固化好后工作平台 下降一个分层厚的距离，以便在先前固化好的零件分层截面是重新涂抹一层新的液态树脂， 然后工控机控制激光再扫描下一分层截面，层与层之间也因此而紧密连接在一起没有缝隙。 如此反复直至整个零件成型。国外的SLA技术以美国的3D SYSTEM公司为代表，设备技术都较为成熟，同时日本德国 以色列都也有各自具有特色比较成熟的SLA快速成型技术。国内是以

10、西安交大的设备较为 成熟，现已开发出一整套SLA快速成型机，成型速度、零件精度都已接近国外先进技术。总体来说SLA技术的优势是成型零件精度高，表面质量好，原材料利用率高，而且可以制 作形状复杂的零件。但SLA技术也有一定的局限性就是不能选用多种材料，只能固定用光 敏感材料。4.2 SLS （选择激光烧结技术）SLS与SLA有相似之处，都是在激光的选择下对材料进行烧结，区别在于SLS的材料不是 液态的光聚合物，而是粉末材料，金属、尼龙、塑料、陶瓷等粉末材料均可，这样就使得 SLS 的适用范围更广，航空、航天、汽车、家电等行业中去，因此在这里的行业在工艺上， SLS 控制激光，选择性的烧结粉末，使

11、粉末烧结固化形成一个层面，经过电机 的驱动，使粉末固化层下降一个层厚的高度，重新涂铺一层粉末再进行激光扫描重复之前的 步骤，直到完成整个三维数模的实体造型。目前世界范围内进行SLS技术研究的主要是美国的DTM公司，德国队EOS公司以及中国 北京隆源公司。其中DTM公司的SLS设备在市场使用率上占据领先地位，而EOS公司在 金属粉末烧结方面有着自己的特点。4.3 FDM（熔融沉积成型技术）FDM与之前的SLA、SLS有一些区别，它采用热熔喷头，使熔融的材料，比如尼龙、塑料 等，根据CAD数据信息的将材料挤压在制定位置凝固成型，逐层堆积，最后形成完整的零 件。现在世界上FDM技术较为领先的是美国的

12、Stratasys公司和Dimension公司，占据了市 场大多数的份额。4.4 LJP （立体喷墨打印技术）LJP 技术在早些年就已经产生，在美国麻省理工学院开发成功，但并没有完全推向市场， 大多应用于内部研究，而近来立体打印技术经过技术改进，逐步在市场上占据一定的地位。 从技术特点以及工艺上来看，LJP与FDM有相似之处，都采用的是将材料加热到熔融状态， 再将材料喷出，堆积形成实体三维模型，但 LJP 的成型速度更快，表明质量更高，而且吸 取了 FDM可以随意更换制造原料的特性，一种材料装在一个墨盒里，每次制作前根据需要 选择原料，方便快捷，同时又排除了 FDM的缺点，比如成型速度慢，表面

13、光洁度较低，模 型精度不理想等，LJP制作出样品的外观质量基本上可以与SLA相媲美，因此近几年采用 LJP工艺的快速成型设备逐渐占据了主流市场。还有一种是LOM（纸张叠层造型技术）由于制作出的三维模型精度低，表明光洁度差，经 常无法准确再现三维数字模型，现在已经逐渐走向没落。5.应用不断提高RP技术的应用水平是推动RP技术发展的重要方面。目前，快速成型技术已 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、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。RP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

14、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RP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RP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，一般均可用RP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

15、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RP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RP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RP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

16、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RP技术，根据CAD模型，由RP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。6发展方向从目前RP技术的研究和应用现状来看，快速成型技术的进一步研究和开发工作主要有 以下几个方面：(1) 开发性能好的快速成型材料，如成本低、易成形、变形小、强度高、耐久及无污染 的成形材料。(2)