《快速成型技术的发展及关键技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《快速成型技术的发展及关键技术（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、摘要 成形材料的开发应用，可提升成形质量、拓宽原型应用的领域、 开发新的成形工艺.软件是快速成形技术的灵魂，第三方软件介入是 当前快速成形技术软件开发的一个明显趋势.基于快速成形思想的各 种新的工艺方法、研究与工艺装备开发，以及桌面化设备和功能原型 成形设备的开发，是新的快速成形设备研制的两大趋势. 关键词 快速成形，成形材料，软件技术,工艺装备Abstract By developing and applying material of forming or shaping， forming quality can be promoted， prototype application can
2、 be broadened， and new RP process can be developed. Software is the core of rapid prototyping technology. The field of rapid prototyping technology where commercial software involved is an obvious trend of software technique development at present. The research on various new technological method an
3、d technological equipment based on the principle of rapid prototyping as well as the development of desktop equipment and functionalizing equipment， are two R& D big trends in developing new RP equipment.Keywords rapid prototyping， forming material， software technique， process equipment引言快速成形制造(RPM)
4、是20世纪80年代末、90年代初由美国开发的高 新制造技术,其重要意义可与数控(CNC )技术相比。该技术采用材料累 加的新成形原理，直接通过CAD数据制成三维实体模型。这一技术不 需要传统的机床、夹具、刀具，便可快速而精密地制造出任意复杂形 状的零件模型，从而实现了 “自由制造”。快速成形出现给工业产品的 造型开发、工艺品的模型设计提供了最为便捷的制造工具，使产品的 开发速度数十倍地提高。而且越是复杂结构的物体，其制造速度提高 越显著。1快速成形技术的国内外研究现状快速成形技术（Rapid Prototyping Technology,以下简称RP技术） 是20世纪80年代中后期发展起来的一
5、项新兴的先进制造技术，其核 心思想是基于降维离散的方法，把任意复杂的三维实体通过切片处理, 转换为二维平面的制造和沿成形方向做一维的层片叠加，实现物理原 型的快速制造.我国快速成形技术自20世纪世纪90年代初开始发展，西安交通大学、 北京隆源公司等院校和企业在典型的快速成形设备、软件、材料等方 面的研究和产业化方面的获得了重大进展。随后国内许多高校和研究 机构也开展了相关研究，重点在金属成形方面开展研究。我国快速成 形技术的研究工作基本与国际同步。在快速成形技术新设备研发和应用方面我国则落后于国外。由于我国 在这方面的投入少，企业的应用开发能力弱，故相对于欧美国家，在新 技术的开发上已显落后。
6、在应用上，我们许多行业缺少后续技术研发， 例如在快速制造的原型向模具和功能零件转化方面没有形成系统技 术体系，企业没有很好地将此技术应用在产品开发方面。国外快速成 形技术在航空领域超过8%的应用量，而我国在这方面的应用量则非常 低。快速成形尤其适合于航空航天产品中的零部件单件小批量的制造, 具有成本低和效率高的优点。国外在航空航天器的研制中不断尝试应 用快速成形技术，显示出了巨大发展潜力。在我国重大的专项研究和 航空航天事业发展中，快速成形这一技术都有广泛的用途。因此，通过“产学研用”结合，通过不断与企业合作，拓展应用领域，将是快速成 形制造技术发展的根本方向。2快速成型系统的构成和原理2.1
7、系统构成快速成型系统主要由硬件和软件两部分组成。其中，硬件由工业控制 计算机、激光选区烧结器、光路及其扫描系统、成型室及送料室组成； 软件由操作系统、CAD软件、CAD切层软件、激光选区烧结控制软件 等组成。（一）快速成型技术的原理快速成型技术是将计算机技术、CAD、机械工程、数控技术、检测技 术、激光技术和材料科学等集合为一体的高新技术。近年来，该技术 在国内外得到了迅速的发展，并将成为21世纪制造业的重要组成部 分。其原理是根据对三维CAD电子模型进行分层切片处理，得到一系 列的二维截面轮廓，然后用激光束或其它方法切割、固化或烧结某种 状态材料，得到一层层的产品截面并逐步叠加成三维实体。R
8、P技术 摒弃了传统机械加工的材料“去除”加工法，而采用全新的材料增长 加工法，将复杂的三维加工分解成简的二维加工的组合，它从成型原 理上提出了一个全新的思维模式，是一个从离散到堆积的过程（二）快速成型工艺过程在快速成型工艺过程中，由于系统是由三维CAD模型直接驱动，因此 首先要构建所加工件的三维CAD模型。该三维CAD模型可以利用计算 机辅助设计软件直接构建，也可以将现有产品的二维图样进行转换而 形成三维模型，或对产品实体进行激光扫描、断层扫描，得到点云数 据，然后利用反求工程的方法来构造三维模型。其次是三维模型的近 似处理，由于产品往往有一些不规则的自由曲面，加工前要对模型进 行近似的处理，
9、以方便后续的数据处理工作。由于格式文件格式简单、 实用，目前已经成为快速成型领域的标准接口文件。它是用一系列的 小三角形平面来逼近原来的模型，每个小三角形用3个顶点坐标和一 个法向量来描述，三角形的大小可以根据精度要求进行选择。文件有 二进制码和ASCn码两种输出形式，二进制码输出形式所占的空间比 ASCn码输出形式的文件所占用的空间小得多，但ASCn码输出形式可 以阅读和检查。典型的CAD软件都带有转换和输出STL文件的功能。 后是三维模型的切片处理，根据被加工模型的特征选择合适的加工方 向，在成型高度方向上用一系列一定间隔的平面切割近似后的模型， 以便提取截面的轮廓信息。间隔一般常用0.1
10、mm。间隔越小，成型精 度越高，但成型时间也越长，效率就越低，反之则精度越低，但效率 高。最后成型加工与零件的后处理，根据切片处理的截面轮廓，在计 算机控制下，相应的成型头按各截面轮廓信息做扫描运动，在工作台上一层一层地堆积材料，然后将各层相粘结，最终得到原型产品。成 型零件的后处理是从成型系统里取出成型件，进行打磨、抛光、涂挂， 或放在高温炉中进行后烧结，进一步提高其强度。3快速成型技术的特点快速成型技术有如下优点：(1) 与模具的复杂程度无关，可以实现自由制造。无论多么复杂的模具, 只要设计出来，就可以用快速成型技术制造出来，这是传统的模具加工方法无法比拟的。(2) 生产模具的单价与批量无
11、关，特别适合于新模具的开发和单件小 批量模具的生产。(3) 对一些直接用成型料生产的模具，可以实现非接触加工；没有工具 的更换和磨损之类的问题；可以实现无人值班；不需要机加工方面的专门知识就可操作；无切割、噪音和振动等；有利于环保,材料无浪费。(4) 生产过程数字化，与CAD模型有直接的关联,零件可大可小，所见即所得，可随时修改、随时制造。(5) 模具生产周期大大缩短，是模具制造业甚至是制造业上的又一次 革命。比较见表1。(6) 大大节约模具生产的费用，有的可减少到传统生产方法的几分之 一甚至几十分之一。4快速成形技术发展趋势快速成形制造是一种以材料累加为原理的制造方法，可以制造任意复 杂的三
12、维结构。快速成形发展目前最大的难题是材料的物理与化学性 能制约了工艺实现。例如，在成形材料上，目前主要是有机高分子材料; 金属材料直接成形是近十多年的研究热点，难点在于如何提高精度。在成形材料上，发展方向是研究陶瓷材料和复合材料的快速成形制造。 在制造装备的发展上,三维打印机是国外近年来的发展热点。将其作 为计算机一个外设在应用。快速成形技术在工业造型、产品创意、工 艺美术等方面有着广泛的应用前景和巨大的商业价值。快速成形技术 的研究热点和发展方向分3个方面：(1) 快速成形制造技术本身的发展。例如三维打印技术,使快速成形走 向信息市场；金属直接成形技术使结构功能零件可直接制造。进一步 的发展
13、是陶瓷零件的快速成形技术和复合材料的快速成形。(2) 快速成形应用领域的拓展。例如快速成形在汽车制造领域的应用 为新产品的开发提供了快捷的支持技术。快速成形在生物假体与组织 工程上的应用，为人工定制假体制造、三维组织支架制造提供了有效 的技术手段。进一步是向创意设计、航空航天制造和功能结构器件领 域发展。(3) 快速成形学术思想的发展。快速成形从过去的外形制造向材料组 织与外形结构设计制造一体化方向发展。力图实现从微观组织到宏观 结构的可控制造。例如在制造复合材料时，能否将复合材料组织设计 制造与外形结构设计制造同步完成。这样从更广泛的意义上实现结构体的“设计一材料一制造”一体化。5快速成形的
14、相关技术1. 计算机技术是快速成形产生的根本。CAD技术的出现使设计出现了 一次飞跃，它使得人的思维、创新设计能力以数字的形式记录于机器 之中。这样对其进行的后处理也变得十分容易。CAD技术实现了零件 的曲面和实体造型，能够进行精确的离散运算和繁杂的数据转换。2. 数控技术是快速成形技术中的重要使能技术之一。数控技术的发展 使得精确的运动控制、能量传输控制、材料转移控制等成为可能。3. 激光技术是快速成形技术中的重要使能技术之一，激光的极高能量 密度和极小光斑直径的特性是实施切割、烧结、聚合反应等工艺的保 证。4. 材料科学已经能够设计、制造满足各种性能要求的材料，如光敏材 料、热敏材料等。我
15、国需要研发新的快速成形技术，向产业化发展。加强快速成形后续 应用技术的研发，通过“产学研用”结合，与企业合作不断拓展应用领 域。参考文献：1 王振林.数控加工技术是应用发展现代制造技术的基础J.机电产品创新与开发，2001，(5)： 30-32.2 鞠华，李剑，王文，等.快速原型制造与反求工程集成的几个关键 技术J.机械制造,2001,(6)： 22-24.1 李春祥，彭淑慧.快速成型技术原理及应用J.甘肃工业大学学 报，2000, 26 (3).2 刘伟军,快速成型技术及应用M.北京：机械工业出版社，2004.3 王广春，赵国群,快速成型与快速模具制造技术及应用M.机械 工业出版社，2003
16、.4 马承银，郑文姬，胡慧萍,水性环氧树脂的制备和固化机理的探 讨J高分子通报，2006，(1).颜永年，郭海滨等.多功能快速成形制造系统的研究.中国先进制造学 术会议，1996,9：91392013徐 健,颜永年，卢 伟，等.快速成形技术的发展方向J.航空 制造技术,2002,11:52714黄树槐，肖跃加,莫健华，等.快速成形技术的展望J.中国机械 工程,2000,11(2)：195 200Jiang K Y, Gu Y H. Study of the shape deposition manufacturing of polymer partsJ. Key Engineering Materials, 2003,(256-260):672676国家自然科学基金委员会工程与材料科学部，机
