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快速成型技术的应用及发展趋势


快速成型技术的应用及发展趋势
熊文恪 模具 1111 2011118501266
摘要:阐述了快速成型技术的基本概念,总结了快速成型技术的特点,并通过制作实例展现了 快速成型技术在产品开发中的应用现状,最后展望了快速成型技术的未来发展趋势。 关键词:快速成型技术 应用 发展趋势

当今时代,制造业市场需求不断向多样化、高质量、高性能、低成本

、高科技的方向发展,一 方面表现为消费者兴趣的短时效和消费者需求日益主体化、个性化和多元化;另一方面则是 区域性、国际市场壁垒的淡化或打破,要求制造业的厂商必须着眼于全球市场的激烈竞争。 传统的制造方法不但需要采用多种机械加工机床、工具、模具,而且成本高、周期长,已经不 能适应迅速发展的时代要求[ 1] 因此,在客观上需要一种可以直接将设计数据快速转化为三维 实体的技术,而快速成型技术正能够满足这些要求。 1 快速成型技术特点 1—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。 1—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, 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。 1—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[2] 。 1—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[3] 。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。 1—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[ 4] 。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。 2 快速成型技术应用 近年来, 快速成型技术在工业造型、制造、建筑、艺术、医学、航空、航天、考古和影视等

领域得到迅速良好的应用。主要包括以下几个方面: 2—1 设计和功能验证。 通过快速成型技术可以快速制作产品的物理模型, 以验证设计人员的构思, 发现产品设计中 存在的问题。而使用传统的方法制作原型意味着从绘图到工装模具设计和制造, 一般至少历 时数月, 经过多次返工和修改。采用快速成型技术则可节省大量时间和费用。同时, 使用快 速成型技术制作的原型可直接进行装配检验、 干涉检查和模拟产品真实工作情况的一些功能 试验, 如运动分析、应力分析、流体和空气动力学分析等, 从而迅速完善产品的结构和性能、 相应的工艺及所需工模具的设计。 2—2 非功能性样品制作。 在新产品正式投产之前或按照定单制造时,需要制作产品的展览样品或摄制产品样本照片,采 用快速成型是理想的方法。邵敏[ 5]在首饰设计方面提出首饰设计是立体的物质实体性设计, 在设计展开的不同阶段, 具体创意靠效果图检验不出实体体量关系, 必须辅以立体模型对设 计方案加以不断检测和修改。 运用快速成型技术代替传统手工模型制作能够更加精确、 快速、 直观、完整地传递产品的信息。更重要的是建立起一种并行结构的设计系统, 将设计、结构 分析、制造三位一体优化集成于一个系统, 使不同分工的人员能及时相互反馈信息, 从而缩 短开发周期, 并保证设计、制造的高质量。 2—3 快速模具制造。 传统的模具制造方法周期长、成本高, 一套简单的塑料注塑模具其价值也在10万元以上。设 计上的任何失误反映到模具上都会造成不可挽回的损失。杨思一 [6]提出利用快速成型技术, 可以按照下列两种方式制造模具: (1) 软模。通常指的是硅橡胶模具, 用SLA、FDM、LOM或SLS等技术制作的原型, 再翻成 硅橡胶模具后, 向模中灌注双组份的聚氨酯, 固化后即得到所需的零件。 (2) 硬模。用SLA、SLS、FDM或LOM方法加工熔模铸造中的蜡模, 对原型表面进行特殊处 理后代替木模, 直接制造石膏型或陶瓷型, 或是由RP原型经硅橡胶模过渡转换得到石膏型或 陶瓷型, 再由石膏型或陶瓷型浇注出金属模具, 这是目前生产金属模具最主要的途径。 3 快速成型技术发展趋势 3—1.金属零件、功能梯度零件的直接快速成型制造技术。 目前的快速成型技术主要用于制作非金属样件,由于其强度等机械性能较差,远远不能满足工 程实际需求,所以其工程化实际应用受到较大限制。从90年代初开始,探索实现金属零件直接 快速制造的方法已成为RP技术的研究热点,国外著名的RP技术公司均在进行金属零件快速 成型技术研究。可见,探索直接制造满足工程使用条件的金属零件的快速成型技术,将有助于 快速成型技术向快速制造技术的转变,能极大地拓展其应用领域。此外,利用 逐层制造的优点,探索制造具有功能梯度、综合性能优良、特殊复杂结构的零件,也是一个新 的方向发展。 3—2.概念创新与工艺改进。 目前,快速成型技术的成型精度为0.01mm 数量级,表面质量还较差,有待进一步提高。最主要 的是成型零件的强度和韧性还不能完全满足工程实际需要,因此如何完善现有快速成型工艺 与设备,提高零件的成型精度、强度和韧性,降低设备运行成本是十分迫切的。此外,快速成型 技术与传统制造技术相结合,形成产品快速开发—制造系统也是一个重要趋势,如快速成型技 术结合精密铸造,可快速制造高质量的金属零件。另一方面,许多新的快速原型制造工艺正处 于开发研究之中。 3—3优化数据处理技术。

快速成型数据处理技术主要包括将三维 CAD 模型转存为 STL 格式文件和利用专用 RP 软件 进行平面切片分层。由于 STL 格式文件的固有缺陷,会造成零件精度降低;此外,由于平面分 层所造成的台阶效应,也降低了零件表面质量和成型精度。优化数据处理技术可提高快速成 型精度和表面质量。目前,正在开发新的模型切片方法,如基于特征的模型直接切片法、曲面 分层法。 3—4 开发专用快速成型设备。 不同行业、不同应用场合对快速成型设备有一定的共性要求,也有较大的个性要求。如医院 受环境和工作条件的限制,外科大夫希望设备体积小、噪音小,因此开发专门针对医院使用的 便携式快速成型设备将很有市场潜力。另一方面,汽车行业的大型覆盖件尺寸多在1m 左右, 因此研制大型的快速成型设备也是很有必要的。 3—5 成型材料系列化、标准化。 目前快速成型材料大部分是由各设备制造商单独提供,不同厂家的材料通用性很差,而且材料 成型性能还不十分理想,阻碍了快速成型技术的发展。因此,开发性能优良的专用快速成型材 料,并使其系列化、标准化,将极大地促进快速成型技术的发展。 3—6 拓展新的应用领域。 快速成型技术的应用范围正在逐渐扩大,这也促进了快速成型技术的发展。目前快速成型技 术在医学、医疗领域的应用,正在引起人们的极大关注,许多科研人员也正在进行相关的技术 研究。此外,快速成型技术结合逆向(反求)工程,实现古陶瓷、古文物的复制,也是一个新的应 用领域。 4 结论 21世纪将是以知识经济和信息社会为特征的时代, 制造业面临信息社会中瞬息万变的市场 对小批量多品种产品要求的严峻挑战。作为当今制造行业中急剧潜力的工艺技术, 快速性、 高度集成化等优点使快速成型技术在推广应用后将明显缩短新产品的上市时间, 节约新产 品开发费用。但是, 快速成型技术仍然是一种处在发展完善过程的高新技术, 其技术本身和 应用领域尚需进行大量的开发研究。随着人们对快速成型技术研究越来越深入, 其将被广泛 的应用到生产、生活的各个领域。在未来, 作为一门多学科交叉的先进制造技术, 快速成型 技术将推动相关技术、产业的发展, 其与其他技术的结合运用将是制造业发展的趋势。 参考文献:[ 1 ] 腾功勇, 王从军, 陈学彬. 影响SLS技术发展的因素及改进措施[ J ]. 湖北汽车 工业学院学报. 2001, (6) : 12. [ 2 ] 李春祥, 彭淑慧, 谢鹏寿. 快速成型技术原理及应用[ J ]. 甘肃工业大学学报, 2000, 26: 89. [ 3 ] 熊晓明, 张连洪. 快速成形技术的现状及进展[ J ]. 金属成形工艺, 2001, 19 (6) : 1. [ 4 ] 洪国栋, 张伟, 吴良伟. 熔融材料堆积成形技术及其应用[ J ]. 制造业自动化, 1997, : 52. [ 5 ] 邵敏. 快速成型技术与首饰设计[ J ]. 艺术教育, 2007, (2) : 117. [ 6 ] 杨思一, 尹占民, 仪垂杰, 等. 快速成型技术研究发展现状及其应用前景[ J ]. 山东工程 学院学报. 2001, (3) : 14.


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