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快速成形技术的现状及其发展趋势

百纳文秘网  发布于:2021-04-08 08:20:37  分类: 政法系统 手机版

[摘要]简述快速成形技术的概念、原理及其特点,介绍该加工技术当前的几种主要的成型工艺并展望该技术在未来的发展趋势。

[关键词]快速成形 发展 模具 研究动向

中图分类号:TP2 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2008)1010190-01

快速成形(Rapid Prototyping简称RP)技术是采用逐点或逐层成型方法制造物理模型、模具和零件的一种先进制造技术。它是计算机辅助设计及制造技术、逆向工程技术、分层制造技术(SFF)、材料去除成形(MPR)、材料增加成形(MAP)技术以及它们的集成。通俗地说,快速成形技术就是利用三维CAD的数据,通过快速成型机,将一层层的材料堆积成实体原型。

一、快速成形技术的原理及特点

快速成型的过程是首先生成一个产品的三维CAD实体模型或曲面模型文件,将其转换成STL文件格式,再用软件从STL文件“切”出设定厚度的一系列的片层,或者直接从CAD文件切出一系列的片层,这些片层按次序累积起来仍是所设计零件的形状。然后,将上述每一片层的资料传到快速自动成型机中去,类似于计算机向打印机传递打印信息,用材料添加法依次将每一层做出来并同时连结各层,直到完成整个零件。因此快速自动成型可定义为一种将计算机中储存的任意三维型体信息通过材料逐层添加法直接制造出来,而不需要特殊的模具、工具或人工干涉的新型制造技术。

快速成型技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法,部分去除大于工件的毛坯上的材料来得到工件。而采用全新的“增长”加工法“用一层层的小毛坯逐步叠加成大工件,将复杂的三维加工分解成简单的二维加工合成,因此,它不必采用传统的加工机床和工模具,只需传统加工方法的10%~30%的工时和20%~35%的成本,就能直接制造出产品样品或模具。由于快速成型具有上述突出的优势,所以近年来发展迅速,以成为现代先进制造技术中的一项支柱技术,实现并行工程的必不可少的手段。它具有以下特点:制造成形所用的材料不限,各种金属和非金属材料均可使用;成形的复制性、互换性高;制造工艺与制造原型的几何形状无关,在加工复杂曲面时更显优越;加工周期短,成本低,成本与产品复杂程度无关,一般制造费用降低50%,加工周期节约70%以上;高度技术集成,实现了设计制造一体化。

二、快速成形技术的分类

(一)光固化立体造型。该技术以光敏树脂为原料,计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹逐点扫描,使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应,从而形成零件的一个薄层截面。当一层固化完毕,移动工作台,在原先固化了的树脂表面再敷上一层新的液态树脂以便进行下层扫描固化。新固化的一层牢固地黏合地层上,如此重复至整个零件原型制造完毕。

(二)分层物件制造。LOM工艺将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起。位于上方的激光器按照CAD分层模型所获数据,用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓,然后新的一层纸再叠加在上面通过热压装置和下面已切割层粘合在一起,激光束再次切割,这样反复逐层切割、黏合、切割……直至整个零件模型制作完成。

(三)选择性激光烧结。在工作台上均匀铺上一层很薄的粉末,在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结,一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结后去掉多余的粉末,再进行打磨、烘干等处理便获得零件。目前成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉,用金属粉或陶瓷粉进行粘结或烧结的工艺还正在实验阶段。

(四)熔融沉积造型。FDM喷头受CAD 分层数据控制使半流动状态的材料中挤压出来,凝固形成轮廓形状的薄层每层厚度范围在0.025~0.762mm,一层叠一层最后形成整个零件模型。

三、快速成形技术的应用及发展趋势

(一)快速成形技术的应用。快速原型技术适应制造业制造模式向多品种、小批量、柔性生产系统发展的要求。橡塑材料的注塑成型是制作橡塑制品的典型方法之一,其中注塑模具是决定产品质量和成本的关键因素,该类模具在种类繁多的模具中具有一定的代表性,利用快速原型技术制作注塑模具,可视生产需要,采用不同的工艺路线。快速成形技术还可应用于计算分析与试验模型,例如,对有限元分析的结果可以做出实物模型,从而帮助了解分析对象的实际变形情况。同时模型设计和制造是建筑设计中必不可少的环节,采用快速原型技术可快速准确地将模型制造出来。在医学领域,数字成像技术在临床诊断中得到了越来越广泛的应用。如采用计算机辅助断层成像、磁共振成像、三维B超等技术对人体局部进行扫描,可获得器官的截面形状,还可对器官进行计算机三维重建。

(二)快速成形技术的发展趋势。(1)产品设计:根据RP的基本概念,它是由产品的CAD模型数据直接驱动,可完成任意复杂程度的产品或原型。从过程的前半部看,它是一种典型的虚拟制造。(2)非均质材料:传统的机械零件通常是用均质材料制造的,由于零件在接触表面区会有更大的磨损或破坏,因此人们采用表面处理或表面层技术,此时实际上已经不是均匀材料了。但是这里谈的是具有成分梯度和(或)性能梯度的非均质材料。采用RM技术,非常容易实现在不同区域使用不同种类、不同成分的材料,亦可以在基材上沉积其他材料的固溶体。(3)客户定制:由于RM无需在开发新产品时首先进行设计、制造工、模具,因此大大增强了设计、制造过程的灵活性,使得客户定制的理念得以实现。不仅能够达到小批量、多品种,而且可以灵活地按照客户的具体要求对产品作各种各样的修改。(4)及时制造的生产模式:传统的及时制造与快速制造,这两者有着本质上的不同,对于传统的制造模式,以前所谈论的及时制造实际上只是一种管理层提出的概念,其实并不能做到真正及时。现在,基于RM,一方面由于从设计到制造的环节大为减少,另一方面是减少工、模具的设计与制造而大大节省了时间,因此可以真正采用及时制造这种先进的生产模式。(5)通过网络的制造:互联网的出现,使得异地制造真正成为可能,RM为通过网络的制造提供了广阔的道路。(6)直接快速制造:由RP堆积金属(黑色金属、有色金属及其他耐高温合金等)的难度决定了直接快速制造在未来的3~4年内无法在快速模具领域中占据统治地位。这一期间内,主要还是间接快速模具技术占统治地位。但是,随着大功率激光烧结、激光同轴送粉等技术的完善,直接快速制造技术将逐渐成为RM技术的主流。(7)生物制造:生物制造包括仿生制造、生物质制造和生物体的制造。包括上述所指的生物制造是广义的生物制造;仅涉及人体器官人工制造的生物制造为狭义的生物制造。从制造科学的角度分析,人体器官人工制造本质上就是一种新型的快速制造。

参考文献:

[1]颜永年、林峰、张人佶等,快速制造技术的最新进展及其发展趋势[J].电加工与模具,2006,增刊:12~16.

[2]刘伟军,快速成型技术及应用[M].北京.机械工业出版社,2005.

[3]颜永年,快速原型与快速制造(中国材料工程大典)[M].北京.化学工业出版社,2006.

作者简介:

王英,女,汉族,青海西宁人,青海大学机械系教师,大学讲师。

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