快速成型技术应用现状及发展趋势

2008年第3期

No,3,2008

九江学院学报

JournalofjiujiangUniversity(总第146期)(SumN0146)

快速成型技术应用现状及发展趋势

夏 鹏 王 丞 马明亮

(九江学院机械工程学院 江西九江 332005)

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;应用现状;发展趋势

中图分类号:TH166 文献标识码:A 文章编号:1673-4580(2008)03-0055-(04)

随着科学技术和社会需要的发展,人们对工业产品的要求不断提高。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]

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

[8]

。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。所谓快速成型技术(RapidPrototyping,简称RP),又称快速原型技术,是当今世界上飞速发展的制造技术之一。它是机械工程、CAD、数控技术、激光技术及材料科学技术的综合应用,可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件,从而可以对产品设计进行快速评估,修改及功能试验,大大缩短产品的研制周期,是近年来制造技术领域中最热门的研究课题之一

[2~4]

。

快速成型系统是真正的数字化制造系统,仅

1 4高度柔性

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

[9]

。

[3~7]

1 快速成型技术特点1 1快速性。

。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

[10]

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

收稿日期:

2008-03-17

。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

作者简介:夏鹏(1986- ),男,九江学院机械工程学院A0411班学生,专业为机械设计制造及自动化。马明亮(

),,,

!56!果。

2 快速成型技术应用现状

九江学院学报 2008年第3期

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 快速成型技术应用实例

基于快速成型技术,我们运用CPS350紫外光快速成型机,完成了小金人的制作。利用CPS-350紫外光快速成型机制作小金人的过程可分为三个部分:数据准备、快速成型制作及后处理。

3.1数据准备

包括CAD三维模型的设计、STL数据的转换、制作方向的选择、分层切片以及支撑编辑等几个过程。首先将小金人三维数据转化为STL(由CAD设计系统生成的三维零件三角面片文件)格式文件。CPS-350紫外光快速成型机的零件管理与数据准备系统可自动识别二进制与ASC 码形式的STL文件。数据准备系统(CPS4 2)通过加载STL文件后将其转化为CPS(包含零件的三维、分层、支撑、系统参数等信息,为用户制作原型存放中间资料)文件。在此过程中尤为注意制作零件方向的设定和零件支撑的加载,这将决定零件加工的时间以及制造出的零件的可用性。最终,通过导出项目生成紫外光快速成型机需要的PMR(紫外光快速成型机工艺控制系统加载对象文件)成型加工文件。在数据准备软件中进行数据处理如图1所示。

3.2快速成型制作

快速成型制作是将制作数据传输到成型机中,快速成型出零件的过程,它是快速成型技术的核心。制作流程为:将快速成型机中的光敏树脂温度加热到38 左右(紫外光照射下光敏树脂最易成型温度),调节快速成型机工作台高度,将成型加工文件载入快速成型机加工控制软件(Rp Build)后可开始制作。在控制软件中进行加工操作如图2所示。

3.3后处理

零件制作完成后升出工作台,取出制作零件。在小金人成型完后需要进行辅助处理工艺,包括零件的清洗、支撑去除、后固化、修补、打磨、表面喷漆等,目的是获得一个表面质量与机械性能更优的零件。最终完成的小金人如图3所示。

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

[11~12]

。

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

[13]

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

[14]

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。

夏 鹏,等:快速成型技术应用现状及发展趋势

!57!

术与工程的开发与应用等,同时还要求更快的制造速度、更高的制造精度、更高的可靠性,使RPM设备的安装使用外设化,操作智能化体说来,有以下几点:

(1)直接成型是快速成型技术重要发展方向。美国Michigan大学的Manzumd采用大功率激光器进行金属熔焊直接成型钢模具;

Stanford大学的

Prints用逐层累加与五坐标数控加工结合方法,用激光将金属直接烧结成型,可获得与数控加工相近的精度

图1 数据准备软件运行界面

[16]

[15]

。具

。

(2)不同制造目标相对独立发展。从制造目标来说快速成型制造主要用于快速概念设计成型制造、快速模具成型制造、快速功能测试成型制造及快速功能零件制造。由于快速概念型制造和快速模具型制造的巨大市场和技术可行性,将来这两个方面将是研究和商品化的重点。由于彼此特点有较大差距,两者将是相对独立发展的态势,快速测试型制造将附属于快速概念型制造

[17]

。

(3)向大型制造与微型制造发展。由于大型模具和微型制造的制造难度和RPM(快速成型制造)在模具制造方面的优势,可以预测,将来的

图2

加工控制软件运行界面

RPM市场将有一定比例为大型和微型原型制造所占据

[18]

。

5 结束语

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

图3 最终完成的小金人

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。

4 快速成型技术发展趋势

目前国内外快速成型技术研究、开发的重点是其基本理论、新的快速成型方法、新材料开发、模具制作技术、金属零件的直接制造以及生物技

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RAPIDPROTOTYPINGTECHNOLOGY

APPLICATIONANDDEVELOPMENT

XIAPeng,WANGCheng,MAMingliang

(FacultyofMechanicalEngineering,JiujiangUniversity,JiujiangJiangxi,332005,China)ABSTRACT Thebasicconceptrapidprototypingtechnologywasdescribedandthecharacteristicsoftherapid

prototypingtechnologywasaggregated.TheapplicationstatusoftherapidprototypingtechnologywasdemonstratedintheproductdevelopmentthroughtheproductionofexamplesTherapidprototypingtechnologyforthefuturedevelopmenttrendwasoutlooked.

KEYWORDS rapidprototypingtechnology;applicationstatus;developmenttrend

(责任编辑 陈平生)

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