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快速成型技术应用1

发布者:广州鑫通模型设计有限公司     发布时间:2015/5/13 9:43:04     阅读:1628

      


1  
、快速原型制造  



利用快速成型方法可以方便、快捷地制造出所需要的原型,主要是塑料(  
PS  
、  
PA  
、  
ABS  
等)原型。它在  
新产品的开发中具有十分重要的作用。通过原型,设计者可以很快地评估设计的合理性、可行性,并充分  
表达其构想,使设计的评估及修改在极短的时间内完成。因此,可以显著缩短产品开发周期,降低开发成  
本。具体地讲,它主要有以下三个方面的用途。  



(  
1  
)外形设计考查  



很多产品特别是家用电器、移动通讯工具及汽车等对外形的美观和新颖性要求极高。传统检验外形的  
方法是用  

CAD   
将产品图形显示于计算机屏幕,但这种方法实际直观性太差。采用快速原型制造方法可以  
在极短的时间内,用低廉的造价直接做出设计模型,供设计人员及用户审查,修改设计后再进行检验,直  
到满意为止。  



(  
2  
)功能检测设计者使用  

RP  
原型可以迅速进行功能检测,如流动分析、应力分析、空气动力学分析  
等,确定是否最好地满足设计的要求,从而优化产品设计。如风扇、风鼓等的设计,可获得最佳扇叶曲面、  
最低噪音的结构。  
(  
3  
)装配干涉检验对新产品的开发,尤其是在有限空间内的复杂系统,其装配干涉检验  
是十分必要的。  
SLS  
原型可以用来制作装配模拟件,观察各零部件之间是否协调配合,如何相互影响。通过  
上述检验可以在最短时间内成功地完成设计。  

2  
、快速模具制造  

利用  
SLS  
技术制造模具有直接法和间接法两种。直接制模是用  
SLS  
工艺方法直接制造出  
树脂模、陶瓷模和金属模具;间接制模则是用快速成形件做母模或过渡模具,再通过传统的模具制造方法  
来制造模具。  
(  
1  
)直接制模①  

直接制造树脂模  

使用  

SLS   
方法利用尼龙等成型材料可直接制作树脂模。  
上述材料经快速成型机制作出模具,然后将制作完成的模具,组合在注射模的模座上,用于实际的注射成  
型。也可制作出中空模具,以金属树脂灌注之,以强化内部结构,并且在模具表面,渗上一层树脂进行表  
面结构强化,即可承受注射成型的压力、温度,从模具烧结成型至注射塑料产品只需花费  
5  
~  
6  
天的时间。  
上述树脂模也可以作为吸塑模和型腔模使用。  



②直接制造金属模具  




利用  
SLS  
工艺直接制造金属模具是目前世界发达工业国家都在研究的领域,  
主要有以下三种途径第一,  
金属粉末大功率激光烧结成型技  

利用高功率激光(  
1000 W  
以上)对金属粉末进行扫描烧结,逐层叠加成  
型,成型件经表面后处理(打磨、精加工)即完成模具制作,制作的模具可作为压铸模、锻模使用。该方  
法与激光熔敷的工艺原理是一致的。第二,混合金属粉末激光烧结成型技成型粉末为两种金属粉末的混合  
体,其中的一种熔点较低,起粘结剂的作用,利用低功率激光快速成型机对混合粉末进行激光烧结即可直  
接制作金属模具,用于批量较大的塑料零件和蜡模的生产。  



第三,金属—树脂粉末激光烧结成型法  



使用  

SLS   
方法,以覆膜金属粉末或金属与树脂的机械混合粉末为成形原料,通过选区烧结得到金属粘  
结实体,再经后处理(脱脂、高温烧结、渗金属等)  
,直接形成金属模具。  

(  
2  
)间接制模间接制模的方  
法较多,  

比较常用的有以下三种。①  

金属喷涂制模法  



采用喷枪将金属喷涂到快速成形的原型上形成一个金属硬壳层,将其分离下来,用填充铝粉的环氧树  
脂或硅橡胶支撑,即可制成注塑模具的型腔。这一方法省略了传统加工工艺中的详细画图、数控加工和热  
处理等三个耗时费钱的过程,因而成本只有传统方法的几分之一。  

②硅橡胶模法硅胶模的制备方法是将  
液体硅胶按照快速成形母模的分型线依次浇铸,待硅胶固化后,  

再将母模脱去,形成一副橡胶模具。硅胶  
模的特点是制模过程简单,不需专门设备,脱模容易。硅胶模适宜于蜡、树脂、石膏等浇铸成型方法。广  
泛应用于精铸蜡模的制作、艺术品的仿制和生产样件的制备。  

③振动研磨法  

振动研磨法是一种利用快  
速成形原型母模直接加工石墨电极  
(  
电火花加工用  
)  
的方法。首先利用原型制作一个  

Sin   
环氧树脂的负型做  
为研磨头,  
将研磨头和石墨块安放在专用的石墨电极研磨机上,  
研磨头产生微小旋振,  

不断研磨石墨本体,  
在石墨块上研磨出与研具形状相反  
,   
而与零件形状相同的石墨电极。  

用振动研磨法加工石墨电极,使电  
极的加工自动化。一个研磨头可以反复用来研磨电极。一个损耗了的电极经过研磨头的修复即可复原。  

用快速成型制作电极的母模具有快速、精度高、尺寸易修改的特点。 


、快速铸造 

铸造是制造业中常用的方法。在铸造生产中,模板、芯盒、蜡模压模等一般都是机加工和手 
工完成的,不仅加工周期长、费用高,而且精度不易保证。对于一些形状复杂的铸件,模具的制造一直是 
个老大难问题,快速成型技术为实现铸造的短周期、多品种、低费用、高精度提供了一条捷径。可以通过 
以下三种方法实现快速铸造。 


( 

)用快速成形技术直接制造精铸用蜡模和树脂消失模 

SLS  
方法可以用蜡或可消失性树脂为原料,直 
接制造精铸用的蜡模和树脂消失模,再用传统的精铸工艺,进行涂壳、脱蜡、焙烧等,得到铸造型壳。对 
于树脂消失模,采用高温闪烧法,迅速将树脂分解脱去。残留灰分少,不涨壳、精度高,非常适宜于薄壁 
的复杂结构铸件生产。 



采用快速成型技术, 

可以对收缩造成的尺寸误差进行校正,如果铸出成品的尺寸超差,可以立即对 

CAD  
模型进行修改,再做出第二件蜡模与树脂模。这种方法尤其适用于形状复杂的单件或小批量的铸件生 
产,如飞机叶片、叶轮等等特殊件。国外公司已用此方法制造了飞机叶轮、摩托车汽缸头、无链条自动车 
中轴等铸件。 


( 

)用快速成形原型代替铸造中的木模或制造铸造模具。 



用 
SLS 
技术制作的树脂原型或陶瓷原型代替木模,不仅大大缩短了制模时间,而且激光成型的原型水 
平远比木模要高, 

强度和尺寸稳定性优于木模。 
特别是对于难以加工、需要多种组合的木模用快速成型模 
的优点就更为突出。 



快速成形原型还可用于制造硅胶模或石膏模、 
陶瓷模的母模, 
翻制成模具再制作蜡型芯壳或直接浇铸, 
这种方法适合于小批量铸件的生产, 

用翻硅胶模的方法,借助快速成形原型生产出了人造骨、人体头像、 
涡轮等零件的蜡模和铸件。 


( 

)用快速成形技术直接成型铸造型壳、型芯和蜡模的压型 



用铸造用覆膜陶瓷为原料, 

可以一步制成铸造用的型壳,在 

CAD  
环境中 
,  
直接将零件模型转换为壳 
型 
,  
再配以浇冒口系统。烧结过程中,非零件部分进行烧结,零件部分仍是粉末。烧结完成后,将粉末倒 
出再经过固化处理就或为铸造用的型壳。此方法省去了传统精铸过程中蜡型制作、涂壳、脱蜡等多道工艺 
过程,是对传统铸造过程的重大变革。摘要 

介绍快速成型技术的原理 

重点讨论了与快速成型相关的技术 

并试图将此技术充分应用于产品设计评价 

以期缩短产品的开发周期。 

关键词 

快速成型 
;RP; 
反求工程 

引言随着科技进步和全球市场一体化的形成 

现在工业正面临产品的生命周期越来越短的代写论文问题 

作 
为一种新产品开发的重要手段 

快速成型能够迅速将设计思想转化为产品的现代先进制造技术。它为零件原 
型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段 

提高产品研发的效率。 


快速成型技术原理在工业产品设计过程中 

设计师往往希望能快速由三维 
CAD 
模型 

得到产品的实物模型 

快速成型技术可以满足这种需求。 
快速成型 
(Rapid Prototyping,RP) 
技术是一种基于离散 

堆积成型思想的新型 
成型技术 

它根据零件或物体的三维模型数据 

快速、精确地制造出零件或物体的实体模型。 


关键技术 
2.1 
制造工艺目前 

世界上已有几十种不同的快速成型工艺方法 

比较成熟的就有十余种。其中光 
固化成型法 
(Stereo Lithography Apparatus,SLA) 
、叠层实体制造法 
(Laminated Object Manufactur-ing,LOM) 
、熔 
融沉积法 
(Fused  
Deposition  
Model-ing,FDM) 
、选择性激光烧结法 
(Selective  
LaserSintering,SLS) 
和 
3DP(Three  
DimensionalPrinting and Gluing, 
也称 
3DPG) 
五种方法 

在世界范围内应用最为广泛。对于 
RP 
制造工艺的研究 

一方面是在原有技术基础上进行改进 

另一方面是研究新的成型技术。 
新的成型方法 

如三维微结构制造、 
生 
物活性组织的工程化制造、 
激光三维内割技术、 
层片曝光方式等。 
2.2 
成型材料成型材料是决定快速成型技 
术发展的基本要素之一 

它直接影响到原型的精度、物理化学性能以及应用等。与 
RP 
制造的 

个目标 

概念 
型、测试型、模具型、功能零件 

相适应 

使用的材料不同 

概念型对材料成型精度和物理化学特性要求不高 

主要要求成型速度快。如对光固化树脂 

要求较低的临界曝光功率、较大的穿透深度和较低的粘度。测试型 
对于材料成型后的强度、刚度、耐温性、抗蚀性等有一定要求 

以满足测试要求。如果用于装配测试 

则对于 
材料成型的精度还有一定要求。 
模具型要求材料适应具体模具制造要求 

如对于消失模铸造用原型 

要求材料易于去除。快速功能零件要求材料具有较好的力学性能和化学性能。从解决的方法看 

一个是研究专用材料以适应专门需要;另一个是根据用途分类,研究几类通用材料以适应多种需要。2.3加工精度影响成型件精度的主要因素有两方面:一是由CAD模型转换成STL格式文件以及随后的切片处理所产生的误差;二是成型过程中制件翘曲变形,成型后制件吸入水分,以及由于温度和内应力变化等所造成的无法精确预计的变形。为了解决第一类问题,正在研制直接切片软件和自适应切片软件。所谓直接切片是不将CAD模型转换成STL格式文件,而直接对CAD模型进行切片处理,得到模型的各截面层轮廓信息,从而可以减少三角面近似化带来的误差,所谓自适应切片是快速成型机能根据成型零件表面的曲率和斜率自动调整切片的厚度,从而得到高品质的光滑表面。为解决第二类问题,正在研究、开发新的成型方法、新的成型材料及成型件表面处理方法,使成型过程中制件的翘曲变形小,成型后能长期稳定不变形。2.4与RP技术相关软件软件是RP系统的灵魂,其中作为CAD到RP接口的数据转换和处理软件是其关键。不同CAD系统所采用的内部数据格式不同,RP系统无法一一适从,这就要求有一种中间数据格式既便RP系统接受又便于不同CAD系统生成,STL(Stereo Lithography)格式应运而生了,STL文件是用大量空间小三角形面片来近似逼近实体模型。由于STL格式具有易于转换、表示范围广、分层算法简单等特点,为大多数商用快速成形系统所采用,现己成为快速成形行业的工业标准。但是,STL模型也存在许多不足之处:2.4.1精度不足。由于STL模型用大量小三角形面片来近似逼近CAD模型表面,造成STL模型对产品几何模型的描述存在精度损失,并且在对多张曲面进行三角化时,在曲面的相交处往往产生裂缝、孔洞、覆盖及相邻面片错位等缺陷。2.4.2数据冗余度大。STL模型不包含拓扑信息,三角形面片的公用点、边单独存储,数据的冗余度大。随着网络时代的到来,STL模型数据冗余大的不足也使其不利于远程RF的数据传输,难以有效支持远程制造。3快速成型技术的应用3.1在外观及人机评价中的应用新产品开发的设计阶段,虽然可借助设计图纸和计算机模拟,但并不能展现原型,往往难以做出正确和迅速的评价,设计师可以通过制作样机模型达到检验的目的。传统的模型制作中主要采用的是手工制作的方法,制作工序复杂,手工制作的样机模型不仅工期长,而且很难达到外观和结构设计要求的精确尺寸,因而其检查外观及人机设计合理性的功能大打折扣。快速成型设备制作的高精度、高品质样机与传统的手工模型相比较可以更直观地以实物的形式把设计师的创意反映出来,方便产品的外观造型和人机特性评价。现在的快速成型加工得到的成型件都是单一颜色,颜色主要由材料决定,为了对产品色彩外观进行评价,有时需要手工涂色,随着彩色成型技术的发展,这方面的问题可以解决。人机评价主要包括成型件尺寸及操作宜人性,快速成型可以很好地满足这方面的要求。3.2在产品结构评价中的应用通过快速成型制成的样机和实际产品一样是可装配的,所以它能直观地反映出结构设计合理与否,安装的难易程度,使结构工程师可以及早发现和解决问题。由于模具制造的费用一般很高,比较大的模具往往价值数十万乃至几百万,如果在模具开出后发现结构不合理或其他问题,其损失可想而知。而应用快速成型技术的样机制作可以把问题解决在开出模具之前,大大提高了产品开发的效率。3.3与反求工程结合反求工程(Reverse Engineering,RE)也称逆向工程,就是用一定的测量手段对实物或模型进行测量,然后根据测量数据通过三维几何建模方法重建实物的CAD数字模型,从而实现产品设计与制造过程。对于大多数产品来说,可以在通用的三维CAD软件上设计出它们的三维模型,但是由于对某些因素,如对功能、工艺、外观等的考虑,一些零件的形状十分复杂,很难在CAD软件上设计出它们的实体模型,在这种情况下,可以通过对模型测量和数据处理,获得三维实体模型。作为一种新产品开发以及消化、吸收先进技术的重要手段,反求工程和快速成型技术可以胜任消化外来技术成果的要求。对于已存在的实体模型,可以先通过反求工程,获取模型的三维实体,经过对三维模型处理后,使用快速成型技术,实现产品的快速复制,缩短了产品开发周期,大大提高产品的开发效率。结束语快速成型技术可以大大缩短产品的开发周期,满足产品的个性化、多样化需求,在工业设计中得到广泛应用。但由于该技术的制作精度、强度和耐久性还不能满足工程实际的需要,加之设备的运行及制作成本高,一定程度上制约着RP技术的普遍推广。随着研究的不断深入,制约快速成型发展的因素会逐步解决,应用领域会不断得到拓展。参考文献[1]孙秀英.面向RP的VRML模型浏览与分层研究[D].西安科技大学,2006. [2]丘宏扬,谢嘉生,刘斌.快速成型技术研究中的若干关键问题[J].锻造机械,2001. [3]徐江华,张敏.快速成型技术在工业设计中的应用[J].包装工程,2004.

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