您的位置：首頁 >> 培訓文章 >> 生產(chǎn)管理 >> 正文

培訓文章

常用快速成型基本方法簡介

作者: 來源: 文字大小:[大][中][小]

1前言
快速成型(Rapid Prototyping)是上世紀80年代末及90 年代初發(fā)展起來的高新制造技術，是由三維CAD模型直接驅動的快速制造任意復雜形狀三維實體的總稱。它集成了CAD技術、數(shù)控技術、激光技術和材料技術等現(xiàn)代科技成果，是先進制造技術的重要組成部分。由于它把復雜的三維制造轉化為一系列二維制造的疊加，因而可以在不用模具和工具的條件下生成幾乎任意復雜的零部件，極大地提高了生產(chǎn)效率和制造柔性。
與傳統(tǒng)制造方法不同，快速成型從零件的CAD幾何模型出發(fā)，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，用激光束或其他方法將材料堆積而形成實體零件。通過與數(shù)控加工、鑄造、金屬冷噴涂、硅膠模等制造手段相結合，已成為現(xiàn)代模型、模具和零件制造的強有力手段，在航空航天、汽車摩托車、家電等領域得到了廣泛應用。
2 快速成型的基本原理
快速成型技術采用離散/堆積成型原理，根據(jù)三維CAD模型，對于不同的工藝要求，按一定厚度進行分層，將三維數(shù)字模型變成厚度很薄的二維平面模型。再將數(shù)據(jù)進行一定的處理，加入加工參數(shù)，產(chǎn)生數(shù)控代碼，在數(shù)控系統(tǒng)控制下以平面加工方式連續(xù)加工出每個薄層，并使之粘結而成形。實際上就是基于“生長”或“添加”材料原理一層一層地離散疊加，從底至頂完成零件的制作過程。快速成型有很多種工藝方法，但所有的快速成型工藝方法都是一層一層地制造零件，所不同的是每種方法所用的材料不同，制造每一層添加材料的方法不同。
    快速成型的工藝過程原理如下:
    (1)三維模型的構造:在三維CAD設計軟件中獲得描述該零件的CAD文件。一般快速成型支持的文件輸出格式為STL模型，即對實體曲面做近似的所謂面型化(Tessellation)處理，是用平面三角形面片近似模型表面。以簡化CAD模型的數(shù)據(jù)格式。便于后續(xù)的分層處理。由于它在數(shù)據(jù)處理上較簡單，而且與CAD系統(tǒng)無關，所以很快發(fā)展為快速成型制造領域中CAD系統(tǒng)與快速成型機之間數(shù)據(jù)交換的標準，每個三角面片用四個數(shù)據(jù)項表示。即三個頂點坐標和一個法向矢量，整個CAD模型就是這樣一個矢量的集合。在一般的軟件系統(tǒng)中可以通過調(diào)整輸出精度控制參數(shù)，減小曲面近似處理誤差。如Pre/1E軟件是通過選定弦高值(ch-chordheight)作為逼近的精度參數(shù)。
    (2)三維模型的離散處理:在選定了制作(堆積)方向后，通過專用的分層程序將三維實體模型(一般為STL模型)進行一維離散，即沿制作方向分層切片處理，獲取每一薄層片截面輪廓及實體信息。分層的厚度就是成型時堆積的單層厚度。由于分層破壞了切片方向CAD模型表面的連續(xù)性，不可避免地丟失了模型的一些信息，導致零件尺寸及形狀誤差的產(chǎn)生。切片層的厚度直接影響零件的表面粗糙度和整個零件的型面精度，每一層面的輪廓信息都是由一系列交點順序連成的折線段構成。所以，分層后所得到的模型輪廓已經(jīng)是近似的，層與層之間的輪廓信息已經(jīng)丟失，層厚越大丟失的信息越多，導致在成型過程中產(chǎn)生了型面誤差。
    綜上所述，為提高零件制造精度，在模型面型化處理時，應該選取較小的精度參數(shù);在模型離散化處理時，應該選取較小的切片層厚度。
3 快速成型的工藝方法
    目前快速成型主要工藝方法及其分類見圖1所示。僅介紹目前較為常用的工藝方法。
    3.1 立體光固化成型法（SL, Stereo-Lithography）
    光固化法(SL)是目前最為成熟和廣泛應用的一種快速成型制造工藝（如圖2）。這種工藝以液態(tài)光敏樹脂為原材料，在計算機控制下的紫外激光按預定零件各分層截面的輪廓軌跡對液態(tài)樹脂逐點掃描，使被掃描區(qū)的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合(固化)反應，從而形成零件的一個薄層截面。完成一個掃描區(qū)域的液態(tài)光敏樹脂固化層后，工作臺下降一個層厚，使固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂然后重復掃描、固化，新固化的一層牢固地粘接在一層上，如此反復直至完成整個零件的固化成型。
    SL工藝的優(yōu)點是精度較高，一般尺寸精度可控制在0.01mm;表面質量好;原材料利用率接近100%;能制造形狀特別復雜、精細的零件;設備市場占有率很高。缺點是需要設計支撐;可以選擇的材料種類有限;制件容易發(fā)生翹曲變形;材料價格較昂貴。
    該工藝適合比較復雜的中小型零件的制作。
    3.2選擇性激光燒結法(SLS,Selective Laser Sintering)
    選擇性激光燒結法(SLS)是在工作臺上均勻鋪上一層很薄(100μ-200μ)的作金屬(或金屬)粉末，激光束在計算機控制下按照零件分層截面輪廓逐點地進行掃描、燒結，使粉末固化成截面形狀（如圖3）。完成一個層面后工作臺下降一個層厚，滾動鋪粉機構在已燒結的表面再鋪上一層粉末進行下一層燒結。未燒結的粉末保留在原位置起支撐作用，這個過程重復進行直至完成整個零件的掃描、燒結，去掉多余的粉末，再進行打磨、烘干等處理后便獲得需要的零件。用金屬粉或陶瓷粉進行直接燒結的工藝正在實驗研究階段，它可以直接制造工程材料的零件。
    SLS工藝的優(yōu)點是原型件機械性能好，強度高;無須設計和構建支撐;可選材料種類多且利用率高(100%)。缺點是制件表面粗糙，疏松多孔，需要進行后處理;制造成本高。
    采用各種不同成分的金屬粉末進行燒結，經(jīng)滲銅等后處理特別適合制作功能測試零件;也可直接制造金屬型腔的模具。采用蠟粉直接燒結適合于小批量比較復雜的中小型零件的熔模鑄造生產(chǎn)。
    3.3 熔融沉積成型法(FDM,Fused Deposition Modeling)
    這種工藝是通過將絲狀材料如熱塑性塑料、蠟或金屬的熔絲從加熱的噴嘴擠出，按照零件每一層的預定軌跡，以固定的速率進行熔體沉積（如圖4）。每完成一層，工作臺下降一個層厚進行迭加沉積新的一層，如此反復最終實現(xiàn)零件的沉積成型。FDM工藝的關鍵是保持半流動成型材料的溫度剛好在熔點之上(比熔點高1℃左右)。其每一層片的厚度由擠出絲的的直徑?jīng)Q定，通常是0.25~0.50mm。
   FDM的優(yōu)點是材料利用率高;材料成本低;可選材料種類多;工藝簡潔。缺點是精度低;復雜構件不易制造，懸臂件需加支撐;表面質量差。該工藝適合于產(chǎn)品的概念建模及形狀和功能測試，中等復雜程度的中小原型，不適合制造大型零件。
    3.4分層實體制造法（LOM, Laminated Object Manufacture）
    LOM工藝是將單面涂有熱溶膠的紙片通過加熱輥加熱粘接在一起，位于上方的激光切割器按照CAD分層模型所獲數(shù)據(jù)，用激光束將紙切割成所制零件的內(nèi)外輪廓，然后新的一層紙再疊加在上面，通過熱壓裝置和下面已切割層粘合在一起，激光束再次切割，如此反復逐層切割、粘合、切割……直至整個模型制作完成（如圖5）。
    LOM工藝優(yōu)點是無需設計和構建支撐;只需切割輪廓，無需填充掃描;制件的內(nèi)應力和翹曲變形小;制造成本低。缺點是材料利用率低，種類有限;表面質量差;內(nèi)部廢料不易去除，后處理難度大。該工藝適合于制作大中型、形狀簡單的實體類原型件，特別適用于直接制作砂型鑄造模。

    3.5 三維印刷法(3DP,Three Dimensional Printing )
    三維印刷法是利用噴墨打印頭逐點噴射粘合劑來粘結粉末材料的方法制造原型。3DP的成型過程與SLS相似，只是將SLS中的激光變成噴墨打印機噴射結合劑（如圖6）。
    該技術制造致密的陶瓷部件具有較大的難度，但在制造多孔的陶瓷部件（如金屬陶瓷復合材多孔坯體或陶瓷模具等）方面具有較大的優(yōu)越性。
4. 存在的問題及發(fā)展方向
    5.1 材料問題
    目前所使用的成型材料成型后的機械性能還不能滿足零件的功能需要，必須經(jīng)過后處理才能達到使用要求。采用金屬材料和高強度材料直接成型是RPM的一個重要發(fā)展方向。美國Michigan大學的Manzumd采用大功率激光器進行金屬熔焊直接成型鋼質模具的研究。

5.2成型精度和質量問題
目前快速成型制件的精度和表面質量大多不能滿足工程使用要求，只能作為概念造型和功能測試的原型使用，必須改進成型工藝和快速成型軟件。美國Stanford大學的Prints采用逐層累加與五坐標數(shù)控加工結合的方法，用激光將金屬直接燒結成型，可獲得與數(shù)控加工相近的精度。

5.3應用問題
從制造目標來說RPM主要用于:快速概念設計及功能測試原型制造;快速模具原型制造;快速功能零件制造。但大多數(shù)RPM是作為原型件進行新產(chǎn)品開發(fā)和功能測試等。快速直接制模及快速功能零件制造是RPM面臨的一個重大技術難題，也是RPM技術發(fā)展的一個重要方向。根據(jù)不同的制造目標RPM技術將相對獨立發(fā)展，更加趨于專業(yè)化。

5.4軟件問題
目前已商品化的軟件還不完善，功能單一，通用性差，沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，不易集成。數(shù)據(jù)轉換模型缺陷較多，對CAD模型的描述不夠精確，從而影響子決速成型的成型梢度和表面質量。

您的位置：首頁 >> 培訓文章 >> 生產(chǎn)管理 >> 正文

培訓文章

常用快速成型基本方法簡介

作者: 來源: 文字大小:[大][中][小]

上一篇：快速成型技術及在我國的發(fā)展下一篇：快速成型技術發(fā)展方向探討

文章分類

相關文章

您的位置：首頁 >> 培訓文章 >> 生產(chǎn)管理 >> 正文

培訓文章

常用快速成型基本方法簡介

作者: 來源: 文字大小:[大][中][小]

上一篇：快速成型技術及在我國的發(fā)展 下一篇：快速成型技術發(fā)展方向探討

文章分類

相關文章

上一篇：快速成型技術及在我國的發(fā)展下一篇：快速成型技術發(fā)展方向探討