1、快速成型制造方法与应用摘要:用传统的方法制作样品,需采用多种机械加工机床,以及相应的工具和模具,既费时,又费事,成本又高,远不能适应市场变化需求。为了克服这一问题,近年来出现了快速原型和制造(RPM)技术以及快速成形系统。本文主要就快速原型和制造(RPM)技术原理及其应用展开论述。 关键词:快速原型;快速成形系统;成形学;三维模型 进入 20 世纪八十年代后期,由于生产技术的高速发展,以产品的个别需求和短暂的生命周期为特征的现代生产环境迫切需要产品快速小批量生产,那种成批大规模传统生产方式已无法满足这种产品需求结构的要求。与此同时,日趋激烈的国际市场竞争,要求设计者不但能根据市场需求很快设计出
2、新产品,而且能在尽可能短的时间内制造产品的样品,进行必要的性能测试,征求用户的意见并进行必要的修改,最后形成能投放市场的定型产品。用传统的方法制作样品,需采用多种机械加工机床,以及相应的工具和模具,既费时,又费事,成本又高,远不能适应市场变化需求。近年来出现了快速原型和制造(RPM)技术以及快速成形系统,完全克服了上述问题,很快成为当今世界上飞速发展的制造技术之一。 从历史上看,很早以前就有“增长”制造原理,早在 1892 年,美国学者曾建议用分层制造法构成地形图。这种方法的原理是:将地形图的轮廓线压印在一系列的蜡片上,然后按轮廓线切割蜡片,并将其粘结在一起,熨平表面,从而得到三维地形图。19
3、02 年,Carlo Baeae 在他的美国专利(# 774 549)中,提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理,这是现代第一种快速成形技术“立体平板印刷术”(Stereo Lithography)的初始设想。1940 年,Perera 提出了在硬纸板上切割轮廓线,然后将这些纸板粘结成三维地形图的方法。50 年代之后,出现了几百个有关快速成形技术的专利。其中,Zang(1964 年)、Richard M Meyer(1970 年)和 Gaskin(1973 年)等提出了用一系列轮廓片形成三维地形模型的新方法,如下图所示。 三维地形模型的制作 Paul Dimatteo 在他 1976 年的美国专利
4、中,进一步指出,先用轮廓跟踪器将三维物体转化成二维轮廓薄片,然后用激光器切割这些薄片,再用螺钉等将一系列薄片连接成三维物体,这种设想与现在的“物体分层制造”原理极为相似。 1.成形学基本概念 1.1 成形(Forming):将物质有序地组织成具有确定外形和一定功能的三维实体。成形包括三个基本要素,即:(1)物质的提取;(2)序的建立;(3)完成具有确定的形状与功能的三维实体。 1.2 成形学(Shaping Science):是从方法论的高度,系统地研究成形三要素以及它们之间的相互作用的科学。它在制造中的地位如下图所示: 成形学、成型工艺与成形工具关系图 2.成形方式 2.1 去除成形(Dis
5、lodge Forming):运用分离的办法,把一部分材料有序地从基体上分离出去而成形。 2.2 堆积成形(Stacking Forming):运用合并与连接的方法,把材料有序的合并堆积起来而成形。 2.3 受迫成形(Forced Forming):利用材料的可成形性在特定的外围约束下而成形。 2.4 生长成形(Growth Forming):利用材料的活性而成形,如生物个体的生长。目前,人为系统中还没有此种成形方法。 3.几种成形方法的比较 3.1 去除成形,加工精度高,但材料利用率低,受零件形状复杂程度的限制。 3.2 受迫成形,多用于毛坯制造,也可直接用于零件成形(如精密铸造、锻造、注塑
6、加工等),属净成形或近净成形范畴。 3.3 堆积成形,材料利用率高,理论上可达 100%。属于净成形工艺,精度较好,可达 0.01 毫米数量级。从理论上讲,它可以制造任意复杂形状的零件。 传统加工与快速成型比较 快速成形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的组合,因此,它不必采用传统的加工机床和模具,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。由于快速成形具有上述突出的优势,所以近年来发展迅速,已成为现代先进制造
7、技术中的一项支柱技术,实现并行工程(Concurrent Engineering,简称 CE)必不可少的手段。 4.RPM 基本原理 RPM 技术是将现代多种先进技术的综合集成。基于离散/堆积成形原理,通过离散获得堆积的路径、限制和方式,通过堆积将材料“叠加”起来形成三维实体。 离散/堆积的过程由三维 CAD 模型开始,先将 CAD 模型离散化,将某一方向(常取 Z 向)切成许多层面,即分层,属信息处理过程。然后在分层信息控制下顺序加工各片层,并层层结合,堆积出三维零件,它是 CAD 模型的物理体现,为物理堆积过程,如下图所示: RPM 的离散/堆积成形流程图 快速成形的过程可归纳为以下三个步
8、骤:(1)前处理。它包括工件的三维模型的构造、三维模型的近似处理、模型成形方向的选择和切片处理。(2)分层叠加成形。它是快速成形的核心,包括模型截面轮廓的制作与截面轮廓的叠合。(3)后处理。它包括工件的剥离、后固化、修补、打磨、抛光和表面强化处理等。 三维模型的构造方法:首先应在计算机上,用三维计算机辅助设计软件,根据产品的要求设计三维模型;或将已有产品的二维三视图转换成三维模型;或在仿制产品时,用扫描机对已有产品实体进行扫描,得到三维模型。 构造三维模型的常用方法有:用计算机辅助设计软件构造三维模型;在计算机或工作站上,用三维计算机辅助设计(CAD)软件,根据产品的要求,可以设计其三维模型,
9、或将已有产品的二维三视图转换成三维模型;用激光扫描机、零件断层扫描机、CT 扫描机等构造三维模型。 5.RPM 技术的发展概况 RPM 技术是当今世界上飞速发展的制造技术之一,自 1986 年在美国首次出现到目前为止一直处于繁荣阶段,根据美国 Wohlers Associates 咨询公司 1998 年的市场调查报告,19931997 年 RPM设备的平均年销售量以 58.7%的速度增长,RPM 产值以 53.6%的年平均速度增长。RPM 技术受到如此青睐的主要原因是它可以快速将设计思想物化为具有一定结构和功能的三维实体,低成本制作产品原型甚至零件,这大大满足了当今竞争日益激烈的市场对新产品快
10、速开发的要求。随着 RPM 技术的迅速发展,世界上研究 RPM 技术机构的数目也越来越多。据统计,1996 年世界上已有 230 多家机构开展了 RPM 的研究,目前数百家大学、研究机构和企业介绍了研究和开发 RPM 技术的状况。在这一领域美国一直处于领先地位,各种工艺在美国最先出现,研究和开发的工艺种类也最多。日本仅次于美国,其主要研究集中在光固化树脂成形方面。欧洲也有许多科研机构和厂家开展多种 RPM 工艺的研究。 我国在 RPM 技术方面的研究始于 20 世纪 90 年代,两次全国性RP 会议陆续召开,制造及自动化领域的多次学术会议都设 RP 专题,这充分表明国内研究已成为人们关注的热点,国家自然基金也将 RP 列为先进制造技术的重点资助项目。1998 年 7 月,会聚世界绝大多数 RPM 研究权威和机构的 RPM 国际学术会议在北京召开,这表明国际上已经充分认识到中国 RPM 的研究水平,标志着我国的 RPM 技术研究已迈上了一个新台阶。
