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第五章:先进制造工艺之一
       RPM 快速成型制造

   快速成形

                   

   快速成形( RP, Rapid Prototyping)技术是由 CAD模型直接驱动的快速制造复杂形状三维实体零件的技术总称。它的特征是:

  • 可以制造任意复杂的三维几何实体

  • CAD模型直接驱动

  • 成形设备是无专用夹具或工具的通用机器;

  • 成形过程中无他人干预或较少干预。

目前快速成形技术包括一切由 CAD直接驱动的成形过程,而主要的技术特征即是成形的快捷性。对于材料的转移形式可以是自由洒加、去除、添加和去除相结合等形式。

  快速成形与相关学科的关系

  • 计算机技术是快速成形产生的根本,CAD技术的出现使设计出现了一次飞跃,确的离散运算和复杂的数据转换。

  • 数控技术是快速成形技术中的重要使能技术之一。数控技术的发展使得精确的运动控制、能量传输控制、材料转移控制等成为可能。

  • 激光技术是快速成形技术中的重要使能技术之一,激光的极高能量密度和极小光斑直径的特性是实施切割、烧结、聚合反应等工艺的保证。

  • 材料科学已经能够设计、制造满足各种性能要求的材料,如光敏材料、热敏材料等。


  

   一般的快速成形技术都是采用增加材料的方式成形,它的成形原理和成形过程是: 

先由 CAD软件设计出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型(亦称电子模型);然后根据工艺要求,将其按一定厚度进行分层,把原来的三维电子模型变成二维平面截面信息;

再将分层后的数据进行一定的处理,加入加工参数,产生数控代码;

在微机控制下,数控系统以平面加工方式有序地、连续加工出每个薄层。并使它们自动粘结而成形。这样就把复杂的三维成形问题变成了平面问题。

 

SLA250 from 3D Systems, Inc.

  SL工艺(Sterolithography)立体光刻

 

      是最早出现的一种快速成形工艺,它采用激光一点点照射感光树脂的方法成形原型.它采用激光一点点照射感光树脂的方法成形原型.

    过程:液槽中盛满液态光固化树脂(如Ciba-Grijy公司的XB5149),它在一定波长(325nm)和强度的激光照射下就会在一定区域内固化。成形开始时,工作台在液面下一个确定的深度,如0.05~0.2mm,聚焦后的激光光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描,即逐点固化。当一层扫描完成后,未被照射的地方仍然是液态树脂。然后,升降台带动平台下降一层高度,已完成的层面上又布满一层树脂,在进行第二层扫描,新固化的一层牢固地粘在前一层上,如此重复直到整个零件制造完毕。

加工零件

  LOM工艺( Laminated Object Manufacturing)分层实体制造 

        根据零件连续的分层几何信息,采用激光切割箔材,一层层叠加制造原型。采用激光切割箔材,类似的工艺有 SSM(Slicing Solid Molding)等。

          过程:首先,铺上一层箔材,然后用20~40w的二氧化碳激光在计算机控制下切出本层的轮廓,非零件部分全部切碎成小块以便去除。当本层完成后,再铺上一层箔材,用滚子碾压并加热,以固化树脂粘接剂,使新铺上的一层牢固地粘接在以成形体上。再切出该层的轮廓,如此反复直到加工完毕。最后去除切碎部分以得到完整的零件。

        关键技术:是控制激光的强度和切割速度,使它们达到最佳配合,以保证良好的切口质量和切割深度。

     

LOM1015 from Helisys, Inc.

应用举例:
医学模型
电子零件
陶瓷零件
连杆模具
零件制品

  SLS工艺(Select;ve Laser Sintering)选择性激光烧结 

    它采用激光一点点烧结粉末材料的方法成形原型。使用的材料为多种裹覆了树脂的粉末材料。

    过程:首先在工作台上铺一层粉末,采用激光在计算机的控制下有选择地进行烧结(零件的空心部分不烧结,仍为粉末材料),被烧结处裹覆在粉末外的树脂熔化,从而使粉末粘接在一起,一层完成后再进行下一层,新一层与其上一层被牢牢地固化在一起。全部粘接完成后,去除多余的粉末,便得到一个半成品,再经烧结而成原型或零件。

 Sinterstation 2000 from DTM Corp.

工作原理

 

 

 

钢粉被激光扫描

FDM1650 from Stratasys, Inc.

FDM工艺(Fused Deposition Modeling)熔融堆积成形

    它采用由喷头挤出加热熔融的热塑性材料,逐步堆积原型。它是一种不使用激光的加工方法,技术关键在于喷头。类似的工艺有 MJS(Multiple Jet Solidfication)、 MEM ( Melted Extrution Manufacturing)等。

        过程:丝材在喷头中被加热熔化,温度略高于其熔点,喷头早计算机控制下作X-Y联动扫描,在扫描运动中喷出熔融的材料,形成一个加工层与上一层牢牢地连接在一起。这样,层层扫描叠加便形成一个空间实体。

       

  3DP工艺(Three dimentional Printing)三维打印

   

  它采用逐点喷射熔融材料的方法来堆积原型。是一种不依赖激光的成形技术。

    过程:使用粉末材料和粘接剂,喷头在每一层铺好的材料上有选择地喷射粘接剂,有粘接剂的地方材料被粘接在一起,其它地方仍为粉末,这样层层粘接后就得到一个空间实体,去除粉末进行烧结就得到所需的零件。

工作原理

 

 

 

 

 

 

 

 

加工零件

  快速成形技术广泛应用于机械制造业、医学、建筑等领域。.

     RP市场调查报告:1993一1996年度 RP设备平均年销售量以62%的速度增长,并预测该行业的产值在本世纪末将达到11亿美元。

产品开发: 它是继 CAD之后又一项为设计带来重大变革的技术.通过快速制造一项新设计的概念模型、功能模型和技术模型,立体直观地进行设计评价、装配检验、功能测试和市场投标等,大大提高产品开发的成功率,开发成本大大降低,总休的开发时间也大大缩短。

模具制造: 单件原型采用快速成形方法制造无疑是最好的,但要进行批量生产制造金属零件,还是要通过转换技术制造模具。这个领域一般称为快速工具( Rapid Tooling),目前它巳成为快速成形技术的一个新研究热点.

  在医学上的应用

    根据 CT或 MRI的数据,应用 RP方法可以快速制造人体的骨路(如颅督、牙齿)和软组织(如肾)等,并且不同部位采用不同的颜色成形,病变组织可以用醒目颜色。这些人体的器官模型对于帮助医生进行病情诊断和确定治疗方案极为有利。在康复工程上,人体假肢的制造采用 RP技术可以大大缩短制造时间,假和肌体的结合部位能够做到最大程度的吻合,减轻了假使用者的痛苦.

  在建筑上的应用

   建筑设计上, RP技术可以制作建筑物模型(如大楼、桥梁),帮助设计师进行设计评价和最终方案的确定,在古建筑的恢复上,可以根据图片记载,用 RP技术复制原建筑。

   此外, RP技术还可应用到首饰、灯饰和三维地图的设计制作等方面。

 

Copyright 1999—2000 IMT,GDUT Prof.Dr.Wang Chengyong.

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