快速成型製造技術

概念

快速成型製造技術

特種加工技術是先進制造技術的重要組成部分，是衡量一個國家製造技術水平和能力的重要標誌，在我國的許多關鍵製造業中發揮著不可替代的作用。採用特種加工技術可以加工特殊材料，且加工中無切削力，能夠進行微細加工及複雜的空間曲面成形，所以能夠解決航空航天、軍工、汽車、模具、冶金、機械等工業中的關鍵技術難題，從而逐步形成新興的特種加工行業。特種加工技術主要包括電加工技術、高能束流加工技術、快速成型製造技術等，其中以快速成型製造技術對現代製造業的影響最為重大。
快速成型製造技術(Rapid Prototyping Manufac?turing，RPM)，就是根據零件的三維模型數據，迅速而精確地製造出該零件。它是在20世紀80年代後期發展起來的，被認為是最近20年來製造領域的一次重大突破，是目前先進制造領域研究的熱點之一。快速成型製造技術是集CAD技術、數控技術、雷射加工、新材料科學、機械電子工程等多學科、多技術為一體的新技術。傳統的零件製造過程往往需要車、鉗、銑、磨等多種機加工設備和各種夾具、刀具、模具，製造成本高，周期長，對於一個比較複雜的零件，其加工周期甚至以月計，很難適應低成本、高效率的加工要求。快速成型製造技術能夠適應這種要求，是現代製造技術的一次重大變革。

原理與特點

快速成型產品

隨著CAD建模和光、機、電一體化技術的發展，快速成型技術的工藝方法發展很快。目前已有光固法(SLA)、層疊法(LOM)、雷射選區燒結法(SLS)、熔融沉積法(FDM)、掩模固化法(SGC)、三維印刷法(TDP)、噴粒法(BPM)等10餘種。
1、光固化立體造型(Stereolithography，SLA)
該技術以光敏樹脂為原料，將計算機控制下的紫外雷射，以預定零件各分層截面的輪廓為軌跡，對液態樹脂逐點掃描，由點到線到面，使被掃描區的樹脂薄層產生聚合反應，從而形成零件的一個薄層截面。當一層固化完畢，升降工作檯移動一個層片厚度的距離，在原先固化好的樹脂表面再覆蓋一層新的液態脂以便進行新一層掃描固化。新固化的一層牢固地粘合在前一層上，如此重複直到整個零件原型製造完畢，其工作原理如圖l所示。SLA法是第一個投入商業套用的RPM技術，其方法特點是精度高、表面質量好、原材料利用率將近100％，可以製造形狀特別複雜、外觀特別精細的零件。
2、層片疊加製造(Laminated Object Manufacturing，LOM)
層片疊加製造工藝是將單面塗有熱溶膠的箔材(塗覆紙塗有粘接劑覆層的紙、塗覆陶瓷箔、金屬箔等)通過熱輥加熱粘接在一起，位於上方的雷射器按照CAD分層模型所獲數據，用雷射束將箔材切割成所制零件的內外輪廓，然後新的1層箔材再疊加在上面，通過熱壓裝置和下面已切割層粘合在一起，雷射束再次切割，這樣反覆逐層切割一粘合一切割，直至整個零件模型製作完成。
3、選擇性雷射燒結(Selected Laser Sintering，SLS)
以雷射器為能量源，通過紅外雷射束使塑膠、蠟、陶瓷和金屬(或複合物)的粉末材料均勻地燒結在加工平面上舊J。雷射束在計算機的控制下，通過掃描器以一定的速度和能量密度按分層面的二維數據掃描。雷射束掃描之處，粉末燒結成一定厚度的實體片層，未掃描的地方仍然保持鬆散的粉末狀。根據物體截層厚度而升降工作檯，鋪粉滾筒再次將粉末鋪平後，開始新一層的掃描。如此反覆，直至掃描完所有層面。去掉多餘粉末，經打磨、烘乾等處理後獲得零件。
4、熔融沉積造型(Fused Deposition Modeling，FDM)
將CAD模型分為一層層極薄的截面，生成控制FDM噴嘴移動軌跡的二維幾何信息。FDM加熱頭把熱熔性材料(ABS、尼龍、蠟等材料)加熱到臨界半流動狀態，在計算機控制下，噴嘴頭沿CAD確定的二維幾何信息運動軌跡擠出半流動的材料，沉積固化成精確的零件薄層，通過垂直升降系統降下新形成層，進行固化。這樣層層堆積粘結，自下而上形成一個零件的三維實體。
上述4種RPM方法，都有一個共同幾何物理基礎：分層製造原理。從幾何上講，將任意複雜的三維實體沿某一確定方向用平行的截面去依次截取厚度為8的製造單元，可獲得若干個層面，將這些厚度為8的單元疊加起來又可形成原來的三維實體，這樣就將三維問題轉化為二維問題，既降低了處理的難度，又不受零件複雜程度的限制。RPM的總體目標是在CAD技術的支持下，快速完成複雜形狀零件的製造，其主要技術特徵是：直接用CAD軟體驅動，無需針對不同零件準備工裝夾具；零件製造全過程快速完成；不受複雜三維形狀所限制的工藝方法的影響。

基本環節

快速成型製造流程

1、 三維CAD造型
利用各種三維CAD軟體進行幾何造型，得到零件的三維CAD數學模型，是快速成型技術的重要組成部分，也是製造過程的第一步。三維造型方式主要有實體造型和表面造型，目前許多CAD軟體在系統中加入一些專用模組，將三維造型結果進行離散化，生成面片模型檔案或層片模型檔案。
2、反求工程
物理形態的零件是快速成型技術體系中零件幾何信息的另一個重要來源。幾何實體同樣包含了零件的幾何信息，但這些信息必須通過反求工程進行數位化，方可進行下一步的處理。反求工程要對零件表面進行數位化處理，提取零件的表面三維數據。主要的技術手段有三坐標測量儀、三維雷射數位化儀、工業CT和自動斷層掃瞄器等。通過三維數位化設備得到的數據往往是一些散亂的無序點或線的集合，還必須對其三維重構得到三維CAD模型，或者層片模型等。
3、 數據轉換
三維CAD造型或反求工程得到的數據必須進行大量處理，才能用於控制RPM成型設備製造零件。數據處理的主要過程包括表面離散化，生成STL檔案或CFL檔案，分層處理生成SLC，CLI，HPGL等層片檔案，根據工藝要求進行填充處理，對數據進行檢驗和修正並轉換為數控代碼。
4、 原型製造
原型製造即利用快速成型設備將原材料堆積成為三維物理實體。材料、設備、工藝是快速原型製造中密切相關的3個基本方面。成型材料是快速成型技術發展的關鍵。它影響零件的成型速度、精度和性能，直接影響到零件的套用範圍和成型工藝設備的選擇。
5、物性轉換
通過快速成型系統製造的零件，其力學、物理性能往往不能直接滿足要求，仍然需要進一步的處理，即對其物理性質進行轉換。該環節是RPM實際套用的一個重要環節，包括精密鑄造、金屬噴塗制模、矽膠模鑄造、快速EDM電極、陶瓷型精密鑄造等多項配套製造技術，這些技術與RPM技術相結合，形成快速鑄造、快速模具製造等新技術。

套用

快速成型套用

RPM技術即可用於產品的概念設計、功能測試等方面，又可直接用於工件設計、模具設計和製造等領域，RPM技術在汽車、電子、家電、醫療、航空航天、工藝品製作以及玩具等行業有著廣泛的套用。
1、 產品設計評估與功能測驗為提高設計質量，縮短試製周期，RPM系統可在幾小時或幾天內將圖紙或CAD 模型轉變成看得見、摸得著的實體模型。根據設計原型進行設計評估和功能驗證，迅速地取得用戶對設計的反饋信息。同時也有利於產品製造者加深對產品的理解，合理地確定生產方式、工藝流程和費用。與傳統模型製造相比，快速成型方法不僅速度快、精度高，而且能夠隨時通過CAD進行修改與再驗證，使設計更完善。
2、快速模具製造
以RPM生成的實體模型作為模芯或模套，結合精鑄、粉末燒結或電極研磨等技術可以快速製造出產品所需要的功能模具，其製造周期一般為傳統的數控切削方法的1／5～1／10。模具的幾何複雜程度越高，這種效益愈顯著。
3、醫學上的仿生製造
醫學上的CT技術與RPM技術結合可複製人體骨骼結構或器官形狀，整容、重大手術方案預演，以及進行假肢設計和製造。
4、藝術品的製造
藝術品和建築裝飾品是根據設計者的靈感，構思設計出來的，採用RPM可使藝術家的創作、製造一體化，為藝術家提供最佳的設計環境和成型條件。快速成型製造開創了一個嶄新的設計、製造概念。它以相對低的成本，可修改性強的特點，獨到的工藝過程，為提高產品的設計質量，降低成本，縮短設計、製造周期，使產品儘快地推向市場提供了方法，對於複雜形狀的零件則更為有利。快速成型製造技術作為一種先進制造技術將在21世紀的製造業中占據重要的地位。