快速原型制造技术的发展现状与前景

快速原型制造技术的发展现状与前景

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崔焕勇,王守仁,高琦

( 1 济南大学机械工程学院,山东济南250022 ;

2 山东大学机械学院,山东济南250069)

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摘要: 分析了快速原型制造RPM 技术背景、发展现状,提出了RPM 技术的发展趋势和前景。

关键词: 快速原型;制造技术;前景

近20 年来,制造业市场环境发生了很大变化:一方面表现为消费者兴趣的智时效性和消费者需求日益主体化、个性化和多元化;另一方面则是区域性、国际性市场壁垒的淡化和打破, 使制造厂商不得不着眼于全球市场的激烈竞争。快速将多样化的产品推向市场是制造商把握市场先机而求生存的重要保障。由此导致了制造价值观从面向产品到面向顾客的重定向、制造战略重点从成本与质量到时间与响应的转移等。此可视为各国致力于CIMS 、并行工程、敏捷制造等现代制造模式研究与实践的重要背景。传统制造业的战略是规模效益第一,80 年代又提出价格第一和质量第一,90 年代以来, 已发展为市场响应第一。快速响应制造已成为国际研究的热点。如今市场的机遇要靠企业去把握、去创造。因此,产品的快速开发是快速响应制造的龙头,是成为赢得21 世纪国际市场竞争的关键。

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快速原型制造技术RPM - Rapid Prototype Manufacturing 是随着CAD/ CAM 技术、计算机数控技术、激光技术、材料科学与工程技术的发展而出现并发展的,而今它已同信息技术、虚拟技术一起成为实施产品设计技术和工艺过程技术集成创新的“前所未有的理想工具[ 1] ”, 已在家电、汽车、玩具、轻工、通讯设备、航空、军事、建筑、医疗、考古、电影制作、工业造型、雕刻、首饰、三维地图等行业得到应用[2 ] .在国内外的工程实践中,RPM 已被证明具有明显的优势: ( 1) 缩短产品设计周期,提高竞争力; (2) 降低产品开发成本; (3) 明显增加产品设计可修改周期,加快设计反馈频率。被誉为制造业的一场革命,也具有巨大的发展潜力,世界发达国家给与其巨大关注,投入巨大人力、物力和财力,加速RPM 技术的发展[3 ] 。

1 RPM 技术的发展现状

11 RPM 原理

RPM 是由CAD 模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的技术总称[4 ] 。过程

崔焕勇等:快速原型制造技术的发展现状与前景5

是:先由三维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信息,即离散过程;再将分层后的数据进行一定处理,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的连续加工出每个薄层并使它们自动粘接而成形,即材料的推积过程[4 ] 。

随着RPM 技术的发展和人们对该项技术认识的深入,它的内涵也在逐步扩大。目前RPM 技术包括一切由CAD 模型直接驱动的成形过程,而主要的技术特征即是成形的快速性。对于材料的转移形式可以是自由添加、去除以及添加和去除相结合等特征。

12 RPM 技术特点[5 ]

121 制造快速

快速原型制造技术是并行工程中精心复杂原型和零件制作的有效手段。从产品CAD 或从实体反求获得数据到制成原型,一般只需几小时到几十个小时,速度比传统成型加工方法快得多。随着互联网的发展,RPM 技术也更加便于远程制造服务,使资源得到充分利用,用户的需求也可得到最快的响应。

122 技术高度集成

RPM 技术是计算机技术、数据采集与处理技术、材料工程、机电加工与控制技术的综合体

现。只有在这些高新技术迅速发展的今天才可能使CAD 和CAM 很好的结合,实现设计与制

造的一体化。

123 自由成型制造

自由成型的含义有两个:一个是指可根据原型或零件的形状,无需使用工具、模具,而自由

的成型;二是指不受形状复杂程度限制,能够制造任意复杂形状与结构、不同材料复合的原型或零件。

124 制造过程高度柔性

共同的制造原理使快速原型制造系统在软件和硬件的实现上70 %～80 %是相同的,也就

是说,在一个现有的系统上仅增加20 %～30 %的无器件和软件功能就可进行另一种制造工艺,不同的工艺原理的设备容易实现模块化,对于整个制造过程,仅需改变CAD 模型或反求数

据结构模型即可。

125 可选材料的广泛性

快速原型制造技术可以采用的材料十分广泛,可采用树脂类、塑料类、纸类、石蜡类、复合材料、多属材料或者陶瓷材料的粉末、箔、丝、小块体等,也可是涂覆某种粘接剂的颗粒、板、薄膜等材料。

126 广泛的应用领域

除了制造原型以外,RPM 技术还特别适用于新产品的开发、快速单件及小批量零件制造、不规则零件或复杂形状零件的制造、模具及模型设计与制造、外形设计检查、装配检

验、快速反求与复制,也适应于难加工材料的制造等。这项技术不仅在制造业的产品造型与模具设计领域,而且在材料科学与工程、工业设计、医学科学、文化艺术、建筑工程等领域有广阔的应用前景。

13 目前主要的RPM 技术方法

到目前为止, 已有十几种不同的RPM 系统问世, 其中比较典型的有分层实体制造LOM 、选择性激光烧结SL S 、立体平板因素印刷SLA 、熔融沉积制造FDM 。生产LOM

系统的主要制造商有美国的Helysis 公司、新加坡的KIN ER GY 公司、日本的KIRA 公司以及国内的清华大学、华中科技大学等,生产SL S 系统的主要制造商有美国的D TM 公司、德国的EOS 公司以及国内的北京隆源公司、华中科技大学等,生产FDM 系统的主要生产商有美国Stratasys 公司及国内的清华大学等,生产SLA 系统的主要制造商有美国的3Dsystems 公司、德国的EOS 公司以及国内的西安交通大学等。另外,一些其他的方法如三维喷涂粘接3DP G 数码累积造型DBL 立体光刻SGC 、直接壳法DSPC 、喷墨打印、全息干涉制造、弹道微粒制造、光束干涉固化等都有一定研究规模。

2 RPM 技术的发展前景

现代RPM 技术发展的一个重要特点就是快速自动成型与其它先进的设计制造技术的结合越来越紧密。目前,快速原型制造技术朝着工业化、产业化方向迈进。完善制造工艺、系统与CAD 等软件的接口,制定统一的数据交换标准,进一步提高成型速度和精度,降低系统价格和运行成本,开发出满足工程要求的材料和扩大应用领域等都是人们关注的焦点。

21 概念创新与工艺改进

经过十多年的研究与发展,已有十几种较为成熟的技术,但它们的原理都是分层叠加法,

在系统软件和硬件上有很多是相同和相近的,于是,一些改进的工艺和设备能够具备多种制造

方法的特点和功能,例如FDM 和LOM 的复合。

精度的提高是改进工艺必须考虑的。RPM 技术的成型精度一般为0. 01 mm 的数量级, 有待于进一步提高。

另一方面,与传统制造工艺相结合,形成快速产品开发- 制造系统也是一个重要趋势。目

前国内外均在大力开发这一领域,清华大学正在研究RPM 用于无木模铸型的制造。

22 寻求适合集成制造的新材料

目前许多制造商在积极开发适合快速原型制造的专用材料。例如,应用于汽车模具时,材

料的力学性能和物理性能要满足使用要求。D TM 公司开发了涂覆树脂的钢球材料用于生产

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注产塑模,以及覆膜锆砂Sand From Zr 用于直接制作铸型芯膜。

相比之下,国内的材料研究发展较慢。目前SLA 成型设备所用的光固化树脂全靠进口, 价格昂贵,LOM 实用的材料也远不如国外。

总的说来,用于快速模具制造和功能零件的材料还不成熟,在强度、精度、性能和寿命方