08060407-先进制造技术论文

先进制造技术论文
学院：__经济与管理学院___
班级：______08营________
学号：_____08060407______
姓名：______窦月________
快速成型与制造的应用
Application of rapid prototyping and manufacturing 班级：08营学号：08060407 姓名：窦月
摘要目的介绍快速成型系统的原理，是根据对三维CAD电子模型进行分层切片处理,得到一系列的二维截面轮廓,然后用激光束或其它方法切割、固化或烧结某种状态材料,得到一层层的产品截面并逐步叠加成三维实体。

还有快速成型的工艺过程、应用〔实质表达〕，重点阐述了该项技术的应用和开展，快速成型技术在模具制造中的应用分析。

快速成型技术及其应用在国内外已开展成为一项极具生命力的技术，得到了工业界的普遍关注，并将给企业带来巨大的经济效益。

随着社会经济的飞速开展,模具制造在不断改善产品性能与质量的前提下应快速地适应市场的需求。

快速模具技术是以快速成型技术为根底,将传统制模技术与快速成型技术的相结合,使模具的设计和制造周期缩短,具有广阔的开展和应用前景。

快速成型技术在模具制造中的应用,以及计算机辅助设计快速成型模具制造的措施。

快速成型技术开展中存在的问题，在快速成型中，如果提高了模型制造速度，必然会损失一定的精度，如快速成型的尺寸精度和外表光洁度等这些关键参数。

快速成型技术的开展是近20年来制造领域的突破性进展，它不仅在制造原理上与传统方法迥然不同，更重要的是在目前产业策略以市场响应速度为第一的状况下，RP技术可以缩短产品开发周期，降低开发本钱，提高企业的竞争力。

RP技术所使用的材料也已从开始的光敏固化树脂领域扩展到其它诸如塑料、金属、陶瓷等领域，工艺也不断得到改良。

关键词快速成型技术计算机辅助设计原理与工艺过程
Abstract To introduce the principles of rapid prototyping system, based on the three-dimensional CAD model slicing electronic processing, are a series of two-dimensional cross-section profile, and then use a laser beam or other means cutting, curing or sintering a state of material, by a layer of products and gradually superimposed as three-dimensional cross-section entity. There are rapid prototyping process, the application (in real terms reflect), focuses on the application of the technology and development, rapid prototyping technology in the application of mold making. Rapid prototyping technology and its application at home and abroad has become a very viable technology, has been the general concern of the industry, and bring huge economic benefits to the enterprise. With the rapid social and economic development, mold manufacturing in the continuous improvement of product performance and quality of the premise should be to quickly adapt to market demand. Rapid Tooling technology is based on rapid prototyping technology, the traditional tooling and rapid prototyping technology combine to make the mold design and manufacturing cycle time, has a broad development and application prospects. Rapid prototyping technology in manufacturing of mold and die manufacturing computer-aided design measures for rapid prototyping. Development of rapid prototyping technology problems, in the rapid prototyping, if the model improved manufacturing speed, inevitably some loss of accuracy, such as the rapid prototyping of dimensional accuracy and surface finish such as these key parameters. Rapid prototyping technology in the last 20 years, a breakthrough in manufacturing, not only in manufacturing principles with the traditional method is very different, but more importantly in the current industrial policy response to market conditions as the first, RP technology shorten product development cycles, reduce development costs and improve the competitiveness of enterprises. RP technology is also used material from the photosensitive resin began spreading to other areas such as plastics, metals, ceramics and other fields, technology has been improved.
Keywords Rapid Prototyping Technology Computer Aided Design Principles and process
引言
快速成型技术(以下简称RPM)是一种集计算机辅助设计、精密机械、数控激光技术和材料学为一体的新兴技术，它采用离散堆积原理，将所设计物体的CAD模型转化成实物样件。

由于RPM采用将三维形体转化为二维平面分层制造的原理，对物体构成复杂性不敏感，因此物体越复杂越能表达它的优越性。

随着机械产品和设备的高速、高效、精密、轻量化和自动化方向的迅猛开展，产品的竞争愈来愈剧烈，更新周期愈来愈短。

如何能根据市场的要求，在尽可能短的时间内设计、制造出产品的样品，已成为制造业的关键问题，谁能开发出市场需要的新产品，谁就能赢得市场。

而新产品快速开发的速度，取决于新产品零件的快速制造速度。

快速成型〔RP〕就是集CAD/CAM、CNC、激光、新材料等先进技术于一体的一种现代先进制造技术。

该技术改变了传统的利用材料去除和材料转移等获得零件方法，利用分层制造、逐层叠加成形的原理，可以自动、直接、精确、快速地将设计思想转变成具有一定功能的原型实物零件，制造速度、制造本钱根本与零件的复杂程度无关，从而可以对实物零件进行快速功能验证、市场评估、修改定型，用定型零件进行模具〔RT〕制造可以实现零件的批量生产。

因此，采用该技术可以大大缩短新产品的研究开发周期，降低研究开发的本钱。

以RPM为技术支撑的快速模具制造RT(Rapid Tooling)也正是为了缩短新产品开发周期，早日向市场推出适销对路的、按客户意图定制的多品种、小批量产品而开展起来的新型制造技术。

由于产品开发与制造技术的进步，以及不断追求新颖、奇特、多变的市场消费导向，使得产品(尤其是消费品)的寿命周期越来越短已成为不争的事实。

例如，汽车、家电、计算机等产品，采用快速模具制造技术制模，制作周期为传统模具制造的1/3～1/10，生产本钱仅为
1/3～1/5。

所以，工业兴旺国家已将RPM/RT作为缩短产品开发时间及模具制作周期的重要研究课题和制造业核心技术之一，我国也已开始了快速制造业的研究与开发应用工作。

正文
一、快速成型技术的原理
快速成型技术是将计算机技术、CAD、机械工程、数控技术、检测技术、激光技术和材料科学等集合为一体的高新技术。

近年来,该技术在国内外得到了迅速的开展,并将成为21世纪制造业的重要组成局部。

其原理是根据对三维CAD电子模型进行分层切片处理,得到一系列的二维截面轮廓,然后用激光束或其它方法切割、固化或烧结某种状态材料,得到一层层的产品截面并逐步叠加成三维实体。

RP技术摒弃了传统机械加工的材料“去除〞加工法,而采用全新的材料增长加工法,将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合,它从成型原理上提出了一个全新的思维模式,是一个从离散到堆积的过程。

目前世界上投入应用的快速成形的方法有十多种，主要包括立体印刷
(SLA-StereoLithgraphyApparatus)、分层实体制造(LOM—Laminated Object Manufacturing)、选择性激光烧结(SLS—SelectiveLaser Sintering)、熔化沉积制造(FDM —Fused Deposition Modeling)、固基光敏液相(SGC—Solid GroundCuring)等方法。

随着快速成形技术的持续开展，它的应用已从单一的模型制作向快速模具制造(RapidTooling，简称RT)及快速铸造(Quick Casting，简称QC)等多用途方向开展，其应用领域涉及航空、航天、机械、汽车、电子、建筑、医疗及美术等行业。

二、快速成型工艺过程
在快速成型工艺过程中,由于系统是由三维CAD模型直接驱动,因此首先要构建所加工工件的三维CAD模型。

该三维CAD模型可以利用计算机辅助设计软件直接构建,也可以将现有产品的二维图样进行转换而形成三维模型,或对产品实体进行激光扫描、断层扫描,得到点
云数据,然后利用反求工程的方法来构造三维模型。

其次是三维模型的近似处理,由于产品往往有一些不规那么的自由曲面,加工前要对模型进行近似的处理,以方便后续的数据处理工作。

由于格式文件格式简单、实用,目前已经成为快速成型领域的标准接口文件。

它是用一系列的小三角形平面来逼近原来的模型,每个小三角形用3个顶点坐标和一个法向量来描述,三角形的大小可以根据精度要求进行选择。

文件有二进制码和ASCn码两种输出形式,二进制码输出形式所占的空间比ASCn码输出形式的文件所占用的空间小得多,但ASCn码输出形式可以阅读和检查。

典型的CAD软件都带有转换和输出STL文件的功能。

后是三维模型的切片处理,根据被加工模型的特征选择适宜的加工方向,在成型高度方向上用一系列一定间隔的平面切割近似后的模型,以便提取截面的轮廓信息。

间隔一般常用0.1mm。

间隔越小,成型精度越高,但成型时间也越长,效率就越低,反之那么精度越低,但效率高。

最后成型加工与零件的后处理,根据切片处理的截面轮廓,在计算机控制下,相应的成型头按各截面轮廓信息做扫描运动,在工作台上一层一层地堆积材料,然后将各层相粘结,最终得到原型产品。

成型零件的后处理是从成型系统里取出成型件,进行打磨、抛光、涂挂,或放在高温炉中进行后烧结,进一步提高其强度。

三、快速成型技术的应用的实质表达
目前RP技术的开展水平而言，在国内主要是应用于新产品〔包括产品的更新换代〕开发的设计验证和模拟样品的试制上，即完成从产品的概念设计〔或改型设计〕――造型设计――结构设计――根本功能评估――模拟样件试制这段开发过程。

对某些以塑料结构为主的产品还可以进行小批量试制，或进行一些物理方面的功能测试、装配验证、实际外观效果审视，甚至将产品小批量组装先行投放市场，到达投石问路的目的。

快速成型的应用主要表达在以下几个方面：
1、新产品开发过程中的设计验证与功能验证。

RP技术可快速地将产品设计的CAD模型转换成物理实物模型，这样可以方便地验证设计人员的设计思想和产品结构的合理性、可装配性、美观性，发现设计中的问题可及时修改。

如果用传统方法，需要完成绘图、工艺设计、工装模具制造等多个环节，周期长、费用高。

如果不进行设计验证而直接投产，那么一旦存在设计失误，将会造成极大的损失。

2、可制造性、可装配性检验和供货询价、市场宣传，对有限空间的复杂系统，如汽车、卫星、导弹的可制造性和可装配性用RP方法进行检验和设计，将大大降低此类系统的设计制造难度。

对于难以确定的复杂零件，可以用RP，技术进行试生产以确定最正确的合理的工艺。

此外，RP原型还是产品从设计到商品化各个环节中进行交流的有效手段。

3、单件、小批量和特殊复杂零件的直接生产。

对于高分子材料的零部件，可用高强度的工程塑料直接快速成型，满足使用要求；对于复杂金属零件，可通过快速铸造或直接金属件成型获得。

该项应用对航空、航天及国防工业有特殊意义。

4、快速模具制造。

通过各种转换技术将RP原型转换成各种快速模具，如低熔点合金模、硅胶模、金属冷喷模、陶瓷模等，进行中小批量零件的生产，满足产品更新换代快、批量越来越小的开展趋势。

四、快速成型技术在模具制造中的应用分析
快速模具制造方法有两种:一种为间接制模,间接制模是以快速原型为模型采用某种工艺制造模具;另一种为直接制模,直接制模是在快速原型制造设备上直接制造模具,即根据制品形状设计了模具的三维实体模型或将零件模型转换为型腔模型,选择专用材料,利用快速原型技术制造模具。

在快速制模技术中,制造出尺寸精度比拟高的快速原型是前提,但大局部快速成型得到的原型因材质和成型工艺的限制,一般不采取直接制模的方法。

用快速原型制母模,浇注蜡、硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等软材料,可构成软模具。

(一)硅橡胶制模
硅橡胶制模制造工艺是一种比拟普及的快速模具制造方法。

由于硅橡胶模具具有良好的柔性和弹性,能够制作结构复杂、花纹精细、模斜度甚至具有倒拔模斜度以及具有深凹槽类的零件,制作周期短,制件质量高,因而备受关注。

由于零件的形状尺寸不同,对硅橡胶模具的强度大小要求也不一样,因而制模方法也有所不同。

硅橡胶模具的特点:硅橡胶具有良好的仿真性、强度和极低的收缩率。

用该材料制造弹性模具简单易行,无需特殊的技术及设备,只需数小时在室温下即可制成。

硅橡胶模具能经受重复使用和粗劣操作,能保持制件原型和批量生产产品的精密公差,并能直接加工出形状复杂的零件,免去铣削和打磨加工等工序,而且脱模十分容易,大大缩短产品的试制周期,同时模具修改也很方便。

此外,由于硅橡胶模具具有很好的弹性,对凸凹局部浇注成型后也可直接取出,这是它的独特之处。

(二)电弧喷涂快速制模
以原型为样模,将熔点的熔化金属充分雾化后以一定的速度喷射到样模外表,形成模具型腔外表,背衬充填复合材料,用填充铝的环氧树脂或硅橡胶支撑,将壳与原型别离,得到精密的模具,并参加浇注系统和冷却系统等,连同模架构成注射模具。

其特点是工艺简单、周期短;型腔及其外表精细花纹一次同时形成;省去了传统加工模具中的制图、数控加工和热处理等昂贵、费时的步骤,不需要机加工;模具尺寸精度高,缩短了周期,节约了本钱。

(三)树脂型复合模具制模
这种方法是将液态的环氧树脂与有机或无机材料复合作为基体材料,然后以原型为基准浇注模具。

工艺过程为:制作原型-外表处理-外表设计、制作模框-选择、设计分型面-在原型外表、分型面刷脱模剂,胶衣树脂-浇注凹模。

当凹模制造完成后,倒置,同样需要在原型外表及分型面上均匀涂脱模剂和胶衣树脂,分开模具。

在常温下浇注的模具,一般在1～2天根本固化定型,即能分模。

与传统注塑模相比,本钱只有传统方法的几分之一,生产周期大大减少。

模具寿命不及钢模,但比硅胶模高。

(四)硅胶-陶瓷型橡胶模制模
其通过涂层转移获得精密陶瓷型,浇铸铸铝或黑色金属。

快速精密铸造模具采用快速精密铸造的方式得到快速模具有许多方法。

它利用立体光刻工艺获得零件膜具的半中空原型,然后在原型的外外表挂浆,得到有一定厚度和粒度的陶瓷层,它紧紧地包裹在原型的外面,再放入高温炉中烧掉半中空原型。

得到中空的陶瓷型壳,即可用于精密铸造。

浇铸后得到的金属模具还要进行必要的机加工,使得其外表质量和尺寸精度到达要求。

该方法的优点是用原型代替原来精密铸造中的蜡型,大大提高铸造原型的精度,大大加快制造速度。

五、计算机辅助设计快速成型模具制造的措施
快速模具的制作需要前端的CAD数字模型来支持,也就是说,所有的快速成型技术都是由CAD数字模型来直接驱动的。

来源于CAD的数字模型必须处理成快速成型系统所能接受的数据格式,而且在原模型制作之前或制作过程中还需要进行叠层方向的切片处理。

因此,在快速成型技术实施之前以及原型制作过程中需要进行大量的数据准备工作,数据的充分准备和有效的处理决定着原型制作的效率、质量和精度。

(一)三维数据源
快速成型制造与传统的去除材料加工技术不同,它是通过逐层增加材料来制造零件的,几乎所有的快速成型工艺流程都可表示为图1。

快速成型的数据来源十分广泛,既可以直接从三维数据获得加工路径,也可以经三维数据网格化得到STL模型获得加工路径,快速成型的数据来源大体可分为:三维CAD模型、逆向工程数据、数学几何数据、医学/体素数据、分层数据。

本文中涉及到的零件的三维数据来源主要是通过三维CAD模型获得,三维CAD模型是一种最重要也是应用最为广泛的数据来源。

由三维造型软件生成产品的三维CAD曲面模型或实体模型,然后对实体模型或外表模型直接分层得到精确的截面轮廓。

然而最常用的还是将CAD模型先转化为三角网格模型,然后分层得到加工路径。

(二)STL模型处理
STL文件是通过三维模型外表的三角网格化获得的,这种三角网格化算法经常在有限元分析中使用。

三角形的网格化就是用小三角面片去逼近自由曲面,逼近的精度通常由曲面到三角形面的距离误差或者是曲面到三角形边的弦高差控制。

所以误差越小,曲面越不规那么,所需要的三角形面片的数目就越多,STL 文件就越大。

因此必须根据零件加工的需要设定误差。

在得到零件的STL模型之后,经过分层处理才能将数据输入到设备中。

因此分层处理的效率、速度以及所得到的界面轮廓的精度对于快速成型制造来说是相当重要的。

在分层处理之前,一般都要选择一个优化的分层方向,因为优化的方向对分层处理的结果有很重要的影响。

总之,快速模具技术是在快速成型技术的根底上开展的一种新型模具制造技术,不过还需要不断的完善和研究。

六、快速成型技术开展中存在的问题
由快速成型技术的原理可知其是将复杂的三维加工变成较简单的二维加工，从而大大简化了数据处理的难度。

一般来说，速度与精度问题是困惑快速成型学术界的重要问题，要想提高模型制造速度，必然会损失一定的精度。

无论是任何方法制造出的模具或模型直接快速成型，尺寸精度和外表光洁度都是个关键参数。

RP制造模型的过程为：实体CAD造型，计算机对CAD模型做分层处理，最后由成型机制造出实体。

期间所有过程都将影响模型精度。

其主要影响因素有：
1.用直线代替曲线或用平面代替曲面的误差。

误差越小，所需的存储数据就越大。

数据越大，数据转换误差就越多。

数据转换过程：CAD实数，CAD文件输出,分层处理,传输到快速成型机.每一步都会产生转换误差。

2.每层厚度取决于铺粉和刮平装置。

铺粉与刮平装置的配合良好与否也易造成误差。

3.数控系统扫描机构的惯性结构、驱动电机驱动能力的动态特性对其运动速度、加速度、减速度有一定的限制，在满足这些限制的前提下，提高加工效率及加工质量成为急待解决的问题。

且扫描系统的运动重复性对光束位置的重复精度影响很大。

4.在扫描加工过程中扫描速度的变化。

为保证能量供应，激光功率必须做相应的变化。

寻求一种激光功率与扫描速度的适时匹配也是一个有待进一步解决的问题。

5.扫描线长、宽的变化造成的误差。

激光器的质量和激光光源强度的稳定是影响该项误差的主要因素。

6.粉料的物理特性和铺平装置将影响粉料的外表位置精度，X-Y双轴运动的有效控制将提高激光光束的位置精度。

7.成型部件的卷曲、翘曲和膨胀等问题。

材料的特征和成型件的几何形状及烧结成型工艺比照影响很大。

材料的局部融化需较大的能量密度，大的能量密度会造成较大的内应力和应变。

烧结可以用较小的能量密度，但由于是无压烧结，势必会造成内部空洞。

8.化学反响粘结法仅限于某些有机物质，易熔金属粉末材料的开发国内尚不成熟。

纯粹用辅助胶粘结的方法给成型件多加了一些与最终性能无关的物质，多少会有负面影响。

9.由于多方面的因素,现在制造出的成型机所能造的零部件尺寸极其有限。

结论
快速成型技术是一种正在进一步开展和完善且已经获得了广泛应用的技术。

可以预见，随着CAD技术的广泛应用,市场竞争将日趋剧烈,快速成型技术RP和快速模具制造RT成套技术将日趋完善。

快速成型技术将开展为一种能被企业普遍采用的技术手段，并将给企业带来巨大的经济效益，这应引起各方面的高度重视。

国家有关部门和企业应充分重视RP技术，
加快开发我国商品化RP系统并大力推广应用。

注重RP信息的收集、传播与交流，拓宽RP 研究的深度和广度。

该项技术完全可以立足于国内，国产RP系统有望占有国内市场并进入国际市场，这将使我国企业更有信心面临剧烈的国际竞争，使中国经济飞速向前开展。

参考文献
[1]李春祥,彭淑慧.快速成型技术原理及应用[J].甘肃工业大学学报,2000,26(3).
[2]刘伟军.快速成型技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2004.
[3]王广春,赵国群.快速成型与快速模具制造技术及应用[M].机械工业出版社,2003.
[4]马承银,郑文姬,胡慧萍.水性环氧树脂的制备和固化机理的探讨[J].高分子通报,2006,(1).
[5]王峰,快速成型系统扫描加工过程分析[J].中国机械工程,1999,(10):127.。