快速成型技术的发展及关键技术

摘要成形材料的开发应用,可提升成形质量、拓宽原型应用的领域、开发新的成形工艺.软件是快速成形技术的灵魂,第三方软件介入是当前快速成形技术软件开发的一个明显趋势.基于快速成形思想的各种新的工艺方法、研究与工艺装备开发,以及桌面化设备和功能原型成形设备的开发,是新的快速成形设备研制的两大趋势.

关键词快速成形,成形材料,软件技术,工艺装备

Abstract By developing and applying material of forming or shaping, forming quality can be promoted, prototype appli- cation can be broadened, and new RP process can be developed. Software is the core of rapid prototyping technology. The field of rapid prototyping technology where commercial software involved is an obvious trend of software technique development at present. The research on various new technological method and technological equipment based on the principle of rapid prototyping as well as the development of desktop equipment and functionalizing equipment, are two R& D big trends in developing new RP equipment.

Keywords rapid prototyping, forming material, software technique, process equipment

引言

快速成形制造(RPM)是20世纪80年代末、90年代初由美国开发的高新制造技术,其重要意义可与数控(CNC)技术相比。该技术采用材料累

加的新成形原理,直接通过CAD数据制成三维实体模型。这一技术不需要传统的机床、夹具、刀具,便可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件模型,从而实现了“自由制造”。快速成形出现给工业产品的造型开发、工艺品的模型设计提供了最为便捷的制造工具,使产品的开发速度数十倍地提高。而且越是复杂结构的物体,其制造速度提高越显著。

1快速成形技术的国内外研究现状

快速成形技术(Rapid Prototyping Technology,以下简称RP技术)是20世纪80年代中后期发展起来的一项新兴的先进制造技术,其核心思想是基于降维离散的方法,把任意复杂的三维实体通过切片处理,转换为二维平面的制造和沿成形方向做一维的层片叠加,实现物理原型的快速制造.

我国快速成形技术自20世纪世纪90年代初开始发展,西安交通大学、北京隆源公司等院校和企业在典型的快速成形设备、软件、材料等方面的研究和产业化方面的获得了重大进展。随后国内许多高校和研究机构也开展了相关研究,重点在金属成形方面开展研究。我国快速成形技术的研究工作基本与国际同步。

在快速成形技术新设备研发和应用方面我国则落后于国外。由于我国在这方面的投入少,企业的应用开发能力弱,故相对于欧美国家,在新技术的开发上已显落后。在应用上,我们许多行业缺少后续技术研发,例如在快速制造的原型向模具和功能零件转化方面没有形成系统技术体系,企业没有很好地将此技术应用在产品开发方面。国外快速成

形技术在航空领域超过8%的应用量,而我国在这方面的应用量则非常低。快速成形尤其适合于航空航天产品中的零部件单件小批量的制造,具有成本低和效率高的优点。国外在航空航天器的研制中不断尝试应用快速成形技术,显示出了巨大发展潜力。在我国重大的专项研究和航空航天事业发展中,快速成形这一技术都有广泛的用途。因此,通过“产学研用”结合,通过不断与企业合作,拓展应用领域,将是快速成形制造技术发展的根本方向。

2快速成型系统的构成和原理

2.1 系统构成

快速成型系统主要由硬件和软件两部分组成。其中,硬件由工业控制计算机、激光选区烧结器、光路及其扫描系统、成型室及送料室组成;软件由操作系统、CAD软件、CAD切层软件、激光选区烧结控制软件等组成。

（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发展，并将成为21世纪制造业的重要组成部分。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

（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则的自由曲面，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合适的加工方向，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，反之则精度越低，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