快速原型制造技术的发展与应用解析

快速原型制造技术的发展与应用

[摘要] 本文首先介绍了快速成型技术的国内外发展现状、快速成型技术的成型方式、成型特点和应用状况,指出立体光固化(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、分层实体制造(LOM)、熔积成型(FDM)是目前使用的几种主要成型方式,并对它们的成型原理进行了简要介绍。研究了快速成型技术在新产品开发、铸造技术和模具制造方面的应用。快速成型技术改变了传统的产品开发模式,可以为设计者提供产品样件,缩短设计周期,加快新产品的开发进度,为决策者提供直观性;快速成型技术迅速提供砂型铸造、熔模铸造、实型铸造用的各种模样,包括树脂模、层压模、熔模和消失模等,还可采用直接制壳铸造法直接制造熔模铸造用的压型、金属型、压铸型、注塑模,甚至直接制造小批量铸件,介绍了熔积成型技术在石膏型精密铸造上的应用和基于选择性激光烧结技术的快速铸造技术,快速成型技术与铸造工艺的有机结合,开创了快速制造金属零件的新阶段,对用高新技术改造传统的铸造工业,使其面貌焕然一新,增强铸造行业的竞争能力;快速成型技术为母模的制造提供了一条快速、经济、可行的技术途径,讨论了利用快速成型技术制造模具的一般工艺方法,探讨了将快速成型技术与金属电弧喷镀技术结合起来快速制造金属模具问题,以及快速成型技术与精密铸造技术相结合的模具制造工艺,基于快速成型制造的快速模具技术,集成了快速成型制造高新技术和传统技术,发挥各自优势,己成为产品快速更新换代和新产品开发及中、小批量生产的有效手段之一。预测了快速成型技术的发展趋势,指出随着技术的不断进步和工业的发展,快速成型技术将发挥越来越重要的作用。

[关键词]快速成型技术,新产品开发,铸造

引言

目前,市场环境发生了巨大变化。一方面表现为消费者需求日趋主体化、个性化和多样化;另一方面则是产品制造商们都着眼于全球市场的激烈竞争。面对市场,不但要很快地设计出符合人们消费需求的产品,而且必须很快地生产制造出来,抢占市场,因此,面对一个迅速变化已无法预料的买方市场,以往传统的大批量生产模式对市场的响应就显得越来越迟缓与被动。快速响应市场需求,己成为制造业发展的重要走向。为此,这些年来工业化国家一直在不遗余力地开发先进制造技术,以提高制造工业的发展水平,以便在激烈的全球竞争中占有一席之地，与此同时,计算机、微电子、信息、自动化、新材料和现代化企业管理技术的发展日新月异,产生了一批新的制造技术和制造模式,制造工程与科学取得了前所未有成就。快速成型技术就是在这种背景下逐步形成并得以发展的。

快速成型技术的发展,使得产品设计、制造的周期大大缩短,提高了产品设计、制造的一次成品率,降低产品开发成本,从而给制造业带来了根本性的变化。快速成型(raPdiPrototyPing,RP)技术是在计算机技术、数控技术、激光技术和新材料的基础上发展起来的一种先进制造技术。它具备如下特点:原型的复制性、互换性高,制造工艺与制造原型的几何形状无关,在加工复杂曲面时更显优越;加工周期短,成本低,成本与产品复杂程度无关,一般制造费用降低50%,加工周期节约70%以上;高度技术集成,可实现设计制造一体化;

制造原型所用的材料不限,各种金属和非金属材料均可使用,因而,得到了广泛应用。快速成型技术自80年代问世以来,在成型系统、材料方面有了长足的进步,同时推动了快速制模技术(raPidto01ing,RT)和快速制造技术(raPdimanufaCturing,RM)的发展。近年来,该技术迅速在工业造型、制造、建筑、艺术、医学、航空、航天、考古和影视等领域得到良好应用。

1 快速成型技术的发展现状

1.1 快速成型技术在国外的发展

快速成型技术是一种用材料逐层或逐点堆积出制件的制造方法。分层制造三维物体的思想雏形,最早出现在制造技术并不发达的19世纪。早在1892年,日lanther主张用分层方法制作三维地图模型。1979年东京大学的中川威雄教授,利用分层技术制造了金属冲裁模、成型模和注塑模。光刻技术的发展对现代RP技术的出现起到了催化作用。20世纪70年代末到80年代初期,美国3M公司的AlanJ.Hebert(1978年)、日本的小玉秀男(1980年)、美国UVP公司的CharlesW.Holl(1982年)和日本的丸谷洋二(1983年),在不同的地点各自独立地提出了钟的概念,即利用连续层的选区固化产生三维实体的新思想。Charlesw.Holl在UVP 的继续支持下,完成了一个能自动建造零件的称之为SterolithograPhyAPP::atus(SLA)的完整系统SLA一1,1986年该系统获得专利,这是即发展的一个里程碑。同年,CharleSW.Hun 和UVP的股东们一起建立了3DSystem公司,随后许多关于快速成型的概念和技术在3DSystem公司中发展成熟。与此同时,其它的成型原理及相应的成型机也相继开发成功。1984年MIChaelFeygi门提出了分层实体制造(IJam1nated jee:Manufaeturing,LOM)的方法,并于1985年组建Helisys公司,1990年前后开发了第一台商业机型LOM一1015。1986年,美国TexaS大学的研究生C.Deekard提出了SeleCtiVeLaserSinte,,ing(SLS)的思想,稍后组建了nTM公司,于1992年开发了基于SLS的商业成型机(Sinterstati。。)。Sc。ttCr。mP 在1988年提出了FusedDePosi:ionModeling(FDM)的思想,1992年开发了第一台商业机型3D 一Modeelr。自从80年代中期SLA成型技术发展以来到90年代后期,出现了十几种不同的快速成型技术,除前述几种外,典型的还有3DP,SDM,SGC等。但是,SLA、LOM、SLS和FDM四利,技术,目前仍然是快速成型技术的主流。即技术在世界正式出现并获得了迅猛的发展,表现出极强的生命力。美国在该技术领域一直处于领先地位,日本和欧洲等工业发达国家都投入了大量资金进行研究与开发。1998年在我国上海举行的第七届国际模具技术和设备展览会上,美国、日本、德国、新加坡等国都展出了RP设备。

目前全世界己有2000多台RP系统投入使用。据报道,世界上快速制造服务中心发展很快,己由1992年刚开始出现时的42家猛增到1996年的284家,现在又有新的增长。国外有关RP研究的学术会议和专业刊物都己出现1991年Dagtn大学每年主办。t.Conf.onRaPidPrototyPing这是举办时问最早的学术会议。由美国sME协会的!冲A分会主办的Int.Conf.onR:PidPr。t。tyPingandManufact。ring会议,侧重快速成型在制造业中的应用,同时进行商业展览。1996年参加会议人数达610人。欧洲和日本也相应举办了RPM 年会。RPM技术己成为许多国际会议的热点主题。己创刊的RP专业杂志有美国C八})/CAM 杂志的每月新闻通讯RaPidProt。tyPingRePortS,美国MCB大学出版的1995年创刊的RaPidPrototyPsngJo。rnal和美国RP季刊RaPidPrototyPing概括起来,这些会议和杂志涉及新的RP方法和工艺、新材料开发、快速模具制造、制件精度、软件及新应用等。

1.2 快速成型技术在国内的发展

我国RP技术的研究始于1991年,清华大学、西安交通大学、华中理工大学、南京航空航大大学等高等学校和北京隆源公司、广州中望商业机器有限公司等都在RP技术的研究与