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快速成型概况

快速成型概况

简介

  快速原型制造技术,又叫快速成形技术,(简称RP技术);

 

  英文:RAPID PROTOTYPING(简称RP技术),或 RAPID PROTOTYPING MANUFACTURING,简称RPM。在汽车应用行业家RP样件。

 

  RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同,成形原理和系统特点也各有不同。但是,其基本原理都是一样的,那就是"分层制造,逐层叠加", 类似于数学上的积分过程。形象地讲,快速成形系统就像是一台"立体打印机"。

RP技术优越性

  它可以在无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下,直接接受产品设计(CAD)数据,快速制造出新产品的样件、模具或模型。因此,RP技术的推广应用可以大大缩短新产品开发周期、降低开发成本、提高开发质量。由传统的"去除法"到今天的"增长法",由有模制造到无模制造,这就是RP技术对制造业产生的革命性意义。

RP技术特点

  RP技术将一个实体的复杂的三维加工离散成一系列层片的加工,大大降低了加工难度,具有如下特点:

 

  (1)成型全过程的快速性,适合现代激烈的产品市场;

 

  (2)可以制造任意复杂形状的三维实体;

 

  (3)用CAD模型直接驱动,实现设计与制造高度一体化,其直观性和易改性为产品的完美设计提供了优良的设计环境;

 

  (4)成型过程无需专用夹具、模具、刀具,既节省了费用,又缩短了制作周期。

 

  (5)技术的高度集成性,既是现代科学技术发展的必然产物,也是对它们的综合应用,带有鲜明的高新技术 特征。

 

  以上特点决定了RP技术主要适合于新产品开发,快速单件及小批量零件制造,复杂形状零件的制造,模具与模型设计与制造,也适合于难加工材料的制造,外形设计检查,装配检验和快速反求工程等。

具体是如何成形出来的呢?

  形象地比喻: 快速成形系统相当于一台"立体打印机"。

 

  它可以在没有任何刀具、模具及工装卡具的情况下,快速直接地实现零件的单件生产。根据零件的复杂程度,这个过程一般需要1~7天的时间。换句话说,RP技术是一项快速直接地制造单件零件的技术。

 

编辑本段RP系统的基本工作原理

  RP系统可以根据零件的形状,每次制做一个具有一定微小厚度和特定形状的截面,然后再把它们逐层粘结起来,就得到了所需制造的立体的零件。当然,整个过程是在计算机的控制下,由快速成形系统自动完成的。不同公司制造的RP系统所用的成形材料不同,系统的工作原理也有所不同,但其基本原理都是一样的,那就是"分层制造、逐层叠加"。这种工艺可以形象地叫做"增长法"或"加法"。

 

  每个截面数据相当于医学上的一张CT像片;整个制造过程可以比喻为一个"积分"的过程。

 

  RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。RP技术的基本原理是:将计算机内的三维数据模型进行分层切片得到各层截面的轮廓数据,计算机据此信息控制激光器(或喷嘴)有选择性地烧结一层接一层的粉末材料(或固化一层又一层的液态光敏树脂,或切割一层又一层的片状材料,或喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂)形成一系列具有一个微小厚度的的片状实体,再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐层堆积成一体,便可以制造出所设计的新产品样件、模型或模具。自美国3D公司1988年推出第一台商品SLA快速成形机以来,已经有十几种不同的成形系统,其中比较成熟的有UV、SLA、SLS、LOM和FDM等方法。其成形原理分别介绍如下:

SLA(光固化成型法)快速成形系统的原理

  

  

SLA

"Stereo lithography Appearance"的缩写,即立体光固化成型法.

 

  用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面,使之由点到线,由线到面顺序凝固,完成一个层面的绘图作业,然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度,再固化另一个层面.这样层层叠加构成一个三维实体.

 

  SLA是最早实用化的快速成形技术,采用液态光敏树脂原料,工艺原理如图所示。其工艺过程是,首先通过CAD设计出三维实体模型,利用离散程序将模型进行切片处理,设计扫描路径,产生的数据将精确控制激光扫描器和升降台的运动;激光光束通过 数控装置控制的扫描器,按设计的扫描路径 照射到液态光敏树脂表面 , 使表面特定区域内的一层树脂固化后, 当一层加工完毕后,就生成零件的一个截面;然后 升降台下降一定距离 , 固化层上覆盖另一层液态树脂,再进行第二层扫描,第二固化层牢固地粘结在前一固化层上,这样一层层叠加而成三维工件原型。将原型从树脂中取出后,进行最终固化,再经打光、电镀、喷漆或着色处理即得到要求的产品。

 

  SLA技术主要用于制造多种模具、模型等;还可以在原料中通过加入其它成分,用SLA原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。SLA技术成形速度较快,精度较高,但由于树脂固化过程中产生收缩,不可避免地会产生应力或引起形变。因此开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。

 

  3D Systems 推出的Viper Pro SLA system

 

  SLA 的优势

 

  1. 光固化成型法是最早出现的快速原型制造工艺,成熟度高,经过时间的检验.

 

  2. 由CAD数字模型直接制成原型,加工速度快,产品生产周期短,无需切削工具与模具.

 

  3.可以加工结构外形复杂或使用传统手段难于成型的原型和模具.

 

  4. 使CAD数字模型直观化,降低错误修复的成本.

 

  5. 为实验提供试样,可以对计算机仿真计算的结果进行验证与校核.

 

  6. 可联机操作,可远程控制,利于生产的自动化.

 

  SLA 的缺憾

 

  1. SLA系统造价高昂,使用和维护成本过高.

 

  2. SLA系统是要对液体进行操作的精密设备,对工作环境要求苛刻.

 

  3. 成型件多为树脂类,强度,刚度,耐热性有限,不利于长时间保存.

 

  4. 预处理软件与驱动软件运算量大,与加工效果关联性太高.

 

  5. 软件系统操作复杂,入门困难;使用的文件格式不为广大设计人员熟悉.

 

  6. 立体光固化成型技术被单一公司所垄断.

 

  SLA 的发展趋势与前景

 

  立体光固化成型法的的发展趋势是高速化,节能环保与微型化.

 

  不断提高的加工精度使之有最先可能在生物,医药,微电子等领域大有作为.

SLS(激光选区烧结法)快速成形系统的原理

  

  

SLS

选择性激光烧结(以下简称SLS)技术最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl ckard于1989年在其硕士论文中提出的。后美国DTM公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备Sinter Sation。几十年来,奥斯汀分校和DTM公司在SLS领域做了大量的研究工作,在设备研制和工艺、材料开发上取得了丰硕成果。德国的EOS公司在这一领域也做了很多研究工作,并开发了相应的系列成型设备。

 

  国内也有多家单位进行SLS的相关研究工作,如华中科技大学、南京航空航天大学、西北工业大学、中北大学和北京隆源自动成型有限公司等,也取得了许多重大成果,如南京航空航天大学研制的RAP-I型激光烧结快速成型系统、北京隆源自动成型有限公司开发的AFS一300激光快速成型的商品化设备。

 

  选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末,并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。SLS技术的快速成型系统工作原理见图1。

 

  整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成,工作时粉末缸活塞(送粉活塞)上升,由铺粉辊将粉末在成型缸活塞(工作活塞)上均匀铺上一层,计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹,有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉末完成一层后,工作活塞下降一个层厚,铺粉系统铺上新粉.控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复,层层叠加,直到三维零件成型。最后,将未烧结的粉末回收到粉末缸中,并取出成型件。对于金属粉末激光烧结,在烧结之前,整个工作台被加热至一定温度,可减少成型中的热变形,并利于层与层之间的结合。

 

  与其它快速成型(RP)方法相比,SLS最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。从理论上说,任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料。目前,可成功进行SLS成型加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。由于SLS成型材料品种多、用料节省、成型件性能分布广泛、适合多种用途以及SLS无需设计和制造复杂的支撑系统,所以SLS的应用越来越广泛。

 

  SLS技术的金属粉末烧结方法

 

  3.1金属粉末和粘结剂混合烧结

 

  首先将金属粉末和某种粘结剂按一定比例混合均匀,用激光束对混合粉末进行选择性扫描,激光的作用使混合粉末中的粘结剂熔化并将金属粉末粘结在一起,形成金属零件的坯体。再将金属零件坯体进行适当的后处理,如进行二次烧结来进一步提高金属零件的强度和其它力学性能。这种工艺方法较为成熟,已经能够制造出金属零件,并在实际中得到使用。南京航空航天大学用金属粉末作基体材料(铁粉),加人适量的枯结剂,烧结成形得到原型件,然后进行后续处理,包括烧失粘结剂、高温焙烧、金属熔渗(如渗铜)等工序,最终制造出电火花加工电极(见图2)。并用此电极在电火花机床上加工出三维模具型腔(见图3)。

 

  3.2金属粉末激光烧结

 

  激光直接烧结金属粉末制造零件工艺还不十分成熟,目前研究较多的是两种金属粉末混合烧结,其中一种熔点较低,另一种较高。激光烧结将低熔点的粉末熔化,熔化的金属将高熔点金属粉末粘结在一起。由于烧结好的零件强度较低,需要经过后处理才能达到较高的强度。美国Texas大学Austin分校进行了没有聚合物粘结剂的金属粉末如CuSn NiSn青铜镍粉复合粉末的SLS成形研究,并成功地制造出金属零件。近年来,他们对单一金属粉末激光烧结成形进行了研究,成功地制造了用于F1战斗机和AIM9导弹的工NCONEL625超合金和Ti6A 14合金的金属零件。美国航空材料公司已成功研究开发了先进的钦合金构件的激光快速成形技术。目前,中国科学院金属所和西北工业大学等单位正致力于高熔点金属的激光快速成形研究,南京航空航天大学也在这方面进行了研究,用Ni基合金混铜粉进行烧结成形的试验,成功地制造出具有较大角度的倒锥形状的金属零件(见图4)。

 

  3.3金属粉末压坯烧结

 

  金属粉末压坯烧结是将高低熔点的两种金属粉末预压成薄片坯料,用适当的工艺参数进行激光烧结,低熔点的金属熔化,流人到高熔点的颗粒孔隙之间,使得高熔点的粉末颗粒重新排列,得到致密度很高的试样。吉林大学郭作兴等用此方法对FeCu,Fe C等合金进行试验研究,发现压坯激光烧结具有与常规烧结完全不同的致密化现象,激光烧结后的组织随冷却方式而异,空冷得到细珠光体,淬火后得到马氏体和粒状。

 

  4 SLS技术金属粉末成型存在的问题

 

  SLS技术是非常年轻的一个制造领域,在许多方面还不够完善,如目前制造的三维零件普遍存在强度不高、精度较低及表面质量较差等问题。SLS工艺过程中涉及到很多参数(如材料的物理与化学性质、激光参数和烧结工艺参数等),这些参数影响着烧结过程、成型精度和质量。零件在成型过程中,由于各种材料因素、工艺因素等的影响,会使烧结件产生各种冶金缺陷(如裂纹、变形、气孔、组织不均匀等)。

 

  4.1粉末材料的影响

 

  粉末材料的物理特性,如粉末粒度、密度、热膨胀系数以及流动性等对零件中缺陷形成具有重要的影响。粉末粒度和密度不仅影响成型件中缺陷的形成,还对成型件的精度和粗糙度有着显著的影响。粉末的膨胀和凝固机制对烧结过程的影响可导致成型件孔隙增加和抗拉强度降低。

 

  4.2工艺参数的影响

 

  激光和烧结工艺参数,如激光功率、扫描速度和方向及间距、烧结温度、烧结时间以及层厚度等对层与层之间的粘接、烧结体的收缩变形、翘曲变形甚至开裂都会产生影响。上述各种参数在成型过程中往往是相互影响的,如Yong Ak Song等研究表明降低扫描速度和扫描间距或增大激光功率可减小表面粗糙度,但扫描间距的减小会导致翘曲趋向增大。

 

  因此,在进行最优化设计时就需要从总体上考虑各参数的优化,以得到对成型件质量的改善最为有效的参数组。目前制造出来的零件普遍存在着致密度、强度及精度较低、机械性能和热学性能不能满足使用要求等一些问题。这些成型件不能作为功能性零件直接使用,需要进行后处理(如热等静压HIP、液相烧结LPS、高温烧结及熔浸)后才能投人实际使用。此外,还需注意的是,由于金属粉末的SLS温度较高,为了防止金属粉末氧化,烧结时必须将金属粉末封闭在充有保护气体的容器中。

 

  5总结与展望

 

  快速成型技术中,金属粉末SLS技术是近年来人们研究的一个热点。实现使用高熔点金属直接烧结成型零件,对用传统切削加工方法难以制造出高强度零件,对快速成型技术更广泛的应用具有特别重要的意义。展望未来,SLS形技术在金属材料领域中研究方向应该是单元体系金属零件烧结成型,多元合金材料零件的烧结成型,先进金属材料如金属纳米材料,非晶态金属合金等的激光烧结成型等,尤其适合于硬质合金材料微型元件的成型。此外,根据零件的具体功能及经济要求来烧结形成具有功能梯度和结构梯度的零件。我们相信,随着人们对激光烧结金属粉末成型机理的掌握,对各种金属材料最佳烧结参数的获得,以及专用的快速成型材料的出现,SLS技术的研究和引用必将进入一个新的境界。

LOM(叠层实体制造法)快速成形系统的原理

  

  

LOM

分层实体制造( LOM——Laminated Object Manufacturing)法,LOM又称层叠法成形,它以片材(如纸片、塑料薄膜或复合材料)为原材料,其成形原理如图所示,激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据,将背面涂有热熔胶的纸用激光切割出工件的内外轮廓。切割完一层后,送料机构将新的一层纸叠加上去,利用热粘压装置将已切割层粘合在一起,然后再进行切割,这样一层层地切割、粘合,最终成为三维工件。 LOM常用材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等,此方法除了可以制造模具、模型外,还可以直接制造结构件或功能件。该方法的特点是原材料价格便宜、成本低。 

 

  成形材料:涂敷有热敏胶的纤维纸;

 

  制件性能:相当于高级木材;

 

  主要用途:快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。

FDM(熔融沉积法)快速成形系统的原理

  

  

FDM

熔积成型(FDM——Fused Deposition Modeling)法,该方法使用丝状材料(石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝)为原料,利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度(约比熔点高 1℃),在计算机的控制下,喷头作x-y平面运动,将熔融的材料涂覆在工作台上,冷却后形成工件的一层截面,一层成形后,喷头上移一层高度,进行下一层涂覆,这样逐层堆积形成三维工件。该方法污染小,材料可以回收,用于中、小型工件的成形。下图为FDM成形原理图。

 

  成形材料:固体丝状工程塑料;

 

  制件性能:相当于工程塑料或蜡模;

 

  主要用途:塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。

 

编辑本段RP技术意义与发展方向

应用RP技术的重要意义

  大大缩短新产品研制周期,确保新产品上市时间;

 

  ------使模型或模具的制造时间缩短数倍甚至数十倍;

 

  提高了制造复杂零件的能力;

 

  ------使复杂模型的直接制造成为可能;

 

  显著提高新产品投产的一次成功率;

 

  ------可以及时发现产品设计的错误,做到早找错、早更改,避免更改后续工序所造成的大量损失;

 

  支持同步(并行)工程的实施;

 

  ------使设计、交流和评估更加形象化,使新产品设计、样品制造、市场定货、生产准备、等工作能并行进行;

 

  支持技术创新、改进产品外观设计

 

  ------有利于优化产品设计,这对工业外观设计尤为重要。

 

  成倍降低新产品研发成本;

 

  ------节省了大量的开模费用

 

  快速模具制造可迅速实现单件及小批量生产。使新产品上市时间大大提前,迅速占领市场。

 

  总而言之,RP技术是九十年代世界先进制造技术和新产品研发手段。在工业发达国家,企业在新产品研发过程中采用RP技术确保研发周期、提高设计质量已成为一项重要的策略。当前,市场竞争愈演愈烈,产品更新换代加速。要保持我市产品在国内外市场的竞争力,迫切需要在加大新产品开发投入力度、增强创新意识的同时,积极采用先进的创新手段。RP技术在不需要任何刀具、模具及工装卡具的情况下,可实现任意复杂形状的新产品样件的快速制造。用RP技术快速制造出的的模型或样件可直接用于新产品设计验证、功能验证、外观验证、工程分析、市场订货等,非常有利于优化产品设计,从而大大提高新产品开发的一次成功率,提高产品的市场竞争力,缩短研发周期,降低研发成本。快速原型制造技术生产力促进中心的成立为本市企业应用RP技术开展产品创新活动提供了很好的前提条件。

RP技术的发展方向

  RP技术已经在许多领域里得到了应用,其应用范围主要在设计检验、市场预测、工程测试(应力分析、风道等)、装配测试、模具制造、医学、美学等方面。RP技术在制造工业中应用最多(达到67%),说明RP技术对改善产品的设计和制造水平具有巨大的作用。

 

  目前快速成形技术还存在许多不足,下一步研究开发工作主要在以下几方面:

 

  (1)改善快速成形系统的可靠性、生产率和制作大件能力,尤其是提高快速成形系统的制作精度;

 

  (2)开发经济型的快速成形系统;

 

  (3)快速成形方法和工艺的改进和创新;

 

  (4)快速模具制造的应用;

 

  (5)开发性能良好的快速成形材料;

 

  (6)开发快速成形的高性能软件等。

快速成型技术特点

  1 制造快速 RP技术是并行工程中进行复杂原型或者零件制造的有效手段,能使产品设计和模具生产同步进行,从而提高企业研发效率,缩短产品设计周期,极大的降低了新品开发的成本及风险,对于外形尺寸较小,异形的产品尤其适用。

 

  2 CAD/CAM技术的集成

 

  设计制造一体化一直来说是现在的一个难点,计算机辅助工艺(CAPP)在现阶段由于还无法与CAD、CAM完全的无缝对接,这也是制约制造业信息化一直以来的难点之一,而快速成型技术集成CAD、CAM、激光技术、数控技术、化工、材料工程等多项技术,使得设计制造一体化的概念完美实现。

 

  3 完全再现三维数据

 

  经过快速成型制造完成的零部件,完全真实的再现三维造型,无论外表面的异形曲面还是内腔的异形孔,都可以真实准确的完成造型,基本上不再需要再借助外部设备进行修复。

 

  4 成型材料种类繁多

 

  到目前为止,各类RP设备上所使用的材料种类有很多,树脂、尼龙、塑料、石蜡、纸以及金属或陶瓷的粉末,基本上满足了绝大多数产品对材料的机械性能需求。

 

  5 创造显著的经济效益

 

  与传统机械加工方式比较,开发成本上节约10倍以上,同样,快速成型技术缩短了企业的产品开发周期,使的在新品开发过程中出现反复修改设计方案的问题大大减少,也基本上消除了修改模具的问题,创造的经济效益是显而易见的。

 

  6 应用行业领域广

 

  RP技术经过这些年的发展,技术上已基本上形成了一套体系,同样,可应用的行业也逐渐扩大,从产品设计到模具设计与制造,材料工程、医学研究、文化艺术、建筑工程等等都逐渐的使用RP技术,使得RP技术有着广阔的前景.

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