快速成型技術(shù)論文(2)
快速成型技術(shù)論文
快速成型技術(shù)論文篇二
快速成型技術(shù)及其在微機械制造中的應(yīng)用
【摘要】速成型技術(shù)它全方位的提供了一種可測量，可觸摸的手段，是設(shè)計者，制造者與用戶之間的新媒體，在集成制造及微機制造中應(yīng)用廣泛，大大縮短了新產(chǎn)品制造以及成本的費用，受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。本文概述了快速成型技術(shù)的基本原理以及在集成制造：產(chǎn)品設(shè)計、制模、鑄造等方面的應(yīng)用及其快速成型技術(shù)在微機制造中的應(yīng)用。
【關(guān)鍵字】快速成型技術(shù)，微機制造，應(yīng)用
中圖分類號： TH16 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號：
一.前言
快速成形技術(shù)又稱快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing，簡稱RPM)技術(shù)，誕生于20世紀(jì)80年代后期，是基于材料堆積法的一種高新制造技術(shù)?？焖俪尚渭夹g(shù)與虛擬制造技術(shù)一起，被稱為未來制造行業(yè)的兩大支柱制造技術(shù)，它全方位的提供了一種可測量，可觸摸的手段，是設(shè)計者、制造者與用戶之間的新媒體，其核心是基于數(shù)字化得新形成型制造技術(shù)，可以自動、直接、快速、精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?。快速成形技術(shù)就是利用三維CAD的數(shù)據(jù)，通過快速成型機，將一層層的材料堆積成實體原型，被稱為是近20年來制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破。
二.快速成型的基本工作原理
快速成型能根據(jù)零件的形狀，將制作成的一個個微小厚度和特定形狀的截面逐層粘結(jié)起來，然后得到了所需制造的立體的零件。與傳統(tǒng)的成型加工方法不同，利用RPMM加工零件，可以不需要刀具和模具，利用光熱電等方式，通過物理作用，完成從液粉末態(tài)到實體狀態(tài)的過程，當(dāng)然，如果成形材料不一樣，RPMM系統(tǒng)的工作原理也會有些不同，但基本原理都是一樣的，那就是“分層制造、逐層疊加”。這種工藝可以形象地叫做“增長法”或“加法”。每個截面數(shù)據(jù)相當(dāng)于醫(yī)學(xué)上的一張CT像片;整個制造過程可以比喻為一個“積分”的過程(見圖1)。
圖1 快速成型系統(tǒng)工作原理分析圖
快速成形制造技術(shù)綜合采用CAD技術(shù)，數(shù)控技術(shù)，激光加工技術(shù)和材料技術(shù)實現(xiàn)從零件設(shè)計到三維實體原型制造一體化的系統(tǒng)技術(shù)，它采用軟件離散，材料堆積的原理實現(xiàn)零件的成形，具體制造過程為;構(gòu)造三維實體模型;近似處理三維模型生成;選擇成形方向;處理切片;三維產(chǎn)品樣件;表面處理?？焖俪尚渭夹g(shù)基于離散堆積的原理，在計算機的控制下，采取不同的方法堆積材料來完成各種零件的成形和制造。從零件的成形角度來看，可以分為“點”、“面”，根據(jù)一定的規(guī)則將點面堆積，就可以形成零件。從零件的制造角度來看，它是按照CAD造型來生成信息，控制多維系統(tǒng)，通過一定的方法堆積材料，最終形成零件?？焖俪尚蜗到y(tǒng)相當(dāng)于一臺“立體打印機”。具體如圖所示：(圖2)
圖2 快速成型技術(shù)體系
三.快速成型技術(shù)步驟及特點
1.不同于傳統(tǒng)的去除成形技術(shù)，快速成型技術(shù)是一種離散堆積的成形過程，可以分成數(shù)據(jù)處理(離散)和物理實現(xiàn)(堆積) 兩個加工過程。在數(shù)據(jù)處理中，沿一定方向?qū)⑷S形體的CAD模型分解，得到一系列截面數(shù)據(jù)，然后根據(jù)不同工藝的具體要求，獲得控制成形頭運動的軌跡;在物理實現(xiàn)中，成形頭在運動軌跡的控制下，加工出層片，并堆積、連接各個層片，重復(fù)上述兩個個過程就可以加工出零件。當(dāng)前所有的RPMM的成形方法大體上都是按照下面的步驟進(jìn)行的：
(一)利用三維建模設(shè)計軟件(如：Pro/E, Solid Works, Unigraphics，AutoCAD等)設(shè)計和構(gòu)建3D CAD模型，然后輸出為STL格式的文件。(如圖3-4所示為建模技術(shù)先后模型 )
(二)RPM設(shè)備的處理軟件對。STL文件進(jìn)行分層處理;
(三)RPM設(shè)備對分層處理好的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行實體制造，加工生成了第一個物理層后，模型降低一個層高以便生成另一層，循環(huán)往復(fù)，直到生成整個模型; (四)模型和支撐材料取出后，按照要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?，包括去除支撐材料，清潔，打磨，噴漆等?/p>
圖3 CAD模型圖4 STL模型
2.快速成型技術(shù)的特點?？焖俪尚图夹g(shù)具有以下幾個主要特點：
加工的周期短，成本低，成本與產(chǎn)品復(fù)雜程度無關(guān)，一般制造費用比較低;可實現(xiàn)高度的技術(shù)集成及設(shè)計制造一體化;制造原型所用的材料不限，各種金屬和非金屬材料均可使用。
四.快速成形技術(shù)的應(yīng)用
快速成型技術(shù)在工業(yè)和高端制造業(yè)明顯優(yōu)勢，得到了廣泛的應(yīng)用。如：模具制造，將快速成型制造技術(shù)與傳統(tǒng)的模具制造技術(shù)相結(jié)合，可以縮短模具制造的時間，提高生產(chǎn)效率。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，人們可以利用醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)結(jié)合快速成型技術(shù)制作人體器官模型。在文化領(lǐng)域的應(yīng)用，快速成形制造技術(shù)可以用于數(shù)字雕塑、文物復(fù)制等。在航空航天領(lǐng)域，利用快速成形技術(shù)，根據(jù)CAD模型，完成空氣動力學(xué)地面模擬實驗。在國內(nèi)的家電行業(yè)上快速成形系統(tǒng)也應(yīng)用較為普及，如：美的、小天鵝、海爾等，都先后采用快速成形系統(tǒng)來開發(fā)新產(chǎn)品，收到了很好的效果。
五.快速成型技術(shù)在微機械制造中的應(yīng)用
RPM正逐步朝著復(fù)合成型的方向快速發(fā)展，也就是不用裝配就能一次制造出具有很多種材料、形狀復(fù)雜的零件。這種把材料制備和結(jié)構(gòu)成型一體化的快速成型方法，將為開發(fā)復(fù)合結(jié)構(gòu)成型提供新途徑，在微機械、電子元器件、電子封裝、傳感器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。我們研制的微機械快速成型系統(tǒng)，初步實現(xiàn)了快速成型與微機械制造兩種高新技術(shù)的結(jié)合。微機械快速成型系統(tǒng)主要由建模切片軟件子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、機械傳動子系統(tǒng)、光學(xué)子系統(tǒng)等組成。其工作原理等同一般快速成型技術(shù)。微機械快速成型系統(tǒng)的特點主要有:
1.采用約束液面式的加工方法。
固化層片堆積的方向是向下，而不是向上。圖6a為一般光造型技術(shù)采用的自由液面式，圖6b為約束液面式。約束液面式不需使用刮平樹脂液面的機構(gòu)就可以提高制作零件的精度，同時也使制作時間大大的縮短。因為窗板與樹脂固化物分離性小，所以窗板表面需要進(jìn)行一定的處理。在進(jìn)行了關(guān)于表面處理的分離性評價實驗的基礎(chǔ)上，考慮到透明性、強度以及耐熱性的要求，選擇了含有氟樹脂的材料涂覆在窗板表面上。
圖6 光造型技術(shù)兩種加工方式
2.采用CAD直接法
CAD模型建造完以后，不必轉(zhuǎn)化為STL文件格式，可以直接在CAD系統(tǒng)內(nèi)對該模型進(jìn)行切片。這一方法可以避免所有小三角形平面逼近而產(chǎn)生的逼近誤差，非常適合于微機械制造。
3.小固化單元，高加工分辨率。本系統(tǒng)采用光譜極窄(0.1nm)、發(fā)散角極小的氮分子激光器，激光經(jīng)光學(xué)子系統(tǒng)調(diào)制后得到極微細(xì)的光束，該光束隨著工作臺的運動而逐點、逐線、逐面地固化液態(tài)光敏樹脂。這種樹脂的固化顆粒小，從而保證了高加工分辨率應(yīng)具有小固化單元的要求。
六.結(jié)束語
快速成型從誕生到現(xiàn)在，獲得了迅速的發(fā)展，但任何新產(chǎn)品都有一個逐漸完善與發(fā)展的過程，因此RPM技術(shù)必將在現(xiàn)在的基礎(chǔ)上，不斷研發(fā)出新工藝、新材料及其他的相關(guān)技術(shù)，朝著精密化、低成本、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，并應(yīng)以能直接生產(chǎn)半功能性、功能性零件為目標(biāo)。如今快速成形已經(jīng)成熟的應(yīng)用于集成制造領(lǐng)域，隨著快速成形技術(shù)的發(fā)展與完善，它將會在微機制造領(lǐng)域得到更多的應(yīng)用。
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