范文一:快速成型技术的原理工艺过程及技术特点
快速成型技术的原理、工艺过程及技术特点:
快速成型属于离散/堆积成型。它从成型原理上提出一个全新的思维模式维模
型,即将计算机上制作的零件三维模型,进行网格化处理并存储,对其进行分层
处理,得到各层截面的二维轮廓信息,按照这些轮廓信息自动生成加工路径,由
成型头在控制系统的控制下,选择性地固化或切割一层层的成型材料,形成各个
截面轮廓薄片,并逐步顺序叠加成三维坯件.然后进行坯件的后处理,形成零件。
快速成型的工艺过程具体如下:
l )产品三维模型的构建。由于 RP 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(如Pro/E , I-DEAS , Solid Works , UG 等)直接构建,也可以将已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、 CT 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。
2 )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
要对模型进行近似处理,以方便后续的数据处理工作。由于STL格式文件格式简单、实用,目前已经成为快速成型领域的准标准接口文件。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。 STL 文件有二进制码和 ASCll 码两种输出形式,二进制码输出形式所占的空间比 ASCII 码输出形式的文件所占用的空间小得多,但ASCII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 格式文件的功能。
3 )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。间隔一般取0.05mm~0.5mm, 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,反之则精度低,但效率高。
4 )成型加工。根据切片处理的截面轮廓,在计算机控制下,相应的成型头
(激光头或喷头)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。
5 )成型零件的后处理。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。
快速成型特术具有以下几个重要特征:
l )可以制造任意复杂的三维几何实体。由于采用离散/堆积成型的原理.它
将一个十分复杂的三维制造过程简化为二维过程的叠加,可实现对任意复杂形状
零件的加工。越是复杂的零件越能显示出 RP 技术的优越性此外, RP 技术特别适合于复杂型腔、复杂型面等传统方法难以制造甚至无法制造的零件。
2 )快速性。通过对一个 CAD 模型的修改或重组就可获得一个新零件的设
计和加工信息。从几个小时到几十个小时就可制造出零件,具有快速制造的突出
特点。
3 )高度柔性。无需任何专用夹具或工具即可完成复杂的制造过程,快速制
造工模具、原型或零件
4 )快速成型技术实现了机械工程学科多年来追求的两大先进目标.即材料
的提取(气、液固相)过程与制造过程一体化和设计(CAD )与制造( CAM )一体化
5 )与反求工程( Reverse Engineering)、CAD 技术、网络技术、虚拟现
实等相结合,成为产品决速开发的有力工具。
因此,快速成型技术在制造领域中起着越来越重要的作用,并将对制造业产生重
要影响。
快速成型技术的分类:
快速成型技术根据成型方法可分为两类:基于激光及其他光源的成型技术(Laser Technology),例如:光固化成型(SLA )、分层实体制造(LOM)、选域激光粉末烧结(SLS)、形状沉积成型(SDM)等;基于喷射的成型技术(Jetting Technoloy),例如:熔融沉积成型(FDM)、三维印刷( 3DP )、多相喷射沉积( MJD )。下面对其中比较成熟的工艺作简单的介绍。
1、SLA(Stereolithogrphy Apparatus)工艺 SLA 工艺也称光造型或立体光刻,由Charles Hul 于 1984 年获美国专利。 1988 年美国 3D System公司推出商品化样机SLA-I,这是世界上第一台快速成型机。SLA 各型成型机机占据着 RP 设备市场的较大份额。
SLA 技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一
定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应,分子量急剧增大,材料也
就从液态转变成固态。
SLA工作原理:液槽中盛满液态光固化树脂激光束在偏转镜作用下,能
在液态表而上扫描,扫描的轨迹及光线的有无均由计算机控制,光点打到的地方,
液体就固化。成型开始时,工作平台在液面下一个确定的深度.聚焦后的光斑在
液面上按计算机的指令逐点扫描,即逐点固化。当一层扫描完成后.未被照射的
地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度,已成型的层面上又布满
一层树脂,刮板将粘度较大的树脂液面刮平,然后再进行下一层的扫描,新周化
的一层牢周地粘在前一层上,如此重复直到整个零件制造完毕,得到一个三维实
体模型。
SLA 方法是目前快速成型技术领域中研究得最多的方法.也是技术上最
为成熟的方法。 SLA 工艺成型的零件精度较高,加工精度一般可达到 0.1 mm ,原材料利用率近 100 %。但这种方法也有白身的局限性,比如需要支撑、树脂
收缩导致精度下降、光固化树脂有一定的毒性等。
2、LOM(Laminated Object Manufacturing,LOM)工艺LOM工艺称叠层实体制造或分层实体制造,由美国Helisys公司的Michael Feygin于 1986 年研制成功。LOM工艺采用薄片材料,如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一
层热熔胶。加工时,热压辊热压片材,使之与下面已成型的工件粘接。用CO2激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框,并在截面轮廓与外框
之间多余的区域内切割出上下对齐的网格。激光切割完成后,工作台带动已成型
的工件下降,与带状片材分离。供料机构转动收料轴和供料轴,带动料带移动,
使新层移到加工区域。工作合上升到加工平面,热压辊热压,工件的层数增加一
层,高度增加一个料厚。再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截
面粘接、切割完。最后,去除切碎的多余部分,得到分层制造的实体零件。
LOM 工艺只需在片材上切割出零件截面的轮廓,而不用扫描整个截面。
因此成型厚壁零件的速度较快,易于制造大型零件。工艺过程中不存在材料相变,
因此不易引起翘曲变形。工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支
撑作用,所以 LOM 工艺无需加支撑。缺点是材料浪费严重,表面质量差。
3、SLS(Selective Laser Sintering)工艺 SLS工艺称为选域激光烧结,由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于 1989 年研制成功。 SLS工艺是利用粉末状材料成型的。将材料粉末铺洒在已成型零件的上表面,并
刮平,用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面,材料粉末在高强
度的激光照射下被烧结在一起,得到零件的截面,并与下面已成型的部分连接。
当一层截面烧结完后,铺上新的一层材料粉末,有选择地烧结下层截面。
烧结完成后去掉多余的粉末,再进行打磨、烘干等处理得到零件。
SLS工艺的特点是材料适应面广,不仅能制造塑料零件,还能制造陶瓷、
蜡等材料的零件,特别是可以制造金属零件。这使SLS工艺颇具吸引力。SLS工艺无需加支撑,因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用。
4、3DP (Three Dimension Printing)工艺三维印刷工艺是美国麻省理
工学院E-manual Sachs等人研制的。已被美国的Soligen公司以DSPC(Direct Shell Production Casting)名义商品化,用以制造铸造用的陶瓷壳体和型芯。 3DP 工艺与SLS工艺类似,采用粉末材料成型,如陶瓷粉末、金属粉末。所不同
的是材料粉末不是通过烧结连结起来的,而是通过喷头用粘结剂(如硅胶)将零
件的截面“印刷”在材料粉来上面。
用粘结剂粘接的零件强度较低,还须后处理。先烧掉粘结剂,然后在高
温下渗人金属,使零件致密化,提高强度。
5 . FDM (Fused Depostion Modeling)工艺 熔融沉积制造( FDM )工艺由美国学者Scott Crump于 1988 年研制成功。 FDM 的材料一般是热塑性材料,如蜡、 ABS 、尼龙等。以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿
零件截面轮廓和填充轨迹运动,同时将熔化的材料挤出,材料迅速凝固,并与周
围的材料凝结。
快速成型技术的应用领域:
目前RP技术的发展水平而言,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--基本功能评估--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,达到
投石问路的目的。
快速成型的应用主要体现在以下几个方面:
(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,则一旦存在设计失误,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佳的合理的工艺。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。比如为客户提供产品样件,进行市场宣传
等,快速成型技术已成为并行工程和敏捷制造的一种技术途径。
(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、批量越来越小的发展趋势。快速成型应用的领域几乎包括了
制造领域的各个行业,在医疗、人体工程、文物保护等行业也得到了越来越广泛
的应用。
快速成型技术的主要应用各行业的应用状况如下:
?汽车、摩托车:外形及内饰件的设计、改型、装配试验,发动机、汽缸头试制。
?家电:各种家电产品的外形与结构设计,装配试验与功能验证,市场宣传,模
具制造。
?通讯产品:产品外形与结构设计,装配试验,功能验证,模具制造。
?航空、航天:特殊零件的直接制造,叶轮、涡轮、叶片的试制,发动机的试制、
装配试验。
?轻工业:各种产品的设计、验证、装配,市场宣传,玩具、鞋类模具的快速制
造。
?医疗:医疗器械的设计、试产、试用,CT扫描信息的实物化,手术模拟,人体骨关节的配制。
?国防:各种武器零部件的设计、装配、试制,特殊零件的直接制作,遥感信息
的模型制作。
总之,快速成型技术的发展是近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,降低开发成本,提高企业的竞争
力。下面通过一些事例,说明该项技术在产品开发过程中起的作用。
1.设计验证:用于新产品外观设计玲证和结构设计验证,找出设计缺陷,完
善产品设计。在现代产品设计中,设计手段日趋先进,计算机辅助设计使得产品
设计快捷、直观,但由于软件和硬件的局限,设计人员仍无法直观地评价所设计
产品的效果和结构的合理性以及生产工艺的可行性。快速成型技术为设计人员迅
速得到产品样品,直观评判产品提供了先进的技术手段。我公司为某摩托车生产
厂新型250摩托车制作的覆盖件样件,包括油箱、前后挡板、车座和侧盖等共
13件。采用AFS成型技术,仅用12天就完成了全部制作。设计人员将样件装在
车体上,经过认真评价和反复比较,对产品的外观做了重新修改,达到了理想状
态。这一验证过程,使设计更趋完美,避免了盲目投产造成的浪费。
2.装配验证:制出样品实件,进行装配实验。天津某公司委托我方加工传
真机外壳及电话。用户不仅要进行外观评价,而且要将传真机的内部部件装入样
件中,进行装配实验和结构评价。该公司首先选择传统加工方法,分块加工,手
工粘结,仅加工一套电话听筒就耗资肆仟元,耗时20天。预计制作传真机样品需2个月,费用为2?5万元。我公司用快速成型技术,仅用15天就将该产品一套共六件交给委托方。用户在装配实验中发现了7处装配干涉和结构不合理处。将前后两种方法相比,传真机BABS塑料组装样件传统加工方法工序繁多,手工
拼接费时、费力,材料浪费大、加工周期长。对复杂的结构和曲面,加工粗糙,
尺寸精度低,制作的实物模型与设计模型之间不能建立一一对应的关系,因而在
装配实验中很难检查出设计错误。而自动成型法,高度自动化,一次成型,周期
短,精度高,与设计模型之间具有一一对应的关系,更适合样品组装件的生产和
制造。
3.功能验证:我公司为某摩托车厂制作250型双缸摩托车汽缸头。这是一款新设计的发动机,用户需要10件样品进行发动机的模拟实验。该零件具有复
杂的内部结构,传统机加工无法加工,只能呆用铸造成型。整个过程需经过开模、
制芯、组模、浇铸、喷砂和机加等工序,与实际生产过程相同。其中仅开模一项
就需三个月时间。这对于小批量的样品制作无论在时间上还是成木上都是难以接
受的。我们采用选区激光烧结技术,以精铸熔模材料为成型材料,在快速成型机
上仅用5天即加工出该零件的10件铸造熔模,再经熔模铸造工艺,10天后得到了铸造毛坯。经过必要的机加工,30天即完成了此款发动机的试制。
4.快速铸造:在制造业特别是航空、航天、国防、汽车等重点行业,共基
础的核心部件一般均为金属零件,而且相当多的金属零件是非对称性的、有不规
则曲面或结构复杂而内部又含有精细结构的零件。这些零件的生产常采用铸造或
解体加工的方法。在铸造生产中,模板、芯盒、压蜡型、压铸模的制造往往是用
机加工的方法来完成的,有时还需要钳工进行修整,不仅周期长、耗资大,而且
从模具设计到加工制造是一个多环节的复杂过程,咯有失误就会导致全部返工。
特别是对一些形状复杂的铸件,如叶片、叶轮、发动机缸体、缸盖等,模具的制
造是一个难度更大的问题,即使使用数控加工中心等昂贵的设备,在加工技术与
工艺可行性方面仍有很大困难。可以设想,如果遇到此类零件的试制或小批量生
产,其制造周期、成本及风险是相当大的。
激光快速成型技术已被证明是解决小批量复杂零件制造的非常有效的手
段。迄今为止,我们己通过激光快速成型成功地生产了包括叶铃、叶片、发动机
转子、泵体、发动机缸体、缸盖等千余仕扫盘钻件 我们将快速成型与铸造工艺的结合称为快速铸造工艺。图5给出了快速铸造工艺与传统铸造工艺的比较。由
于快速铸造过程无须开模具,因而大大节省了制造周期和费用。图6是采用快速铸造方法生产的燃气二动机S段,零件直径80Omm,高410m们,按传统金属铸件方法制造,模具制造周期约需半年,费用几十万。用快速铸造方法,快速成型
铸造熔模7天(分6段组合),拼装、组合、铸造10天,费用每件不超过2万(共
6件)。用快速成型方法生产的新型坦克增压器的铸造熔模,我们用5天时间就完成了37件蜡模的生产,使整个试制任务比原计划提前了3个月。
5.翻模成型:实际应用上,很多产品必须通过模具才能加工出来。用成型
机先制作出产品样件再翻制模具,是一种既省时又节省费用的方法。发动机泵壳
原型件产品用传统机加工方法很难加工,必须通过模具成型。据估算,开模时间
要8个月,费用至少30万。如果产品设计有误,整套模具就全部报废。我们用
快速成型法为该产品制作了塑料样件,作为模具母模用于翻制硅胶模。将该母模
固定于铝标准模框中,浇入配好的硅橡胶,静置12?20小时,硅橡胶完全固化,
打开模框,取出硅橡胶用刀沿预定分型线划开,将母模取出,用于浇铸泵壳蜡型
的硅胶模即翻制成功。通过该模制出蜡型,经过涂壳、焙烧、失蜡、加压浇铸、
喷砂,一件合格的泵壳铸件在短短的两个月内制造出来,经过必要的机加工,即
可装机运行,使整个试制周期比传统方法缩短了三分之二,费用节省了四分之三。
6.样品制作:制造产品替代品,用于展示新产品,进行市场宣传,如通讯、
家电及建筑模型制作等。
7.工艺和材料验证:快速制作各种蜡模,用于精铸新工艺和新型材料的摸
索、验证以及新产品制造所需辅助工具及部件的试验。近无余量精铸叶片的实验
品。首先按不同收缩率用成型机一次制作几个叶片蜡模,然后涂壳、编号、失蜡
铸造。将所得叶片铸件进行测量,反复几次即可确定不同材料无余量精铸收缩率,
为批量生产奠定基础。如果用开模具的办法进行此项试验,其费用和周期都将大
大增加。发动机高速涡轮,要求材质高,铸件密实。使用激光快速自动成型机,
制作精铸用蜡模四个,编号涂壳,使用不同配比特殊合金,分别浇铸,对所得四
件样品进行测试,分别加以比较分析,即确定材料最佳配方。从制模到取得结果
仅需一个月。
8.反求工程与快速成型:成型机成型的一件摩托车的前面板样件,面板上
包含了一个前大灯和二个侧灯的外罩,它们与面板构成一个完整的曲面。这是一
个用反向工程进行零件详细设计的典型实例。整个工艺过程是首先由模型工根据
摩托车的整体形象要求用油泥制作概念模型,经评审满意后用三座标测量仪进行
数值化,测量数据用Pro/E软件的Scantools模块进行整理并转换成曲面模型,
再转换成实体模型并进"细节"计。糟加筋、孔和车孔的轮廓等结构,最后由成型
机制作出样件模型,经过打磨和喷漆的处理后装在摩托车上进行外观、装配等检
验,整个过程从完成三座标测量到得到样件仅用一周时间。此时得到的样件模型
巴不同于最初的油泥模型,而成为与实际零件壁厚、尺寸一致,筋、孔等结构齐
全的零件模型,这比油泥模型无疑是一个很大的进步。如果这时需对模型进行修
改,只需在CAD系统上就可完成。当模型的外观和细部结构确定无误后,就可利用最后的模型数据进行模具设计和加工。
范文二:快速成型技术的特点
快速成型技术的发展趋势
现状:
由于受材料的限制,快速原型还不能用作实际工作零件 问题:
1、零件精度、有限的材料种类和力学性能
2、目前,RP系统所用材料有限,与常规金属和工业塑料相比,RP原型较脆,价格昂贵,且对人体有害。 发展趋势
1、金属零件的快速成型 2、概念创新与工艺改进
3、数据优化处理及分层方式的演变 4、快速成型设备的专用化和大型化 5、开发性能优越的成型材料 6、成型材料的系列化、标准化 7、喷射成型技术的广泛应用 8、梯度功能材料的应用 9、组织工程材料快速成型 10、开发新的成型能源 11、拓展新的应用领域 12、集成化
快速成型技术的特点 1、自由成型制造 2、制造过程快速
3、添加式和数字化驱动成型方式 4、技术高度集成 5、突出的经济效益 6、广泛的应用领域
快速成型技术的优越性 1、设计者受益 2、制造者受益 3、推销者受益 4、用户受益
快速成型工艺分类:光固化成型工艺SLA,叠层实体制造工艺LOW,选择性激光烧成型工艺SLS,熔融沉积快速成型工艺.FDM
四种工艺简图中每个结构名称和作用
光固化成型工艺(使用场合,收缩率大的原因) 基本原理
原材料:液槽中盛满液态光敏树脂;
成型工具:氦-镉激光器或氩离子激光器发出的紫外激光束;
成型过程:在控制系统的控制下,按各层截面信息在树脂表面逐点扫描,被扫描区域发生聚
合反应而固化,形成薄层。一层结束,工作台下移一个层厚,然后再原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂,刮板将粘度较大的树脂液面刮平,然后进行下一层扫描加工,新固化的一层牢固地粘结在前一层上,如此重复直至整个零件制造完毕。 材料:液态光固化树脂或称液态光敏树脂 特点
目前,由于光固化成型技术制造原型表面质量好,尺寸精度高,因而应用最为广泛。 1)优点
(1)自动化程度高:全程完全自动化 (2)尺寸精度高:±0.1mm
(3)优良的表面质量:上表面可呈现玻璃状的效果 (4)原件结构复杂,尺寸精细:尤其是内部结构 (5)原型件用于熔模精密铸造的消失型 (6)原型件可在一定程度上替代塑料件 2)缺点:
(1)成型过程伴随物理、化学变化,制件易弯曲,需要支撑,否则会变形; (2)树脂固化性能尚不如塑料,较脆,易断裂;
(3)设备运转及维护成本高:液态树脂材料和激光器价格较高,且需要定期调整; (4)可使用的材料种类较少:感光性的液态树脂
(5)液态树脂有一定的气味和毒性,且需避光保护,应用有局限性; (6)原型件未能完全固化,需要二次固化。
光固化工艺过程
光固化的工艺过程:前处理、原型制作和后处理 1、前处理
1)CAD三维造型
2)数据转换:生成STL格式文件
3)确定摆放方位:影响时间和精度、后续支撑及原型的表面质量 4)施加支撑:手动设置或自动实现 5)切片分层 2、原型制作
1)提前启动成型设备,预热材料及光源
2)设备正常后,启动控制软件读入层片数据文件 3)成型工艺参数采用默认设置,特殊情况调整 4)注意调整工作台网板与树脂液面的位置关系 5)启动叠层制作
6)叠层结束,系统自动停止 3、后处理
原型的清洗、去除支撑、后固化及打磨
1)叠层结束,工作台升出液面,停留5~10分钟,晾干滞留在原型表面的树脂及排除内部多余的树脂;
2)晾干后浸入丙酮、酒精等清洗液体中,去除残留气泡; 3)去除支撑:
4)再次清洗后置于紫外烘箱中整体后固化。
叠层实体制造工艺LOM
工艺原理P46
LOM工艺采用薄片材料,如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。 工艺过程:
1)LOM制作工件时,激光头按指令作X-Y向运动,逐层切割工作台上的材料; 2)热压棍将新铺的薄材粘接在已成型的切片上; 3)工作台逐层下移,最终完成三维实体。 工艺特点:
1)原材料价格便宜,原型制作成本低; 2)制件尺寸大; 3)无需后固化处理
4)无需设计和制作支撑结构;
5)废料易剥落;
6)制件能承受高达200?C的温度,有较高的硬度和较好的力学性能,可进行各种切削加工;
7)原型精度高;
8)设备采用高质量元件,完善的安全保护装置,确保长时间连续运行,可靠性高,寿命长; 9)操作方便。
工艺过程
原型制作过程
1、基底制作:由于叠层在制作过程中要有工作台带动频繁起降,为实现原型与工作台的连接,需要制作基底,通常3~5层。
2、原型制作:所有参数设定完毕,设备根据工艺参数自动完成原型叠加。 后处理
成型后的原型件埋在叠层块中,需要进行剥离、以便去除废料、甚至修补、打磨、抛光和表面强化处理等,既为后处理。
1)余料去除:成型中产生的废料、支撑结构与工件分离;细致的工作,费时,手工剥离,要求熟练且有技巧;
2)后置处理:为使原型表面状况或机械强度等满足需要,保证其尺寸稳定性、精度等方面的要求,对其进行后置处理。
后置处理工艺:修补、打磨、抛光、表面涂覆等。 3)特殊的后处理工序:表面涂覆P56
选择性激光烧结成型工艺SLS 基本原理 组成:
铺粉辊: 将一层粉末材料平铺在已成型零件的上表面,并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度
控制系统:控制激光束按照该层的截面轮廓在粉层上扫描;
激光器:使粉末的温度升至融化点,进行烧结并与下面已成型的部分实现粘结; 工作台:支撑成型零件
当实体完成成型并充分冷却之后,粉末块上升至原始位置,将其取出放到后处理工作台上,用刷子刷去表面粉末,露出工件,其余残留的粉末可用压缩空气去除。 原料:石蜡、聚碳酸酯、尼龙、纤细尼龙、合成尼龙、金属
工艺过程
1.前处理。前处理阶段主要完成模型的三维CAD造型,并经STL数据转换后输入到粉末激光烧结快速成型系统中。
2.粉层激光烧结叠加。在叠层加工阶段,设备根据原型的结构特点,在设定的建造参数中,自动完成原型的逐层粉末烧结叠加过程。与LOW和SLA工艺相比较而言,SLA工艺中成型区域温度的控制是比较重要的。
3.后处理。激光烧结后的PS原型件,强度较弱,需要根据使用要求进行渗蜡或渗树脂等补强处理。用于该原型用于熔模铸造,所以进行渗蜡处理。
特点
1.可采用多种材料 2.制造工艺比较简单 3.高精度
4.无需支撑结构 5.材料利用率高
6. (缺点 )表面粗糙 7.烧结过程挥发异味
8.有时需要比较复杂的辅助工艺
相关参数 1.激光功率 2.扫描速度 3.烧结间距 4.单层层厚
熔融沉积快速成型工艺
工艺原理P80
材料为热塑性材料且为高分子化合物,只要有:ABS塑料\浇铸用蜡\人造橡胶\聚酯热塑性塑料
优缺点
1、优点
操作环境干净,安全,在办公室课进行 工艺干净、简单、易于操作且不产生垃圾
尺寸精度高,表面质量好,易于装配,可快速构建瓶状或中空零件 4、原材料以卷轴丝的形式提供,易于搬运和金额快速更换 5、原料价格便宜
6、材料利用率高
7、可选用德 材料较多,如染色的ABS和医用ABD、PC、PPSF、人造橡胶、铸造用蜡 缺点:
1、精度较低,难以构建结构复杂的零件, 2、与截面垂直方向的强度小
3、成型速度相对较慢,不适合构建大型零件
三维喷涂粘接工艺 3DP与SLS工艺类似,采用粉末材料成形,如陶瓷粉末,金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的,而是通过喷头用粘接剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面(如图)。用粘接剂粘接的零件强度较低,还须后处理。先烧掉粘接剂,然后在高温下渗入金属,使零件致密化。提高强度
光掩膜法 原理:电子成像系统先在一块特殊玻璃上通过曝光和高压充电过程产生与截面形状一致的静电潜像,并吸附上碳粉形成截面形状的负像,接着以此为"底片”用强紫外灯对涂覆的一层光敏树脂通航四进行曝光固化,把多余的树脂吸附走以后,用石蜡填充截面中的空隙部分,接着用铣刀把截面修平,继续下一层固化。
与SLA比较:效率高,一次成型一个层面,可成型多个零件或大型零件
弹道微粒制造,数码累计成型(了解概念)P90
概念设计
现代设计直接在三维造型软件平台上进行,CAD/CAM一体化软件为产品造型提供了强大的空间,使设计者的概念设计能够随心所欲,且修改方便。
目前应用较多的三维软件有:ug、Pro/E、Catia、Cimatron、Delcam、Solidedge、MDT等。
反求工程
对存在的实物模型或零件进行测量,根据测量的数据重构出实物的CAD模型,进而对模型进行分析、修改、检验和制造的过程 反求主要用于对已有零件的复制、损坏或磨损零件的还原、模型精度的提高及数字化模型的检测等。
反求非传统意义上的仿制
而是综合应用现代设计的理论方法、生产工程学、材料学和有关的专业知识,进行系统地研究分析、进而快速地开发制造出高附加值、高技术水平的新产品。
反求工程对难以设计用CAD设计的零件模型、以及活性组织和艺术模型的数据摄取是非常有用的工具,对快速实现产品等的改进和完善或参考设计具有重要的工程应用价值。
反求的主要方法:三坐标测量法, 投影光栅法,激光三角形法,核磁共振和CT法以及自动断层扫描法等
STL文件的格式
STL格式文件的优势:表达清晰简单
实质是:用许多细小的空间三角形面来逼近还原CAD实体模型,类似于实体数据模型的表面有限元网格划分。
STL模型的数据是通过给出三角形法向量的三个分量及三角形的三个顶点坐标来实现的。 STl文件记载了所有三角形面。
STL有二进制Binary 和文本文件ASCⅡ两种形式。
(区别)ASCⅡ的特点是能被人工识别并被修改,但该文件占用空间太大,主要用来调试程序,一般以Binary来存储数据,二进制文件采用IEEE类型整数和浮动型小数,占用空间小。
STL文件的精度
STL文件用三角形来逼近实体表面,三角形的多少影响其逼近精度。 面对快速成型系统,精度不必过高。
因为:精度会引起计算机存储量的增加;切片处理时间的增加;有时截面轮廓会产生许多小线段,不利于激光头的运动,导致低的表面粗糙度。
STL文件的纠错处理 1、STL文件的基本规则
1)取向规则
每个小三角形的三条边按逆时针顺序由右手定则确定其面的法向量指向实体表面的外侧,要求相邻两个三角形的取向一致。 2)点点规则
每个三角形必须也只能和与它相邻的三角形共享两个点。 3)取值规则
STL文件所有顶点坐标必须是正的。 4)合法实体规则
即在三维模型的所有表面上,必须布满小三角形平面,不得有任何遗漏,不能有零厚度的区域,外表面不能从其本身穿过。
2、常见的STL文件错误
1遗漏:一个STL文件的数据不符合欧拉公式。 2退化面:点共线;点重合。 3模型错误:CAD/CAM系统中原始模型的错误引起的。 4错误发向量面:STL格式转换时未按正确的循序排列构成三角形的顶点而导致计算所得法向量方向相反。
STL文件的输出
当CAD模型在一个三维软件系统中完成之后,在进行快速成型制造之前必须进行格式转换,即STL文件输出。
目前,几乎所有的商业化的CAD/CAM系统都有STL文件的输出数据接口。
在STL文件输出过程中,根据模型的复杂程度和所要求的精度指标,选择STL文件的输出精度。
切片方法
1 STL切片
直接STL切片,容错切片:避开STL文件三维层次上的纠错问题直接对齐切片并在二维层次上修复,定层厚切片:重复进行排除奇异点;搜索求交;整序保存这三个过程,适应性切片:根据零件的几何特征来决定切片的厚度,轮廓变化频繁的地方用小厚度,变化平缓的用大厚度。 2直接切片
基于ACIS 基于ARX,SDK
在工业应用中,保持从概念设计到最终产品的模型一致性是非常中澳的
原始CAD模型本来已经精确表示了设计意图,STL文件反而降低了模型的精度。而且,使用STL格式表示方形物体精度较高,表示圆柱形,球形物体精度较差。对于特定的用户,生产大量高次曲面物体,使用STL格式会导致文件巨大,切片费是,迫切需要抛开STL文件,直接从CAD模型中获取界面描述信息。在加工高次曲面时,直接切片明显优于STL方法,相比较而言,采用原始CAD模型进行直接切片具有的优点
1 能减少快速成型的前处理时间
2 可避免STL格式文件的检查和纠错过程
3 可降低模型文件的规模
4 能直接采用RP数控系统的曲线插补功能,从而可提高工件的表面质量 5 能提高原型件的精度
基于RP的快速模具制造方法一般分为直接法和间接法两大类。
直接制模法是直接采用RP技术制作模具,在RP技术诸方法中能够直接制作金属模具的是选择性激光烧结法(SLS法)。
前,基于RP快速制造模具的方法多为间接制模法。间接制模法指利用RP原型间接地翻制模具。依据材质不同,间接制模法生产出来的模具一般分为软质模具(Soft Tooling)和硬质模具(Hard Tooling)两大类。
软质模具因其所使用的软质材料(如硅橡胶、环氧树脂等)有别于传统的钢质材料而得名,由于其制造成本低和制作周期短,因而在新产品开发过程中作为产品功能检测和投入市场试运行以及国防、航空等领域单件、小批量产品的生产方面受到高度重视,尤其适合于批量小、品种多、改型快的现代制造模式。目前提出的软质模具制造方法主要有硅橡胶浇注法、金属喷涂法、树脂浇注法等。
硅橡胶模具快速制造技术
硅橡胶模具制造工艺是一种比较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、无拔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。 类型 缩合型和加成型
特点
缩合型模具硅橡胶的抗剪强度较低,在模具制造过程中易被撕破,因此很难适用于那些花纹深、形状复杂的模具。在用缩合型模具胶制造厚模具的过程中,由于缩合交联过程中产生的乙醇等低分子物质难于完全排出,致使模具在受热时硅橡胶降解老化而显著影响其使用寿命;同时由于乙醇等低分子物质的排出致使硫化胶的体积收缩,从而造成模具的尺寸小于相应的原型尺寸。因此,缩合型模具硅橡胶大多用于一些尺寸要求不精密的工艺品制造。 加成型模具硅橡胶由于采用加成硫化体系,硫化时不产生低分子化合物,因而具有极低的线收缩率,胶料可以深部固化,而且物理性能、力学性能和耐热老化性能优异,成为了模具胶中正在大力发展的品种。加成型模具硅橡胶适用于制造精密模具和铸造模具,而且模具制造工艺简单,不损伤原型,仿真性好。 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,对凸凹部分浇注成型后也可直接取出,这是它的独特之处。
硅橡胶的这些优点使它成为制模材料的佼佼者,一部分已进入机械制造领域并与金属模具相竞争。目前用硅橡胶制造的弹性模具已用于代替金属模具生产蜡模、石膏模、陶瓷模、塑料件,乃至低熔点合金如铅、锌以及铝合金零件,并在轻工、塑料、食品和仿古青铜器等行业的应用不断扩大,对产品的更新换代起到不可估量的作用。利用硅橡胶制造模具,可以更好的发挥RP&M技术的优势。
对于批量不大的注塑件生产,可以采用RP原型快速翻制的硅橡胶通过树脂材料的真空注型来实现,这样,能够显著缩短产品的制造时间,降低成本,提高效率。 制作工艺
1 原型表面处理
2 制作型框和固定原型
3 硅橡胶计量、混合并真空脱泡 4 硅橡胶浇注及固化
5 拆除型框、刀剖开模并取出原型 真空注型工艺过程
1 清理硅胶模,预热模具 2 喷洒离型剂,组合硅胶模具 3 计量树脂
4 脱泡混合,真空注型 5 温室硬化,取出制件 6 制件后处理
电弧喷涂快速模具制造技术(用什么材料)
优点
1、不论原模的材料是金属、木材、或塑料制品,所得到的模具型腔线条轮廓清晰,外形尺寸不变,因喷涂时原模的表面温度一般不超过60℃,因此没有热应力引起的变形问题。 2、制模效率高,大大缩短制模周期。
3、原模型尺寸不受限制,可小至硬币的尺寸,大至制造汽车内顶蓬真空成型模具。 4、使塑料生产线能迅速更改产品的品种,符合市场的变化要求。
5、设备投资小,经济效益好。随着加工时间的增加,用此方法加工模具的成本优势就越显著。同其它方法相比,此方法成本可节省2~20倍。
电弧喷涂制模是一种典型的快速制模技术,具有制模工艺简单、制作周期短、模具成本低等显著特点,特别适用于小批量、多品种的生产使用,尤其在当前市场竞争的情况下,电弧喷涂制模技术为产品的更新换代提供了一个全新的制模方法和捷径。此技术必将越来越受到人们的重视和应用。
电弧喷涂制模工艺流程大致分为如下5个阶段(一定要会): ① 模型准备:清理模型表面、刷脱模剂等 ② 在模型上喷涂金属 ③ 制作模具外框架 ④ 浇注填充材料
⑤ 脱模、后序加工处理
环氧树脂模具快速制造技术 环氧树脂模具制作工艺 1、模型准备
2、底座制作并固定原型 3、涂脱模剂
4、浇注树脂
5、去除底座并进行另一半模的制作 6、树脂硬化并脱模 7、模具修整并组装
快速成型制造技术的应用 在产品设计中的应用
1、概念模型可视化 2、设计评价 3、装配校核 4、性能和功能测试 快速模具的母模
1、硅橡胶模具 2、聚氨酯模具 3、金属喷涂模具 4、环氧树脂模具 5、金属硬质模具 在铸造领域中的应用
1、熔模铸造 2、直接模壳铸造
在医学领域的应用
1、设计和制作可植入假体 2、外科手术规划 3、颌面修复 4、义耳制作 5、心血管模型制作 6、生物工程 7、定制骨植入体 8、PCL多孔支架制作
快速设计与制造系统
1.市场经济的激烈竞争使全球制造业的战略重点从:扩大生产规模、降低生产成本、提高产品质量也即:加快市场响应速度上。
2.产品快速设计与制造系统应视为集工业设计、计算机三维CAD技术、反求工程、结构分析与优化设计、工艺仿真、快速成型制造、快速模具制造和快速产品制造等为一体的一个集成制造系统。
3.企业的生产周期进入“三个三”时期:产品设计周期三周,试制周期三个月,生产周期三年
4.快速设计方法:从概念到产品,从样品到产品
5.对于产品设计,除了几何形状设计之外,还应当进行结构的优化设计,通过对构件在实际
工作环境下的工作过程仿真和在仿真基础上的优化设计,达到产品的最佳设计目的。
6.此外,产品设计还应注意:
制造工艺问题,即可加工性
因此,产品设计过程是集美学、工业设计、功能/结构性能、成型工艺性、产品综合成本等多种因素于一体的设计过程。
产品设计不能仅考虑单一或几个因素
7.产品设计既要满足外观及加工制造要求,更要满足产品的使用要求。
8.结构分析的目的:进行安全性评价、进而实现结构的优化。强度,刚度,稳定性,疲劳寿命
9.传统的批量生产一般都使用工、模具。
而模具加工过程中采用传统的试错方式进行结构和工艺方案的改进,不但增加了生产成本,而且延长了生产周期。
基于工艺仿真的CAE技术的发展,大大降低了从CAD到CAM的风险,使设计、仿真与制造并行,以确保产品开发的一次性成功。
10.反求是对存在的实物模型或零件进行测量,并根据测量数据重构出实物的CAD模型,进而对实物进行分析、修改、检验和制造的过程。 反求主要用于已有零件的复制、损坏或磨损零件的还原、模型精度的提高及数字化模型检测等。
11.反求工程中较大的工作量就是离散数据的处理。常用软件:Surfacer 12.快速成型制造设备:光固化成型设备 叠层实体制造设备 熔融沉寂制造设备 选择性激光烧结设备
13.快速模具制造设备:真空注型设备 点加工成型设备 金属喷涂设备
14.产品设计实施数字化并且与成型工艺仿真及优化技术集成,可以快速地完成产品设计,
并有效地确保所设计的产品具有最优的结构和可行的工艺性,显著降低产品开发与制造的周期和成本。
范文三:快速成型技术的原理
快速成型技术的原理、工艺过程及技术特点
2008-08-13 11:08:05| 分类: 工程技术 | 标签: |字号大中小 订阅
快速成型技术的原理、工艺过程及技术特点:
快速成型属于离散/堆积成型。它从成型原理上提出一个全新的思维模式维模型,即将计算机上制作的零件三维模型,进行网格化处理并存储,对其进行分层处理,得到各层截面的二维轮廓信息,按照这些轮廓信息自动生成加工路径,由成型头在控制系统的控制下,选择性地固化或切割一层层的成型材料,形成各个截面轮廓薄片,并逐步顺序叠加成三维
坯件.然后进行坯件的后处理,形成零件。
快速成型的工艺过程具体如下:
l )产品三维模型的构建。由于 RP 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 该三维CAD模型可以利用计算机辅助设计软件(如Pro/E , I-DEAS , Solid Works , UG 等)直接构建,也可以将已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、 CT 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。
2 )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处理,以方便后续的数据处理工作。由于STL格式文件格式简单、实用,目前已经成为快速成型领域的准标准接口文件。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。 STL 文件有二进制码和 ASCll 码两种输出形式,二进制码输出形式所占的空间比 ASCII 码输出形式的文件所占用的空间小得多,但ASCII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 3 )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。间隔一般取0.05mm~0.5mm, 常用 0.1mm 但成型时间也越长,效率就越低,反之则精度低,但效率高。
4 )成型加工。根据切片处理的截面轮廓,在计算机控制下,相应的成型头(激光头或喷头)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。
5 )成型零件的后处理。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。
快速成型特术具有以下几个重要特征:
l )可以制造任意复杂的三维几何实体。由于采用离散/堆积成型的原理.它将一个十分复杂的三维制造过程简化为二维过程的叠加,可实现对任意复杂形状零件的加工。越是复杂的零件越能显示出 RP 技术的优越性此外, RP 技术特
别适合于复杂型腔、复杂型面等传统方法难以制造甚至无法制造的零件。
2 )快速性。通过对一个 CAD 模型的修改或重组就可获得一个新零件的设计和加工信息。从几个小时到几十个小时就
可制造出零件,具有快速制造的突出特点。
3 )高度柔性。无需任何专用夹具或工具即可完成复杂的制造过程,快速制造工模具、原型或零件
4 )快速成型技术实现了机械工程学科多年来追求的两大先进目标.即材料的提取(气、液固相)过程与制造过程一体
化和设计(CAD )与制造( CAM )一体化
5 )与反求工程( Reverse Engineering)、CAD 技术、网络技术、虚拟现实等相结合,成为产品决速开发的有力工
具。
因此,快速成型技术在制造领域中起着越来越重要的作用,并将对制造业产生重要影响。
快速成型技术的分类:
快速成型技术根据成型方法可分为两类:基于激光及其他光源的成型技术(Laser Technology),例如:光固化成型(SLA )、分层实体制造(LOM)、选域激光粉末烧结(SLS)、形状沉积成型(SDM)等;基于喷射的成型技术(Technoloy),例如:熔融沉积成型(FDM)、三维印刷( 3DP )、多相喷射沉积( MJD )。下面对其中比较成熟
的工艺作简单的介绍。
1、SLA(Stereolithogrphy Apparatus)工艺 SLA 工艺也称光造型或立体光刻,由Charles Hul 于 1984 年获美国专利。 1988 年美国 3D System公司推出商品化样机SLA-I,这是世界上第一台快速成型机。SLA 各型成型机机占据着RP 设备市场的较大份额。
SLA 技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合
反应,分子量急剧增大,材料也就从液态转变成固态。
SLA工作原理:液槽中盛满液态光固化树脂激光束在偏转镜作用下,能在液态表而上扫描,扫描的轨迹及光线的有无均由计算机控制,光点打到的地方,液体就固化。成型开始时,工作平台在液面下一个确定的深度.聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描,即逐点固化。当一层扫描完成后.未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度,已成型的层面上又布满一层树脂,刮板将粘度较大的树脂液面刮平,然后再进行下一层的扫描,新周化的
一层牢周地粘在前一层上,如此重复直到整个零件制造完毕,得到一个三维实体模型。
SLA 方法是目前快速成型技术领域中研究得最多的方法.也是技术上最为成熟的方法。 SLA 工艺成型的零件精度较高,加工精度一般可达到 0.1 mm ,原材料利用率近 100 %。但这种方法也有白身的局限性,比如需要支撑、树脂收
缩导致精度下降、光固化树脂有一定的毒性等。
2、LOM(Laminated Object Manufacturing,LOM)工艺LOM工艺称叠层实体制造或分层实体制造,由美国Helisys公司的Michael Feygin于 1986 年研制成功。LOM工艺采用薄片材料,如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时,热压辊热压片材,使之与下面已成型的工件粘接。用CO2激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框,并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格。激光切割完成后,工作台带动已成型的工件下降,与带状片材分离。供料机构转动收料轴和供料轴,带动料带移动,使新层移到加工区域。工作合上升到加工平面,热压辊热压,工件的层数增加一层,高度增加一个料厚。再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有
截面粘接、切割完。最后,去除切碎的多余部分,得到分层制造的实体零件。
LOM 工艺只需在片材上切割出零件截面的轮廓,而不用扫描整个截面。因此成型厚壁零件的速度较快,易于制造大型零件。工艺过程中不存在材料相变,因此不易引起翘曲变形。工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑
作用,所以 LOM 工艺无需加支撑。缺点是材料浪费严重,表面质量差。
3、SLS(Selective Laser Sintering)工艺 SLS工艺称为选域激光烧结,由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于 1989 年研制成功。 SLS工艺是利用粉末状材料成型的。将材料粉末铺洒在已成型零件的上表面,并刮平,用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面,材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起,得到零件的截面,
并与下面已成型的部分连接。当一层截面烧结完后,铺上新的一层材料粉末,有选择地烧结下层截面。
烧结完成后去掉多余的粉末,再进行打磨、烘干等处理得到零件。
SLS这使SLS工艺颇具吸引力。SLS工艺无需加支撑,因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用。
4、3DP (Three Dimension Printing)工艺三维印刷工艺是美国麻省理工学院E-manual Sachs等人研制的。已被美国的
Soligen公司以DSPC(Direct Shell Production Casting)名义商品化,用以制造铸造用的陶瓷壳体和型芯。 3DP 工艺与SLS工艺类似,采用粉末材料成型,如陶瓷粉末、金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连结起来
的,而是通过喷头用粘结剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉来上面。
用粘结剂粘接的零件强度较低,还须后处理。先烧掉粘结剂,然后在高温下渗人金属,使零件致密化,提高强度。 5 . FDM (Fused Depostion Modeling)工艺 熔融沉积制造( FDM )工艺由美国学者Scott Crump于 1988 年研制成功。 FDM 的材料一般是热塑性材料,如蜡、 ABS 、尼龙等。以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件
截面轮廓和填充轨迹运动,同时将熔化的材料挤出,材料迅速凝固,并与周围的材料凝结。
快速成型技术的应用领域:
目前RP技术的发展水平而言,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--基本功能评估--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,达到投石问路的目的。
快速成型的应用主要体现在以下几个方面:
(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,
则一旦存在设计失误,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佳的合理的工艺。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。比
如为客户提供产品样件,进行市场宣传等,快速成型技术已成为并行工程和敏捷制造的一种技术途径。
(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、(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、批量越来越小的发展趋势。快速成型应用的领域几乎包括了
制造领域的各个行业,在医疗、人体工程、文物保护等行业也得到了越来越广泛的应用。
快速成型技术的主要应用各行业的应用状况如下:
◆汽车、摩托车:外形及内饰件的设计、改型、装配试验,发动机、汽缸头试制。
◆家电:各种家电产品的外形与结构设计,装配试验与功能验证,市场宣传,模具制造。
◆通讯产品:产品外形与结构设计,装配试验,功能验证,模具制造。
◆航空、航天:特殊零件的直接制造,叶轮、涡轮、叶片的试制,发动机的试制、装配试验。
◆轻工业:各种产品的设计、验证、装配,市场宣传,玩具、鞋类模具的快速制造。
◆医疗:医疗器械的设计、试产、试用,CT扫描信息的实物化,手术模拟,人体骨关节的配制。
◆国防:各种武器零部件的设计、装配、试制,特殊零件的直接制作,遥感信息的模型制作。
总之,快速成型技术的发展是近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,降低开发成本,提高企业的竞争
力。下面通过一些事例,说明该项技术在产品开发过程中起的作用。
1.设计验证:用于新产品外观设计玲证和结构设计验证,找出设计缺陷,完善产品设计。在现代产品设计中,设计手段日趋先进,计算机辅助设计使得产品设计快捷、直观,但由于软件和硬件的局限,设计人员仍无法直观地评价所设计产品的效果和结构的合理性以及生产工艺的可行性。快速成型技术为设计人员迅速得到产品样品,直观评判产品提供了先进的技术手段。我公司为某摩托车生产厂新型250摩托车制作的覆盖件样件,包括油箱、前后挡板、车座和侧盖等共13件。采用AFS成型技术,仅用12天就完成了全部制作。设计人员将样件装在车体上,经过认真评价和反复比较,对产品的外观做了重新修改,达到了理想状态。这一验证过程,使设计更趋完美,避免了盲目投产造成的浪费。
2.装配验证:制出样品实件,进行装配实验。天津某公司委托我方加工传真机外壳及电话。用户不仅要进行外观评价,而且要将传真机的内部部件装入样件中,进行装配实验和结构评价。该公司首先选择传统加工方法,分块加工,手工粘结,仅加工一套电话听筒就耗资肆仟元,耗时20天。预计制作传真机样品需2个月,费用为2?5万元。我公司用快速成型技术,仅用15天就将该产品一套共六件交给委托方。用户在装配实验中发现了7处装配干涉和结构不合理处。将前后两种方法相比,传真机BABS塑料组装样件传统加工方法工序繁多,手工拼接费时、费力,材料浪费大、加工周期长。对复杂的结构和曲面,加工粗糙,尺寸精度低,制作的实物模型与设计模型之间不能建立一一对应的关系,因而在
装配实验中很难检查出设计错误。而自动成型法,高度自动化,一次成型,周期短,精度高,与设计模型之间具有一一
对应的关系,更适合样品组装件的生产和制造。
3.功能验证:我公司为某摩托车厂制作250型双缸摩托车汽缸头。这是一款新设计的发动机,用户需要10件样品进行发动机的模拟实验。该零件具有复杂的内部结构,传统机加工无法加工,只能呆用铸造成型。整个过程需经过开模、制芯、组模、浇铸、喷砂和机加等工序,与实际生产过程相同。其中仅开模一项就需三个月时间。这对于小批量的样品制作无论在时间上还是成木上都是难以接受的。我们采用选区激光烧结技术,以精铸熔模材料为成型材料,在快速成型机上仅用5天即加工出该零件的10件铸造熔模,再经熔模铸造工艺,10天后得到了铸造毛坯。经过必要的机加工,30
天即完成了此款发动机的试制。
4.快速铸造:在制造业特别是航空、航天、国防、汽车等重点行业,共基础的核心部件一般均为金属零件,而且相当多的金属零件是非对称性的、有不规则曲面或结构复杂而内部又含有精细结构的零件。这些零件的生产常采用铸造或解体加工的方法。在铸造生产中,模板、芯盒、压蜡型、压铸模的制造往往是用机加工的方法来完成的,有时还需要钳工进行修整,不仅周期长、耗资大,而且从模具设计到加工制造是一个多环节的复杂过程,咯有失误就会导致全部返工。特别是对一些形状复杂的铸件,如叶片、叶轮、发动机缸体、缸盖等,模具的制造是一个难度更大的问题,即使使用数控加工中心等昂贵的设备,在加工技术与工艺可行性方面仍有很大困难。可以设想,如果遇到此类零件的试制或小批量
生产,其制造周期、成本及风险是相当大的。
激光快速成型技术已被证明是解决小批量复杂零件制造的非常有效的手段。迄今为止,我们己通过激光快速成型成功地生产了包括叶铃、叶片、发动机转子、泵体、发动机缸体、缸盖等千余仕扫盘钻件 我们将快速成型与铸造工艺的结合称为快速铸造工艺。图5给出了快速铸造工艺与传统铸造工艺的比较。由于快速铸造过程无须开模具,因而大大节省了制造周期和费用。图6是采用快速铸造方法生产的燃气二动机S段,零件直径80Omm,高410m们,按传统金属铸件方法制造,模具制造周期约需半年,费用几十万。用快速铸造方法,快速成型铸造熔模7天(分6段组合)铸造10天,费用每件不超过2万(共6件)。用快速成型方法生产的新型坦克增压器的铸造熔模,我们用5天时间就完
成了37件蜡模的生产,使整个试制任务比原计划提前了3个月。
5.翻模成型:实际应用上,很多产品必须通过模具才能加工出来。用成型机先制作出产品样件再翻制模具,是一种既省时又节省费用的方法。发动机泵壳原型件产品用传统机加工方法很难加工,必须通过模具成型。据估算,开模时间要8个月,费用至少30万。如果产品设计有误,整套模具就全部报废。我们用快速成型法为该产品制作了塑料样件,作为模具母模用于翻制硅胶模。将该母模固定于铝标准模框中,浇入配好的硅橡胶,静置12?20打开模框,取出硅橡胶用刀沿预定分型线划开,将母模取出,用于浇铸泵壳蜡型的硅胶模即翻制成功。通过该模制出蜡型,经过涂壳、焙烧、失蜡、加压浇铸、喷砂,一件合格的泵壳铸件在短短的两个月内制造出来,经过必要的机加工,
即可装机运行,使整个试制周期比传统方法缩短了三分之二,费用节省了四分之三。
6.样品制作:制造产品替代品,用于展示新产品,进行市场宣传,如通讯、家电及建筑模型制作等。
7.工艺和材料验证:快速制作各种蜡模,用于精铸新工艺和新型材料的摸索、验证以及新产品制造所需辅助工具及部件的试验。近无余量精铸叶片的实验品。首先按不同收缩率用成型机一次制作几个叶片蜡模,然后涂壳、编号、失蜡铸造。将所得叶片铸件进行测量,反复几次即可确定不同材料无余量精铸收缩率,为批量生产奠定基础。如果用开模具的制作精铸用蜡模四个,编号涂壳,使用不同配比特殊合金,分别浇铸,对所得四件样品进行测试,分别加以比较分析,
即确定材料最佳配方。从制模到取得结果仅需一个月。
8.反求工程与快速成型:成型机成型的一件摩托车的前面板样件,面板上包含了一个前大灯和二个侧灯的外罩,它们与面板构成一个完整的曲面。这是一个用反向工程进行零件详细设计的典型实例。整个工艺过程是首先由模型工根据摩托车的整体形象要求用油泥制作概念模型,经评审满意后用三座标测量仪进行数值化,测量数据用Pro/E软件的Scantools模块进行整理并转换成曲面模型,再转换成实体模型并进"细节"计。糟加筋、孔和车孔的轮廓等结构,最后由成型机制作出样件模型,经过打磨和喷漆的处理后装在摩托车上进行外观、装配等检验,整个过程从完成三座标测量到得到样件仅用一周时间。此时得到的样件模型巴不同于最初的油泥模型,而成为与实际零件壁厚、尺寸一致,筋、孔等结构齐全的零件模型,这比油泥模型无疑是一个很大的进步。如果这时需对模型进行修改,只需在CAD系统上就可完
成。当模型的外观和细部结构确定无误后,就可利用最后的模型数据进行模具设计和加工。
FDM技术描述
FDM技术是由Stratasys公司所设计与制造,可应用于一系列的系统中。这些系统为FDM Maxum,FDM Titan,Plus以及Dimension。FDM技术利用ABS,polycarbonate(PC),polyphenylsulfone (PPSF)以及其它材料。这些热塑性材料受到挤压成为半熔融状态的细丝,由沉积在层层堆栈基础上的方式,从3D CAD资料直接建构原型。该技术通常
应用于塑型,装配,功能性测试以及概念设计。此外,FDM技术可以应用于打样与快速制造。
图1 FDM技术喷嘴示意图
FDM 术语
WaterWorks(水溶性支撑): 可以分解于碱性水溶剂的可溶解性支撑结构。
Break Away Support Structure (BASS) (易剥离性支撑): 水溶性支撑的前身,需要手动剥离工件表面的支撑。
Tip(喷嘴): 挤压成型用的喷嘴。喷嘴提供各种不同的孔径让使用者选择。
Road(线材):在喷嘴的单一路径中所挤压成型的材料。可由喷嘴尺寸与材料进几率控制。
物理属性
符合原型应用的物理需求,大概是选择快速原型技术的最重要因素。快速原型的物理属性将定义他的品质并决定赋予的
应用成败。
工程材料属性
当询问到重要性的排序,快速原型的使用者通常会声明材料属性是最重要的考虑。致力于工业需求,符合这些预期用来生产的材料的材料属性是很重要的。而这是FDM技术最重要的强项之一。当Stratasys公司制造用于FDM技术的所有
材料,每一项都是从商业上可用的热塑性树脂来生产。
ABS: 所有的FDM系列产品都提供ABS作为材料选项,而接近90%的FDM原型都是由这种材料制造。使用者报告说ABS的原型可以达到注塑ABS成型强度的80%。而其它属性,例如耐热性与抗化学性,也是近似或是相当于注塑成型
的工件,其耐热度为摄氏93.3度。这让ABS成为功能性测试应用的广泛使用材料。
Polycarbonate: 可以在Titan机型上使用的一种新式RP材料--polycarbonate –正在快速成长。增加强度的
polycarbonate比ABS材料生产的原型更经得起力量与负载。许多使用者相信该材料生产的原型可以达到注塑ABS成
型的强度特性,其耐热度为摄氏125度。
其它材料: FDM技术还有其它的专用材料。这些包含polyphenylsulfone、橡胶材质以及蜡材。橡胶材质是用来作类似橡胶特性的功能性原型。蜡材是特别设计来建立脱蜡铸造的样品。蜡材的属性让FDM的样品可以用来生产类似铸造厂中的传统蜡模。Polyphenylsulfone,一种应用于Titan机型的新工程材料,提供高耐热性与抗化学性以及强度与硬度,其
耐热度为摄氏207.2度。
图2 PPSF耐高温工程材料应用于咖啡壶设计
Stratasys宣布已经针对FDM快速原型系统Titan发表PPSF材料。在各种快速原型材料之中,PPSF (或是称为
polyphenylsulfone)有着最高的强韧性、耐热性、以及抗化学性。
航天工业、汽车工业以及医疗产品业的生产制造商是第一批期待使用这种PPSF材料的用户。航天业将会喜欢该材料的难燃属性;汽车制造业也非常想应用其抗化学性以及在400度以上还能持续运作的能力;而医疗产品制造商将对PPSF
材质的原型可以进行消毒的能力感到兴趣。
测试单位,Parker Hannifin安装了一个PPSF作的模型到汽车引擎中。该零件是一个名为crankcase vapor coalescer的过滤器,装在一组V8引擎并作40 小时的测试以决定过滤器媒介的效能。该零件收集的燃气包含有160燃料,油烟,以及其它燃烧的化学反应生成物。Parker Hannifin的Russ Jensen说,“该装配件并没有产生外漏,并且
其展现出与第一次装配时相同的强度与属性。我们相当满意它的表现。”
测试单位,MSOE (Milwaukee School of Engineering)的操作经理Sheku Kamara,同样地很满意该新材料。“当在玻璃熔融的450度时,在各种快速原型材料之中,PPSF材料还拥有着除了金属之外最高的操作温度以及坚硬度,”他说。“在
粘着剂测试期间,PPSF原型零件遭受于温度从14度到392度的考验且依然保持完整。”
颜色
包含最常用到的白色,ABS提供六种材料颜色。色彩的选项包含蓝色,黄色,红色,绿色与黑色。医学等级的ABSi 提
供针对于半透明的应用,例如汽车车灯的透明红色或是黄色。
图3、4 彩色模型装配件
属性稳定度
不像SLA以及PolyJet的树脂,FDM材料的材料属性不会随着时间与环境曝晒而改变。就像是注塑成型的副本,这些
材料几乎在任何环境下都会保持他们的强度,硬度以及色彩。
精准性
快速原型的尺寸精度取决于许多因素,而其结果可能会因为每个工件或是不同日期而有些微小变化。需要考虑的事情必须包含已知的条件,例如量测的时间范围,工件的拚约盎肪车钠厣埂axum,Titan以及Prodigy Plus精准度资料详见附表一。精度测试工件如图5、6所示,在每一台机器中均用层厚0.18 mm所建构以形成目前的精准性资料。
图5 图标的工件试用来比较精准性
图6 所示的测试工件是用来做尺寸精度及运作时间分析。该工件是由FDM Titan在层厚0.18mm时所制作的。
MAXUM TITAN PRODIGY
理论尺寸 实际尺寸 百分比 理论尺寸 百分比 理论尺寸 百分比
A 76.2 76.2 0.00 76.2 0.00 76.1 0.17
B 25.4 25.5 0.30 25.5 0.40 25.6 0.60
C 152.4 152.4 0.00 152.3 0.08 152.4 0.00
D 2.54 2.51 1.00 2.54 0.00 2.54 0.00
E 76.2 76.15 0.07 76.07 0.17 76.12 0.10
F 101.6 101.57 0.02 101.42 0.18 101.50 0.10
G 25.4 25.48 0.30 25.50 0.40 25.55 0.60
H1 12.7 12.62 0.60 12.65 0.40 12.55 1.20
H2 12.7 12.62 0.60 12.67 0.20 12.55 1.20
I 12.7 12.67 0.20 12.7 0.00 12.62 0.60
J 6.35 6.43 1.20 6.55 3.05 6.48 2.00
K 12.7 12.67 0.20 12.78 0.60 12.78 0.60
表1为Maxum、Titan以及Prodigy Plus的尺寸精度资料。所有的测试零件均用层厚0.18mm所建构。(单位:mm)
工件建构
一般而言,FDM技术所提供的准确性通常相等或是优于SLA技术以及PolyJet技术,且确定优于SLS技术。然而,由于精准性是取决于许多的因素,所以矛盾的结果便会发生在个别的原型上。FDM技术的精准性受到较少的变量影响。用SLA,SLS以及PolyJet技术,尺寸精准性会受影响的因素有机器的校正,操作的技巧,工件的成型方向与位置,材
料的年限以及收缩率。
Z轴
这并非一定都会这样,Z轴可能是被证明准确性最小的。除了先前所讨论的变化之外,原型的高度可能由于层厚整数误差而改变。对所有的RP系统而言都是这样的。任何特征的表面顶端或是底端无法对齐成为一层时,在软件中的切层算法会将尺寸整数化到最接近的层厚数。在最坏的情形下,一端的表面往下整数化而另一端向上,对于典型的FDM参数,这可能会产生的误差至少为0.127mm。
稳定性
尺寸的稳定性是FDM原型的关键优势,如同SLS技术,时间与环境的曝晒都不会改变工件的尺寸或其他的特征。一但
原型从FDM系统分离,当它达到室内温度后,尺寸是固定不变的。如果温度度数变化,用SLA 或是PolyJet技术则不
是这样的情形。
图7 大型工件的尺寸稳定
成本预估
机型:Stratasys FDM Maxum
材料费:(按每年用量100KG计算)
100kg*36%=36kg(应用省料加工办法)
36kg*2400元/千克=86400元
喷嘴更换费:
每年需更换1次,两个喷嘴,单价150美元,折合人民币约1239元
150*8.26*2=2478元
基板费用:每年需20张,总计232美元,折合人民币共1916元
综合预估每年使用成本为90794元(人工费及电费未计)
EOS /3D SYSTEM
材料费:(按每年用量100KG计算)
100kg*1000元/千克=100000元
由于SLS是粉末烧结的成型原理,故无法应用省料加工技术。
而SLA需要一缸料(200KG以上)作为“底料”,使用过程中再添加新料。
100KG*2400元/KG=240000元,国产材料500-800元/KG,但材料性能与进口材料相比较差很多。
激光器更换费用:
每个激光器保用时间为5000小时,按每月25天,每天工作16小时计算
每年需更换一次,每次更换费用为20000美圆,折合人民币计165400元
平均每年费用165400圆
氮气消耗费用
氮气消耗量2天/瓶,每瓶单价200圆
每天100圆成本,每年需30000圆(每月25天*12个月)
恒温恒湿房间费用
建房费用:200000圆
维护费用:100圆/天
SLS综合预估每年使用成本为331900圆(人工费及电费未计)
SLA综合预估每年使用成本为431900圆(人工费及电费未计)
综合评比:
~FDM通过软件控制,可以采用省料加工技术,可降低64%材料消耗,并可提高2.5倍加工速度
~根据我厂提供的数据加工的样件,精度为0.127mm,是各个厂家中最高的.
~综合使用成本预估,FDM为82982元/年,使用成本较低
后处理输出
许多RP件都需要手工完成工件的光滑性。例如,SLA需要从工件表面手动移除支撑结构,且工件表面需要一些手工打
磨。这表示工件的精准性不再只是受到系统精度的作用。它现在是受到后处理技师的技术等级所控制。
对于塑型,装配以及功能性原型,多数的使用者发现FDM工件的表面精度是可以接受的。那么,当结合了水溶性支撑
以及易剥离支撑,表示FDM原型的精准性不会受到手工的改变。当然,如果需要翻硅胶模用或是喷漆用的表面精度,FDM工件将需要后处理,如同其它的技术一样。既然这样,工件后处理技师的技艺在可以做到的原型精度上扮演了一
个关键的角色。
图8 模型可烤漆 图9 模型可以真空电镀
表面完工精度
受到使用者与Stratasys公司双方的公认,FDM技术最明显的限制就是表面完工精度。由于是半熔融状态塑料挤制成型表面完工精度比SLA与PolyJet还要粗糙,而与SLS不相上下。当由较小的线材宽度与较薄的层厚来改进表面完工精度时,仍然可以在顶端,底面,以及侧墙看出经过挤压喷嘴的等高线轮廓与建构层厚。表2所列的为Maxum与Titan
的表面完工精度。为了改善表面完工精度,Maxum与Titan现在都提供0.127 mm层厚。
使用者发现工件的成型方向,可以满足考虑表面完工精度需求。这些要求较高完工精度的表面通常以垂直方向成型。较不重要的表面通常以水平方向成型,就像是底端或是顶端的表面。如同其它技术,二次加工(后处理输出)可以用来使之相同。然而,ABS与polycarbonate材料的硬度让打磨耗费人力。使用者通常使用溶剂或用是粘结剂完成或是预备用打磨。商业上可用的这些介质包含有熔接,ABS快干胶,Acetone 以及two-part epoxies。要符合足够的精度,FDM技术与竞争对手的产品都可以提供翻硅胶模用或是喷漆用的表面。这关键的差异是要花费多少时间才能达到要求的结果。Maxum Ra(μin) Titan Ra(μin)
顶面未处理表面已处理表面
550275 475150
侧面未处理表面已处理表面
450200 425175
底面未处理表面已处理表面
550125 575100
表2:Maxum和Titan的表面精度资料。所有的测试零件均用层厚0.18mm所建构。
特征定义
尽管高阶的FDM系统可以生产较小的特征,大多数FDM原型的最小特征尺寸受限于两倍线材宽度。没有使用者的介入FDM技术使用的”closed path”选项会限制最小特征尺寸为两倍挤压成型喷组的宽度。对于一般喷嘴与建造参数而言,最小特征尺寸范围从0.4到 0.6 mm。尽管大于SLA与PolyJet的最小特征尺寸,但是该范围是与这些技术的可用最小特
征尺寸相同。
尽管SLA技术可以建造小到0.08 (Viper si2机种)或0.25 mm (所有机种),以及PolyJet技术可以建造小到0.04mm,几乎很少原型会用到这些极小值的优势来作最小的细节。考虑到材料属性,通常发现SLA技术与PolyJet技术的原型常用最小特征尺寸为0.5mm。FDM技术的最小特征尺寸相等于或是优于SLS技术的0.6到 0.8 mm。由于材料属性相似于
注塑成型的ABS或是polycarbonate,FDM技术可以给予功能性特征尺寸在0.4到 0.6 mm范围中。
环境抵抗力
FDM原型提供的材料性质相似于热塑性材料。这包含了环境的与化学的曝晒。对ABS材料而言,使用者可以实验他们的原型在93度的温度下以及包含石油,汽油以及甚至某些酸类等的化学媒介。一关键的考虑为水气的曝晒,包括浸没与湿气。SLA技术与PolyJet技术使用的光敏树脂对于潮湿水气敏感且会受到伤害。暴晒在水中或是湿气中不只会影响原型的机械属性,也会影响尺寸精度。当光敏树脂的原型吸收了水气之后,他们将会开始软化并且变的有点易于弯曲。而且,工件会有翘曲或是膨胀的倾向,这会严重影响尺寸的精度。FDM技术的原型,以及SLS技术的原型,都不受湿
气影响,所以他们可以保持原有的机械属性以及尺寸精度。
机械加工
FDM原型可以进行铣床加工,钻孔,研磨,车床加工等。为了补偿表面精度不足并加强特征细节,当有特殊的品质需
求时,使用者通常会进行二次加工来提升原型的细节。
图10 原型上可进行加工处理,如锁螺丝
操作上的考虑
在考虑原型的物理属性之后,注意力应该转移至操作的参数上。下列领域可以影响到原型在预期应用上的使用。
工件尺寸
不像某些快速原型技术,广告中FDM技术的建造范围就是最大的工件尺寸。在家族系列产品中,FDM技术提供了广泛的建造范围。Maxum,最超大型,所提供的工件尺寸可达600 x 500 x 600 mm。这样的建造范围与最大型的SLA系统相同。Titan,则提供最大的工件尺寸为406 x 355 x 406 mm。这样的建造范围稍微大于SLS Sinterstations系统。Plus,办公室桌上型,拥有的建造范围为203 x 203 x 305 mm,该尺寸稍微大于PolyJet系统以及最小型的SLA当使用具竞争性的技术时,快速原型超过建造范围的部分通常分段建构然后作粘结。使用商业上可用ABS快干胶,FDM工件的粘和强度可以满足功能性测试的应用。此外,FDM工件可以使用超音波熔接,这种选项无法使用在SLA以及
PolyJet,因为他们不是使用热塑性材料。
支撑结构
在FDM技术中,需要支撑结构来形成基底以制作工件并支撑任何超过悬挂的特征。在工件的接口,支撑材料的坚固堆层已经放下。在这坚固堆层下,线材为0.5mm且在间隔为3.8mm下沉积。FDM技术提供两种类型的支撑--易于剥离支撑结构(BASS)以及水溶性支撑结构(WaterWorks)。BASS支撑是由手工将支撑从工件表面剥离以移除。当他们不想损
坏工件表面,考虑的是必须要容易进入与接近细小特征。
水溶性支撑(WaterWorks)是使用水溶性材料,可分解于碱性水溶剂的解决方案。不像是易于剥离支撑(BASS),该支撑可以任意坐落于工件深处地嵌壁式的区域,或是接触于细小特征,因为机械式的移除方式是可以不加考虑的。此外,水溶性支撑可以保护细小特征。在其它的快速原型技术中,他们要如何移除支撑而不造成特征损坏,是一项极大挑战。 一体成型的装配件
随着水溶性支撑的出现,FDM技术提供了一项独特的解决方案--建构可运转的一体成型装配件。因为水溶性支撑可以进行分解,一个多件的装配件可以在一次机械运转中建构完成。当多件的装配件可以在SLS或是PolyJet中实行时,要小心地考虑到残留在原件之间的材料。举例来说,如图3所示的FDM技术的脑型齿轮组,可以不用手工劳动就能完成并用一些时间就能将水溶性支撑进行分解。用SLS技术制作这样相同的工件,可能需要一个小时以上的手工劳动来清除齿轮与轴柄之件的粉末。有了水溶性支撑,整个装配件的CAD资料可以当作一个工件处理。同样地,也不需要手工劳动
或是时间进行工件的装配。
图11 脑型齿轮利用水溶性支撑以一体成型的方式建构而不用考虑手动移除支撑
运行时间
运行时间在FDM技术制程中明显地取决于不同的因素。这样提供所有工件在所有的制作时间比较表是不可能的。一般来说,FDM技术的运行时间比起SLA技术与SLS技术是需要略久一些的时间,而跟PolyJet表3表示运行时间的是针对于图1所作的精准性测试工件进行纪录。所有工件采用0.25 mm层厚所建构。
FDM系统 时数
Maxum 2.2
Titan 2.7
Prodigy Plus 4.2
表3表示运行时间
FDM技术的运行时间是由工件的材料容积以及支撑结构来定义。不像SLA,SLS 或是 PolyJet,Z轴高度都不影响时间。工件的材料总额与材料沉积率都是决定FDM技术运行时间的重要因素。材料沉积率是喷嘴尺寸,线材宽度以及层厚的作用。较小的层厚与喷嘴将会增进特征细节与表面完工精度,而建造时间会增加。额外的考虑是FDM技术的运行时间不因材料不同而有变化。而对于SLA技术与SLS技术,运行时间是取决于材料种类并且会有20%以上的变化。为了减少运行时间,FDM系统提供了”稀疏填充”(轻量化技术)的选项。线材的间隔为3.8 mm且在每一层会交替线材的方向,所以材料的总额与建构时间都会减少。
既然FDM技术的运行时间都不受Z轴高度影响,除了任何额外支撑材料之外,工件的成型方向可以为了最佳的品质而不造成时间损失。在其它每一项技术之中,通常时间与品质两者不可兼得,当以Z轴为最低的成型方向时可以减少建构
时间,但是特征的品质较差。
还有需要考虑的是FDM技术不需要显著的时间去暖机到运行温度或是去让完成的工件冷却。在SLS或SLA技术制程中,系统每运行一次的预先暖机与输出冷却都需要增加2到4个小时。并且在SLA技术制程中,制作出来的原形件需要用酒精或丙酮清洗掉表面的液体树脂,然后放到紫外光固化箱中进行二次固化。在SLS技术制程中,制作出来的原形
件需要“清粉”、浸蜡处理。以上这些费时、费力的后处理过程FDM都不需要。
设备使用环境
快速成型设备最好能放置于电脑设计室内以便于工作,要求设备无烟尘、无震动和噪音并且材料安全无毒。而光敏树脂(SLA)液态原材料有毒,需特别小心处理,并且需配置抽风系统,以抽除建模过程中产生之毒烟;而粉末材料(SLS需配备抽风系统、吸尘设备、防尘箱及氮气发生系统;纸张(LOM)只有美国Stratasys公司的FDM快速成型机只需要在一般办公室环境下操作。
应用范围
概念模型
许多FDM技术的使用者把该技术当作设计的周边。就本身而言,为了在制程早期就能审核与确认设计概念,该技术已经变得另一种与CAD系统连结并驱动的工具。由于这样的应用,FDM技术都是作为概念模型工具以清楚地传达日益精致与复杂的设计。当FDM技术无法从概念模型中提供预期的速度,它提供了结合概念模型与视觉应用的优势。这些强处包含精准性,材料属性,色彩以及免用手动工件后处理。尽管材料强度与硬度并非概念模型的关键,但是它通常值得关注,因为脆弱的模型通常在最不适当的时机破裂。FDM技术的模型也应用于销售与行销,包含内部与外部。对内,FDM技术的原型是用来给销售团队,管理阶层以及其它员工在开始制造之前看一眼产品长相。对外,原型是用来在产
品作商品化之前引起预期客户的兴奋与兴趣。
塑型,装配以及功能性模型
对许多技术而言,快速原型的应用在塑型,装配以及功能性分析方面时需要作某些方面的牺牲。尽管SLA技术与PolyJet技术提供较好的细节,精准度与表面加工精度,但是他们无法提供必要的强度与硬度。同样地,SLS技术提供强度而牺牲精准性与细节。对于FDM技术,使用ABS与 polycarbonate以进行注塑成型塑料工件的功能性分析。尽管未经后处理的工件也许没有生产成品一般的表面精度,但是仍有许多不受此妨碍的应用。再者,表面加工精度相对于其它因素例如尺寸稳定性,耐热性与抗化学性而言,通常是比较次要的。
图12 FDM原型组装测试
修整样品
快速原型可以用来作为建立模具的样品。不像其它快速原型技术,FDM技术可以成功地用来制作样品。然而,必须考虑表面加工精度与工件后处理到可以作为母模所需时间。脱蜡铸造是样品的额外用途,样品必须能在他们自己所建立陶砂壳模之中燃烧消耗掉。FDM技术制程所建构的蜡模与ABS模都被证实适合应用在陶砂壳模之中燃烧消耗的标准铸造
流程。
快速制造(少量多样)
快速原型激起对于短期制造的兴趣,对于少到只有一个单位的订单都很合算。这样的应用需要工件在许多领域都符合功能性规格。在FDM技术的精准性与材料属性都是可用之际,它是少数致力于该应用的技术之一。当尚未经过最后加工修饰的FDM工件可能受限使用于可视化,装饰的应用,但不受妨碍它去作为内部组件,或是那些不需要艺术吸引力的用途。对于快速制造的应用,运行时间将会成为一项重要的考虑。然而,就像几位使用者的证明,为数不多的工件运行
时间是明显地少于生产模具与成品所需要的总时间。
总结
获得快速原型技术的强处与弱势信息是做出睿智抉择的第一步。尽管目前的信息十分完整,也不可能包含各种应用的需
求。所以下一步是评估应用的必要需求以及持续从其它来源处取得信息。要记得,没有任何技术可以适合各种处境。必
须选择最合适的工具以满足手边的工作。
范文四:快速成型技术的综述
快速成型技术的综述
概要:
快速成型技术又称快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing,简称RPM) 技术,被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。不断提高RP 技术的应用水平是推动RP 技术发展的重要方面。并且随着这一技术本身的发展,其应用领域将不断拓展。
关键词:
引言:
随着全球市场一体化的形成,制造业的竞争十分激烈,产品的开发速度日益成为主要矛盾。制造业为满足日益变化的用户需求,要求制造技术有较强的灵活性,能够以小批量甚至单件生产而不增加产品的成本。因此,产品的开发速度和制造技术的柔性就十分关键。从技术发展角度看,计算机科学、CAD 技术、材料科学、激光技术的发展和普及为新的制造技术的产生奠定了技术物质基础。
一.RP 技术的定义
快速成型技术是集机械工程、CAD 、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身,可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件,从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。即,快速成形技术就是利用三维CAD 的数据,通过快速成型机,将一层层的材料堆积成实体原型。
二.RP 技术的基本原理
快速成形技术是在计算机控制下,基于离散、堆积的原理采用不同方法堆积材料,最终完成零件的成形与制造的技术。1、从成形角度看,零件可视为“点”或“面”的叠加。从CAD 电子模型中离散得到“点”或“面”的几何信息,再与成形工艺参数信息结合,控制材料有规律、精确地由点到面,由面到体地堆积零件。2、从制造角度看,它根据CAD 造型生成零件三维几何信息,控制多维系统,通过激光束或其他方法将材料逐层堆积而形成原型或零件。
三. 特点
(1) 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;
(2) 原型的复制性、互换性高;
(3) 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;
(4) 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;
(5) 高度技术集成,可实现了设计制造一体化;
三. 类型
3D 打印技术是一系列快速原型成型技术的统称,其基本原理都是叠层制造,由快速原型机在X-Y 平面内通过扫描形式形成工件的截面形状,而在Z 坐标间断地作层面厚度的位移,最终形成三维制件。目前市场上的快速成型技术分为3DP
技术、FDM 熔融层积成型技术、SLA 立体平版印刷技术、SLS 选区激光烧结、DLP 激光成型技术和UV 紫外线成型技术等。
1.3DP 技术
采用3DP 技术的3D 打印机使用标准喷墨打印技术,通过将液态连结体铺放在粉末薄层上,以打印横截面数据的方式逐层创建各部件,创建三维实体模型,采用这种技术打印成型的样品模型与实际产品具有同样的色彩,还可以将彩色分析结果直接描绘在模型上,模型样品所传递的信息较大。
2.FDM 熔融层积成型技术
FDM 熔融层积成型技术是将丝状的热熔性材料加热融化,同时三维喷头在计算机的控制下,根据截面轮廓信息,将材料选择性地涂敷在工作台上,快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后,机器工作台下降一个高度(即分层厚度)再成型下一层,直至形成整个实体造型。其成型材料种类多,成型件强度高、精度较高,主要适用于成型小塑料件。
3.SLA 立体平版印刷技术
SLA 立体平版印刷技术以光敏树脂为原料,通过计算机控制激光按零件的各分层截面信息在液态的光敏树脂表面进行逐点扫描,被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化,形成零件的一个薄层。一层固化完成后,工作台下移一个层厚的距离,然后在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂,直至得到三维实体模型。该方法成型速度快,自动化程度高,可成形任意复杂形状,尺寸精度高,主要应用于复杂、高精度的精细工件快速成型。
4.SLS 选区激光烧结技术
SLS 选区激光烧结技术是通过预先在工作台上铺一层粉末材料(金属粉末或非金属粉末),然后让激光在计算机控制下按照界面轮廓信息对实心部分粉末进行烧结,然后不断循环,层层堆积成型。该方法制造工艺简单,材料选择范围广,成本较低,成型速度快,主要应用于铸造业直接制作快速模具。
5.DLP 激光成型技术
DLP 激光成型技术和SLA 立体平版印刷技术比较相似,不过它是使用高分辨率的数字光处理器(DLP)投影仪来固化液态光聚合物,逐层的进行光固化,由于每层固化时通过幻灯片似的片状固化,因此速度比同类型的SLA 立体平版印刷技术速度更快。该技术成型精度高,在材料属性、细节和表面光洁度方面可匹敌注塑成型的耐用塑料部件。
6.UV 紫外线成型技术
UV 紫外线成型技术和SLA 立体平版印刷技术比较相似类似,不同的是它利用UV 紫外线照射液态光敏树脂,一层一层由下而上堆栈成型,成型的过程中没有噪音产生,在同类技术中成型的精度最高,通常应用于精度要求高的珠宝和手机外壳等行业。
四.RP 技术在各领域的应用
(1)在新产品造型设计过程中的应用快速成形技术为工业产品的设计开发人员建立了一种崭新的产品开发模式。运用RP 技术能够快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的实物模型(样件) ,这不仅缩短了开发周期,而且降低了开发费用,也使企业在激烈的市场竞争中占有先机。
例如:RP&M技术使用互联网可以进一步提高设计和制造效率、速度和经济, 以及分享RP 机器。基于RP&M系统开发并实现远程服务和快速原型制造, 加强RP&M设施的可用性, 提高大量的中小型企业快速产品开发的能力。
(2)在机械制造领域的应用由于RP 技术自身的特点,使得其在机械制造领域内,获得广泛的应用,多用于制造单件、小批量金属零件的制造。有些特殊复杂制件,由于只需单件生产,或少于50件的小批量,一般均可用RP 技术直接进行成型,成本低,周期短。
(3)快速模具制造传统的模具生产时间长,成本高。将快速成型技术与传统的模具制造技术相结合,可以大大缩短模具制造的开发周期,提高生产率,是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径。快速成形技术在模具制造方面的应用可分为直接制模和间接制模两种,直接制模是指采用RP 技术直接堆积制造出模具,间接制模是先制出快速成型零件,再由零件复制得到所需要的模具。
例如,快速原型制造PMMA 凸轮轴。凸轮轴组件中, 一组摄像头成为不可分割的一部分轴放置在各自的位置和方向的应用程序特定的凸轮轴。使用这些凸轮轴在许多行业尤其是汽车、航空航天和海洋产业。它们用于任何汽车的引擎。
(4)在医学领域的应用近几年来,人们对RP 技术在医学领域的应用研究较多。以医学影像数据为基础,利用RP 技术制作人体器官模型,对外科手术有极大的应用价值。
(5)在文化艺术领域的应用在文化艺术领域,快速成形制造技术多用于艺术创作、文物复制、数字雕塑等。
(6)在航空航天技术领域的应用在航空航天领域中,空气动力学地面模拟实验(即风洞实验) 是设计性能先进的天地往返系统(即航天飞机) 所必不可少的重要环节。该实验中所用的模型形状复杂、精度要求高、又具有流线型特性,采用RP 技术,根据CAD 模型,由RP 设备自动完成实体模型,能够很好的保证模型质量。
例如:自适应切片在快速原型制造(RPM)允许选择的层厚度根据所需的最终产品的质量。使用开发计算平台, 切片IGES 文件根据用户定义的容许误差因素和表面层厚度范围的RP 机器。总表面误差计算与发达的错误函数来验证切片效率与成本, 生产时间和准确性。
(7)在家电行业的应用目前,快速成形系统在国内的家电行业上得到了很大程度的普及与应用,使许多家电企业走在了国内前列。如:广东的美的、华宝、科龙;江苏的春兰、小天鹅;青岛的海尔等,都先后采用快速成形系统来开发新产品,收到了很好的效果。快速成形技术的应用很广泛,可以相信,随着快速成形制造技术的不断成熟和完善,它将会在越来越多的领域得到推广和应用。
五. 发展方向
从目前RP 技术的研究和应用现状来看,快速成型技术的进一步研究和开发工作主要有以下几个方面:
(1)开发性能好的快速成型材料,如成本低、易成形、变形小、强度高、耐久及无污染的成形材料。
(2)提高RP 系统的加工速度和开拓并行制造的工艺方法。
(3)改善快速成形系统的可靠性,提高其生产率和制作大件能力,优化设备结构,尤其是提高成形件的精度、表面质量、力学和物理性能,为进一步进行模具加工和功能实验提供基础。
(4)开发快速成形的高性能RPM 软件。提高数据处理速度和精度,研究开发利用CAD 原始数据直接切片的方法,减少由STL 格式转换和切片处理过程所产生精度损失。
(5)开发新的成形能源。
(6)快速成形方法和工艺的改进和创新。直接金属成形技术将会成为今后研究与应用的又—个热点。
(7)进行快速成形技术与CAD 、CAE 、RT 、CAPP 、CAM 以及高精度自动测量、逆向工程的集成研究。
(8)提高网络化服务的研究力度,实现远程控制。
六. 面临问题
目前RP 技术还是面临着很多问题,问题大多来自技术本身的发展水平,其中最突出的表现在如下几个方面。
1. 工艺问题
快速成型的基础是分层叠加原理,然而,用什么材料进行分层叠加,以及如何进行分层叠加却大有研究价值。因此,除了上述常见的分层叠加成形法之外,正在研究、开发一些新的分层叠加成形法,以便进一步改善制件的性能,提高成形精度和成形效率。
2. 材料问题
成型材料研究一直都是一个热点问题,快速成型材料性能要满足:①有利于快速精确的加工出成型;②用于快速成型系统直接制造功能件的材料要接近零件最终用途对强度、刚度、耐潮、热稳定性等要求;③有利于快速制模的后续处理。发展全新的RP 材料,特别是复合材料,例如纳米材料、非均质材料、其他方法难以制作的材料等仍是努力的方向。
3. 精度问题
目前,快速成形件的精度一般处于±0.1 mm的水平,高度(Z )方向的精度更是如此。快速成型技术的基本原理决定了该工艺难于达到与传统机械加工所具有的表面质量和精度指标,把快速成型的基本成形思想与传统机械加工方法集成,优势互补,是改善快速成型精度的重要方法之一[3]。
4. 软件问题
目前,快速成型系统使用的分层切片算法都是基于STL 文件格式进行转换的,就是用一系列三角网格来近似表示CAD 模型的数据文件,而这种数据表示方法存在不少缺陷,如三角网格会出现一些空隙而造成数据丢失,还有由于平面分层所造成的台阶效应,也降低了零件表面质量和成形精度,目前,应着力开发新的模型切片方法,如基于特征的模型直接切片法、曲面分层法,即:不进行STL 格式文件转换,直接对CAD 模型进行切片处理,得到模型的各个截面轮廓,或利用反求工程得到的逐层切片数据直接驱动快速成型系统,从而减少三角面近似产生的误差,提高成形精度和速度。
5. 能源问题
当前快速成型技术所采用的能源有光能、热能、化学能、机械能等。在能源密度、能源控制的精细性、成型加工质量等方面均需进一步提高。
6. 应用领域问题
目前快速成型现有技术的应用领域主要在于新产品开发,主要作用是缩短开发周期,尽快取得市场反馈的效果。
由于快速成型技术的巨大吸引力,现在,不仅工业界对其十分重视,而且许多其他的行业都纷纷致力于它的应用和推广,在其技术向更高精度与更优的材质性能方向取得进展后. 可以考虑加入生物医学、考古、文物、艺术设计、建筑成
型等多个领域的应用,形成高效率、高质量、高精度的复制工艺体系。
四. 结论
总而言之,快速成型技术是一种新型成型方法,虽然问世不久,但已广泛应用于国民经济的许多领域,给许多行业带来了巨大的经济效益。随着市场一体化竞争的日趋激烈,要求新产品开发和生产周期越来越短,这为快速成型技术的生产与发展带来了广阔的发展空间。RP 技术将会被越来越多的企业所采用,对企业的发展发挥起到越来越重要的作用,并给企业带来丰厚回报,其自身也会获得更大的发展。
参考文献
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范文五:快速成型技术的应用
科技信息○机械与电子○
SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION2011年第13期
快速成型技术的应用
李玉蓉
(云南机电职业技术学院机械工程系
云南
昆明
650203)
【摘要】本文主要简述了快速成型技术的概念、工作过程以及其应用和发展趋势。快速成型技术与数控加工、铸造、金属冷喷涂、模具制造等手段相结合,已成为产品快速制造的强有力手段,在轻工产品、航空航天、汽车、摩托车、家电、生物等领域得到了广泛应用。
【关键词】快速成型;过程;应用
快速成型(RapidPrototyping,简称RP)又称快速原型,原型是被仿制或研制的第一个模型或最原始的模型。要求原型尽可能与样品相像,能精确的再现样品的形状。
快速成型技术就是,可以快速、自动地将设计思想物化为具有结构和功能的原型或直接制造零部件,从而可以对设计的产品进行快速评价、修改,大大缩短新产品开发周期,降低开发成本,避免产品研发失败的风险,提高企业竞争力。
1快速成型过程
RP技术是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维
物理实体的技术总称,是计算机技术、数控技术、材料科学、激光技术、机械工程技术的集成,是先进制造技术的重要组成部分。与传统制造方法不同,快速成型从零件的CAD几何模型出发,通过分层离散软件和数控成型系统,用特殊的工艺方法(熔融、烧结、粘结等)将材料堆积而形成实体零件,故也成为增材制造(MIM)或分层制造技术(LMT)。
由于快速成型技术把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加,因而可以在没有模具和工具的条件下生成任意复杂的零部件,极大地提高了生产效率和制造柔性。快速成型的过程包括:产品CAD实体模型的构建→三维模型的分层处理→层层制造、堆积成型→后处理,四个主要步骤。
2快速成型技术的应用
—造型设计———RP技术完成从产品的概念设计(或改型设计)——
结构设计———基本功能评估———模拟样件试制这段开发过程。但实际
上,其应用领域几乎包括了制造的所有行业,以及医疗、人体工程、文物保护等领域。
2.1快速成型在新产品研发中的应用
在现代产品设计中,设计手段日趋先进,计算机辅助设计使得产品设计更加快捷、直观,但由于软件和硬件的局限,设计人员在新产品的研发阶段仍无法直观地评价所设计产品的效果、结构的合理性以及生产工艺的可行性。每一个设计环节都可能存在着一些人为的设计缺陷,如果不及早发现就会影响后续工作。RP技术将CAD数字模型实体化,可以对其进行设计评价、干涉检验,甚至进行某些功能测试,将设计缺陷消灭在初步设计阶段,减少损失。2.2快速成型在模具制造中的应用
传统模具制造的方法很多,如数控铣削加工、成形磨削、电火花加工、线切割加工、铸造模具、电解加工、电铸加工、压力加工和照相腐蚀等。由于这些工艺复杂、加工周期长、费用高而影响了新产品对于市场的响应速度。而传统的快速模具其工艺粗糙、精度低、寿命短,很难完全满足用户的要求。
快速模具制造(RT)技术是用快速成型技术及相应的后续加工来快速制作模具的技术。应用快速模具制造技术,在最终生产模具开模之前进行新产品试制与小批量生产,可以大大提高产品开发的一次成功率,制造周期仅为原来的1/3~1/5,这些优点是RT技术具有很好的发展条件。快速模具制造技术在快速成型技术领域中,发展最迅速,产值增长最明显。
RP+RT技术提供了一种从模具的CAD模型直接制造模具的新概念和新方法,他将模具的概念设计和加工工艺集成在一个CAD/CAM系统内,为并行工程的应用创造了良好的条件。RT技术采用RP早期、多回路、快速信息反馈的设计与制造方法,结合各种计算机模拟与分析手段,形成了一整套全新的磨具设计与制造系统。RT根据CAD模型无需数控切削加工直接将复杂的型腔曲面制造出来,使模具制造在
提高质量、缩短研制周期、提高制造柔性等方面取得了明显的效果。2.3快速成型在快速铸造中的应用
铸造是制造业中常用的方法。在铸造生产中,模板、芯盒、蜡模压型等一般都是机加工和手工完成的,不仅生产周期长、生产成本高,而且制件不能重复使用,难以实现高效规模生产,造型材料消耗大、粉尘严重。因此铸造一直被认为工艺原始、生产效率低下、污染严重的行业。
RP技术为实现铸造的短周期、多品种、低费用、高精度提供了一条捷径。由于快速成型过程无需开模具,因而大大节省了制造周期和费用,可铸造出结构形状复杂、难于用其他方法加工的精度较高的铸件。RP技术也需要与传统铸造技术相结合,才能充分发挥各自的特点,实现真正快速生产,这就是快速铸造技术。快速铸造技术的基本原理就是利用快速成型技术直接或间接制造铸造用的蜡膜、消失模、模样、模板、型心或型壳等,然后结合传统铸造工艺,快速地制造精密铸件。
2.4快速成型在艺术领域的应用
工艺品的制造和古文物的仿制是研究、继承和发扬我国文化遗产的重要手段。快速成型制造技术为艺术家以三维形式更细腻、形象、准确、生动、迅速地表达自己的思想情感提供了一种新的手段,也为珍稀艺术品的复制、艺术品形式的多样化提供了有力的工具。2.5快速成型在医学领域的运用
运用CT或MRI数据,采用RP技术快速制作物理模型,加工出内、外部三维结构完全仿真的生物模型,可为想不通过开刀就可观察病人骨结构的研究人员、种植设计师和外科医生等提供非常有益的帮助。这些技术运用于颅外科、神经科、口腔外科、整形外科、口腔外科、整形外科和头颅外科等方面,可帮助外科医生进行诊断,确定手术及治疗计划,有效提高了诊断和手术水平。
3快速成型技术应用总结
RP技术的发展是近年来制造领域的突破性进展,在日前产业策略以市场响应速度为第一要素的状况下,RP技术可以缩短产品开发周期,降低开发成本,提高企业的竞争力。下面是快速成型技术在各行业中的应用状况:
3.1汽车、摩托车:外形及内饰件的设计、改型、装配试验,发动机、汽缸头试制。
3.2家电:各种家电产品的外形与结构设计,装配试验与功能验证,市场宣传,模具制造。
3.3通信产品:产品外形与结构设计,装配试验,功能验证,模具制造。
3.4航空、航天:特殊零件的直接制造,叶轮、涡轮、叶片的试制,发动机的试制、装配试验。
3.5轻工业:各种产品的设计、验证、装配,市场宣传,玩具、鞋类模具的快速制造。
3.6医疗:医疗器械的设计、试产、试用,CT扫描信息的实物化,手术模拟,人体骨关节的配制。
3.7国防:各种武器零部件的设计、装配、试制,特殊零件的直接制作,遥感信息的模型制作。
4快速成型技术未来的发展趋势
快速成型技术未来的发展趋势主要体现在以下五个方面:4.1材料成型和材料制备;
(下转第83页)4.2生物制造和生氏成型;
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表1
时间
太阳能电池板电压测试表
电压(V)
2010.1.14
(晴转多云)
2010.1.15
(多云转阴)
7:007:308:008:309:009:3010:0010:3011:0011:3012:0012:3013:0013:3014:0014:3015:0015:3016:0016:3017:0017:3018:0018:3019:0019:20
1.533.846.257.047.858.889.129.169.129.429.419.449.459.48.28.158.27.457.47.416.526.56.45.324.323.92
0.98
系统组装完成后,做了实际测试,从观察到的现象来看实现了通过自动辨别白天与黑夜从而自动控制路灯熄灭与开启的功能。为了进一步验证控制器对充放电的管理,在实验室利用实验用直流可调电源模拟电池和太阳能电池板,通过给定一些特定的值,验证结果与设计一致。验证数据及结果见表2。
表2实验室测试结果表
电池电压(V)(稳压电源模拟)
太阳能板电压(V)(稳压电源模拟)
路灯灭灭灭亮亮亮
停充指示灯亮灭灭灭灭灭
浮充指示灯灭亮灭灭灭灭
快充指示灯灭灭亮灭灭灭
●
3.095.626.67.58.098.658.778.828.989.029.129.149.129.059.068.868.758.767.886.526.465.585.164.653.88
7.36.35.87.26.35.8
8.38.38.33.83.83.8
4总结
本设计以STC12C5410AD为核心控制单元,设计并制作了一套太阳能照明控制系统,实现了对蓄电池的快充、浮充、停充等科学高效的充电策略和放电管理策略,大大提高了太阳能照明系统蓄电池的使用效率并延长了蓄电池的使用寿命。此系统能根据环境光照强度不同自动打开路灯或关闭路灯,实现无人控制。并采取一定的算法,实现对蓄电池充放电的合理管理。科
●
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[责任编辑:曹明明]
3.2系统充放电测试
●
(上接第65页)加到页面即可。
4本系统的特点
该系统采用B/S模式,且Intranet和Internet并存的方式,系统功能
强大,可以满足管理人员和普通教师不同需求,使用方便。B/S模式的使用保证了升级的方便,同时可移植性较强,安全系数较高。科
【参考文献】
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[责任编辑:许宪坤]
●
(上接第95页)4.3计算机外设和网络制造;4.4快速成型与微纳米制造;4.5直写技术和信息处理。
快速成型技术是当今世界上发展迅速的先进制造技术之一。当今时代为网络时代,快速成型技术已经与其他技术相结合,形成一个完整而又庞大的技术体系。该体系具有技术系统化、需求多样化、技术多样化和复杂化以及技术更新速度不断加快等特点。科
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作者简介:李玉蓉(1983.01—),女,云南鹤庆人,助教,研究方向为逆向工程及快速成型。
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[责任编辑:常鹏飞]
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