現(xiàn)代成型及模具設(shè)計技術(shù)論文

1、現(xiàn)代成型及模具設(shè)計技術(shù)論文快速成型與制造Rapid Prototyping and Manufacturing 班級:J機械模具1202 姓名:顧佳敏 學號:4121144044摘要：從快速成型制造技術(shù)的基本原理出發(fā).探討了其主要工藝方法、工藝過程、特點、應(yīng)用領(lǐng)域及研究現(xiàn)狀;論述了其發(fā)展目標應(yīng)為實現(xiàn)各類產(chǎn)品或零部件的快速、低成本、高精度、直接的成型制造，其進一步開發(fā)重點應(yīng)為材料、能源、運動機構(gòu)、工藝的創(chuàng)新，設(shè)備性能的提高等，以期推動快速成型制造技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)和制造業(yè)中的迅速發(fā)展和應(yīng)用。關(guān)鍵詞：快速成型技術(shù)的現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢；遇到的問題；開發(fā)重點Abstract:Based on the

2、 principle of rapid prototyping technology, main craft method,technological process,characteristic, application field and research situation are proposed; development goals of realizing kinds ofproducts manufactured in a fast, low cost, high accuracy and direct prototyping way are discussed; develop

3、mentemphasis in the future that innovation of material energy, movement organization, craft, and improvement ofequipment performance are narrated, in order to promote development and application of the rapid prototypingmanufacture technology in product'developing and manufacturing.Keywords:The p

4、resent situation of the rapid prototyping technology；The development trend；The problems encountered ；The development of the key前言快速成型技術(shù)誕生于20世紀80年代后期，是基于材料堆積法的一種高新制造技術(shù)，被認為是近20年來制造領(lǐng)域的一個重大成果。它集機械工程、CAD、逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學、激光技術(shù)于一身，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?，從而為零件原型制作、新設(shè)計思想的校驗等方面提供了一種高效低成

5、本的實現(xiàn)手段。即，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。本文簡單介紹了快速成型技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了其應(yīng)用情況，并分析了以后的發(fā)展趨勢。正文隨著全球市場一體化的形成，制造業(yè)的競爭十分激烈，產(chǎn)品的開發(fā)速度日益成為主要矛盾。制造業(yè)為滿足日益變化的用戶需求，要求制造技術(shù)有較強的靈活性，能夠以小批量甚至單件生產(chǎn)而不增加產(chǎn)品的成本。因此，產(chǎn)品的開發(fā)速度和制造技術(shù)的柔性就十分關(guān)鍵。從技術(shù)發(fā)展角度看，計算機科學、CAD技術(shù)、材料科學、激光技術(shù)的發(fā)展和普及為新的制造技術(shù)的產(chǎn)生奠定了技術(shù)物質(zhì)基礎(chǔ)。1. 快速成型的基本原理快速原型制造技術(shù)，又叫快速成形技術(shù)，（簡稱RP

6、技術(shù)）：  RP技術(shù)是在現(xiàn)代CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)、計算機數(shù)控技術(shù)、精密伺服驅(qū)動技術(shù)以及新材料技術(shù)的基礎(chǔ)上集成發(fā)展起來的。不同種類的快速成型系統(tǒng)因所用成形材料不同，成形原理和系統(tǒng)特點也各有不同。但是，其基本原理都是一樣的，那就是"分層制造，逐層疊加"， 類似于數(shù)學上的積分過程。形象地講，快速成形系統(tǒng)就像是一臺"立體打印機"。   RP技術(shù)的優(yōu)越性顯而易見：它可以在無需準備任何模具、刀具和工裝卡具的情況下，直接接受產(chǎn)品設(shè)計（CAD）數(shù)據(jù)，快速制造出新產(chǎn)品的樣件、模具或模型。因此，RP技術(shù)的推廣應(yīng)用可以大大縮短新

7、產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高開發(fā)質(zhì)量。由傳統(tǒng)的"去除法"到今天的"增長法"，由有模制造到無模制造，這就是RP技術(shù)對制造業(yè)產(chǎn)生的革命性意義。2. 快速成型的主要工藝技術(shù)2.1 立體光固化成型法（SL, Stereo-Lithography）   光固化法(SL)是目前最為成熟和廣泛應(yīng)用的一種快速成型制造工藝。這種工藝以液態(tài)光敏樹脂為原材料，在計算機控制下的紫外激光按預(yù)定零件各分層截面的輪廓軌跡對液態(tài)樹脂逐點掃描，使被掃描區(qū)的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合(固化)反應(yīng)，從而形成零件的一個薄層截面。完成一個掃描區(qū)域的液態(tài)光敏樹脂

8、固化層后，工作臺下降一個層厚，使固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂然后重復(fù)掃描、固化，新固化的一層牢固地粘接在一層上，如此反復(fù)直至完成整個零件的固化成型。   L工藝的優(yōu)點是精度較高，一般尺寸精度可控制在0.01mm;表面質(zhì)量好;原材料利用率接近100%;能制造形狀特別復(fù)雜、精細的零件;設(shè)備市場占有率很高。缺點是需要設(shè)計支撐;可以選擇的材料種類有限;制件容易發(fā)生翹曲變形;材料價格較昂貴。  該工藝適合比較復(fù)雜的中小型零件的制作。 2.2 選擇性激光燒結(jié)法(SLS,Selective Laser Sintering) &#

9、160;  選擇性激光燒結(jié)法(SLS)是在工作臺上均勻鋪上一層很薄(100-200)的作金屬(或金屬)粉末，激光束在計算機控制下按照零件分層截面輪廓逐點地進行掃描、燒結(jié)，使粉末固化成截面形狀。完成一個層面后工作臺下降一個層厚，滾動鋪粉機構(gòu)在已燒結(jié)的表面再鋪上一層粉末進行下一層燒結(jié)。未燒結(jié)的粉末保留在原位置起支撐作用，這個過程重復(fù)進行直至完成整個零件的掃描、燒結(jié)，去掉多余的粉末，再進行打磨、烘干等處理后便獲得需要的零件。用金屬粉或陶瓷粉進行直接燒結(jié)的工藝正在實驗研究階段，它可以直接制造工程材料的零件。   SLS工藝的優(yōu)點是原型件機械性能好，強度高;無須設(shè)計和構(gòu)建支

10、撐;可選材料種類多且利用率高(100%)。缺點是制件表面粗糙，疏松多孔，需要進行后處理;制造成本高。采用各種不同成分的金屬粉末進行燒結(jié)，經(jīng)滲銅等后處理特別適合制作功能測試零件;也可直接制造金屬型腔的模具。采用蠟粉直接燒結(jié)適合于小批量比較復(fù)雜的中小型零件的熔模鑄造生產(chǎn)。     2.3 熔融沉積成型法(FDM,Fused Deposition Modeling)   這種工藝是通過將絲狀材料如熱塑性塑料、蠟或金屬的熔絲從加熱的噴嘴擠出，按照零件每一層的預(yù)定軌跡，以固定的速率進行熔體沉積（如圖4）。

11、每完成一層，工作臺下降一個層厚進行迭加沉積新的一層，如此反復(fù)最終實現(xiàn)零件的沉積成型。FDM工藝的關(guān)鍵是保持半流動成型材料的溫度剛好在熔點之上(比熔點高1左右)。其每一層片的厚度由擠出絲的的直徑?jīng)Q定，通常0.250.50mm。   FDM的優(yōu)點是材料利用率高;材料成本低;可選材料種類多;工藝簡潔。缺點是精度低;復(fù)雜構(gòu)件不易制造，懸臂件需加支撐;表面質(zhì)量差。該工藝適合于產(chǎn)品的概念建模及形狀和功能測試，中等復(fù)雜程度的中小原型，不適合制造大型零件。 2.4 分層實體制造法（LOM, Laminated Object Manufacture）&

12、#160; LOM工藝是將單面涂有熱溶膠的紙片通過加熱輥加熱粘接在一起，位于上方的激光切割器按照CAD分層模型所獲數(shù)據(jù)，用激光束將紙切割成所制零件的內(nèi)外輪廓，然后新的一層紙再疊加在上面，通過熱壓裝置和下面已切割層粘合在一起，激光束再次切割，如此反復(fù)逐層切割、粘合、切割直至整個模型制作完成  LOM工藝優(yōu)點是無需設(shè)計和構(gòu)建支撐;只需切割輪廓，無需填充掃描;制件的內(nèi)應(yīng)力和翹曲變形小;制造成本低。缺點是材料利用率低，種類有限;表面質(zhì)量差;內(nèi)部廢料不易去除，后處理難度大。該工藝適合于制作大中型、形狀簡單的實體類原型件，特別適用于直接制作砂型鑄造模。   

13、0; 2.5 三維印刷法(3DP,Three Dimensional Printing )   三維印刷法是利用噴墨打印頭逐點噴射粘合劑來粘結(jié)粉末材料的方法制造原型。3DP的成型過程與SLS相似，只是將SLS中的激光變成噴墨打印機噴射結(jié)合劑   該技術(shù)制造致密的陶瓷部件具有較大的難度，但在制造多孔的陶瓷部件（如金屬陶瓷復(fù)合材多孔坯體或陶瓷模具等）方面具有較大的優(yōu)越性。3. 快速成型的工藝過程： 盡管存在許多種快速成型技術(shù)，但是都有以下幾步工藝過程，如圖1。4、快速成型的發(fā)展方向： 1、優(yōu)化產(chǎn)品信息的采集與

14、處理一以現(xiàn)有三維CAD模型構(gòu)造技術(shù)為基礎(chǔ)，進一步與成型材料的成分、組織、性能分析相結(jié)合，形成成型的幾恒造型與物理性態(tài)的構(gòu)建、分析為一體的CAD綜合構(gòu)造模塊。在三維模型構(gòu)造思路上，融入反求工私s，能對已有產(chǎn)品的構(gòu)造、材料等信息進行快速、準確地采集與處理，為新產(chǎn)品的剖析與改進，拓展新產(chǎn)品開發(fā)思路提供參考。開發(fā)快速成型的高性能軟件，改進切片處理技術(shù)，降低切片處理帶來的轉(zhuǎn)推誤差，以提高制件的精度。完善RP系統(tǒng)與CAD系統(tǒng)的接口，制定更加科學、.兼容性與交換性好的國際統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換標準，探索更有效的三維模型數(shù)據(jù)離散模式。 2、開發(fā)新的成型材料成型材料是決定RPT發(fā)展的基本要素之一。加工對象和應(yīng)用方向的側(cè)

15、重點不同，使用的材料不同，與RP制造的4個目標(概念型，測試型，模具型、功能零件)相適應(yīng)，對材料的要求也不同。目前應(yīng)用較多的成型材料及其形態(tài)有液態(tài)樹脂類、金屬或陶瓷粉末類、紙、塑料薄膜或金屬片(箔)類等，存在材料成本高、過程工藝要求高、制成成型的表面質(zhì)量與內(nèi)在性能還欠理想等不足。進一步的研究課題包括開發(fā)成本與性能更好的新材料、開發(fā)可以直接制造最終產(chǎn)品的新材料、研究適宜快速成型工藝及后處理工藝的材料形態(tài)、探索特定形態(tài)成型材料的低成本制備技術(shù)、造型材料新工藝等。 3、提高成型制造采用的能源性能當前RPT所采用的能源有光能(SLA, SLS, SGC等)、熱能(FDM、焊接成型技術(shù)等)、化學能(3D

16、一等)、機械能(數(shù)控加工等)。在能源密度、能源控制的精細性(包括能源本身的精細性，如激光光斑的大小;能源運動控制機構(gòu)的精度等)、成型加工質(zhì)量等方面均需進一步提高。 4、研究新的成型制造方式當前RPT的方式基本為按照成型的三維模型構(gòu)造，逐層疊加材料制作出三維產(chǎn)品。另外一種更理想的成型制造方式為生物生長成型制造，即借鑒生物生長的原理與方法利用材料的活性，通過基因型生長信息控制機制控制生長元自行形成具有特定構(gòu)造與性能的實體把信息過程和物理過程有機結(jié)合，實現(xiàn)以全息生長元為基礎(chǔ)的智能材料自生生長，建立智能制造的新模式。 5、開發(fā)經(jīng)濟、高效的快速成型制造系統(tǒng)經(jīng)濟性是RPT普及的關(guān)鍵，高效是RPT與傳統(tǒng)模式

17、相競爭的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的快速成型制造系統(tǒng)在這兩方面還有一定不足。進一步的研究課題包括在確保功能的前提下，通過材料、能源、運動機構(gòu)、工藝的創(chuàng)新，提高RP設(shè)備的性能、提高加工效率和質(zhì)量、增強制作大件的能力、提高成型的速度，加工精度和表面質(zhì)量，推出經(jīng)濟實用的性價比較高的系統(tǒng)。 6、拓展RPT的應(yīng)用領(lǐng)域當前RPT主要應(yīng)用于新產(chǎn)品的開發(fā)方面，目的是縮短開發(fā)周期，探詢用戶與市場反應(yīng)。進一步可通過生物醫(yī)學領(lǐng)域的計算機輔助斷層掃描(C'I、核磁共振成像(MRI)、三維B超等與反求技術(shù)(RE)手段的有機結(jié)合，實現(xiàn)對現(xiàn)有產(chǎn)品的快速仿制、剖析、改進?？偨Y(jié) 快速成型技術(shù)己經(jīng)成為并行工程和敏捷制造的一種技術(shù)途徑。隨著快速成型制造系統(tǒng)成本的不斷降低與制造成型性能的不斷提高，必會形成以快速成型制造系統(tǒng)為核心的微型制造中心格局，將會對制造型企業(yè)的構(gòu)建形式、運作方式、管理模式均帶來巨大的變革。RPT的發(fā)展也將為各相關(guān)學科的發(fā)展增添新的研究