第六章快速成形技术 一 快速成形技术的形成与发展1 市场竞争要求 缩短产品从设计到成品的周期2 计算机用于产品设计只能提高设计效率和质量3 对于复杂形状和难加工材料 用传统方法 机械加工或CNC加工 得到产品原型很困难 80年代中期以来 先后在美国 日本 西欧出现了一种集计算机辅助设计 精密机械 数控 激光技术和材料科学为一体的全新的造型技术 快速成型技术 RapidPrototyping manufacturingRPM 美国自1990年 西欧自1992年每年举行一次专门的RPM学术会议 美国工程师协会专门成立了RPM分会 美国开发了第一套快速成型系统 立体光照印刷成型系统 StereoLithographyApparatus SLA 成立了相应的研究开发公司 Helisys公司首创分层物体制造方法 LaminatedObjectManufacturing LOM DTM公司推出选择性激光烧结方法 SelectiveLaserSintering SLS Stratasys公司开发了熔丝沉积制造方法 FusedDepositionManufacturing FDM 麻省理工学院三维印制法 ThreeDimensionPrinting TDP 日本 三菱商社与SLA类似的光照成型系统 紫外光扫描立体生成法 ShortforSolidObjectUltravioletLaserPlotter SOUP 并率先在日本市场出售 SONY 三井造船 帝人制机投入开发行列 德国 EOS公司的StereosEosint系统 以色列 Cubital公司的Solider系统 应用实例 1 德国大众汽车公司采用分层物体制造法 LaminatedObjectManufacturing LOM 成功地制造了异常复杂的GolfPassat轿车的齿轮箱体原型 精度超过传统方法 时间由8周缩短为2周 用此原型作为铸模生产金属齿轮箱体铸件 美国Ford公司采用RPM系统原型和精密铸造工艺结合的方法生产出注塑模模腔镶块 所化时间和费用仅为传统工艺的一半 美国一设计高尔夫球杆的公司 原来采用手工艺人和设计者共同工作 用黄铜制做模型 费时费力 只制做3个方案 购买一台LOM 1015型RPM机 一年之内制做90多个物理模型 可在短时间内尝试众多方案 确定后 用LOM机加工出注射模供制造蜡模 再用熔模铸造的方法铸出不锈钢或钛的球杆头部模型 预测 随着RPM的技术完善 制造注塑模的时间可减少到三周 费用降低60 RPM设备1988年问世 但全世界生产快速成型设备的公司很多 销售量增长速度很快 到94年 销售891台到95年 销售891 521台我国 90年代开展相应的研究和应用 引进了几台国外的RPM系统 一些部门开始研究 制造 清华大学 吐丝 熔丝 式 纸基叠层式 华中理工大学 选择性激光烧结式 纸基层叠式 西安交大 光敏式 可能是发展方向 隆源公司 选择性激光烧结 二 快速成形技术的基本原理 基本思想 采用材料添加法 把计算机三维CAD模型快速地转变为具体物质构成的三维实体原型 原理 将计算机三维实体模型沿某一方向进行平面 分层 离散化 然后通过专有系统将成形材料一层层加工并堆积成形 CAD模型 模型Z向离散 分层 层面信息处理 层面加工与粘结 逐层堆积 应用 1 CAD模型 采用一般的CAD软件 要求有较强的三维几何造型能力 常用的软件有 Pro E AutoCAD CATIA EUCLID CADKEY SDRC Unigraphics CAD系统将形成的曲面或实体模型自动转化成易于切片处理的表面三角形模型 对于SLA FDM等成形方法还要考虑在模型中加进支撑结构设计 2 模型Z向离散 分层过程 根据有利于零件堆积制造而优选的特殊方位 横截成一系列具有一定厚度的薄层 得到每一层内外轮廓等几何信息 厚度通常为 0 05 0 4mm 也可各层不一 3 层面信息处理 根据层面的几何信息 通过层面内外轮廓识别及补偿 废料区的特性判断等 生成成形机工作的数控代码 以便成形机的激光头或喷口对每一层进行精确加工 4 层面加工与粘接 根据生成的指令 对当前层进行加工 并把加工好的当前层与已加工好的部分粘合 5 逐层堆积 每一层加工结束并和上一层粘接后 零件下降一个层面 再加工新的一层 反复进行 6 深度固化 清理 修磨 着色 表面喷镀 三 快速成形技术的特点 1 传统原型制作方法一般采用电脑数控加工或手工造型 采用RPM技术能由产品设计图纸 CAD数据 或由测量机测得的现有产品几何数据 直接制成所描绘模型的塑料件或金属件 不需要任何模具 NC加工和人工雕刻 2 由于快速成形技术采用将三维形体转化为二维平面分层制造机理 对工件的几何构成复杂性不敏感 因而能制造任意复杂的零件 充分体现设计细节 尺寸和形状精度大为提高 不需进一步机加工 3 快速制造模具 1 借助电铸 电弧喷涂等 由塑料件制造金属模具 2 制作的原型作消失模 进行精密铸造 3 快速制作高精度的木模 进一步浇注金属件4 通过原型制造石墨电极 电极加工模具 5 直接加工陶瓷型壳进行精密铸造 4 新产品开发中 快速评价设计的可行性 1 外形设计评价 2 检验设计质量 3 功能检测 5 能根据有限元分析 计算机辅助模拟CAE 的结果 制作实体 检验仿真分析的正确性 短时间内 对设计模型进行多次修改 制作相应的模型验证 使产品达到完美 6 制作过程不需要工装模具的投入 其成本只与成形机的运行费 材料费及操作者的工资有关 与产品的批量无关 7 快速造型中的反求工程具有广泛的应用 结合三维激光扫描仪 自动断层扫描仪等设备 能快速进行RPM加工 包括 现有产品的复制和改进 医学应用 制造假肢 人造骨骼 手术计划模型 人体头像立体摄影 由此可见RPM技术的应用改变了传统的设计制造程式 使得产品的设计与制造过程有可能并行进行 共成于一个闭环系统 四 快速成形技术典型方法介绍 1 立体光照成形SLA法采用紫外激光束硬化光敏树脂生成三维物体 特点 1 第一种投入商业应用的RPM技术 能制造精细的零件 表面质量好 可直接制造塑件 2 SLA设备昂贵 30万美元以上 紫外激光管寿命短 3 光敏树脂贵 100美元 公斤 且有一定的毒性 需采取防护措施 4 固化层易漂浮 需采取支撑机构与原型制件一道固化 5 固化过程中材料发生相变 收缩产生内应力 引起翘曲和变形 6 材料是丙烯酸脂或环氧树脂 不能反复加热熔化 在消失铸造时只能烧掉 2 分层物体制造LOM法通过对原料纸进行层合与激光切割来形成零件 由于激光只切割每层的内外轮廓 所以成形速度比较高 制成后用聚胺酯喷涂即可使用 胶纸片的厚度为0 07 0 1mm 特点 1 设备价格低廉 寿命长 2 材料为涂有热熔树脂及添加剂的纸 制造过程中无相变 几乎不存在收缩和翘曲变形 刚度好 精度高 几何稳定性好 3 造型材料成本低 国产30元 公斤 4 只对轮廓切割 成型速率高 制作时间短 5 无需支撑设计 软件工作量小 6 能制造大尺寸制件 工业应用面广 7 代替蜡材 烧失时不膨胀 便于熔模铸造 3 选择性激光烧结SLS法在铺设的一层 0 1 0 2mm 热塑性粉末 也可以是金属粉外覆盖一层热塑性材料并加热到略低于融化温度 然后采用激光根据每层的几何信息选择性地进行烧结 一层完后 再铺新的一层 SLS法与SLA法相比的特点 1 材料的选择性广泛 可配合不同的用途 2 材料一般无毒 3 不需要支撑 靠未烧结的粉末撑托工件 常用材料有 1 标准的铸造蜡材 用于失蜡铸造 2 聚碳酸脂 制作原型 坚固的铸芯 复制用的母模 沙模铸造用的铸芯 坚固 耐热 3 尼龙 制造功能测试用的原型 耐用 耐热 耐化学腐蚀 4 金属 钢铜合金 制作模腔及模芯的镶块 直接用做注塑模具的型腔 4 熔丝沉积制造FDM法 原理 喷头在计算机的控制下将熔融的材料按零件截面轮廓挤压出 并很快凝固 形成精确的层 厚度 0 025 0 762MM 多层相叠 形成整体 运动 喷头受水平分层控制 作x y方向联动 喷完一层后再沿z方向进给 工艺关键 保持半流动成形材料刚好在凝固点之上 通常控制在比凝固温度高1度左右 所用材料 聚碳酸脂 铸造蜡材 ABS 应用 塑料零件的无模成形 特点 不采用激光 成本低 制作速度快 但精度较差 5 三维印刷系统TDP法 原理 喷头在铺好的一层粉末材料上选择性地喷射粘接剂 有粘接剂的地方粉末材料被粘接在一起其他地方仍为粉末 这样层层粘接得到一个空间实体 去除多余粉末并进行烧结得到要求的零件 特点 不采用激光 制作速度非常快 成本低 但制作出的零件表面粗糙 应用 主要用来制作陶瓷模 五 快速制造系统的主要技术指标1 最大零件尺寸 长 宽 高 LOM法得到的零件尺寸最大 813 559 508mm2 零件精度RPM方法精度最高约为 0 1mm3 激光器激光的类型 功率 激光器使用寿命 光束直径 冷却系统4 激光的切割速度500 1000m S功率大小 加工材料 光斑定位机构响应速度 5 造型材料类型6 造型机占地空间7 计算机及操作系统8 输入文件的格式 CAD模型数据一般采用STL格式 六 快速成形技术在模具制造中的应用1 喷涂法在得到的零件原型上喷涂雾状金属粉末 将产生的金属硬壳分离下来 用填充铝的环氧树脂或硅橡胶支撑 即可制作出较为精密的注射模 特点 省略了传统方法的详细绘图 机械加工 热处理等费时工序 模具寿命可达到10000次 2 研磨法将环氧树脂和碳化硅按一定比例混合后 浇附在RPM模型上 固化后得到一印模 用此印模作为研磨磨具加工石墨电极 特点 加工速度快 安全可靠 对环境污染小 成本低 形状可以非常复杂 一个电极可以可以加工多副模具 3 石膏模铸造在RPM原型上浇入湿石膏 定型后取出原型 将石膏烘烤定型 然后用石膏直接铸造金属合金 锌或铝 得到铸件 由于材料和技术上的问题其典型工艺路线为 原型 环氧树脂凹模 硅橡胶模 石膏凹模 金属件 特点 模具成本低 原来的2 5 质量较好 由于石膏冷却均匀铸件内外空隙均匀一致