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快速成形工艺

时间: 2011-07-16 03:54 来源: 作者: 点击:

  
 是直接根据产品 CAD 的三维实体模型数据,经计算机处理后,将三维模型转化为许多平面模型的迭加,再通过计算机控制、制造一系列平面模型并加以联结,形成复杂的三维实体零件。这样,产品的研制周期可以显著缩短,并可节省研制费用。 
    (1) 快速成形原理和特点 
    快速成形技术不同于传统的在型腔内成型毛坯切削加工后获得零件的方法,而是在计算机控制下,基于离散 / 堆积原理采用不同方法堆积材料最终完成零件的成型与制造的技术。从成型角度看,零件可视为 “ 点 ” 或 “ 面 ” 的叠加而成。从 CAD 电子模型中离散得到点、面的几何信息,再与成型工艺参数信息结合,控制材料有规律、精确地由点到面,由面到体地堆积零件。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。 
    快速成形技术是由 CAD 模型直接驱动的快速制造复杂形状三维物理实体的技术的总称,其基本过程(如 图 10.3 所示) 是:首先由 CAD 软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体模型,即数字模型或称电子模型;然后根据工艺要求,按照一定的规则将该模型离散为一系列有序的单元,通常在 Z 向将其按一定厚度进行离散 ( 习惯称为分层 ) ,把原来的三维电子模型变成一系列的二维层片;再根据每个层片的轮廓信息,进行工艺规划,选择合理的加工参数,自动生成数控代码;最后由成形机接受控制指令制造一系列层片并自动将它们联接起来,得到一个三维物理实体。这样就将一个物理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,并且成形过程的难度与待成形的物理实体形状和结构的复杂程度无关。 
    快速成形技术具有以下特点。 
    1) 高度柔性 快速成形技术的最突出特点就是柔性好,它取消了专用工具,在计算机管理和控制下可以制造出任意复杂形状的零件,把可重编程、重组、连续改变的生产装备用信息方式集成到一个制造系统中。 
    2) 技术的高度集成 快速成形技术是计算机技术、数控技术、激光技术与材料技术的综合集成。在成形概念上,它以离散 / 堆积为指导,在控制上以计算机和数控为基础,以最大的柔性为目标。因此只有在计算机技术、数控技术高度发展的今天,才有可能诞生快速成形技术。 
    3) 设计制造一体化 快速成形技术的另一个显著特点就是 CAD / CAM 一体化。在传统的 CAD 、 CAM 技术中,由于成型思想的局限性,致使设计制造一体化很难实现。而对于快速成形技术来说,由于采用了离散 / 堆积分层制造工艺,能够很好地将 CAD 、 CAM 结合起来 。 
    4) 快速性 快速成形技术的一个重要特点就是其快速性。由于激光快速成形是建立在高度技术集成的基础之上,从 CAD 设计到原型的加工完成只需几小时至几十小时,比传统的成型方法速度要快得多,这一特点尤其适合于新产品的开发与管理 。 
    5) 自由成形制造 ( Free Form Fabrication , FFF ) 快速成形技术的这一特点是基于自由成形制造的思想。自由的含义有两个方面:一是指根据零件的形状,不受任何专用工具( 或模腔 ) 的限制而自由成形;二是指不受零件任何复杂程度的限制。由于传统加工技术的复杂性和局限性,要达到零件的直接制造仍有很大距离。 RP 技术大大简化了工艺规程、工装准备、装配等过程,很容易实现由产品模型驱动直接制造或称自由制造 。 
    6) 材料的广泛性 由于各种 RP 工艺的成形方式不同,因而材料的使用也各不相同,如金属、纸、塑料、光敏树脂、蜡、陶瓷,甚至纤维等材料在快速成形领域已有很好的应用。 
    (2) 快速成形技术的应用 
    1)产品设计评估与功能测验 RP 技术的第一个重要应用是产品的概念原型与功能原型制造。采用 RP 技术制造产品的概念原型,用于展示产品设计的整体概念、立体形态和布局安排,进行产品造型设计的宣传,可用于产品展示、投标、面市等。功能原型用于产品的结构设计检查,装配干涉检验,静、动力学试验和人机工程等,从而优化产品设计。同时还可以通过产品的功能原型研究产品的一些物理性能、机械性能。通过 RP 技术快速制造出产品的功能原型,可以尽早地对产品设计进行测试、检查和评估,缩短产品设计反馈的周期和产品的开发周期,大大降低产品的开发费用,大幅度提高产品开发的成功率。 
    2)快速模具制造 先进快速模技术是近年来模具制造业中十分活跃的领域之一。限制产品推向市场时间的主要因素是模具及模型的设计时间。由于现代社会产品竞争十分激烈,产品快速口向应市场往往是竞争制胜的关键,所以模具快速制造显得尤为重要。传统模具制造的方法如数控铣削加工、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。工艺复杂、时间长、费用高,影响了新产品对于市场的响应速度。传统的快速模具(例如中低熔点合金模具、电铸模、喷涂模具等)又由于工艺粗糙、精度低、寿命短,很难完全满足用户的要求;特别是常常因为模具的设计与制造中出现的问题无法改正,而不能做到真正的“快速”。因此,应用 RP 技术制造快速模具,在最终生产模具开模之前进行产品的试制与小批量生产,可以大大提高产品开发的一次成功率,有效地节约开发时间和费用。在 RP 原型制造出来之后,以此原型作为基础,采用一次转换或多次转换工艺,制造出实际的大批量生产中或产品试制中零件使用的模具,称为间接模技术,目前是 RP 技术最重要的应用领域。 
    3)医学上的仿生制造 RP 技术在医学方面有许多应用。根据 CT 扫描或 MRI 核磁共振的数据,采用 RP 技术可以快速制造人体骨骼和软组织的实体模型,这些人体器官实体模型可帮助医生进行病情辅助诊断和确定治疗方案,具有巨大的临床价值和学术价值。这些模型为每个个体的人设计和制造,提供了个性化服务。 
    4)艺术品的制造 艺术品和建筑装饰品是根据设计者的灵感,构思设计出来的,采用 RP 可使艺术家的创作、制造一体化,为艺术家提供最佳的设计环境和成型条件。 
    5)直接制造金属型 RP 技术不仅应用于设计过程,而且也延伸到制造领域。在制造业中,限制产品推向市场时间的主要因素是模具及模型的设计时间, RP 是快速设计的辅助手段,而更多的厂家则希望直接从 CAD 数据制成产品,所以 RM 技术就更令人关注。有关专家预测未来零件的快速制造将越来越广泛,也就是说 RM 将很可能逐渐占据主导,使设计和制造更紧密地联接在一起 RP 出现的新工艺大部分都与直接制造金属型有关,例如三维焊接成型( Three-Dimensional Welding Shaping )、气相沉积成型 ( Selective Area Laser Deposition )、激光工程化净成形技术( Laser Engineering Net Shaping )、液态金属微滴沉积技术( Liquid Metal Droplet Ejection and Deposition Techniques )和热化学反应的液相沉积型( Thermo chemical Liquid Deposition )等。最近 TerryWohlers 提出 RP will mean rapid production ( RP 将意味快速生产)的新定义更加明确了这一发展方向。 
    目前与其他领域出现的新结合点是:生物制造、微纳米制造和激光直写技术。 
快速成形制造技术是一种新颖的、与传统制造方式迥然不同的制造技术,尽管因问世时间不长,目前还不够成熟,但其发展却异常迅猛,受到人们的广泛重视。据专家预测,这一新型制造技术对制造业的影响完全可与数控技术的影响相媲美。快速成形技术属于先进制造技术的范畴,该技术在制造思想的实现方式上具有革命性的突破,它可以自动、快捷地将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型产品,从而可以对产品设计进行快速评价、修改及功能实验,有效地缩短了产品的研制周期。快速成型技术的出现,开辟了不使用刀具、模具等传统工具而制作各类零部件的新途径,并为目前尚不能制作或难以制作的零件和模型提供了一种新的制造手段。快速成型制造技术可为 CAD / CAM 系统提供极具实用价值的技术支持,使通过 CAD 获得的几何图形实体化。毫无疑问,这一具有革命性的制造技术的出现和发展,必将为科学研究、医疗、机械制造、模具制造等各个领域的技术创新带来突破性进展。 

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