快速原型技术论文

作者:梁江波葛郑好李成龙

在开发新产品的过程中，总是需要对所设计的零件或整个系统进行简单的实例或原型加工，才能投入大量的资金组织加工或装配。这主要是因为制作成本贵，制作模具需要大量的时间准备。因此，在准备制造和销售复杂的产品系统之前，工作原型可以评估、修改和验证产品设计。一个产品典型的开发过程就是从上一代的原型中寻找错误，或者从进一步的研究中找到更有效更好的设计方案。然而，原型的生产非常耗时，模具的准备需要几个月的时间，因此用传统方法加工复杂的零件非常困难。快速原型技术是近年来发展起来的一种直接根据CAD模型生产样品或零件的成组技术。它融合了CAD技术、数控技术、激光技术、材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。与传统制造方法不同，快速成型是从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他方法叠加材料形成实体零件。因为它将复杂的三维制造转化为一系列的二维制造叠加。因此，几乎任何复杂零件都可以在不使用模具和工具的情况下生成，大大提高了生产效率和制造灵活性。一个更受关注的问题是产品从概念到可销售的成品的流动速度。众所周知，在市场竞争中，产品先于竞争对手进入市场，享受更大的市场氛围，利润更大。与此同时，人们更加关注产品的高质量。由于这些原因，努力使高质量的产品迅速进入市场是极其重要的。快速成型技术问世以来，已经取得了相当大的市场，发展非常迅速。人们已经逐渐适应了逐层添加材料的新制造方式。该技术与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模具等制造方法相结合，已成为制造现代模型、模具和零件的有力手段，广泛应用于航空航天、汽车摩托车、家用电器等领域。1快速原型技术的优势1)作为设计理念可视化的重要手段，可以在短时间内加工出计算机辅助设计零件的物理模型，从而快速评估加工能力和设计结果。

2)由于快速成型技术通过将复杂的三维体转化为二维截面来解决问题，因此可以在不使用任何工装的情况下制造任何复杂体的高精度零件。

3)快速成型作为一种重要的制造技术，可以在后续的生产操作中使用合适的材料获得最终产品。

4)快速成型操作可应用于模具制造，快速、经济地获得模具。

5)产品的制造过程几乎与零件的复杂程度无关，可以实现自由制造，这是传统制造方式无法比拟的。快速成型的基本原理基于材料堆积原理的快速成型操作过程，其实就是一层一层地制造零件。为了形象化这个操作，你可以想象一整块面包的结构是一片面包落到另一片上时一层一层堆积起来的。快速成型工艺有很多种，但都是一层一层地制造零件，不同的是制造每一层的方法和材料不同。2.1快速成型的一般工艺原理2.1.1三维模型的构建描述零件的CAD文件是在三维CAD设计软件(如Pro/E\UG\SolidWorks\SolidEdge等)中获取的。)，如图1(a)所示。目前一般快速成型支持的文件输出格式是5TL模型，即实体表面的近似处理，即Tessallation处理，用平面三角面片近似模型表面。这种处理的优点是大大简化了GAD模型的数据格式，从而方便了后续的层次化处理。由于其数据处理简单，与CAD系统无关，在快速原型制造领域迅速发展成为CAD系统与快速成型机之间数据交换的准标准。每个三角面片用四个数据项表示，分别是三个顶点坐标和法向量，整个CAD模型就是这样一组向量。用三维CAD设计软件对C.AD模型进行曲面造型时，通用软件系统中有输出精度控制参数。通过控制该参数，可以减小表面的近似加工误差。比如Pro/E软件选择弦高作为近似精度参数，如图1是球体，给定的两个ch值进行变换。对于一个模型，软件中给出了选择范围，一般可以满足工程要求。但如果取值过小，就会牺牲加工时间和存储空间，中等复杂零件的存储空间也就几兆甚至几十兆。并且这种数据转换过程不可避免的会产生误差，比如一个三角形的顶点在另一个三角形的中间，三角形不闭合等问题在实际中经常遇到，给后续的数据处理带来麻烦，需要进一步的检查和修复。

图1不同ch值的影响

(a) ch=0.05 (b) ch=0.22.1.2三维模型的离散处理三维实体模型(一般为5TL模型)是通过专门的分层程序分层的。制造(堆叠)方向选定后，需要对CAD模型进行一维离散化，以获得每个切片的截面轮廓和实体信息。通过一簇沿制造方向与CAD模型相交的平行平面，得到的截面线就是薄层的轮廓信息，而实体信息则是通过某种准则得到的。平行平面之间的距离为分层厚度，即成型时堆积的单层厚度。在这个过程中，由于分层，破坏了CAD模型表面在切片方向上的连续性，不可避免地丢失了模型的一些信息，造成零件的尺寸和形状误差。切片层的厚度直接影响零件的表面粗糙度和整个零件的轮廓精度。逐层切片后得到的每一层的信息都是该层的上下轮廓信息和实体信息，轮廓信息是将平面与CAD模型(曲面建模后的CAD模型)的STL文件相交得到的，所以轮廓是由一系列相交后依次连接的折叠线段组成的。所以分层后得到的模型剖面是近似的，但是层间的剖面信息已经丢失，层。3快速成型工艺方法目前主要的快速成型工艺方法及其分类如图2所示。本文仅介绍目前工业领域常用的工艺方法。

图2目前快速原型的主要工艺方法及其分类3.1熔融沉积造型如图4所示，在FDM的过程中，龙门式机械控制喷嘴可以在工作台的两个主要方向上移动，工作台可以根据需要上下移动。热塑性塑料或蜡状熔融物从一个小的加热口挤出。第一层通过根据预定轨迹以固定速率在泡沫塑料基底上挤压熔丝而形成。当第一层完成后，工作台下降一层厚度，开始逐层制作。FDM工艺的关键是保持半流动的成型材料刚好在熔点以上，通常控制在比熔点高65438±0℃左右。

1，热塑或蜡熔；2.可在x-y平面内移动的FDM喷嘴；3、塑料模型；4、基数不固定；5.当通过提供FDM制造复杂零件时，必须增加工艺支持。如图5(a)所示，下一根引信将敷设在没有材料支撑的空间内。解决方案是独立于模型材料挤出支撑材料。支撑材料可采用低密度保险丝，强度低于模型材料，零件加工完成后可去除。在FDA4机器中，层的厚度由挤出线的直径决定，该直径通常为0。50毫米到0。25毫米(从0。02in到0。O1英寸)，这代表在垂直方向上可以达到的最佳公差范围。在x-y平面上，只要能将熔丝挤压到特征上，尺寸精度就可以达到0。025毫米(O . oo 1英寸)。FDM的优点是材料利用率高，材料成本低，材料种类多，工艺清洁简单，操作容易，对环境影响小。缺点是精度低，结构复杂的零件制造困难，表面质量差，成型效率低，不适合制造大型零件。该流程适用于产品概念建模及其形状和功能测试，中等复杂程度的中小型成型。由于甲基丙烯酸的ABS材料具有良好的化学稳定性，可以用γ射线灭菌，特别适合医用。

图5快速成型支架结构图

(a)需要支撑材料的带有突出部分的零件；(b)支撑结构3。2快速成型机常用的光固化快速成型是目前应用最广泛的快速成型制造工艺，实际上比沉积法发展的更早。光固化采用液态光敏树脂固化(硬化)成特定形状的原理。以光敏树脂为原料，在计算机的控制下用紫外激光根据预定零件的各分层截面轮廓逐点扫描液态树脂，使扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应，从而形成零件的薄层截面。成型开始时，工作台处于其最高位置(深度A)，此时液面比工作台高一层，扫描零件第一层的截面轮廓，使扫描区域的液态光敏树脂固化，形成零件第一段的固化层。然后将工作台降低一层厚度，使固化后的树脂表面涂上一层新的液态树脂，然后重复扫描固化。同时，新固化的一层与前一层牢固粘合，重复此过程，直至达到B高度。此时，已经生产出具有固定壁厚的圆柱形环形零件。此时，可以注意到工作台在垂直方向下降了距离ab。在到达高度B之后，光束在x-y平面中的移动范围被扩大，从而在先前形成的部件上产生凸缘形状。通常，这里应该添加一个类似于FDM的支持。当一定厚度的液体固化时，重复该过程以产生从高度b到c的另一个圆柱形环形部分。但是周围的液体树脂仍然是可流动的，因为它不在紫外线光束的范围内。因此，零件是从下层和上层生产出来的。液体树脂的未使用部分可以在制造其他部件或模制中重新使用。可以注意到，立体光刻设备需要弱支撑材料，就像FDM成型方法一样，并且在立体光刻设备方法中，这种支撑采用网状结构。零件制造完成后，将其从工作台上取下，并移除支撑结构，从而获得三维零件。立体光刻设备能达到的最小公差取决于激光的聚焦程度，通常为0.01.25毫米(0.005英寸)。倾斜表面也可以具有良好的表面质量。固化是第一个投入商业应用的RF(快速成型)技术。目前，全世界销售的SL(立体光刻设备)设备约占Rl '设备总量的70%。SL(立体光刻机)工艺的优点是精度高，一般尺寸精度控制在10。1毫米；表面质量好，原材料利用率接近100%，能制造形状特别复杂精细的零件，设备市场占有率高。缺点是需要设计支持，可选择的材料种类有限，容易翘曲变形，材料昂贵。这种工艺适用于成型和制造复杂的中小型零件。3.3选择性激光烧结激光选择性烧结(SLS)是将非金属(或普通金属)粉末选择性烧结成单个物体的过程。该方法使用CO:激光作为能源。目前加工室底部装有两个气缸:1)一个是供粉气缸，其内部活塞逐渐提升，通过滚动机构向零件造型气缸供粉；

2)另一种是零件成型气缸，活塞(工作台)逐渐下降到烧结零件成型的地方。

首先在工作台上均匀铺上一层薄薄的粉末(l00~200μm)，在计算机的控制下，激光束按照零件的分层轮廓进行选择性烧结，使粉末凝固成横截面形状。一层完成后，工作台下降一层厚度，滚动铺粉机构在烧结面上再铺一层粉，进行下一层烧结。未烧结的粉末在原始位置保持松散，支撑烧结部分，这有助于限制变形，而无需设计特殊的支撑结构。重复这个过程，直到整个三维模型制作完成。全部烧结后，去除多余的粉末，再经过抛光、干燥等处理，得到所需的零件。目前比较成熟的工艺材料是蜡粉和塑料粉，用金属粉或陶瓷粉直接烧结的工艺处于实验研究阶段。它可以直接制造部分工程材料，具有诱人的前景。

SLS工艺的优点是原型机械性能好，强度高；无需设计和构建支持；有很多种材料可供选择；原材料利用率接近100%，但缺点是原型表面粗糙；原型是多孔的，需要后处理。高能耗；材料加工前需预热2小时，成型后需冷却5 ~ lOh，生产效率低；成型过程中需要不断充入氮气以保证烧结过程的安全性，成本高；成型过程中产生有毒气体，对环境有一定的污染。SLS工艺特别适用于制造功能测试零件。由于它可以使用不同成分的金属粉末进行烧结、渗铜等后处理，因此用它制造的原型可以具有与金属零件相似的力学性能，因此可以用来直接制造金属模具。由于该工艺可直接烧结蜡粉，与熔模铸造工艺衔接时，特别适合小批量复杂中小型零件的生产。3.4 lam ited Object Manufacturing)LOM(层压制造)工艺:将一面涂有热溶胶的纸张通过加热辊加热粘合在一起，上层激光器根据CAD分层模型得到的数据，用激光束将纸张切割成所制造零件的内外轮廓，然后在其上叠加一层新的纸张，通过热压装置与下层切割层粘合，再用激光束切割，这样切割、粘合、切割一步一步重复，直至整个零件。这种方法只需要切割轮廓，特别适合制造实体零件。一旦零件完成，多余的材料必须手动去除。这个过程可以通过用激光在三维部分周围切割一些方形孔来简化。L0M工艺的优点是不需要设计和建造支架；激光束只沿物体轮廓扫描，不进行填充扫描，成型效率高；成型件内应力和翘曲变形小；制造成本低。缺点是材料利用率低；表面质量差；后处理困难，尤其是空心零件内部残留废料不易清除；可选择的材料种类有限，目前常用的主要是纸质；对环境有一定的污染。LOM工艺适用于制造大中型成型件、翘曲变形小、形状简单的实体件。通常用于产品设计的概念建模和功能测试，并且由于制造的零件具有木质特性，因此特别适合直接制作砂型铸造模具。4.快速原型技术发展到产品生产的主要问题。在制造业日益国际化的形势下，缩短产品开发周期，降低开发新产品的投资风险，已成为企业生存的关键。因此，快速原型、快速成型和快速制造技术将得到进一步发展。4.1快速成型技术研究中的问题。1)材料问题。目前快速成型技术中成型材料的成型性能大多不理想，成型件的物理性能不能满足功能性和半功能性零件的要求。必须通过后处理或二次开发才能生产出满意的产品。由于材料技术发展的专业化，一般快速成型材料的价格相对昂贵，导致生产成本较高。2)设备价格高。快速原型技术是集成计算机、激光、新材料、CAD/CAM等技术而形成的全新制造技术。它是高科技产品，技术含量高，所以目前的快速成型设备价格昂贵，限制了快速成型技术的推广应用。3)功能单一。现有的快速成型机的成型系统只能由一种工艺成型，大部分只能由一种或几种材料成型。这主要是因为快速成型技术有专利保护，厂家只能自己生产快速成型设备。随着技术的发展，这种保护系统已经成为快速成型技术集成的障碍。4)成型精度和质量的问题。由于快速成型技术的发展还不完善，特别是快速成型软件技术的研究还不成熟，快速成型零件的精度和表面质量还不能满足工程上直接使用的需要，只能作为原型使用。为了提高成型零件的精度和表面质量，有必要改进成型工艺和快速成型软件。5)应用。虽然快速成型技术已广泛应用于航空航天、汽车、机械、电子、电器、医药、玩具、建筑、艺术品等诸多领域，但大多只是作为新产品开发和功能测试的原型。如何生产出可以直接使用的零件是快速成型技术面临的重要问题。随着快速成型技术的进一步推广和应用，零件直接制造是快速成型技术发展的必然趋势。6)软件问题。随着快速成型技术的不断发展，快速成型技术的软件问题越来越突出。快速原型软件系统不仅是实现离散/累积成型的重要环节，而且对成型速度、成型精度和零件表面质量有很大影响。软件问题已经成为快速成型技术发展中的一个关键问题。4.2快速成型技术软件系统存在的问题1)快速成型软件多为随机安装，无法进行二次开发；

2)各公司软件自行开发，没有统一的数据接口；

3)自带的快速成型软件只能完成一个工序的数据处理和控制成型；

4)商业化的通用软件价格昂贵，功能单一，只能执行模型显示、支持、检错纠错等一项或多项功能，还存在数据接口问题，难以集成；

5)商业软件不完善，不能满足当前快速成型技术对成型速度、成型精度和质量的要求；

6)目前的数据转换模型存在很多缺陷，对CAD模型的描述不够准确，影响了快速原型的成型精度和质量。快速成型技术的发展方向目前，国内外快速成型技术的研究与发展主要集中在快速成型技术的基础理论、新型快速成型方法、新材料开发、模具制造技术、金属零件直接制造、生物技术与工程的开发与应用等方面。另外，要追求RPM(快速原型制造)更快的制造速度、更高的制造精度和更高的可靠性，使RPM设备的安装和使用外围化，操作智能化；它使得RPM设备的安装和使用非常简单，无需专门的操作人员。具体有以下几点:1)用金属材料和高强度材料直接成型是RPM的重要发展方向，用金属材料和高强度材料直接制造功能零件是RPM的重要发展方向。美国密歇根大学的曼祖德利用高功率激光将金属直接焊接到钢模中；斯坦福大学的印刷品。将逐层积累与五坐标数控加工相结合，直接用激光烧结金属，可以获得与数控加工相近的精度。2)不同的制造目标独立发展。从制造目标来看，RPM(快速原型制造)主要用于快速概念设计与制造、快速模具制造、快速功能测试与制造和快速功能零件制造。由于快速概念制造和快速模具制造的巨大市场和技术可行性，这两方面将是未来研究和商业化的重点。因为两者差距很大，所以会独立发展，快速试验制造会依附于快速概念制造。快速功能零件制造将是一个重要的发展方向，但技术难度大，在未来很长一段时间内仍将局限于研究领域。3)向大型制造和微型制造进军。由于大型模具制造的难度和RPM在模具制造中的优势，可以预见未来RPM市场一定比例将被大型原型制造占据。与之形成鲜明对比的是，RPM(快速原型制造)将进军微制造领域。SL技术的一个重要发展方向是用于制造微型零件的微光刻技术。根据我国的具体国情，未来快速成型技术的主要发展方向是:1) R&D及成型工艺、成型设备、成型材料的改进；2)直接快速成型金属模具制造技术；3)基于互联网的分散快速原型和快速制模网络化制造技术研究；4)与生物技术相结合；5)进一步完善软件的功能。6结论快速成型技术的出现将传统加工带入了一个全新的数字化领域。为了使快速原型制造技术得到越来越广泛和深入的应用，我们应该从各个方面完善和发展该系统，进一步拓宽该技术的应用范围。

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