快速成型制造方法與應用.doc

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1、快速成型制造方法與應用　　摘要:用傳統(tǒng)的方法制作樣品,需采用多種機械加工機床,以及相應的工具和模具,既費時,又費事,成本又高,遠不能適應市場變化需求。為了克服這一問題,近年來出現(xiàn)了快速原型和制造(RP&M)技術(shù)以及快速成形系統(tǒng)。本文主要就快速原型和制造(RP&M)技術(shù)原理及其應用展開論述。　　關鍵詞:快速原型;快速成形系統(tǒng);成形學;三維模型　　　　進入20世紀八十年代后期,由于生產(chǎn)技術(shù)的高速發(fā)展,以產(chǎn)品的個別需求和短暫的生命周期為特征的現(xiàn)代生產(chǎn)環(huán)境迫切需要產(chǎn)品快速小批量生產(chǎn),那種成批大規(guī)模傳統(tǒng)生產(chǎn)方式已無法滿足這種產(chǎn)品需求結(jié)構(gòu)的要求。與

2、此同時,日趨激烈的國際市場競爭,要求設計者不但能根據(jù)市場需求很快設計出新產(chǎn)品,而且能在盡可能短的時間內(nèi)制造產(chǎn)品的樣品,進行必要的性能測試,征求用戶的意見并進行必要的修改,最后形成能投放市場的定型產(chǎn)品。用傳統(tǒng)的方法制作樣品,需采用多種機械加工機床,以及相應的工具和模具,既費時,又費事,成本又高,遠不能適應市場變化需求。近年來出現(xiàn)了快速原型和制造(RP&M)技術(shù)以及快速成形系統(tǒng),完全克服了上述問題,很快成為當今世界上飛速發(fā)展的制造技術(shù)之一?！　　　臍v史上看,很早以前就有“增長”制造原理,早在1892年,美國學者曾建議用分層制造法構(gòu)成地形圖。這種方

3、法的原理是:將地形圖的輪廓線壓印在一系列的蠟片上,然后按輪廓線切割蠟片,并將其粘結(jié)在一起,熨平表面,從而得到三維地形圖。1902年,CarloBaeae在他的美國專利(#774549)中,提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理,這是現(xiàn)代第一種快速成形技術(shù)——“立體平板印刷術(shù)”(StereoLithography)的初始設想。1940年,Perera提出了在硬紙板上切割輪廓線,然后將這些紙板粘結(jié)成三維地形圖的方法。50年代之后,出現(xiàn)了幾百個有關快速成形技術(shù)的專利。其中,Zang(1964年)、RichardMMeyer(1970年)和Gaskin(1973年

4、)等提出了用一系列輪廓片形成三維地形模型的新方法,如下圖所示。　　三維地形模型的制作　　PaulDimatteo在他1976年的美國專利中,進一步指出,先用輪廓跟蹤器將三維物體轉(zhuǎn)化成二維輪廓薄片,然后用激光器切割這些薄片,再用螺釘?shù)葘⒁幌盗斜∑B接成三維物體,這種設想與現(xiàn)在的“物體分層制造”原理極為相似?！　　　?.成形學基本概念　　1.1成形(Forming):將物質(zhì)有序地組織成具有確定外形和一定功能的三維實體。成形包括三個基本要素,即:(1)物質(zhì)的提取;(2)序的建立;(3)完成具有確定的形狀與功能的三維實體?！　?.2成形學(ShapingSci

5、ence):是從方法論的高度,系統(tǒng)地研究成形三要素以及它們之間的相互作用的科學。它在制造中的地位如下圖所示:　　成形學、成型工藝與成形工具關系圖　　2.成形方式　　2.1去除成形(DislodgeForming):運用分離的辦法,把一部分材料有序地從基體上分離出去而成形?！　?.2堆積成形(Stacking3Forming):運用合并與連接的方法,把材料有序的合并堆積起來而成形?！　?.3受迫成形(ForcedForming):利用材料的可成形性在特定的外圍約束下而成形?！　?.4生長成形(GrowthForming):利用材料的活性而成形,如生物個體

6、的生長。目前,人為系統(tǒng)中還沒有此種成形方法。　　3.幾種成形方法的比較　　　　3.1去除成形,加工精度高,但材料利用率低,受零件形狀復雜程度的限制。　　3.2受迫成形,多用于毛坯制造,也可直接用于零件成形(如精密鑄造、鍛造、注塑加工等),屬凈成形或近凈成形范疇?！　?.3堆積成形,材料利用率高,理論上可達100%。屬于凈成形工藝,精度較好,可達0.01毫米數(shù)量級。從理論上講,它可以制造任意復雜形狀的零件?！　鹘y(tǒng)加工與快速成型比較　　快速成形技術(shù)徹底擺脫了傳統(tǒng)的“去除”加工法——部分去除大于工件的毛坯上的材料來得到工件。而采用全新的“增長”加工法——用

7、一層層的小毛坯逐步疊加成大工件,將復雜的三維加工分解成簡單的二維加工的組合,因此,它不必采用傳統(tǒng)的加工機床和模具,只需傳統(tǒng)加工方法的10%～30%的工時和20%～35%的成本,就能直接制造出產(chǎn)品樣品或模具。由于快速成形具有上述突出的優(yōu)勢,所以近年來發(fā)展迅速,已成為現(xiàn)代先進制造技術(shù)中的一項支柱技術(shù),實現(xiàn)并行工程(ConcurrentEngineering,簡稱CE)必不可少的手段?！　?.RP&M基本原理　　RP&M技術(shù)是將現(xiàn)代多種先進技術(shù)的綜合集成。基于離散/堆積成形原理,通過離散獲得堆積的路徑、限制和方式,通過堆積將材料“疊加”起來形

8、成三維實體。　　離散/堆積的過程由三維CAD模型開始,先將CAD模型離散化,將某一方向(常取Z