快速原型技術——工藝及優(yōu)勢

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1、快速原型技術——快速制造發(fā)展的應用和優(yōu)勢作者：S.O.ONUH、Y.Y.YUSUF利物浦大學工程院制造工程和工業(yè)管理專業(yè)，信箱：大不列顛聯(lián)合王國利物浦147號，郵編：L693BX近年來，快速原型技術（RPT）被用于許多工業(yè)領域，尤其是新產(chǎn)品的開發(fā)方面?，F(xiàn)有的工藝能直接利用CAD的三維數(shù)據(jù)使一些材料（比如光固化樹脂、粉紙）快速成型為實體零件。本文目的是對這項技術的發(fā)展趨勢、應用范圍和它的對于制造業(yè)的貢獻進行概述。關鍵詞：快速原型，產(chǎn)品開發(fā)，制造業(yè)1、引入在這個即時通訊的時代，企業(yè)制造了大量的信息，這些信息通過傳真、調(diào)制解調(diào)器和電子郵件傳送到世界的每個角落。沒有人會

2、懷疑世界的相互依賴型已經(jīng)成為常態(tài)，即使許多國家聯(lián)合成為一個世界級的國家也并非不可想象。隨著電信業(yè)的發(fā)展，高新技術的競爭成為國家之間的另一個競爭方面。許多新興的未完全工業(yè)化國家，曾經(jīng)不被認為是高新技術裝備的主要市場，但如今這他們也在積極尋求更好的技術、設備和工藝，以便在國際市場上更加具有競爭力。這些國家不再想以廉價勞動力和廉價產(chǎn)品而著稱。相反，他們正在奮力前進，向更具競爭力的高新技術跨越，以驚人的速度大步提升自己的設計制造能力。在最近五年里，幾乎沒有哪項技術能夠像快速原型技術（RPT）那樣貢獻這么大。RPT可以把數(shù)字化設計轉(zhuǎn)變?yōu)闄C器零件、模型、設計原型和模具的三維

3、實體。它每次制造實體的一個切片，但他能在一夜之間制造出高質(zhì)量的模型，這之前需要花費幾周或者幾個月。他們有不同的工藝方法，例如Onuh在1996年探討過的光固化快速成型（SL）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、疊層實體制造（LOM）、熔融沉積制造（FDM）、直接殼制造（DSP）、三維印刷成型制造和其它許多已經(jīng)實際應用的或者正在發(fā)展階段的快速原型工藝。本文旨在對這項相對來說比較新穎的技術，以及其廣泛的應用、技術優(yōu)勢和所面臨的一些問題進行概述。本文也著重討論了該技術在九十年的發(fā)展方向和其對制造業(yè)的巨大貢獻。2、技術概述所有制造技術被分為材料去除型和材料累積型兩類?，F(xiàn)有的制造

4、技術要么是這兩種類型中的一種，要么是這兩種類型的混合?？焖僭图夹g特點是一旦加工過程開始，就幾乎不需要人工的參與，完全在計算機的控制下完成。Burns(1993)在他的書中寫到RPT是一種自動化制造。Burns用五個標準來判斷一種工藝是否為快速原型工藝。這五個標準是：（1）利用塊狀、薄片或者液體之類的原材料來制造有特定形狀的實體。（2）加工過程中必須沒有過多人的參與。（3）必須是制造有一定復雜度的三維實體，這個標準是用來排除了在薄片材料通過沖壓、剪切或者鉆削來制造簡單的孔的加工方法。（4）不需要為每個不同的零件制造對應的加工工具（專用工具）。這個標準排除了所有類

5、型的模制、鑄造、線切割加工和仿形銑。（5）制造目標必須是一個整體，不是組件裝配而成，這就排除了膠粘、焊接和鉚接之類連接方法。符合這些標準的制造技術就是自動制造技術，一些例子如圖.1.所示。數(shù)控技術（CNC），比如數(shù)控銑削、數(shù)控磨削和數(shù)控鉆削，在裝夾比較復雜的工件時需要人的參與，因而并不嚴格符合那五個標準。然而，如果是一個把多種加工能力集成在一起的多用途多軸的能夠自動化制造的加工中心，那么就認為它滿足了那些標準?，F(xiàn)有的技術其實都不符合那五個標準，因為形成一個特定形狀所要的獨特機械力必須被用于無形狀的材料。沒有與被加工材料一致的預制模型是非常困難自動產(chǎn)生所需的獨特機

6、械力。有人認為（Murphy1995）基于材料在有形磁場作用下變形的理論的制造技術是可行的（電磁成形制造）。由于它不是一項現(xiàn)有的技術，它只是作為例子例舉在圖.1.中。自適應模制是一種技術擁有自動形成制造潛力的技術，也只是作為例子例舉。自適應模制是通過自動配置成型面來制造實體。這樣的模具由多種高質(zhì)量的鑲嵌棒構(gòu)成，每一個棒準確定位，以提供所需要的具體輪廓。激光彎曲是材料去除型和材料累加型混合的一種自動成型制造技術。激光彎曲（Thomposn1995）利用激光熱量的改變來使材料的冷卻速度不同，從而產(chǎn)生作用在薄板材料上的彎曲力。一般先用激光對薄板進行初步切割（材料去除過

7、程），然后再用激光彎曲成相當復雜的形狀（成型過程）。如果各個面之間縫隙是通過焊接連接在一起的話，那么它可以被認為是三種自動化制造技術的混合（Murphy1995）。目前沒有制造技術滿足自動累積制造的標準，主要是因為沒有除了簡單地把各組件連接起來之外的累積型的制造技術。主要的已經(jīng)商業(yè)化運用的RPT工藝在圖.1.中用黑體表示。RPT技術的實質(zhì)是基于材料累積型的自動化制造，也就意味著它和傳統(tǒng)的制造技術相背離。這種背離顯然造成了許多亟待解決的問題。在某些情況下，這些問題可以通過對原有工藝的新式應用來解決，但是必須找到其它一些全新的解決方案。3、術語因為快速原型技術還是相

8、對比較新的技術，所以表述