快速原型技術(shù)——工藝及優(yōu)勢(shì)

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1、快速原型技術(shù)——快速制造發(fā)展的應(yīng)用和優(yōu)勢(shì)作者：S.O.ONUH、Y.Y.YUSUF利物浦大學(xué)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(guó)利物浦147號(hào)，郵編：L693BX近年來，快速原型技術(shù)（RPT）被用于許多工業(yè)領(lǐng)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(shí)體零件。本文目的是對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)、應(yīng)用范圍和它的對(duì)于制造業(yè)的貢獻(xiàn)進(jìn)行概述。關(guān)鍵詞：快速原型，產(chǎn)品開發(fā)，制造業(yè)1、引入在這個(gè)即時(shí)通訊的時(shí)代，企業(yè)制造了大量的信息，這些信

2、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(gè)角落。沒有人會(huì)懷疑世界的相互依賴型已經(jīng)成為常態(tài)，即使許多國(guó)家聯(lián)合成為一個(gè)世界級(jí)的國(guó)家也并非不可想象。隨著電信業(yè)的發(fā)展，高新技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)成為國(guó)家之間的另一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)方面。許多新興的未完全工業(yè)化國(guó)家，曾經(jīng)不被認(rèn)為是高新技術(shù)裝備的主要市場(chǎng)，但如今這他們也在積極尋求更好的技術(shù)、設(shè)備和工藝，以便在國(guó)際市場(chǎng)上更加具有競(jìng)爭(zhēng)力。這些國(guó)家不再想以廉價(jià)勞動(dòng)力和廉價(jià)產(chǎn)品而著稱。相反，他們正在奮力前進(jìn)，向更具競(jìng)爭(zhēng)力的高新技術(shù)跨越，以驚人的速度大步提升自己的設(shè)計(jì)制造能力。在最近五年里，

3、幾乎沒有哪項(xiàng)技術(shù)能夠像快速原型技術(shù)（RPT）那樣貢獻(xiàn)這么大。RPT可以把數(shù)字化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器零件、模型、設(shè)計(jì)原型和模具的三維實(shí)體。它每次制造實(shí)體的一個(gè)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(fèi)幾周或者幾個(gè)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(shí)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(shí)際應(yīng)用的或者正在發(fā)展階段的快速原型工藝。本文旨在對(duì)這項(xiàng)相對(duì)來說比較新穎的技術(shù)，

4、以及其廣泛的應(yīng)用、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和所面臨的一些問題進(jìn)行概述。本文也著重討論了該技術(shù)在九十年的發(fā)展方向和其對(duì)制造業(yè)的巨大貢獻(xiàn)。2、技術(shù)概述所有制造技術(shù)被分為材料去除型和材料累積型兩類?，F(xiàn)有的制造技術(shù)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(shù)特點(diǎn)是一旦加工過程開始，就幾乎不需要人工的參與，完全在計(jì)算機(jī)的控制下完成。Burns(1993)在他的書中寫到RPT是一種自動(dòng)化制造。Burns用五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來判斷一種工藝是否為快速原型工藝。這五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是：（1）利用塊狀、薄片或者液體之類的原材料來制造有特定

5、形狀的實(shí)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(fù)雜度的三維實(shí)體，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(jiǎn)單的孔的加工方法。（4）不需要為每個(gè)不同的零件制造對(duì)應(yīng)的加工工具（專用工具）。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)排除了所有類型的模制、鑄造、線切割加工和仿形銑。（5）制造目標(biāo)必須是一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)的制造技術(shù)就是自動(dòng)制造技術(shù)，一些例子如圖.1.所示。數(shù)控技術(shù)（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(fù)雜的

6、工件時(shí)需要人的參與，因而并不嚴(yán)格符合那五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。然而，如果是一個(gè)把多種加工能力集成在一起的多用途多軸的能夠自動(dòng)化制造的加工中心，那么就認(rèn)為它滿足了那些標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)有的技術(shù)其實(shí)都不符合那五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樾纬梢粋€(gè)特定形狀所要的獨(dú)特機(jī)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(yù)制模型是非常困難自動(dòng)產(chǎn)生所需的獨(dú)特機(jī)械力。有人認(rèn)為（Murphy1995）基于材料在有形磁場(chǎng)作用下變形的理論的制造技術(shù)是可行的（電磁成形制造）。由于它不是一項(xiàng)現(xiàn)有的技術(shù)，它只是作為例子例舉在圖.1.中。自適應(yīng)模制是一種技術(shù)擁有自動(dòng)形

7、成制造潛力的技術(shù)，也只是作為例子例舉。自適應(yīng)模制是通過自動(dòng)配置成型面來制造實(shí)體。這樣的模具由多種高質(zhì)量的鑲嵌棒構(gòu)成，每一個(gè)棒準(zhǔn)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(dòng)成型制造技術(shù)。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(duì)薄板進(jìn)行初步切割（材料去除過程），然后再用激光彎曲成相當(dāng)復(fù)雜的形狀（成型過程）。如果各個(gè)面之間縫隙是通過焊接連接在一起的話，那么它可以被認(rèn)為是三種自動(dòng)化制造技術(shù)的

8、混合（Murphy1995）。目前沒有制造技術(shù)滿足自動(dòng)累積制造的標(biāo)準(zhǔn)，主要是因?yàn)闆]有除了簡(jiǎn)單地把各組件連接起來之外的累積型的制造技術(shù)。主要的已經(jīng)商業(yè)化運(yùn)用的RPT工藝在圖.1.中用黑體表示。RPT技術(shù)的實(shí)質(zhì)是基于材料累積型的自動(dòng)化制造，也就意味著它和傳統(tǒng)的制造技術(shù)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(duì)原有工藝的新式應(yīng)用來解決，但是必須找到其它一些全新的解決方案。3、術(shù)語(yǔ)因?yàn)榭焖僭图夹g(shù)還是相對(duì)比較新的技術(shù)，所以表述