計算機輔助設(shè)計---小論文

1、機械工程學(xué)院計算機輔助設(shè)計論文得分 題 目： 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級： 機制1204班 姓 名： 學(xué) 號： 快速成型技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢摘要: 快速成型技術(shù)以其獨特的特點和長處,成為加速新產(chǎn)品開發(fā)及實現(xiàn)并行工程的有效技術(shù),具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用價值,發(fā)展十分迅猛,該技術(shù)的重要性已不容忽視?？焖俪尚图夹g(shù)問世以來，已實現(xiàn)了相當(dāng)大的市場，發(fā)展非常迅速。人們對材料逐層添加法這種新的制造方法已逐步適應(yīng)。該技術(shù)通過與數(shù)控加工、鑄造、金屬冷噴涂、硅膠模等制造手段結(jié)合，已成為現(xiàn)代模型、模具和零件制造的強有力手段，在航空航天、汽車摩托車、家電等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用?？焖俪尚图夹g(shù)是基于離散/

2、堆積的原理。在計算機的控制下快速成型機的成型頭選擇性地固化一層層的液體材料(或選擇性的切割一層層的紙、燒結(jié)一層層的粉末材料、噴涂一層層的熱熔性材料等) ,形成各個截面輪廓并逐步順序疊加成三維工件實體。RP 技術(shù)的主要方法有:光固化立體造型SLA、分層物件制造、選擇性激光燒結(jié)法、熔融沉積造型。關(guān)鍵詞: 快速成型技術(shù); 應(yīng)用現(xiàn)狀; 發(fā)展趨勢一、快速成型技術(shù)的原理與發(fā)展快速成形技術(shù)(Rapid Prototyping；RPM)又稱快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing，簡稱RPM)技術(shù)，是基于材料堆積法的一種高新制造技術(shù)，被認(rèn)為是近20年來制造領(lǐng)域的一個重大成果

3、。它集機械工程、CAD、逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、激光技術(shù)于一身，可以自動、直接、快速、精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵瑥亩鵀榱慵椭谱?、新設(shè)計思想的校驗等方面提供了一種高效低成本的實現(xiàn)手段。即，快速成形技術(shù)就是利用三維CAD的數(shù)據(jù)，通過快速成型機，將一層層的材料堆積成實體原型。 20 世紀(jì)80 年代初在美國出現(xiàn), 90 年代在全球得到迅速發(fā)展的一門綜合性、交叉性前沿技術(shù), 是先進制造技術(shù)的重要組成部分, 也是制造技術(shù)的一次飛躍, 具有很高的加工柔性和很快的市場響應(yīng)速度, 為制造技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了一個新的機遇?？焖俪尚图夹g(shù)的發(fā)展歷史快速成型技術(shù)首先

4、在美國得到使用, 1987 年3D System 公司首次推出商業(yè)化的快速成型設(shè)備。當(dāng)1988 年將第1 臺設(shè)備SLA 21 賣給Bater Healthare、Pratt and Whitney 和Eastman Kodak時, 就標(biāo)志著快速成型技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的開始。20世紀(jì)90 年代, 快速成型技術(shù)的應(yīng)用范圍迅速擴大,使用單位包括美國的波音和通用、德國的奧迪和寶馬等許多國際知名大公司。1992 年, 快速成型設(shè)備已經(jīng)在17個國家的500 個項目中得到工業(yè)應(yīng)用;1994 年9 月, 世界上投入使用的快速成型設(shè)備增加到800 多臺, 其中美國占絕大多數(shù), 日本有100 多臺; 1996 年底,

5、 全世界已安裝了1 400 多臺快速成型設(shè)備。至2000 年6 月, 已有40 多家公司設(shè)計、制造快速成型設(shè)備, 其在全球的使用數(shù)量已達(dá)2 000多臺。我國于90 年代初才開始快速成型技術(shù)研究, 主要有西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)及北京隆源自動成型系統(tǒng)有限公司, 進行了光固化成型、熔融沉積造型、分層實體制造和選區(qū)激光燒結(jié)成型技術(shù)與設(shè)備研究, 目前其相應(yīng)的快速成型設(shè)備均已實現(xiàn)商品化。近十幾年來，隨著全球市場一體化的形成，制造業(yè)的競爭十分激烈。尤其是計算機技術(shù)的迅速普遍和CAD/CAM技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得RPM技術(shù)得到了異乎尋常的高速發(fā)展，表現(xiàn)出很強的生命力和廣闊的應(yīng)用前景?？焖俪尚渭夹g(shù)發(fā)

6、展至今，以其技術(shù)的高速性、高集成性、高柔性、自動化程度高而得到了迅速發(fā)展。目前，快速成形的工藝方法已有幾十種之多，其中主要工藝有四種基本類型：光固化成型法、分層實體制造法、選擇性激光燒結(jié)法和熔融沉積制造法。 二、快速成型技術(shù)特點1 快速性。通過STL格式文件, 快速成型制造系統(tǒng)幾乎可以與所有的CAD 造型系統(tǒng)無縫連接, 從CAD模型到完成原型制作通常只需幾小時到幾十小時,可實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)的快速閉環(huán)反饋。以快速原型為母模的快速模具技術(shù), 能夠在幾天內(nèi)制作出所需材料的實際產(chǎn)品, 而通過傳統(tǒng)的鋼制模具制作,至少需要幾個月的時間。2 高度集成化快速成型技術(shù)實現(xiàn)了設(shè)計與制造的一體化。在快速成型工藝中, 計

7、算機中的CAD模型數(shù)據(jù)通過接口軟件轉(zhuǎn)化為可以直接驅(qū)動快速成型設(shè)備的數(shù)控指令, 快速成型設(shè)備根據(jù)數(shù)控指令完成原形或零件的加工。3 與工件復(fù)雜程度無關(guān)快速成型技術(shù)由于采用分層制造工藝, 將復(fù)雜的三維實體離散成一系列層片加工和加工層片之疊加, 大大簡化了加工過程。它可以加工復(fù)雜的中空結(jié)構(gòu)且不存在三維加工中刀具干涉的問題,理論上可以制造具有任意復(fù)雜形狀的原形和零件。4 高度柔性快速成型系統(tǒng)是真正的數(shù)字化制造系統(tǒng), 僅需改變?nèi)SCAD模型, 適當(dāng)?shù)卣{(diào)整和設(shè)置加工參數(shù), 即可完成不同類型的零件的加工制作, 特別適合新產(chǎn)品開發(fā)或單件小批量生產(chǎn)。并且, 快速成型技術(shù)在成型過程中無需專用的夾具或工具,成型過程具

8、有極高的柔性, 這是快速成型技術(shù)非常重要的一個技術(shù)特征。5 自動化程度高快速成型是一種完全自動的成型過程, 只需要在成型之初由操作者輸入一些基本的工藝參數(shù),整個成型過程操作者無需或較少干預(yù)。出現(xiàn)故障, 設(shè)備會自動停止, 發(fā)出警示并保留當(dāng)前數(shù)據(jù)。完成成型過程時, 機器會自動停止并顯示相關(guān)結(jié)果。三、快速成形的工藝方法1.光固化成形SLA(Stereo lithography Apparatus)工藝也稱光造型、立體光刻及立體印刷，其工藝過程是以液態(tài)光敏樹脂為材料充滿液槽，由計算機控制激光束跟蹤層狀截面軌跡，并照射到液槽中的液體樹脂，而使這一層樹脂固化，之后升降臺下降一層高度，已成型的層面上又布滿一

9、層樹脂，然后再進行新一層的掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復(fù)直到整個零件制造完畢，得到1個三維實體模型。該工藝的特點是：原型件精度高，零件強度和硬度好，可制出形狀特別復(fù)雜的空心零件，生產(chǎn)的模型柔性化好，可隨意拆裝，是間接制模的理想方法。缺點是需要支撐，樹脂收縮會導(dǎo)致精度下降，另外光固化樹脂有一定的毒性而不符合綠色制造發(fā)展趨勢等。 2.分層實體制造LOM(Laminated Object Manufacturing)工藝或稱為疊層實體制造，其工藝原理是根據(jù)零件分層幾何信息切割箔材和紙等，將所獲得的層片粘接成三維實體。其工藝過程是：首先鋪上一層箔材，然后用CO，激光在計算機控制下切出本

10、層輪廓，非零件部分全部切碎以便于去除。當(dāng)本層完成后，再鋪上一層箔材，用滾子碾壓并加熱，以固化黏結(jié)劑，使新鋪上的一層牢固地粘接在已成形體上，再切割該層的輪廓，如此反復(fù)直到加工完畢，最后去除切碎部分以得到完整的零件。該工藝的特點是工作可靠，模型支撐性好，成本低，效率高。缺點是前、后處理費時費力，且不能制造中空結(jié)構(gòu)件。 3.選擇性激光燒結(jié)SLS(Selective Laser Sintering)工藝，常采用的材料有金屬、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作為成形材料。其工藝過程是：先在工作臺上鋪上一層粉末，在計算機控制下用激光束有選擇地進行燒結(jié)(零件的空心部分不燒結(jié)，仍為粉末材料)，被燒結(jié)部分便固化在一

11、起構(gòu)成零件的實心部分。一層完成后再進行下一層，新一層與其上一層被牢牢地?zé)Y(jié)在一起。全部燒結(jié)完成后，去除多余的粉末，便得到燒結(jié)成的零件。該工藝的特點是材料適應(yīng)面廣，不僅能制造塑料零件，還能制造陶瓷、金屬、蠟等材料的零件。造型精度高，原型強度高，所以可用樣件進行功能試驗或裝配模擬。 4.熔融沉積成形FDM(Fused Deposition Manufacturing)工藝又稱為熔絲沉積制造，其工藝過程是以熱塑性成形材料絲為材料，材料絲通過加熱器的擠壓頭熔化成液體，由計算機控制擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓準(zhǔn)確運動，使熔化的熱塑材料絲通過噴嘴擠出，覆蓋于已建造的零件之上，并在極短的時間內(nèi)迅速凝固，形成

12、一層材料。之后，擠壓頭沿軸向向上運動一微小距離進行下一層材料的建造。這樣逐層由底到頂?shù)囟逊e成一個實體模型或零件。該工藝的特點是使用、維護簡單，成本較低，速度快，一般復(fù)雜程度原型僅需要幾個小時即可成型，且無污染。 除了上述4種最為熟悉的技術(shù)外，還有許多技術(shù)也已經(jīng)實用化，如三維打印技術(shù)、光屏蔽工藝、直接殼法、直接燒結(jié)技術(shù)、全息干涉制造等。 四、快速成型技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀快速成型技術(shù)的核心競爭力是其制造成本低和市場響應(yīng)速度快, 而生產(chǎn)廠家于利潤和速度的考慮而逐步采用快速成型技術(shù), 從而促使快速成型技術(shù)得以迅速發(fā)展和推廣應(yīng)用, 尤其在工業(yè)造型、機械制造、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫(yī)學(xué)、

13、考古、文化藝術(shù)、雕刻、首飾等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。并且隨著這一技術(shù)本身的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣?。快速成型技術(shù)的實際應(yīng)用主要集中在以下幾個方面： 1.在新產(chǎn)品造型設(shè)計過程中的應(yīng)用快速成形技術(shù)為工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)人員建立了一種嶄新的產(chǎn)品開發(fā)模式。運用RPM技術(shù)能夠快速、直接、精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)化為具有一定功能的實物模型(樣件)，這不僅縮短了開發(fā)周期，而且降低了開發(fā)費用，也使企業(yè)在激烈的市場競爭中占有先機。 2.在機械制造領(lǐng)域的應(yīng)用由于RPM技術(shù)自身的特點，使得其在機械制造領(lǐng)域內(nèi)，獲得廣泛的應(yīng)用，多用于制造單件、小批量金屬零件的制造。有些特殊復(fù)雜制件，由于只需單件生產(chǎn)，或少于50件的小批量，一般

14、均可用RPM技術(shù)直接進行成型，成本低，周期短。 3.快速模具制造傳統(tǒng)的模具生產(chǎn)時間長，成本高。將快速成型技術(shù)與傳統(tǒng)的模具制造技術(shù)相結(jié)合，可以大大縮短模具制造的開發(fā)周期，提高生產(chǎn)率，是解決模具設(shè)計與制造薄弱環(huán)節(jié)的有效途徑?？焖俪尚渭夹g(shù)在模具制造方面的應(yīng)用可分為直接制模和間接制模兩種，直接制模是指采用RPM技術(shù)直接堆積制造出模具，間接制模是先制出快速成型零件，再由零件復(fù)制得到所需要的模具。 4.在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用近幾年來，人們對RPM技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究較多。以醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用RPM技術(shù)制作人體器官模型，對外科手術(shù)有極大的應(yīng)用價值。 5.在文化藝術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用在文化藝術(shù)領(lǐng)域，快速成形制造技

15、術(shù)多用于藝術(shù)創(chuàng)作、文物復(fù)制、數(shù)字雕塑等。 6.在航空航天技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域中，空氣動力學(xué)地面模擬實驗(即風(fēng)洞實驗)是設(shè)計性能先進的天地往返系統(tǒng)(即航天飛機)所必不可少的重要環(huán)節(jié)。該實驗中所用的模型形狀復(fù)雜、精度要求高、又具有流線型特性，采用RPM技術(shù)，根據(jù)CAD模型，由RPM設(shè)備自動完成實體模型，能夠很好的保證模型質(zhì)量。 7.在家電行業(yè)的應(yīng)用目前，快速成形系統(tǒng)在國內(nèi)的家電行業(yè)上得到了很大程度的普及與應(yīng)用，使許多家電企業(yè)走在了國內(nèi)前列。如：廣東的美的、華寶、科龍；江蘇的春蘭、小天鵝；青島的海爾等，都先后采用快速成形系統(tǒng)來開發(fā)新產(chǎn)品，收到了很好的效果。快速成形技術(shù)的應(yīng)用很廣泛，可以相信，

16、隨著快速成形制造技術(shù)的不斷成熟和完善，它將會在越來越多的領(lǐng)域得到推廣和應(yīng)用。 快速成型技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀方面：1比較典型的快速成型工藝有分層實體制造、選區(qū)激光燒結(jié)、熔絲沉積制造、三維印刷, 每種技術(shù)各有優(yōu)缺點, 其中選區(qū)激光燒結(jié)的材料適用范圍最廣, 是實現(xiàn)金屬零件直接快速成型的較好方法。目前實現(xiàn)金屬零件快速成型的工藝方法有兩大類: 間接法和直接法。間接法成型精度較高, 但是成型工藝復(fù)雜, 而直接法成型工藝簡單, 成型精度稍差。間接法比較成熟, 主要有硅橡膠法, 選區(qū)激光燒結(jié)+ 精密鑄造法, 選區(qū)激光燒結(jié)+ 銅反滲法和選區(qū)激光燒結(jié)+ HIP 法。直接法目前只有德國EO S 公司剛開發(fā)成功的DML S

17、(Direct Metal Laser Sintering) 法, 利用200W 的CO 2 激光直接燒結(jié)金屬粉末成型, 成型精度可達(dá)±0. 2mm , 制作的注塑件金屬模具壽命可達(dá)數(shù)十萬件, 但成型尺寸較小, 否則變形較大。從長遠(yuǎn)來看, 直接法將是金屬零件快速成型技術(shù)的發(fā)展方向是快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢。金屬零件、功能梯度零件的直接快速成型制造技術(shù)目前的快速成型技術(shù)主要用于制作非金屬樣件, 由于其強度等機械性能較差, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工程實際需求, 所以其工程化實際應(yīng)用受到較大限制。從90 年代初開始, 探索實現(xiàn)金屬零件直接快速制造的方法已成為RPM 技術(shù)的研究熱點, 國外著名的RPM技

18、術(shù)公司均在進行金屬零件快速成型技術(shù)研究。可見, 探索直接制造滿足工程使用條件的金屬零件的快速成型技術(shù), 將有助于快速成型技術(shù)向快速制造技術(shù)的轉(zhuǎn)變, 能極大地拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。此外, 利用逐層制造的優(yōu)點, 探索制造具有功能梯度、綜合性能優(yōu)良、特殊復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件, 也是一個新的方向發(fā)展。目前, 快速成型技術(shù)的成型精度為0. 01mm 數(shù)量級, 表面質(zhì)量還較差, 有待進一步提高。最主要的是成型零件的強度和韌性還不能完全滿足工程實際需要, 因此如何完善現(xiàn)有快速成型工藝與設(shè)備, 提高零件的成型精度、強度和韌性, 降低設(shè)備運行成本是十分迫切的。此外, 快速成型技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)相結(jié)合, 形成產(chǎn)品快速開發(fā)制造

19、系統(tǒng)也是一個重要趨勢, 如快速成型技術(shù)結(jié)合精密鑄造, 可快速制造高質(zhì)量的金屬零件。另一方面, 許多新的快速原型制造工藝正處于開發(fā)研究之中。2.快速成型技術(shù)在發(fā)展中所存在的主要問題（1)材料問題.目前快速成型技術(shù)中成型材料的成型性能大多不太理想，成型件的物理性能不能滿足功能性、半功能性零件的要求，必須借助于后處理或二次開發(fā)才能生產(chǎn)出令人滿意的產(chǎn)品。由于材料技術(shù)開發(fā)的專門性，一般快速成型材料的價格都比較貴，造成生產(chǎn)成本提高。（2)高昂的設(shè)備價格.快速成型技術(shù)是綜合計算機、激光、新材料、CAD/CAM集成等技術(shù)而形成的一種全新的制造技術(shù)，是高科技的產(chǎn)物，技術(shù)含量較高，所以，目前快速成型設(shè)備的價格較貴

20、，限制了快速成型技術(shù)的推廣應(yīng)用。（3)功能單一.現(xiàn)有快速成型機的成型系統(tǒng)都只能進行一種工藝成型，而且大多數(shù)只能用一種或少數(shù)幾種材料成型。這主要是因為快速成型技術(shù)的專利保護問題，各廠家只能生產(chǎn)自己開發(fā)的快速成型工藝成型設(shè)備，隨著技術(shù)的進步，這種保護體制已成為快速成型技術(shù)集成的障礙。（4)成型精度和質(zhì)量問題.由于快速成型的成型工藝發(fā)展還不完善，特別是對快速成型軟件技術(shù)的研究還不成熟，目前快速成型零件的精度及表面質(zhì)量大多不能滿足工程直接使用的需要，不能作為功能性零件，只能作原型使用。為提高成型件的精度和表面質(zhì)量，必須改進成型工藝和快速成型軟件。（5)應(yīng)用問題.雖然快速成型技術(shù)在航空航天、汽車、機械、

21、電子、電器、醫(yī)學(xué)、玩具、建筑、藝術(shù)品等許多領(lǐng)域都已獲得了廣泛應(yīng)用，但大多僅作為原型件進行新產(chǎn)品開發(fā)及功能測試等，如何生產(chǎn)出能直接使用的零件是快速成型技術(shù)面臨的一個重要問題。隨著快速成型技的進一步推廣應(yīng)用，直接零件制造是快速成型技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。（6)軟件問題。隨著快速成型技術(shù)的不斷發(fā)展，快速成型技術(shù)的軟件問題越來越突出，快速成型軟件系統(tǒng)不但是實現(xiàn)離散/堆積成型的重要環(huán)節(jié)，對成型速度，成型精度，零件表面質(zhì)量等方面都有很大影響，軟件問題已成為快速成型技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。如:快速成型軟件大多是隨機安裝，無法進行二次開發(fā);各公司的軟件都是自行開發(fā)，沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口;隨機攜帶的快速成型軟件都只能完成

22、一種工藝的數(shù)據(jù)處理和控制成型;已商品化的通用性軟件價格較貴，功能單一，只能進行模型顯示、加支撐、錯誤檢驗與修正等中的一種或幾種功能，而且也存在數(shù)據(jù)接口問題，不易集成;商品化的軟件還不完善，不能滿足當(dāng)前快速成型技術(shù)對成型速度、成型精度和質(zhì)量的要求;當(dāng)前的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模型缺陷較多，對CAD模型的描述不夠精確，從而影響了快速成型的成型精度和質(zhì)里等。從目前國內(nèi)外RPM 技術(shù)的研究和應(yīng)用狀況來看，快速成型技術(shù)的進一步研究和開發(fā)的方向主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1.大力改善現(xiàn)行快速成型制作機的制作精度、可靠性和制作能力，提高生產(chǎn)效率，縮短制作周期。尤其是提高成型件的表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能，為進一步進行模具加工和

23、功能試驗提供平臺。2.開發(fā)性能更好的快速成型材料。材料的性能既要利于原型加工，又要具有較好的后續(xù)加工性能，還要滿足對強度和剛度等不同的要求。3.提高RPM 系統(tǒng)的加工速度和開拓并行制造的工藝方法。目前即使是最快的快速成型機也難以完成象注塑和壓鑄成型的快速大批量生產(chǎn)。將來的快速成型機需要向快速和多材料的制造系統(tǒng)發(fā)展，以便可以直接面向產(chǎn)品制造。4.開發(fā)用于快速成型的RPM 軟件。這些軟件有快速高精度直接切片軟件，快速造型制造和后續(xù)應(yīng)用過程中的精度補償軟件，考慮快速成型原型制造和后續(xù)應(yīng)用的CAD 等。5.開發(fā)新的成型能源。目前大多數(shù)成型機都是以激光作為能源，而激光系統(tǒng)的價格和維修費用昂貴，并且傳輸效

24、率較低。這方面也需要得到改善和發(fā)展。6.RPM 與CAD、CAM、CAPP、CAE 以及高精度自動測量、逆向工程的集成一體化。該項技術(shù)可以大大提高新產(chǎn)品的第一次投入市場就十分成功的可能性，也可以快速實現(xiàn)反求工程。7研制新的快速成型方法和工藝。除了目前SLA、LOM、SLS、FDM 外，直接金屬成型工藝將是以后的發(fā)展焦點。8.提高網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)，進行遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)全球化異地協(xié)同合作。五、快速成型技術(shù)發(fā)展趨勢目前國內(nèi)外快速成型技術(shù)研究、開發(fā)的重點是其基本理論、新的快速成型方法、新材料開發(fā)、模具制作技術(shù)、金屬零件的直接制造以及生物技術(shù)與工程的開發(fā)與應(yīng)用等, 同時還要求更快的制造速度、更高的制造精度、更高的可靠性, 使RPM設(shè)備的安裝使用外設(shè)化, 操作智能化具體說來, 有以下幾點:1. 直接成型是快速成型技術(shù)重要發(fā)展方向。美國Mi