快速原型技術(shù)

1、重慶大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)課程論文汽車制造領(lǐng)域的柔性制造技術(shù)應(yīng)用學(xué)生：王光成學(xué)號：20084124指導(dǎo)教師：何乃軍專業(yè)：材料成型與控制工程重慶大學(xué)材料學(xué)院年六月快速原型制造及加速產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)進(jìn)程摘要：快速成型(RP)技術(shù)是一種集計(jì)算機(jī)、數(shù)控、激光和材料技術(shù)于一體的先進(jìn)制造技術(shù)。通過介紹快速成型系統(tǒng)的原理方法和特點(diǎn)，闡述其工藝特點(diǎn)及開發(fā)和應(yīng)用，探討快速成型技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)中起到的重要作用和產(chǎn)生的巨大效益，分析快速成型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。針對目前概念設(shè)計(jì)階段產(chǎn)品模型的不可見特點(diǎn)，提出了一種機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制造驗(yàn)證一體化的概念設(shè)計(jì)理念，它將先進(jìn)制造技術(shù)中的快速成型技術(shù)融入到傳統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)中去，可以大大減少產(chǎn)品

2、在概念階段存在的缺陷，進(jìn)而減少整個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)成本和周期，使整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)趨于合理。關(guān)鍵詞：概念設(shè)計(jì)；快速成型；RPM1,、前言當(dāng)今時(shí)代，制造業(yè)市場需求不斷向多樣化、高質(zhì)量、高性能、低成本、高科技的方向發(fā)展，一方面表現(xiàn)為消費(fèi)者興趣的短時(shí)效和消費(fèi)者需求日益主體化、個(gè)性化和多元化；另一方面則是區(qū)域性、國際市場壁壘的淡化或打破，要求制造業(yè)的廠商必須著眼于全球市場的激烈競爭。因此快速地將多樣化、性能好的產(chǎn)品推向市場成為了制造業(yè)廠商把握市場先機(jī)的關(guān)鍵，由此導(dǎo)致了制造價(jià)值觀從面向產(chǎn)品到面向顧客的重定位，制造戰(zhàn)略重點(diǎn)從成本與質(zhì)量到時(shí)間與響應(yīng)的轉(zhuǎn)移，也就是各國致力于CIMS(ComputerIntegrated

3、ManufactureSystem、并行工程、敏捷制造等現(xiàn)代制造模式的研究與實(shí)踐的原因。快速成型(RapidPrototyping)技術(shù)正是在這種時(shí)代的需求下應(yīng)運(yùn)而生的。它是由三維CAD模型直接驅(qū)動(dòng)的快速制造任意復(fù)雜形狀三維實(shí)體的總稱。它集成了CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等現(xiàn)代科技成果，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。概念設(shè)汁是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵、最復(fù)雜、最具綜合性、決定性和和創(chuàng)造性的階段，其重要性體現(xiàn)在兩個(gè)方面：首先概念設(shè)計(jì)階段在很大程度上決定著最終產(chǎn)品的性能、創(chuàng)造性、價(jià)格、市場響應(yīng)速度和效率等，此外，據(jù)有關(guān)資料顯示，雖然概念設(shè)計(jì)階段實(shí)際投入的費(fèi)用只占產(chǎn)品開發(fā)總成本的5%,卻決定了產(chǎn)

4、品總成本的70%。而且詳細(xì)設(shè)計(jì)階段很難甚至不能糾正概念設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)缺陷和錯(cuò)誤，它嚴(yán)重影響到產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)。快速成型是利用材料堆積法制造實(shí)物產(chǎn)品的一項(xiàng)高新技術(shù)。它能根據(jù)產(chǎn)品的三維模型數(shù)據(jù)，不借助其他工具設(shè)備，迅速而精確地制造出該產(chǎn)品，集中體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、數(shù)控、激光加工、新材料開發(fā)等多學(xué)科、多技術(shù)的綜合應(yīng)用。傳統(tǒng)的零件制造過程往往需要車、鉗、銃、包I、磨等多種機(jī)加工設(shè)備和各種工裝、模具，成本既高又費(fèi)時(shí)間。一個(gè)比較復(fù)雜的零件，具加工周期甚至以月計(jì)，很難適應(yīng)低成本、高效率的要求?？焖俪尚湍軌蜻m應(yīng)這種要求，因此是現(xiàn)代制造技術(shù)的一次重大變革。2、快速原型的原理及特點(diǎn)快速成型技術(shù)采用離散/堆積成型原

5、理，根據(jù)三維CAD模型，對于不同的工藝要求，按照一定厚度進(jìn)行分層，將三維數(shù)字模型變成厚度很薄的二維平面模型。再將數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，加入加工參數(shù)，產(chǎn)生數(shù)控代碼，在數(shù)控系統(tǒng)控制下以平面加工方式連續(xù)加工出每個(gè)薄層，并使之粘結(jié)而成形。實(shí)際上就是基于“生長”或“添加”材料原理一層一層地離散疊加，從底到頂完成零件的制作過程。它是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)、材料去除成形、材料增加成形技術(shù)以及它們的集成的總稱。其工作原理可以概括為以下幾步：切片將在CAD工作站上完成的三維CAD模型轉(zhuǎn)化為RP系統(tǒng)能夠接受的格式(絕大多數(shù)為.STL格式)，運(yùn)用切片軟件將模型切成一系列指定厚度的薄片。掃

6、描通過數(shù)控裝置控制激光(或其它作業(yè)裝置)在當(dāng)前工作層上掃描出切片的截面形狀，這個(gè)步驟隨工藝的變化較大，主要有液體光聚合物固化、激光燒結(jié)、激光切割、噴墨粘結(jié)和曝光成象等。進(jìn)給為了進(jìn)行下一層的成型，需要把成型材料覆蓋在當(dāng)前層上，大多數(shù)是移動(dòng)放著半成品的工作臺(tái)重復(fù)進(jìn)行步驟和，直至零件完全成型。后處理如進(jìn)行后固化或燒結(jié)、滲透等處理，以適應(yīng)不同應(yīng)用的需要。RP技術(shù)有以下特點(diǎn)及優(yōu)越性：(1)快速性，從CAD設(shè)計(jì)到完成原型制作通常只需幾個(gè)小時(shí)到幾十個(gè)小時(shí)，加工周期短，可節(jié)約70%時(shí)間以上。(2)低成本，與產(chǎn)品的復(fù)雜程度無關(guān)，一般制作費(fèi)用降低50%,特別適合新產(chǎn)品的開發(fā)和單件小批量零件的生產(chǎn)。(3)制作原型所

7、用的材料不限，各種金屬和非金屬材料均可使用，可以制造樹脂類、塑料類、紙類、石蠟類、復(fù)合材料以及金屬材料和陶瓷材料的原型。(4)適應(yīng)于加工各種形狀的零件，制造工藝與零件的復(fù)雜程度無關(guān)，不受工具的限制，可實(shí)現(xiàn)自由制造(FreeFormFabrication),原型的復(fù)制性、互換性高。(5)具有高柔性，采用非接觸加工的方式，無需任何工夾具，即可快速成型出具有一定精度和強(qiáng)度并滿足一定功能的原型和零件。(6)高集成化，RP技術(shù)是集計(jì)算機(jī)、CAD/CAM、數(shù)控、激光、材料和機(jī)械等一體化的先進(jìn)制造技術(shù)，整個(gè)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、數(shù)字化、與CAD模型具有直接的關(guān)聯(lián)，所見即所得，零件可隨時(shí)制造與修改，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造

8、一體化。(7)加工過程中無振動(dòng)、噪聲和廢料，可實(shí)現(xiàn)無人值守長時(shí)間自動(dòng)運(yùn)行。3、快速原型的工藝及特點(diǎn)迄今為止，國外、國內(nèi)已經(jīng)開發(fā)成功了十多種成熟的快速成型工藝，其中商品化比較好的主要有SLA、LOM、SLS、FDM、TDP等原理的快速成型系統(tǒng)。3.1立體光固化成型法立體光固化成型法(SLA,Stere-lithographyApparatuS)以液態(tài)光敏樹脂為原材料，在計(jì)算機(jī)控制下的紫外激光束按預(yù)定零件各分層截面的輪廓軌跡對液態(tài)樹脂逐點(diǎn)掃描，使被掃描區(qū)的樹脂層產(chǎn)生聚合(固化)反應(yīng)，從而形成零件的一個(gè)薄層截面，最后將形成好的所有薄層截面進(jìn)行固化以形成整體零件。SLA工藝的優(yōu)點(diǎn)是精度高，可以控制在0

9、.01mm,表面質(zhì)量好；原材料利用率接近100%,能夠制造形狀特別復(fù)雜、精細(xì)的零件；缺點(diǎn)是需要設(shè)計(jì)支撐，原材料價(jià)格昂貴，可以選擇的材料種類有限，加工成本高；制件容易發(fā)生翹曲變形。分層實(shí)體制造法分層實(shí)體制造法(LOM,LaminatedObjectManufacture)是將單層涂有熱熔膠的紙片通過加輾加熱粘結(jié)在一起，利用上方的激光切割器按照CAD分層模型所獲數(shù)據(jù)，用激光束切割形成零件。該法無需設(shè)計(jì)支撐，只需切割輪廓，無需填充掃描，制件的翹曲變形小，制造加工成本低。但是表面質(zhì)量差，廢料分離麻煩，材料利用率低，種類有限，后處理難度大。選擇性激光燒結(jié)法選擇性激光燒結(jié)法(SLS,SelectiveLa

10、serSintering)是利用激光器對熱塑粉末進(jìn)行分層燒結(jié)固化堆積成形零件。具優(yōu)點(diǎn)是原型件機(jī)械性能好，強(qiáng)度高；無需設(shè)計(jì)和構(gòu)建支撐；成型材料選擇性廣泛，并且利用率高(100%);缺點(diǎn)是制件精度低，表面粗糙，需要后處理。熔融沉積成型法熔融沉積成型法(FDM,FusedDepositionModeling)是將絲狀材料在噴頭中加熱至略高于熔點(diǎn)(比熔點(diǎn)高1C左右)，呈半流動(dòng)狀態(tài)，從噴頭中擠壓出來，很快凝固，形成精確的層，層層相疊，最后形成整體。具優(yōu)點(diǎn)是材料利用率高，材料成本低，可選材料種類多，速度快。缺點(diǎn)是精度低，懸臂件需要支撐，且成型加工中易堵絲。三維印刷系統(tǒng)法三維印刷系統(tǒng)(TDP,ThreeDi

11、mensionalPrinting)是使用專用粉末材料和粘結(jié)劑，用類似打印噴頭在一層鋪好的粉末材料上有選擇地噴射粘結(jié)劑，在有粘結(jié)劑的地方粉末被粘結(jié)在一起，其他地方仍為粉末，這樣層層粘結(jié)形成空間實(shí)體。TDP法的優(yōu)點(diǎn)是成本低，速度快；主要問題是表面粗糙。4、產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)方法1產(chǎn)品設(shè)汁的設(shè)計(jì)程序關(guān)于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程和模型國內(nèi)外已經(jīng)有很多的論述，文獻(xiàn)I31將其歸納為主要的三種方法：一是Pahl和Beitz認(rèn)為：機(jī)械設(shè)計(jì)分為明確任務(wù)、概念設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)等四個(gè)階段。二是Koller認(rèn)為：機(jī)械設(shè)計(jì)分為產(chǎn)品規(guī)劃、功能十、定勝設(shè)計(jì)和定量設(shè)計(jì)等四個(gè)階段。三是鄒慧君教授提出：機(jī)械設(shè)計(jì)分為產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)

12、、詳細(xì)設(shè)汁和改進(jìn)設(shè)計(jì)等四個(gè)階段。并提出在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)的過程中主要重視的是功能和定性設(shè)計(jì)。2產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)方法產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程可以概括為兩步，即：概念設(shè)計(jì)和構(gòu)型設(shè)計(jì)。而其中概念設(shè)計(jì)的目的是制定出方案。當(dāng)前，關(guān)于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法和概念設(shè)計(jì)方法已有很多種，當(dāng)T程師面對一項(xiàng)計(jì)劃時(shí)，經(jīng)驗(yàn)是產(chǎn)生概念設(shè)計(jì)的最佳方法。沒有經(jīng)驗(yàn)的工程師可以從傳統(tǒng)的理性化方法出發(fā)來解決問題，如利用在表一種所列的方法。盡管關(guān)于應(yīng)用于方法概念設(shè)計(jì)的方法眾多，這些方法大多是理性化的方法。5、快速成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)概念方案在機(jī)械工程中，快速成型技術(shù)是建立原型來驗(yàn)證相關(guān)的沒計(jì)是否成功。驗(yàn)證“成功”的設(shè)計(jì)有很多的方面，包括：正確的外形和尺寸，足夠的強(qiáng)度

13、等等。不同的原型類型需要回答這些不同的問題?？焖俪尚偷念I(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展成為自動(dòng)的系統(tǒng)，即可以將計(jì)算機(jī)實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為三維人造物，不管結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜。因此該技術(shù)也叫做“分層加工”或者“實(shí)體的任意制作”。傳統(tǒng)的零件成型方法是利用模具或刀具使材料成型，快速原型零件制造技術(shù)則利用激光等物理手段，向用戶提供物理原型，快速修改設(shè)計(jì)方案，從而大大減少了新產(chǎn)品開發(fā)前期的時(shí)間和費(fèi)用，不受零件幾何形狀的限制，能夠制造出常規(guī)加工技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜幾何形狀的零件。在機(jī)械制造、航空航天、汽車、建筑、醫(yī)學(xué)、美術(shù)、考古等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。當(dāng)制作的模型較大時(shí)可以分割成幾個(gè)部分分別加工然后再將其粘結(jié)起來。當(dāng)前快速成型技術(shù)在機(jī)械

14、中主要用于制造模具和金屬零件，由RP直接做出注塑模等，大量應(yīng)用實(shí)例表明，RP技術(shù)縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間降低開發(fā)成本的效果是極其明顯的。例如美國Pratt&W川tney實(shí)驗(yàn)室于1994年制造了2000個(gè)鑄件，按常規(guī)方法約需700萬美元，而用RP方法，只用了60-70萬美元，生產(chǎn)時(shí)間節(jié)約了70%-90%。前面提到在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)中一般不進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，但對于在概念設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的致命錯(cuò)誤將會(huì)直接影響到產(chǎn)品以后的設(shè)計(jì)階段以及產(chǎn)品本身，特別是對于在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的多個(gè)方案的選擇，實(shí)際模型將更具有說服力。雖然RP技術(shù)有一定的制作費(fèi)用，會(huì)增加產(chǎn)品在概念設(shè)計(jì)階段的費(fèi)用，但是概念設(shè)計(jì)決定了產(chǎn)品總成本的70%。因

15、此，從整個(gè)產(chǎn)品來說是有利的。利用RP技術(shù)加工模型的優(yōu)點(diǎn)不僅在于加工普通制造方法無法實(shí)現(xiàn)的模型，對于一些常用件來講也有其獨(dú)特的優(yōu)勢，在概念設(shè)計(jì)階段，方案往往需要反復(fù)的修改，而普通加工技術(shù)需要大量的時(shí)間，但RP技術(shù)則可以大大減少模型的加工時(shí)間，而且目前很多的三維軟件繪圖都是參數(shù)化的，如Pro/E、CATIA等，因而可以非常方便地進(jìn)行修改。另外，還可以加工一系列的帶有運(yùn)動(dòng)副的構(gòu)件和相應(yīng)是連接件，由于產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)并不要求具體的參數(shù)，因此可以將其廣泛應(yīng)用與多個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中去。技術(shù)人員可以對所設(shè)計(jì)的機(jī)械裝置方案進(jìn)行任意的組合和創(chuàng)新，使整個(gè)設(shè)計(jì)過程更加直觀有效，并且將大大推進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的模型化進(jìn)程。6、結(jié)語隨著CAD與CAM結(jié)合的不斷緊密，產(chǎn)品的開發(fā)周期將大為減小，因此也對產(chǎn)品初期的概念設(shè)計(jì)提出了新的要求。將先進(jìn)的RP技術(shù)應(yīng)用于概念設(shè)計(jì)中方案的實(shí)現(xiàn)無疑將利于整個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)，使概念設(shè)計(jì)更加趨向合理。雖然增加了產(chǎn)品在概念設(shè)計(jì)階段的費(fèi)用，但從整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)的過程來說是有利的，并且將大大減少產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)階段的費(fèi)用。快速成型技術(shù)是一種正在不斷完善的先進(jìn)制造技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。目前RP技術(shù)在歐美、日本等發(fā)達(dá)國家應(yīng)用較為廣泛，我國僅僅一些高等院校及有關(guān)廠家在吸收消化國外技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出了快速成型機(jī)，但是在質(zhì)量和數(shù)量以及應(yīng)用領(lǐng)域方面