快速原型制造技術(shù)論文1

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院課程論文題目：快速原型制造技術(shù)分析研究學(xué)院：專業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及自動化班級：姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：職稱：教授2013年6月21日TOC\o"1-5"\h\z摘要2前言3\o"CurrentDocument"1RPM技術(shù)的基本原理3\o"CurrentDocument"2技術(shù)概述和指標(biāo)3\o"CurrentDocument"3快速原型制造技術(shù)目前的適用對象33.1在工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用3\o"CurrentDocument"3.1.1應(yīng)用于模具制造4\o"CurrentDocument"3.1.2應(yīng)用于電動工具的開發(fā)43.2在口腔下頜骨相關(guān)治療中的應(yīng)用5\o"CurrentDocument"3.2.1在口腔修復(fù)領(lǐng)域中的應(yīng)用5\o"CurrentDocument"3.2.2在口腔種植領(lǐng)域中的應(yīng)用53.2.3在口腔內(nèi)科及正畸科領(lǐng)域中的應(yīng)用5\o"CurrentDocument"3.2.4口腔頜面外科領(lǐng)域的應(yīng)用53.3在軟件無線電中的應(yīng)用63.4在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用6\o"CurrentDocument"4結(jié)論7參考文獻(xiàn)8，快速原型制造技術(shù)分析研究摘要：制造業(yè)是一個國家的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，它為國民經(jīng)濟(jì)的各個部門提供先進(jìn)的手段和裝備。在新的世紀(jì)，隨著市場多樣化需求的發(fā)展，產(chǎn)品競爭日益激烈，加速新產(chǎn)品的開發(fā)和提高制造技術(shù)的柔性、敏捷性已成為企業(yè)贏得競爭的關(guān)鍵，在此背景下快速原型制造技術(shù)（RapidPrototypingManufacturing,簡稱RPM或RP）應(yīng)運而生。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）快速成型為實體零件。關(guān)鍵字：快速原型；三維；制造；工業(yè)刖言快速原型制造(RapidPrototypingManufacturing,簡稱RPM)技術(shù)是二十世紀(jì)九十年代后期起源于美國，并很快發(fā)展起來的一項先進(jìn)制造技術(shù)，他是近二十年來制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破?？焖僭椭圃旒夹g(shù)是通過CAD、數(shù)控、激光和材料等高新技術(shù)的集成而發(fā)展起來的，它是一種嶄新的CAD/CAM技術(shù)，可以自動快速地將思想物化為具有一定結(jié)構(gòu)和性能的原型或直接制造零部件，從而可以對產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行快速評價、修改，以響應(yīng)市場需求，提高企業(yè)的競爭能。本文目的是對這項技術(shù)的關(guān)鍵原理、技術(shù)指標(biāo)和和適用對象等分析研究。1RPM技術(shù)的基本原理將計算機(jī)內(nèi)的三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分層切片得到各層截面的輪廓數(shù)據(jù)，計算機(jī)據(jù)此信息控制激光器(或噴嘴)有選擇性地?zé)Y(jié)一層接一層的粉末材料(或固化一層又一層的液態(tài)光敏樹脂，或切割一層又一層的片狀材料，或噴射一層又一層的熱熔材料或粘合劑)形成一系列具有一個微小厚度的片狀實體，再采用熔結(jié)、聚合、粘結(jié)等手段使其逐層堆積成一體，便可以制造出所設(shè)計的新產(chǎn)品樣件、模型或模具，簡單描述就是“分層制造，逐層疊加”，類似于積分過程。如圖1-1，RP技術(shù)在不需要任何刀具、模具及工裝卡具的情況下，直接接受產(chǎn)品計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)任意復(fù)雜形狀新產(chǎn)品的快速制造，快速制造出新產(chǎn)品的樣件、模具或模型，優(yōu)越性顯而易見。用RP技術(shù)快速制造出的模型或樣件可直接用于新產(chǎn)品設(shè)計驗證、功能驗證、外觀驗證、工程分析、市場訂貨等，有利于優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，大大提高新產(chǎn)品開發(fā)的一次成功率，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力。圖1-12技術(shù)概述和指標(biāo)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。快速原型技術(shù)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)來判斷一種工藝是否為快速原型工藝。這五個標(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(fù)雜度的三維實體，這個標(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單的孔的加工方法。（4）不需要為每個不同的零件制造對應(yīng)的加工工具（專用工具）。這個標(biāo)準(zhǔn)排除了所有類型的模制、鑄造、線切割加工和仿形銑。這就排除了膠粘、焊接和（5）制造目標(biāo)必須是一個整體，不是組件裝配而成，鉚接之類連接方法。這就排除了膠粘、焊接和工：「I-格武:'切片心工：「I-格武:'切片心或如圖2-1所示符合這些標(biāo)準(zhǔn)的制造技術(shù)就是自動制造技術(shù)。3快速原型制造技術(shù)目前的適用對象3.1在工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用3.1.1應(yīng)用于模具制造隨著快速成型軟硬件設(shè)備與快速成型材料的不斷發(fā)展和完善，快速原型件的強(qiáng)度和精度得到不斷的提高，其快速設(shè)計、快速制造、快速校驗產(chǎn)品生產(chǎn)的特性尤其適合模具的快速制造，快速成型技術(shù)已經(jīng)逐漸地深入到模具制造領(lǐng)域。1）用快速成形機(jī)直接制作模具快速成形件可直接用作模具，如同制作單個或者小批量注塑模具一樣。選擇性激光燒結(jié)快速成型工藝能夠?qū)崿F(xiàn)金屬粉末燒結(jié)，所制作出來的部件本身就具有較高的強(qiáng)度，如果再配合后續(xù)的金屬溶滲，則可以制作成強(qiáng)度足夠高的金屬模。此外，對于試制用注塑?；虻腿埸c合金鑄造模，由于對模具的強(qiáng)度、熔點要求不高，可以直接用硅橡膠、環(huán)氧樹脂模，也可以采用快速模具制造方法直接制作硅橡膠、環(huán)氧樹脂模。2）用快速成形件作為母模，翻制軟模具當(dāng)制造小批量零件時，或者對于試制用注塑?；虻腿埸c合金鑄造模，可以采用以快速成型原型作母模，采用硅橡膠澆注制作硅橡膠?；蛘邩渲瑵沧⒊森h(huán)氧樹脂模。硅橡膠良好的柔性和彈性，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、花紋精細(xì)、無拔模斜度以及具有深凹槽的零件來說，制件澆注完成后均可直接取出。如熔模鑄造用的蠟?zāi)?，就可以采用這種方法來制作軟模具，對于形狀復(fù)雜的蠟?zāi)２捎每焖俪尚图夹g(shù)更能體現(xiàn)其優(yōu)勢性。這種方法還被大量的運用到文物、工藝品等形狀特別復(fù)雜、紋理特別清晰物件的原型翻制硅橡膠軟模具上。3）用快速成形件作為母模，翻制硬模具軟模具的用途是有限的，很多情況下是要求制作的模具具有一定的強(qiáng)度、較高的熔點和適當(dāng)?shù)膲勖?，這就必須要制造出硬模具。采用快速模具制造方法制造硬模具的基本方法是：用快速成形件作母模，或根據(jù)快速成型件復(fù)制得到的軟模具，澆注（或涂覆）石膏、陶瓷、金屬基合成材料、金屬，構(gòu)成硬模具（如各種鑄造模、注塑模、蠟?zāi)５膲盒?、拉伸模），從而批量生產(chǎn)塑料件或金屬件。這種模具有良好的機(jī)械加工性能，可進(jìn)行局部切削加工，以便獲得更高的精度，或鑲?cè)肭秹K、冷卻系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)等。4）用快速成形系統(tǒng)制作電脈沖機(jī)床用電極用電火花電極加工是制造鋼制模具的一個重要方法，特別是對于形狀復(fù)雜的型腔，電火花電極加工應(yīng)用廣泛，可以將快速成型技術(shù)和電火花加工技術(shù)結(jié)合起來提高模具生產(chǎn)效率。其基本方法是：用快速成型件作為母體，然后通過噴鍍或涂覆金屬、粉末冶金、精密鑄造、澆注石墨粉或特殊研磨，制作成良好導(dǎo)電性和足夠強(qiáng)度的金屬電極，用于電火花加工型腔，能大幅降低模具的生產(chǎn)成本和時間。3.1.2應(yīng)用于電動工具的開發(fā)電動工具產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)具有下面幾個特點：1）外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜。電動工具的表面90%都是由復(fù)雜的自由曲面所構(gòu)成（如圖1所示）。由于手持電動工具直接由使用者手持操作，因此對其人機(jī)工程性能提出了較高要求，設(shè)計時既要滿足手感要求，又要考慮外形美觀，還需根據(jù)不同客戶的地域性差異、不同的手型大小等進(jìn)行針對性設(shè)計。2）設(shè)計周期短。電動工具產(chǎn)品更新?lián)Q代快，企業(yè)為了提高產(chǎn)品的市場競爭力，每一款新產(chǎn)品從市場調(diào)研、概念設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計到產(chǎn)品定型、模具設(shè)計及制造等，需要在較短時間內(nèi)完成。在電動工具產(chǎn)品中，精密零件占據(jù)了一定的比重,其品種多、形狀復(fù)雜的特點使得采用傳統(tǒng)制造方法周期長、成本高。快速成形技術(shù)與材料的迅速發(fā)展，實現(xiàn)了將產(chǎn)品設(shè)計、模具設(shè)計和加工過程組合在一起，產(chǎn)生了快速模具制造（見圖4）。快速模具技術(shù)集成度高，由數(shù)字原型到物理原型轉(zhuǎn)換速度快，與采用傳統(tǒng)數(shù)控技術(shù)制造模具相比，制造周期僅為前者的1/10-1/3,生產(chǎn)成本為前者的1/5-1/3。在快速制模技術(shù)中，先做出快速原型、然后由原型復(fù)制得到模具的方法，應(yīng)用非常普遍。因此開發(fā)直接面向最終模具的快速原型工藝及設(shè)備，一直是快速原型研究者追求的目標(biāo)。據(jù)報道,歐洲最大的快速原型生產(chǎn)商EOS公司最新推出了用選擇性激光燒結(jié)（SLS）方法直接制作金屬零件和模具的技術(shù)和設(shè)備。3.2在口腔下頜骨相關(guān)治療中的應(yīng)用大體上可分為3個階段，初級階段:用于診斷學(xué)和操作的生物實體模型；中級階段（相容性生物模型）：用于治療學(xué)和康復(fù)工程的植入體；高級階段（高級生物模型）：人工器官（可參與代謝過程的“真正”骨）。目前主要集中在前兩個階段。3.2.1在口腔修復(fù)領(lǐng)域中的應(yīng)用在口腔科其他領(lǐng)域，RPMT同樣對傳統(tǒng)工藝提出挑戰(zhàn)。在口腔修復(fù)領(lǐng)域中有許多應(yīng)用實例，他們利用RPMT技術(shù)制作患者牙冠、牙槽骨等的三維模型，根據(jù)模型設(shè)計、制作、和安裝義齒。Witkowski等利用SLA技術(shù)與失蠟法相結(jié)合給患者制作可摘義齒，效果滿意且大大縮短了制作時間。Wu等利用RPMT方法輔助制作了鑄鈦牙冠，且澆鑄前使用商用軟件對鑄道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。他認(rèn)為此技術(shù)在替代傳統(tǒng)的“取印模和上蠟”等步驟上有著巨大的潛力。美國麻省理工學(xué)院的強(qiáng)度，并可加熱至幾百度以縮短干燥時間。國內(nèi)高勃等利用LOM法制作全牙列模型，有很好的幾何相似性，為進(jìn)一步應(yīng)用激光燒結(jié)金屬或陶瓷粉末直接制作口腔修復(fù)體奠定了基礎(chǔ)。3.2.2在口腔種植領(lǐng)域中的應(yīng)用做種植義齒時，CT等影像技術(shù)對周密的手術(shù)計劃有很大幫助,RPMT在口腔領(lǐng)域的應(yīng)用使得這些數(shù)字影像發(fā)揮了更大的作用。Sarment等發(fā)現(xiàn)僅在CT影像指導(dǎo)下進(jìn)行種植手術(shù)，術(shù)前計劃與術(shù)后相比，在牙槽嵴植入點平均相差1.5mm.,骨內(nèi)種植體頂點相差2.1mm;在SLA模型指導(dǎo)下進(jìn)行手術(shù)這兩個值分別減小到0.9mm和1.0mm。Sader等對23個患者利用RPMT的可視化實體預(yù)測上頜牙槽骨重度萎縮的患者上頜竇提升并植入種植體后頜面部的外形輪廓，指導(dǎo)手術(shù)，結(jié)果全部患者對手術(shù)效果滿意。3.2.3在口腔內(nèi)科及正畸科領(lǐng)域中的應(yīng)用Kim等報道了一個接受口腔內(nèi)科治療的患者，甲狀腺功能減退1年后發(fā)現(xiàn)有多發(fā)側(cè)副根管侵入性牙根吸收，他利用RPMT制作了一副牙齒后，很快明確了發(fā)生的位置和面積。健康的牙周膜中活性細(xì)胞的保持對于牙齒自體移植的成功起著非常重要的作用，因而縮短體外操作時間意義重大°Lee等利用RPMT制作了供區(qū)牙齒模型，在受區(qū)比測合適后再取供區(qū)牙齒進(jìn)行移植，結(jié)果減少了手術(shù)時間，總共移植的22顆牙齒的牙周膜良好。3.2.4口腔頜面外科領(lǐng)域的應(yīng)用SLA、LOM、SLS、FDM、TDP等技術(shù)先后用于這一領(lǐng)域，在輔助診斷（骨折、關(guān)節(jié)強(qiáng)直甚至是阻生齒）、制定計劃、模擬手術(shù)、治療等方面發(fā)揮了重要作用。如邱明國等曾用LOM法制出顳骨的紙質(zhì)實物模型，可用于復(fù)雜耳神經(jīng)外科術(shù)前設(shè)計，也可模擬手術(shù)操作。3.3在軟件無線電中的應(yīng)用快速原型技術(shù)與軟件無線電技術(shù)各自存在著一些固有的特性。應(yīng)用系統(tǒng)日益復(fù)雜，對產(chǎn)品開發(fā)周期的要求越來越高；同時，大量軟硬件模塊具備了可重用能力。原型不再只用于評測，而直接進(jìn)化為最終產(chǎn)品。模塊庫與IP核（IntelligentPropertyCore）簡化了超大規(guī)模集成電路的設(shè)計，快速原型技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。在FPGA的開發(fā)環(huán)境中，采用已有的描述模塊，將DSP核以及與之配合的外圍電路在FPGA陣列中同時實現(xiàn);并利用軟件工具對FPGA-DSP核進(jìn)行DSP指令編程。軟件和硬件的快速原型結(jié)合到了一起。首先對目標(biāo)系統(tǒng)采用DFL語言進(jìn)行說明，然后使用Mistral的結(jié)構(gòu)級綜合工具,翻譯為VHDL,描述了DSP核以及周邊的控制邏輯、接口和加速的數(shù)據(jù)通道等輔助單元。接下來使用DesignCompiler進(jìn)行綜合，進(jìn)而應(yīng)用ConceptSi-licon將綜合的結(jié)果下載到FPGA中。而軟件環(huán)節(jié)的工作相對簡單,即利用DSP核的指令系統(tǒng)編寫匯編語言程序,生成軟件系統(tǒng)，并將軟件也同時下載到FPGA中。這樣，軟硬件都存在于FPGA中，具有完整功能的系統(tǒng)原型產(chǎn)生了。這一方案并不是在FP-GA上實現(xiàn)DSP核，而是將核的內(nèi)容作為一個宏模塊來對待,FPGA得到更加有效的利用，而DSP核和其它模塊化核的重用率也提高了。3.4在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用為了加快亞軌道飛行器再入段導(dǎo)航制導(dǎo)系統(tǒng)從算法設(shè)計到硬件產(chǎn)品的實現(xiàn)過程，可以采用快速原型技術(shù)進(jìn)行設(shè)計。借助基于RTX的快速原型開發(fā)平臺，利用Matlab/Simulink/RTW將導(dǎo)航制導(dǎo)模型自動生成C代碼,對自動生成代碼做出相應(yīng)修改以滿足系統(tǒng)實時性要求，再編譯鏈接生成可執(zhí)行DSP代碼,加載到DSP（數(shù)字信號處理器），實現(xiàn)了亞軌道飛行器再入段導(dǎo)航制導(dǎo)系統(tǒng)的DSP硬件在回路仿真。該系統(tǒng)的實時仿真結(jié)果與Simulink數(shù)字仿真結(jié)果一致，表明快速原型系統(tǒng)設(shè)計的正確性。該方法具有開發(fā)周期短、實時性能好等優(yōu)點，如圖3-1所示。Realtimelorkshop冊1NGN9按口+~~AnJ㈡部竺竺可二工|_^當(dāng)槐報器輔入戡口住:冊1NGN9按口+~~AnJ㈡部竺竺可二工|_^當(dāng)槐報器輔入戡口住:1__D通遇輸出榛口]1￥圖3-14結(jié)論正如上文所說，由于RP技術(shù)獨特和高度柔性的制造原理及其在產(chǎn)品開發(fā)過程中所起的作用，已越來越受到制造廠商和科技界人士的重視。其應(yīng)用也正從原型制造向最終產(chǎn)品制造方向發(fā)展，特別是RP與RT技術(shù)的結(jié)合，已取得較明顯的成果。但是，RP技術(shù)本身目前的發(fā)展水平，也還存在一些局限性。成形精度不高。影響RP成形精度的因素很多，它既包括前處理（數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換）與后處理（含與環(huán)境和時間相關(guān)的制件尺寸變化）所引起的誤差，更因為成形過程自身伴隨著材料的相變和溫度變化，是一個復(fù)雜的熱力學(xué)過程，其尺寸控制遠(yuǎn)比機(jī)械加工困難，所以目前日？技術(shù)所能達(dá)到的最佳尺寸精度大概在±0.1mm左右。而且成形速度與成形精度之間還存在矛盾，為提高成形精度而減少切片層厚會降低成形效率。由于精度不夠，目前RP技術(shù)尚難于制造精度較高的最終產(chǎn)品，一般只能作為一種準(zhǔn)凈成形（NearNetShape）技術(shù)。處理工藝成熟的材料范圍有限。前文已經(jīng)提到，目前比較成熟的RPX藝所處理的材料大概只限于樹脂、蠟、某些工程塑料和紙等幾種。用這些材料制成的零件，即使經(jīng)過后處理也大多不能作為真正的機(jī)械零件使用。而以金屬材料作為RP的處理對象來直接生產(chǎn)金屬零件和模具的工藝尚不十分成熟，如何提高直接金屬成形件的尺寸精度、表面質(zhì)量和機(jī)械性能并降