4 快速成型技术的应用 - 天津大学研究生e-learning平台.doc

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浅谈快速成型技术的发展与应用 孙宇阳 天津大学机械工程学院机械工程专业2012级直博生 摘要:快速成型技术是一种结合计算机、数控、激光和材料技术于一体的先进制造技术。它可以自动、直接、快速及精确地将涉及思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件,是当今世界发展极为快速的先进制造技术。本文将简要介绍快速成型技术的原理和特点,以及它在工业和医疗领域的应用。 关键词:快速成型;先进制造技术;研究与应用 0 前言* 快速成型技术,也称为快速原型(Rapid Prototyping,RP)制造技术,产于20世纪80年代后期,是基于“离散—堆积”原理和增材制造的一种新的成型方法,又被称为分层制造技术和自由实体制造技术。由于其具有快速灵活、适合任何形状、高度柔性以及高度集成化等优点而广泛应用于机械、医疗、电子、通讯和航空航天等领域。 目前发展应用比较成熟的快速成型工艺主要有:光固化快速成型(SLA)、叠层实体制造(LOM)、选择性激光烧结(SLS)、熔融堆积成型(FDM)、三维打印(3DP)等。 快速成型加工可在未批量生产前及时发现问题,防止在实际加工时发生错误或更改设计,可大幅缩短产品开发周期并提前确定产品加工的特征,不需要担心进刀路径,制作原型无需夹具及模具的设计与制造,节省成本,尤其是对于小批量的需求,经济效益更为显著。 快速成型技术产生的时代背景 随着全球市场一体化的形成,制造业的竞争十分激烈,产品的开发速度日益成为主要矛盾。在这种情况下,自主快速产品开发(快速设计和快速工模具)的能力(周期和成本)成为制造业全球竞争的实力基础。同时,制造业为满足日益变化的用户需求,要求制造技术有较强的灵活性,能够以小批量甚至单件生产而不增加产品的成本。因此,产品的开发速度和制造技术的柔性就十分关键。另外,从技术发展角度看,计算机科学、CAD技术、材料科学、激光技术的发展和普及为新的制造技术的产生奠定了技术物质基础。以上的这些条件,决定了快速成型技术的发展和应用。 快速成型技术首先在美国得到使用,1987年3D System公司首次推出商业化的快速成型设备。20世纪90年代,快速成型技术的应用范围迅速扩大,使用单位包括美国的波音和通用、德国的奥迪和宝马等许多国际知名大公司。1992年,快速成型设备已经在17个国家的500个项目中得到工业应用;1994年9月,世界上投入使用的快速成型设备增加到800多台,其中美国占绝大多数,日本有100多台;1996年底,全世界已安装了1400多台快速成型设备。至2000年6月,已有40多家公司设计、制造快速成型设备,其在全球的使用数量已达2 000多台。 2 快速成型技术的原理及其特点 原理 快速成型制造技术不同于传统的制造方法,它把传统的“去除”式加工法(由毛坯去除多余部分制成零件)改进为“增加”式加工法(由材料逐层累积形成零件)。快速成型技术的基本原理如图1所示: 图1 快速成型技术的基本原理 三维CAD设计 采用快速成型技术制造产品,首先要使用计算 机三维辅助设计软件,根据产品的要求设计三维模 型或将已有产品的二维三视图转换成三维模型。用于构造模型的计算机辅助设计软件很关键,要求具有较强的三维造型功能。目前快速成型行业中常用的计算机辅助软件系统主要有Pro/ENGINEER、AutoCAD等。 2.1.2 转STL文件 目前的快速成型机大多是利用STL(Stereo Lithography Interface Specification)格式来加工,故在CAD设计出三维模型之后,需转成STL膜型文件输出格式才能到快速成型机上加工。STL的原理是将三维模型分割成很多三角形网格,从而趋近于三维模型之形状,所取三角网格越少,则STL文件越小;反之所取三角网格越多,则STL文件越大。 2.1.3 切片分层 切片化(Slicing)的目的在于将STL文件转换成加工程式,其原理是把以三角网格逼近形成的模型切成很多薄片。切片厚度对工件粗糙度具有非常大的影响.切片厚度越大则阶梯状越明显,尤其是在非垂直或水平面上。 图2 模型的切片分层 2.1.4 激光加工 将STL文件输送到快速成型机后,计算机控制 激光光束依程式在每一层所定的路径上扫描,构建 出产品部件。 特点 快速成型技术是计算机辅助设计与制造技术、逆向工程技术、分层制造技术、材料去除成型、材料增加成型技术以及它们的集成的总成。正是由于它自身的成型原理决定该成型技术既有如下的一些特点: (1)产品制造过程几乎与零件的复杂性无关,可实现自由制造(Free Form Fabrication),这是传统方法无法比拟的。 (2)产品的单价几乎与批量无关,特别适合于新产品的开发和单件小批量零件的生产。 (3)由于采用非接触加工的方式,没有工具更换和磨损

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