資源簡介

第一講 快速原型制造技術(shù)
（Rapid Prototypiny & Manufacturing，簡稱RPM、或RP）
一、概述
1. 快速原型件制造的發(fā)展
這項技術(shù)20世紀80年代起源于日本，很快發(fā)展到美國和西歐，被認為是近20年來制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破。RP技術(shù)對制造業(yè)的影響可與20世紀50~60年代的數(shù)控技術(shù)相比。它是當前最先進的產(chǎn)品開發(fā)與快速工具制造技術(shù)。快速原型技術(shù)綜合了機械工程、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)及材料科學技術(shù)，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梢詫Ξa(chǎn)品設(shè)計進行快速評估、修改及功能試驗，大大縮短了產(chǎn)品的研制周期。
以RP技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來并已成熟的快速工裝模具制造、快速精鑄技術(shù)則可實現(xiàn)零件的快速制造。
快速原型技術(shù)可以使企業(yè)以最快的速度響應市場的需求，從而提高企業(yè)的競爭能力。
RPM技術(shù)的出現(xiàn)，反應了現(xiàn)代制造技術(shù)本身的發(fā)展趨勢以及激烈的市場競爭對制造技術(shù)發(fā)展的重大影響。
所謂原型，它是用來建造未來模型的一個初始模型。從一定意義上說，它能基本代表零部件的性質(zhì)和功能的試驗件，從表面質(zhì)量、色彩等方面具有零部件的特征，但不具備或不完全具備零部件的功能。零部件件是最終產(chǎn)品，具有最佳特性、功能和成本。原型一般數(shù)量較少，主要用于實體觀察、分析、試驗、校核、展示，有時也可作為零件直接使用或間接制造模具。
2．原型產(chǎn)生的方法
原型可以由兩種方法產(chǎn)生，一種是利用已有的知識和技術(shù)，按目的要求進行設(shè)計、加工，或由設(shè)計者利用CAD/CAM系統(tǒng)，通過構(gòu)想在計算機上建立原型的三維模型并加工成實物。
另一種方法是通過反求技術(shù)實現(xiàn)，即由用戶提供一個實物樣品，原封不動地或經(jīng)過局部修改后得到這個樣品的復制品或仿制品。
傳統(tǒng)的材料成形方法有去除成形和受迫成形，如普通的車、銑、刨、磨、鉆、鏜等，都屬于去除成型，現(xiàn)代的電火花加工、激光切割、激光打孔也屬于去除成形；鑄造、鍛造、注塑等屬于受迫成形。
快速原型制造是基于一種全新的制造概念——用材料添加或稱材料堆積的方式獲得所需的零件。
計算機實現(xiàn)的三維實體造型，是能夠看得見的，但它摸不著，快速成形技術(shù)提供了可測量、可觸摸的手段，它是設(shè)計者、制造者與用戶之間的新媒體。
由于CAD技術(shù)和光、機、電控制技術(shù)的發(fā)展，這種新型的樣件制作工藝在生產(chǎn)中獲得起來越廣泛的應用。
3．我國研究現(xiàn)狀
我國在20世紀90年代初先后有武漢華中科技大學快速制造中心、陜西省激光快速成形與模具制造工程研究中心、西安交通大學先進制造技術(shù)研究所，北京隆源自動成形系統(tǒng)有限公司，清華大學殷華實業(yè)有限公司等在快速成形工藝研究、成形設(shè)備開發(fā)、數(shù)據(jù)處理及控制軟件、新材料的研發(fā)方面做了大量的卓有成效的工作、趕上了世界發(fā)展的步伐并有所創(chuàng)新，現(xiàn)都開發(fā)研制出系統(tǒng)列化的快速成形商品化設(shè)備可供訂購，并定期舉辦快速成形技術(shù)培訓班。我國機械工程學會下屬的特種加工學會，于1921年增設(shè)了快速成形專業(yè)委員會，開展快速成形技術(shù)的普及和提高工作。
二、快速原型制造技術(shù)的原理
快速原型制造技術(shù)的是由CAD模型直接驅(qū)動的快速制造任意復雜形狀三維實體的技術(shù)總稱。
1．RP的特點：
1）可以制造任意復雜的三維幾何實體。不受傳統(tǒng)機械加工方法中刀具無法達到某些型面的限制。如一匹奔馬造型，一個茶壺造型，用傳統(tǒng)的去除材料方法不可能實現(xiàn)，而用RP技術(shù)則很容易實現(xiàn)。
2）CAD模型直接驅(qū)動。
曲面制造過程中，CAD數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化（分層）可百分之百的全自動完成。如果用傳統(tǒng)的方法可能需要高級工程人員數(shù)天的復雜勞動才能轉(zhuǎn)化為完全的工藝數(shù)控代碼。
3）成形設(shè)備無需專用夾具或工具。
任意復雜的零件加工，只需在一臺設(shè)備上完成，省去了傳統(tǒng)的加工中需要準備刀具或工裝夾具等工作。
4）成形過程中無人干預或較少干預。
整個過程由計算機直接驅(qū)動，自動控制。
2． RP工藝過程
其過程是：先由三維CAD軟件設(shè)計出所需要零件的計算機三維曲面或?qū)嶓w模型（亦稱電子模型），然后根據(jù)工藝要求，將其按一定厚度進行分層，把原來的三維電子模型變成二維平面信息（截面信息），即離散的過程；再將分層后的數(shù)據(jù)進行一定的處理，加入加工參數(shù)，產(chǎn)生數(shù)控代碼，在微機控制下，數(shù)控系統(tǒng)以平面加工方式有序地連續(xù)加工出每個薄層，層層堆積形成三維實體，這就是材料堆積的過程。
隨著RPM技術(shù)的發(fā)展和人們對該項技術(shù)認識的深入，它的內(nèi)涵也在逐步擴大。目前快速原型技術(shù)包括一切由CAD直接驅(qū)動的成形過程，而主要的技術(shù)特征即是成形的快捷性。對于材料的轉(zhuǎn)移形式可以是自由添加、去除、以及添加和去除結(jié)合等形式。
RPM技術(shù)的具體工藝不下30余種，在眾多的快速成形工藝中，具有代表性的是：光敏樹脂液相固化成形、選擇性粉末燒結(jié)成形、薄片分層疊加成形和熔絲堆積成形等4種。
以下對這些典型工藝的原理、特點等分別進行介紹。
四、光敏樹脂液相固化成形（SL—Stereolithography）
光敏樹脂液相固化成形又稱光固化立體造型或立體光刻。它由Charles Hul發(fā)明并于1984年獲得美國專利。1988年美國3D公司推出商品化的世界上第一臺快速原型成形機。這種SLA系列成形機占據(jù)RP設(shè)備市場較大的份額。
1．SL工藝原理
SL工藝是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。
這種材料在一定波長（λ=325nm）和功率(p=30mW)的紫外激光的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應，分子量急劇增大，材料也就從液態(tài)變成固態(tài)。
其工藝原理如圖所示。
液槽中盛滿液態(tài)光固化樹脂（即光敏樹脂），由紫外線激光器發(fā)出的激光束在偏轉(zhuǎn)鏡的作用下，在液體表面上掃描，掃描的軌跡及激光的有無，均由計算機控制，光點掃到的地方，液體就固化。成形開始時，工作臺平面在液面下一個確定的深度，液面始終處于激光的焦點平面內(nèi)，聚焦后的光斑在液面上按計算機的指令逐點掃描即逐點固化。當一層掃描完成后，未被照射的地方仍是液態(tài)樹脂。然后升降臺帶動平臺下降一層高度（約0.1mm），已成形的平面上又布滿一層液態(tài)樹脂，刮平器將粘度較大的樹脂液面刮平，然后再進行下一層的掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復，直到整個零件制造完畢，得到一個三維實體模型。
2．特點
SL方法是目前RP技術(shù)領(lǐng)域中研究最多的方法，也是技術(shù)上最為成熟的方法。
這種方法的特點是
（1）零件精度較高，能達到或小于0.1mm，而且表面質(zhì)量好；
（2）原材料的利用率將近100%；
（3）能制造出特別復雜（如空心零件）、特別精細（首飾、工藝品等）的零件。
3．成形材料
成形材料為光固化樹脂或稱光敏樹脂，光固化樹脂材料中主要包括齊聚物、反應性稀釋劑及光引發(fā)劑。
根據(jù)引發(fā)劑的引發(fā)機理，光固化樹脂可以分為三類：
自由基光固化樹脂
陽離子光固化樹脂
混雜型光固化樹脂
這三種材料各有其優(yōu)點，目前的趨勢是使用混雜型光固化樹脂。
4．SL光敏樹脂液相固化成形設(shè)備和應用
現(xiàn)已有多種型號的此類設(shè)備可供訂購，如華中科技大學快速制造中心、武漢濱湖機電技術(shù)公司的HRPL-1型光固化快速成型系統(tǒng)、清華大學的CPS快速成型機和西安交通大學激光快速成形與模具制造中心的LPS-600和LPS—350型的激光快速成型機等。
設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)：Z軸升降工作臺完成托板的升降運動，在制作過程中完成每一步的向下步進，制作完成后，工作臺快速提升出液面，以方便零件的取出。其運動形式采用步進電機驅(qū)動，絲杠傳動，導軌導向的形式，以保證Z軸的運動精度。
X、Y方向工作臺完成聚焦頭在液面上的二維掃描，實現(xiàn)每一層的固化。采用步進電機驅(qū)動、精密同步帶傳動、精密導軌導向的方式。
SL的應用有很多方面，可以直接制作各種樹脂功能件，用于結(jié)構(gòu)驗證和功能測試；可制作比較精細和復雜的零件；可制造出有透明效果的制件；制作出來的原型件可快速翻制各種模具，如硅橡膠模、金屬冷噴模、陶瓷模、合金模、電鑄模、環(huán)氧樹脂模和氣化模等。
五、薄片分層疊加成形（LOM ——Laminated Object Manufacturing）
又稱疊層實體制造或分層實體制造，由美國HeLisys公司于1986年研制成功，并推出商品化的機器。因為常用紙作原料，故又稱紙片疊層法。
1．薄片分層疊加成形LOM工藝原理
LOM工藝采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等作為成形材料，片材表面事先涂上一層熱熔膠。加工時，用CO2激光器在計算機控制下按照CAD分層模型軌跡切割片材，然后通過熱壓輥熱壓，使當前層與下面已成形的工件層粘接，從而堆積成型。
下圖是其工藝原理圖。用CO2激光器在剛粘接的新層上切割出零件截面輪廓和工件外框，并在截面輪廓與外框之間多余的區(qū)域內(nèi)切割出上下對齊的網(wǎng)格；激光切割完成后，工作臺帶動已成形的工件下降，與帶狀片材分離；供料機構(gòu)轉(zhuǎn)動收料軸和供料軸，帶動料帶移動，使新層移到加工區(qū)域；工作臺上升到加工平面；熱壓輥熱壓，工件的層數(shù)增加一層，高度增加一個料厚；再在新層上切割截面輪廓。如此反復進行，直到所有截面切割、粘接完，得到三維的實體零件。
這樣制造出的原型件的強度相當于優(yōu)質(zhì)木材的強度。
加工完成后，需用人工的方法將原型件從工作臺上取下，去掉邊框后，仔細將廢料剝離就得到所需要的原型。然后拋光、涂漆，以防零件吸潮變形，同時也得到一個美觀的外表。
2．LOM成形材料
常用成卷的紙，紙的一面先涂覆一層熱熔膠，有時也有用塑料薄膜作為成形材料的，厚度0.1或0.2mm。
對紙的要求是應具有抗?jié)裥浴⒎€(wěn)定性、涂膠浸潤性和有一定的抗拉強度。
熱熔膠應保證層與層之間的粘結(jié)強度，分層疊加成形工藝中常采用EVA熱熔膠，它由EVA樹脂、增粘劑、蠟類的抗氧劑組成。
3．LOM工藝特點
LOM工藝只需在片材上切割出零件截面輪廓，而不用掃描整個截面。因此（1）易于制造大型、實體零件。（2）零件精度較高（<0.15mm）。工件外框與截面輪廓之間的多余材料在加工中起到了支撐作用，所以LOM工藝（3）無需加支撐。
4．LOM成形設(shè)備及應用
國產(chǎn)分層疊加成形設(shè)備一般由激光系統(tǒng)、走紙機構(gòu)、X、Y掃描機構(gòu)和Z軸升降機構(gòu)、加熱輥等組成。
LOM工藝和設(shè)備由于成形材料紙張較便宜，運行成本和設(shè)備投資較低，故獲得了一定的應用。可用來制作汽車發(fā)動機曲軸、連桿、各類箱體、蓋板等零部件的原型樣件。
六、 選擇性激光粉末燒結(jié)成形（SLS——Selected Laser Sintering）
選擇性激光粉末燒結(jié)成形工藝又稱選區(qū)激光燒結(jié)，是美國德克薩斯大學奧斯汀分校的的研究生C.R.Deckard于1989年研制成功的。后來組建了DTM公司，于1992年推出SLS商品化機器。
1．SLS工藝原理
SLS工藝是利用粉末材料（金屬粉末或非金屬粉末）在激光照射下燒結(jié)的原理，在計算機控制下層層堆積成形。
其工藝原理如圖所示：此法采用CO2激光器作能源，以各種粉末材料為造型材料。先在工作臺上均勻地鋪上一層很薄的粉末（0.1mm~0.2mm），激光束在計算機控制下按照零件分層輪廓有選擇性地進行燒結(jié),一層完成后再進行下一層燒結(jié)，層層疊加為一個三維實體。
2．成形材料
SLS燒結(jié)用的成形材料，早期采用蠟粉及高分子塑料粉，現(xiàn)在多用金屬或陶瓷粉進行粘結(jié)或燒結(jié)。從理論上講任何受熱粘結(jié)的粉末都可以被用作SLS原料，其中包括塑料、陶瓷、金屬粉末及它們的復合粉。
近年來開發(fā)的較為成熟的用于SLS工藝的材料有：
石蠟： 主要用于失蠟鑄造
聚碳酸脂：堅固耐熱、燒結(jié)后材料線脹系數(shù)小，翹曲度小，可以制造細微輪廓及薄殼結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)消失模鑄造、正逐步取代石蠟
尼龍（包括纖細尼龍、合成尼龍等）：適用于制造可測試功能零件，其中合成纖維具有最佳的力學性能。
鋼銅合金：具有較高的強度，可作注塑模。
為了提高原型的強度，用于SLS工藝材料的研究逐漸轉(zhuǎn)向金屬和陶瓷，這也正是選擇性粉末燒結(jié)成形（SLS）優(yōu)越于光敏樹脂固化成形（SL）和薄片分層疊加成形（LOM）之處。
近年來金屬粉末的制取越來越多地采用霧化法。其原理是將金屬熔融，利用離心法或氣化法，以很高的速度將金屬液滴甩出并急劇冷卻，而形成粉末顆粒。
3．SLS工藝特點
（1）取材廣泛，可以直接制造金屬零件，這使SLS工藝具有很大有吸引力。
（2）制造空心、多層縷空的復雜零件時，中間不需要加支撐，因為周圍沒有被燒結(jié)的粉末起到了支撐作用。
4．SLS設(shè)備及應用
國產(chǎn)設(shè)備有：華中科技大學研制的HRPS型系列激光粉末燒結(jié)系統(tǒng)
清華大學研制的AFS—300型激光快速成形機
AFS—300型的機械結(jié)構(gòu)主要由機架、工作臺、鋪粉機構(gòu)、兩個活塞缸、集料箱、加熱燈和通風除塵設(shè)備等組成。（簡圖及工作原理如圖3所示）
SLS成形的應用與SL類似，可直接制作各種高分子材料的功能件，用作結(jié)構(gòu)驗證和功能測試、并可用于裝配樣機。
制件可直接作精密鑄造用的蠟模和型芯，制作出來的原型件可快速翻制各種模具，如硅橡膠模、金屬冷噴模、陶瓷模、合金模和電鑄模等。
七、熔熔絲堆積成形（FDM，F(xiàn)used Deposition Modeling）
該工藝由Scott Crump博士于1988年提出，1991年推出商品化機器。
1．FDM工藝原理
FDM工藝是將熱熔性材料（ABS、尼龍或蠟）通過加熱器熔化，噴頭由計算機控制擠壓噴出并堆積一個層面，然后將第二個層面用同樣的方法建造出來，并與前一個層面熔結(jié)在一起，如些層層堆積而獲得一個三維實體。整個模型從基座開始，由下而上逐層生成。如圖4所示。
2．成形材料和特點
常用ABS工程塑料絲作為成形材料，對其要求是熔融溫度低（80~120oC）、粘度低、粘結(jié)性好、收縮率小。
影響材料擠出過程的主要因素是粘度。材料的粘度低、流動性好，阻力就小，有利于材料的順利噴出。材料的流動性差，需要很大的送絲壓力才能擠出，會影響噴頭的啟動、停止響應時間，從而影響成形精度。
熔融溫度低對FDM工藝的好處是多方面的。一是可以使材料在較低的溫度下擠出，有利于提高噴頭和整個機械系統(tǒng)的壽命；二是可以減小材料在擠出前后的溫差，減小熱應力，從而提高制造出來 的原型的精度。
粘結(jié)性主要影響零件的強度。FDM工藝是基于分層制造的一種工藝，層與層之間往往是零件強度最薄弱的地方，粘結(jié)性好壞決定了零件成形以后的強度。粘結(jié)性過低，有時會在成形過程中由于熱應力會造成層與層之間的開裂。
收縮率：影響材料的成形精度。
另外由于FDM成形工藝，是層層粘結(jié)的，對于空心零件、薄壁殼體零件，在制造過程中需要加支撐。在制造完成以后支撐必須去除，因此支撐材料與成形材料的親和性不能太好。也有用同一種材料的，成形后一點一點將支撐扣掉，要費較大功夫。
特點：
（1）可以成形任意復雜程度的零件
（2）中空零件成形過程中需加支撐
3．FDM設(shè)備及應用
國產(chǎn)設(shè)備：清華大學研制的MEF—250—II型
工程訓練中心購買一臺，供學生實習用。其機械結(jié)構(gòu)，可以到現(xiàn)場看一看。
它是用ABS絲料通過噴頭被加熱至熔融狀態(tài)后從噴頭噴出，在數(shù)控系統(tǒng)控制下層層堆積成形。
FDM工藝有一定的應用面。由于該工藝的一大優(yōu)點是可以成形任意復雜程度的零件，因此，經(jīng)常用于成形很復雜的內(nèi)腔、孔等零件。（同學的作品）
材料較貴，一盤ABS價600多元。
八．RP技術(shù)的發(fā)展趨勢
RP技術(shù)是當今世界上發(fā)展最快制造技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計，它80年代問世，到92年，在不到10年的時間里，快速原型制造設(shè)備已經(jīng)在17個國家的500個項目中得到工業(yè)應用。到1994年增加到800多套。其中美國占大多數(shù)，日本有100多套，到1996年增加到1400多套。估計現(xiàn)在全球的使用數(shù)量已經(jīng)超過2000套。
RP技術(shù)發(fā)展的主要原因是生產(chǎn)廠家基于利潤和速度等方面的壓力。對于已經(jīng)占領(lǐng)市場的產(chǎn)品，例如汽車和摩托車，由于同行的競爭，原材料的漲價及消費者的價格承受能力等多方面的原因，利潤越來越低。為了維持或提高利潤，不得不想方設(shè)法降低成本、革新產(chǎn)品、縮短制造周期。另一方面消費者對于千篇一律的產(chǎn)品已不感興趣，一個產(chǎn)品暢銷若干年已成為夢想，必須不斷翻新才能滿足市場需求。基于這些考慮快速原形技術(shù)越來越受到生產(chǎn)主管的青睞，并列入企業(yè)的發(fā)展計劃。目前，RP技術(shù)正朝著工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化的方向發(fā)展。
其發(fā)展趨勢主要是以下內(nèi)幾個方面：
1. 不同制造目標相對獨立發(fā)展
從制造目標來說，RPM主要用于
①快速概念設(shè)計原型制造
②快速模具原型制造
③快速功能測試原型制造
不會形成獨立流派，將附屬于快速概念原型制造
④快速功能零件制造 是發(fā)展的一個重要方向
RPM在產(chǎn)品開發(fā)中的關(guān)鍵作用和重要意義是很明顯的，它不受復雜形狀的任何限制，可迅速地將顯示于計算機屏幕上的設(shè)計變?yōu)榭蛇M一步評估的實物。根據(jù)原形可對設(shè)計的正確性，造型合理性，可裝配和干涉進行具體的檢驗。對形狀較復雜而貴重的零件，如直接依據(jù)CAD模型不經(jīng)原型階段就進行加工制造，這種簡化的做法風險極大，往往需要多次反復才能成功，不僅延誤的開發(fā)的進度，而且往往需花費更多的資金。通過原型制造可將此種風險減到最低的限度。
一般來說采用快速概念設(shè)計原型制造可減少產(chǎn)品開發(fā)成本30%～70%，減少開發(fā)時間50%。如開發(fā)光學照相機機體采用RPM技術(shù)僅3～5天（從CAD建模到原型制作）花費5000馬克，而用傳統(tǒng)的方法則至少需一個月，耗需3萬馬克。
快速模具原型制造，無需數(shù)控銑削，無需電火花加工，無需任何專用 工裝和工具，直接根據(jù)原形而將復雜的工具和型腔制造出來是當今Rapid Tooling的最大優(yōu)勢。一般來說，采用RP技術(shù)模具制造時間和成本均為傳統(tǒng)技術(shù)的1/3。
由于快速概念型制造和快速模型制造的巨大市場和技術(shù)可行性，將來這兩個方面將是研究和商品化的重點。由于彼此特點有較大差距，兩者將呈相對獨立發(fā)展的態(tài)勢。
快速測試型制造由于使用范圍的限制和特點不夠鮮明，本身不會形成獨立流派，將附屬于快速概念原型制造。
快速功能零件制造將是發(fā)展的一個重要方向，但技術(shù)難度很大，在今后的很長一段時間內(nèi)，仍將局限于研究領(lǐng)域。這主要是由于RP技術(shù)的成型精度一般在0.01~0.1mm的數(shù)量級，提高成形精度，必須進一步減小分層厚度，而分層厚度受成型工藝的限制，難以進一步減小。
2. 向大型制造與微型制造進軍
有人對各大公司的產(chǎn)品系列進行了分析，發(fā)現(xiàn)原型的制造尺寸呈增大的趨勢。由于大型模具的制造難度和RPM在模具制造方面的優(yōu)勢，專家預測將來的RPM市場將有一定比例為大型原型制造所占據(jù)。與此成鮮明對比的將是RPM向微型領(lǐng)域的進軍，SL的一個重要發(fā)展方向是微米印刷（Microlithography），以制造微米零件（Microscale Parts）。日本在這方面領(lǐng)先。激光光斑可達5μm，成形時原型不動，激光束通過透明板精密聚焦在被成形的原型上。X-Y掃描全停位精度為0.00025mm，Z向停位精度為0.001mm，可制造5μm×5μm×3μm零件，如靜脈閥、集成電路零件等。
3. 追求RPM的更快的制造速度、更高的制造精度、更高的可靠性。
4. RPM設(shè)備的使用外設(shè)化，操作智能化。使RPM設(shè)備的安裝和使用變得非常簡單，不需專門的操作人員。
5. RPM行業(yè)標準化，并且與整個產(chǎn)品制造體系相融合。
圖3 選區(qū)燒結(jié)機械結(jié)構(gòu)簡圖
是研究和商品化的重點
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