calenzhou
摘要:介绍快速成型技术的原理，重点讨论了与快速成型相关的技术，并试图将此技术充分应用于产品设计评价，以期缩短产品的开发周期。 关键词:快速成型;RP;反求工程引言随着科技进步和全球市场一体化的形成，现在工业正面临产品的生命周期越来越短的代写论文问题，作为一种新产品开发的重要手段，快速成型能够迅速将设计思想转化为产品的现代先进制造技术。它为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段，提高产品研发的效率。1快速成型技术原理在工业产品设计过程中，设计师往往希望能快速由三维CAD模型，得到产品的实物模型，快速成型技术可以满足这种需求。快速成型(Rapid Prototyping，RP)技术是一种基于离散/堆积成型思想的新型成型技术，它根据零件或物体的三维模型数据，快速、精确地制造出零件或物体的实体模型。2关键技术1制造工艺目前，世界上已有几十种不同的快速成型工艺方法，比较成熟的就有十余种。其中光固化成型法(Stereo Lithography Apparatus，SLA)、叠层实体制造法(Laminated Object Manufactur-ing，LOM)、熔融沉积法(Fused Deposition Model-ing，FDM)、选择性激光烧结法(Selective LaserSintering，SLS)和3DP(Three DimensionalPrinting and Gluing，也称3DPG)五种方法，在世界范围内应用最为广泛。对于RP制造工艺的研究，一方面是在原有技术基础上进行改进，另一方面是研究新的成型技术。新的成型方法，如三维微结构制造、生物活性组织的工程化制造、激光三维内割技术、层片曝光方式等。2成型材料成型材料是决定快速成型技术发展的基本要素之一，它直接影响到原型的精度、物理化学性能以及应用等。与RP制造的4个目标(概念型、测试型、模具型、功能零件)相适应，使用的材料不同，概念型对材料成型精度和物理化学特性要求不高，主要要求成型速度快。如对光固化树脂，要求较低的临界曝光功率、较大的穿透深度和较低的粘度。测试型对于材料成型后的强度、刚度、耐温性、抗蚀性等有一定要求，以满足测试要求。如果用于装配测试，则对于材料成型的精度还有一定要求。模具型要求材料适应具体模具制造要求，如对于消失模铸造用原型，要求材料易于去除。快速功能零件要求材料具有较好的力学性能和化学性能。从解决的方法看，一个是研究专用材料以适应专门需要;另一个是根据用途分类，研究几类通用材料以适应多种需要。3加工精度影响成型件精度的主要因素有两方面:一是由CAD模型转换成STL格式文件以及随后的切片处理所产生的误差;二是成型过程中制件翘曲变形，成型后制件吸入水分，以及由于温度和内应力变化等所造成的无法精确预计的变形。为了解决第一类问题，正在研制直接切片软件和自适应切片软件。所谓直接切片是不将CAD模型转换成STL格式文件，而直接对CAD模型进行切片处理，得到模型的各截面层轮廓信息，从而可以减少三角面近似化带来的误差，所谓自适应切片是快速成型机能根据成型零件表面的曲率和斜率自动调整切片的厚度，从而得到高品质的光滑表面。为解决第二类问题，正在研究、开发新的成型方法、新的成型材料及成型件表面处理方法，使成型过程中制件的翘曲变形小，成型后能长期稳定不变形。4与RP技术相关软件软件是RP系统的灵魂，其中作为CAD到RP接口的数据转换和处理软件是其关键。不同CAD系统所采用的内部数据格式不同，RP系统无法一一适从，这就要求有一种中间数据格式既便RP系统接受又便于不同CAD系统生成，STL(Stereo Lithography)格式应运而生了，STL文件是用大量空间小三角形面片来近似逼近实体模型。由于STL格式具有易于转换、表示范围广、分层算法简单等特点，为大多数商用快速成形系统所采用，现己成为快速成形行业的工业标准。但是，STL模型也存在许多不足之处:1精度不足。由于STL模型用大量小三角形面片来近似逼近CAD模型表面，造成STL模型对产品几何模型的描述存在精度损失，并且在对多张曲面进行三角化时，在曲面的相交处往往产生裂缝、孔洞、覆盖及相邻面片错位等缺陷。2数据冗余度大。STL模型不包含拓扑信息，三角形面片的公用点、边单独存储，数据的冗余度大。随着网络时代的到来，STL模型数据冗余大的不足也使其不利于远程RF的数据传输，难以有效支持远程制造。3快速成型技术的应用1在外观及人机评价中的应用新产品开发的设计阶段，虽然可借助设计图纸和计算机模拟，但并不能展现原型，往往难以做出正确和迅速的评价，设计师可以通过制作样机模型达到检验的目的。传统的模型制作中主要采用的是手工制作的方法，制作工序复杂，手工制作的样机模型不仅工期长，而且很难达到外观和结构设计要求的精确尺寸，因而其检查外观及人机设计合理性的功能大打折扣。快速成型设备制作的高精度、高品质样机与传统的手工模型相比较可以更直观地以实物的形式把设计师的创意反映出来，方便产品的外观造型和人机特性评价。现在的快速成型加工得到的成型件都是单一颜色，颜色主要由材料决定，为了对产品色彩外观进行评价，有时需要手工涂色，随着彩色成型技术的发展，这方面的问题可以解决。人机评价主要包括成型件尺寸及操作宜人性，快速成型可以很好地满足这方面的要求。2在产品结构评价中的应用通过快速成型制成的样机和实际产品一样是可装配的，所以它能直观地反映出结构设计合理与否，安装的难易程度，使结构工程师可以及早发现和解决问题。由于模具制造的费用一般很高，比较大的模具往往价值数十万乃至几百万，如果在模具开出后发现结构不合理或其他问题，其损失可想而知。而应用快速成型技术的样机制作可以把问题解决在开出模具之前，大大提高了产品开发的效率。3与反求工程结合反求工程(Reverse Engineering，RE)也称逆向工程，就是用一定的测量手段对实物或模型进行测量，然后根据测量数据通过三维几何建模方法重建实物的CAD数字模型，从而实现产品设计与制造过程。对于大多数产品来说，可以在通用的三维CAD软件上设计出它们的三维模型，但是由于对某些因素，如对功能、工艺、外观等的考虑，一些零件的形状十分复杂，很难在CAD软件上设计出它们的实体模型，在这种情况下，可以通过对模型测量和数据处理，获得三维实体模型。作为一种新产品开发以及消化、吸收先进技术的重要手段，反求工程和快速成型技术可以胜任消化外来技术成果的要求。对于已存在的实体模型，可以先通过反求工程，获取模型的三维实体，经过对三维模型处理后，使用快速成型技术，实现产品的快速复制，缩短了产品开发周期，大大提高产品的开发效率。结束语快速成型技术可以大大缩短产品的开发周期，满足产品的个性化、多样化需求，在工业设计中得到广泛应用。但由于该技术的制作精度、强度和耐久性还不能满足工程实际的需要，加之设备的运行及制作成本高，一定程度上制约着RP技术的普遍推广。随着研究的不断深入，制约快速成型发展的因素会逐步解决，应用领域会不断得到拓展。参考文献[1]孙秀英面向RP的VRML模型浏览与分层研究[D]西安科技大学，[2]丘宏扬，谢嘉生，刘斌快速成型技术研究中的若干关键问题[J]锻造机械，[3]徐江华，张敏快速成型技术在工业设计中的应用[J]包装工程，2004 
快速成型技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法 这种工艺可以形象地叫做＂增长法＂或＂加法＂
RP系统可以根据零件的形状，每次制做一个具有一定微小厚度和特定形状的截面，然后再把它们逐层粘结起来，就得到了所需制造的立体的零件。当然，整个过程是在计算机的控制下，由快速成形系统自动完成的。不同公司制造的RP系统所用的成形材料不同，系统的工作原理也有所不同，但其基本原理都是一样的，那就是分层制造、逐层叠加。这种工艺可以形象地叫做增长法或加法。每个截面数据相当于医学上的一张CT像片；整个制造过程可以比喻为一个积分的过程。RP技术的基本原理是：将计算机内的三维数据模型进行分层切片得到各层截面的轮廓数据，计算机据此信息控制激光器（或喷嘴）有选择性地烧结一层接一层的粉末材料（或固化一层又一层的液态光敏树脂，或切割一层又一层的片状材料，或喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂）形成一系列具有一个微小厚度的的片状实体，再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐层堆积成一体，便可以制造出所设计的新产品样件、模型或模具。自美国3D公司1988年推出第一台商品SLA快速成形机以来，已经有十几种不同的成形系统，其中比较成熟的有UV、SLA、SLS、LOM和FDM等方法。其成形原理分别介绍如下： Stereo lithography Appearance的缩写，即立体光固化成型法用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面这样层层叠加构成一个三维实体SLA是最早实用化的快速成形技术，采用液态光敏树脂原料，工艺原理如图所示。其工艺过程是，首先通过CAD设计出三维实体模型，利用离散程序将模型进行切片处理，设计扫描路径，产生的数据将精确控制激光扫描器和升降台的运动；激光光束通过 数控装置控制的扫描器，按设计的扫描路径 照射到液态光敏树脂表面 ， 使表面特定区域内的一层树脂固化后， 当一层加工完毕后，就生成零件的一个截面；然后 升降台下降一定距离 ， 固化层上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层扫描，第二固化层牢固地粘结在前一固化层上，这样一层层叠加而成三维工件原型。将原型从树脂中取出后，进行最终固化，再经打光、电镀、喷漆或着色处理即得到要求的产品。SLA技术主要用于制造多种模具、模型等；还可以在原料中通过加入其它成分，用SLA原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。SLA技术成形速度较快，精度较高，但由于树脂固化过程中产生收缩，不可避免地会产生应力或引起形变。因此开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。3D Systems 推出的Viper Pro SLA systemSLA 的优势⒈ 光固化成型法是最早出现的快速原型制造工艺，成熟度高，经过时间的检验⒉ 由CAD数字模型直接制成原型，加工速度快，产品生产周期短，无需切削工具与模具⒊可以加工结构外形复杂或使用传统手段难于成型的原型和模具⒋ 使CAD数字模型直观化，降低错误修复的成本⒌ 为实验提供试样，可以对计算机仿真计算的结果进行验证与校核⒍ 可联机操作，可远程控制，利于生产的自动化SLA 的缺憾⒈ SLA系统造价高昂，使用和维护成本过高⒉ SLA系统是要对液体进行操作的精密设备，对工作环境要求苛刻⒊ 成型件多为树脂类，强度，刚度，耐热性有限，不利于长时间保存⒋ 预处理软件与驱动软件运算量大，与加工效果关联性太高⒌ 软件系统操作复杂，入门困难；使用的文件格式不为广大设计人员熟悉⒍ 立体光固化成型技术被单一公司所垄断SLA 的发展趋势与前景立体光固化成型法的的发展趋势是高速化，节能环保与微型化不断提高的加工精度使之有最先可能在生物，医药，微电子等领域大有作为 选择性激光烧结（以下简称SLS）技术最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl ckard于1989年在其硕士论文中提出的。后美国DTM公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备Sinter Sation。几十年来，奥斯汀分校和DTM公司在SLS领域做了大量的研究工作，在设备研制和工艺、材料开发上取得了丰硕成果。德国的EOS公司在这一领域也做了很多研究工作，并开发了相应的系列成型设备。国内也有多家单位进行SLS的相关研究工作，如西安交通大学机械学院，快速成型国家工程研究中心，教育部快速成型工程研究中心，华中科技大学、南京航空航天大学、西北工业大学、中北大学和北京隆源自动成型有限公司等，也取得了许多重大成果，如南京航空航天大学研制的RAP-I型激光烧结快速成型系统、北京隆源自动成型有限公司开发的AFS一300激光快速成型的商品化设备。选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。SLS技术的快速成型系统工作原理见图1。整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成，工作时粉末缸活塞（送粉活塞）上升，由铺粉辊将粉末在成型缸活塞（工作活塞）上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉末完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型。最后，将未烧结的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。对于金属粉末激光烧结，在烧结之前，整个工作台被加热至一定温度，可减少成型中的热变形，并利于层与层之间的结合。与其它快速成型（RP）方法相比，SLS最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。从理论上说，任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料。可成功进行SLS成型加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。由于SLS成型材料品种多、用料节省、成型件性能分布广泛、适合多种用途以及SLS无需设计和制造复杂的支撑系统，所以SLS的应用越来越广泛。SLS技术的金属粉末烧结方法1金属粉末和粘结剂混合烧结首先将金属粉末和某种粘结剂按一定比例混合均匀，用激光束对混合粉末进行选择性扫描，激光的作用使混合粉末中的粘结剂熔化并将金属粉末粘结在一起，形成金属零件的坯体。再将金属零件坯体进行适当的后处理，如进行二次烧结来进一步提高金属零件的强度和其它力学性能。这种工艺方法较为成熟，已经能够制造出金属零件，并在实际中得到使用。南京航空航天大学用金属粉末作基体材料（铁粉），加人适量的枯结剂，烧结成形得到原型件，然后进行后续处理，包括烧失粘结剂、高温焙烧、金属熔渗（如渗铜）等工序，最终制造出电火花加工电极（见图2）。并用此电极在电火花机床上加工出三维模具型腔（见图3）。2金属粉末激光烧结激光直接烧结金属粉末制造零件工艺还不十分成熟，研究较多的是两种金属粉末混合烧结，其中一种熔点较低，另一种较高。激光烧结将低熔点的粉末熔化，熔化的金属将高熔点金属粉末粘结在一起。由于烧结好的零件强度较低，需要经过后处理才能达到较高的强度。美国Texas大学Austin分校进行了没有聚合物粘结剂的金属粉末如CuSn NiSn青铜镍粉复合粉末的SLS成形研究，并成功地制造出金属零件。他们对单一金属粉末激光烧结成形进行了研究，成功地制造了用于F1战斗机和AIM9导弹的工NCONEL625超合金和Ti6A 14合金的金属零件。美国航空材料公司已成功研究开发了先进的钦合金构件的激光快速成形技术。中国科学院金属所和西安交通大学等单位正致力于高熔点金属的激光快速成形研究，南京航空航天大学也在这方面进行了研究，用Ni基合金混铜粉进行烧结成形的试验，成功地制造出具有较大角度的倒锥形状的金属零件（见图4）。3金属粉末压坯烧结金属粉末压坯烧结是将高低熔点的两种金属粉末预压成薄片坯料，用适当的工艺参数进行激光烧结，低熔点的金属熔化，流人到高熔点的颗粒孔隙之间，使得高熔点的粉末颗粒重新排列，得到致密度很高的试样。吉林大学郭作兴等用此方法对FeCu，Fe C等合金进行试验研究，发现压坯激光烧结具有与常规烧结完全不同的致密化现象，激光烧结后的组织随冷却方式而异，空冷得到细珠光体，淬火后得到马氏体和粒状。4 SLS技术金属粉末成型存在的问题SLS技术是非常年轻的一个制造领域，在许多方面还不够完善，如制造的三维零件普遍存在强度不高、精度较低及表面质量较差等问题。SLS工艺过程中涉及到很多参数（如材料的物理与化学性质、激光参数和烧结工艺参数等），这些参数影响着烧结过程、成型精度和质量。零件在成型过程中，由于各种材料因素、工艺因素等的影响，会使烧结件产生各种冶金缺陷（如裂纹、变形、气孔、组织不均匀等）。1粉末材料的影响粉末材料的物理特性，如粉末粒度、密度、热膨胀系数以及流动性等对零件中缺陷形成具有重要的影响。粉末粒度和密度不仅影响成型件中缺陷的形成，还对成型件的精度和粗糙度有着显著的影响。粉末的膨胀和凝固机制对烧结过程的影响可导致成型件孔隙增加和抗拉强度降低。2工艺参数的影响激光和烧结工艺参数，如激光功率、扫描速度和方向及间距、烧结温度、烧结时间以及层厚度等对层与层之间的粘接、烧结体的收缩变形、翘曲变形甚至开裂都会产生影响。上述各种参数在成型过程中往往是相互影响的，如Yong Ak Song等研究表明降低扫描速度和扫描间距或增大激光功率可减小表面粗糙度，但扫描间距的减小会导致翘曲趋向增大。因此，在进行最优化设计时就需要从总体上考虑各参数的优化，以得到对成型件质量的改善最为有效的参数组。制造出来的零件普遍存在着致密度、强度及精度较低、机械性能和热学性能不能满足使用要求等一些问题。这些成型件不能作为功能性零件直接使用，需要进行后处理（如热等静压HIP、液相烧结LPS、高温烧结及熔浸）后才能投人实际使用。此外，还需注意的是，由于金属粉末的SLS温度较高，为了防止金属粉末氧化，烧结时必须将金属粉末封闭在充有保护气体的容器中。5 总结与展望快速成型技术中，金属粉末SLS技术是人们研究的一个热点。实现使用高熔点金属直接烧结成型零件，对用传统切削加工方法难以制造出高强度零件，对快速成型技术更广泛的应用具有特别重要的意义。展望未来，SLS形技术在金属材料领域中研究方向应该是单元体系金属零件烧结成型，多元合金材料零件的烧结成型，先进金属材料如金属纳米材料，非晶态金属合金等的激光烧结成型等，尤其适合于硬质合金材料微型元件的成型。此外，根据零件的具体功能及经济要求来烧结形成具有功能梯度和结构梯度的零件。我们相信，随着人们对激光烧结金属粉末成型机理的掌握，对各种金属材料最佳烧结参数的获得，以及专用的快速成型材料的出现，SLS技术的研究和引用必将进入一个新的境界。 分层实体制造（LOM——Laminated Object Manufacturing）法，LOM又称层叠法成形，它以片材（如纸片、塑料薄膜或复合材料）为原材料，其成形原理如图所示，激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶的纸用激光切割出工件的内外轮廓。切割完一层后，送料机构将新的一层纸叠加上去，利用热粘压装置将已切割层粘合在一起，然后再进行切割，这样一层层地切割、粘合，最终成为三维工件。LOM常用材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等，此方法除了可以制造模具、模型外，还可以直接制造结构件或功能件。该方法的特点是原材料价格便宜、成本低。成形材料：涂敷有热敏胶的纤维纸；制件性能：相当于高级木材；主要用途：快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。 熔积成型（FDM——Fused Deposition Modeling）法，该方法使用丝状材料（石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝）为原料，利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度（约比熔点高 1℃），在计算机的控制下，喷头作x-y平面运动，将熔融的材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，一层成形后，喷头上移一层高度，进行下一层涂覆，这样逐层堆积形成三维工件。该方法污染小，材料可以回收，用于中、小型工件的成形。下图为FDM成形原理图。成形材料：固体丝状工程塑料；制件性能：相当于工程塑料或蜡模；主要用途：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。特点：1、优点：（1）操作环境干净，安全，在办公室课进行；（2）工艺干净、简单、易于操作且不产生垃圾；（3）尺寸精度高，表面质量好，易于装配，可快速构建瓶状或中空零件；（4）原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和金额快速更换；（5）原料价格便宜；（6）材料利用率高；（7）可选用的材料较多，如染色的ABS、PLA和医用ABD、PC、PPSF、人造橡胶、铸造用蜡。2、缺点：（1）精度较低，难以构建结构复杂的零件；（2）与截面垂直方向的强度小；（3）成型速度相对较慢，不适合构建大型零件。
