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快速成形制造技術

發布時間:2020-1-8
               快速成形制造技術
  快速成形制造技術(RPM)是20世紀80年代后期起源于美國,并很快發展起來的一種先進制造技術,是近20年來制造技術領域的一項重大突破。是利用光、熱、電等物理手段(其中激光是經常應用的)實現材料的轉移與堆積;原型是通過堆積不斷增大,其力學性能不但取決于成形材料本身,而且與成形中所施加的能量大小及施加方式有密切關系;在成形工藝控制方面,需要對多個坐標進行精確的動態控制。能量在成形物理過程中是一個極為關鍵的因素,在以往的去除成形(切削磨削加工)和受迫成形(鑄造鍛壓)中,能量是被動地供給的。一般無須對加工能量進行精確的預測與控制,而在離散/堆積類型的RPM中,單元體(分層體)制造中能量是主動地供給的,需要準確地預測與控制,對成形中的能量形式、強度、分布、供給方式以及變化等進行有效的控制,從而經由單元體的制造而完成成形。
  隨著RPM技術的發展和人們對該項技術認識的深入,它的內涵也在逐漸擴大。目前快速成形技術包括一切由CAD直接驅動的成形過程,而主要的技術特征即是成形的快速性。對于材料的轉移形式可以是自由添加、去除以及添加和去除相結合等形式。
  (1)快速成形的原理和特點:快速成形技術不同于傳統的在型腔內成形毛坯切削加工后獲得零件的方法,而是在計算機控制下,基于離散/堆積原理采用不同方法堆積材料最終完成零件的成形與制造的技術。快速成形制造技術是由CAD模型直接驅動的快速制造任意復雜形狀三維實體的技術總稱。它可以制造任意復雜的三維幾何實體;由CAD模型直接驅動;成形設備無需專用夾具或工具;成形過程中無人干預或較少干預。
  快速成形技術采用離散/堆積成型的原理,其過程是:先由三維CAD軟件設計出所需要零件的計算機三維曲面或實體模型(亦稱電子模型),然后·根據工藝要求,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;再將分層后的數據進行一定的處理,加人加工參數,產生數控代碼,在微機控制下,數控系統以平面加工方式有序地連續加工出每個薄層并使它們自動粘接而成形,這就是材料堆積的過程。
  快速成形技術具有以下特點:
  ①高度柔性:快速成形技術的最突出特點就是柔性好,它取消了專用工具,在計算機管理和控制下可以制造出任意復雜形狀的零件。
  ②技術的高度集成:快速成形技術是計算機技術、數控技術、激光技術與材料技術的綜合集成。在成形概念上,它以離散/堆積為指導,在控制上以計算機和數控為基礎,以最大的柔性為目標。因此只有在計算機技術、數控技術高度發展的今天,才有可能誕生快速成形技術。
  ③設計制造一體化:快速成形技術的另一個顯著特點就是CAD/CAM一體化。在傳統的CAD、CAM技術中,由于成形思想的局限性,致使設計制造一體化很難實現。而對于快速成形技術來說,由于采用了離散、堆積分層制造工藝,能夠很好地將CAD、CAM結合起來。
  ④快速性:快速成形技術的一個重要特點就是其快速性。由于激光快速成形是建立在高度技術集成的基礎之上,從CAD設計到原型的加工完成只需幾小時至幾十小時,比傳統的成形方法速度要快得多。這一特點尤其適合于新產品的開發與管理。
  ⑤材料的廣泛性:由于各種RP工藝的成形方式不同,因而材料的使用也各不相同,如金屬、紙、塑料、光敏樹脂、蠟、陶瓷,甚至纖維等材料在快速成形領域已有很好的應用。
  (2)快速成形制造技術的主要方法:下面將國外幾種典型和較成熟的商品化RPM技術作一簡介。
  ①立體印刷(SP):又稱立體光刻、光造型(見圖20)。液槽中盛滿液態光固化樹脂,它在一定劑量的紫外激光照射下就會在一定區域內固化。成形開始時,工作平臺在液面下,聚焦后的激光光點在液面上按計算機的指令逐點掃描,在同一層內則逐點固化。當一層掃描完成后,被照射的地方就固化,未被照射的地方仍然是液態樹脂。然后升降架帶動平臺再下降一層高度,上面又布滿一層樹脂,以便進行第二層掃描,新固化的一層牢固地粘在前一層上,如此重復直到三維零件制作完成。
  
  圖20 立體印刷原理圖
  立體印刷方法是最早出現的一種RP工藝,目前是RPM技術領域中研究最多、技術最為成熟的方法。但這種方法有其自身的局限性,如需要支撐、樹脂收縮導致精度下降、光固化樹脂有一定的毒性而不符合綠色制造發展趨勢。
  ②分層實體制造(LOM):該工藝即疊層實體制造,也稱為分層實體制造,采用激光切割箔材,箔材之間靠熱熔膠在熱壓輥的壓力和傳熱作用下熔化并實現粘接,層層疊加制造原型。加工時,首先鋪上一層箔材,然后用CO:激光在計算機控制下切出本層輪廓,非零件部分全部切碎以便于去除。當本層完成后,再鋪上一層箔材,用滾子碾壓并加熱,以固化粘結劑,使新鋪上的一層牢固地粘接在已成形體上,再切割該層的輪廓,如此反復直到加工完畢(圖21)。最后去除切碎部分以得到完整的零件。LOM的關鍵技術是控制激光的光強和切割速度,使它們達到最佳配合,以便保證良好的切口質量和切割深度。
  
  圖21 分層實體制造LOM
  LOM工藝成形厚壁零件的速度較快,易于制造大型零件,不易引起翹曲變形,零件的精度較高,且所有LOM工藝無需加支撐。
  ③選擇性激光燒結(SLS):該工藝稱為選擇性燒結,是利用粉末狀材料成形的。將材料粉末鋪灑在已成形零件的上表面,并剎平;用高強度的CO。激光器在剛鋪的新層上掃描出零件截面;材料粉末在高強度的激光照射下被燒結在一起,得到零件的截面,并與下面已成形的部分粘接;當一層截面燒結完后,鋪上新的一層材料粉末,有選擇地燒結下層截面(圖22)。
  
  圖22 選擇性激光燒結
  SLS工藝的特點是材料適應面廣,不僅能制造塑料零件,還能制造陶瓷、蠟等材料的零件。特別是可以直接制造金屬零件。這使SLS工藝頗具吸引力。SLS工藝無需加支撐,因為沒有燒結的粉末起到了支撐的作用。
  ④熔融沉積成形(FDM):它是一種不使用激光器的加工方法,模鍛技術的關鍵在于噴頭,噴頭在計算機控制下作X—Y聯動掃描以及Z向運動,絲材在噴頭中被加熱并略高于其熔點。噴頭在掃描運動中噴出熔融的材料,快速冷卻形成一個加工層并與上一層牢牢連接在一起。這樣層層掃描疊加便形成一個空間實體。FDM的材料一般是熱塑性材料,如蠟、尼龍等,并以絲狀供料。
  FDM工藝不用激光,因此使用、維護簡單,成本較低。由于以FDM工藝為代表的熔融材料堆積成形具有一些顯著優點,該工藝發展極為迅速。
  (3)快速成型制造技術的應用:RPM技術應用發展很快,已經從對 RPM工藝的熟悉、觀望、嘗試性應用階段進人了將RPM真正作為產品開發的重要環節,提高產品開發質量、加快產品開發速度的階段。
  RPM的應用主要在以下幾方面:與制造業有關的快速產品開發、快速工具、微型機械、小批零件等;與美學有關的建筑設計、橋梁設計、古建筑恢復、首飾和燈飾等;在醫學領域,主要是顱外科、輔助診斷、軟組織和牙科;用于康復、考古工程,如假肢、整形、考古;還可用于三維地圖和光電模型等其他方面。RPM在國民經濟極為廣闊的領域得到了應用,并且還在向新的領域發展。從廣義上講,這些應用均可屬“產品開發范疇’’。下面簡單介紹一下RPM的幾種主要應用。
  ①產品設計中的應用一快速產品開發RPD:RP技術的第一個重要應用就是產品的概念原型和功能原型的制造。RPM在產品開發中的關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計變為可進一步評估的實物。根據原形可對設計的正確性,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(如模具),如直接依據CAD模型不經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。不僅延誤了開發的進度,而且往往需花費更多的資金。經過原型的檢驗可將此種風險減到最低的限度。
  一般來說采用RPM快速產品開發技術,可減少產品開發成本30%~70%,減少開發時間50%。如開發光學照相機機體采用RPM技術僅需3~5天(從CAD建模到原型制作),花費5 000馬克,而用傳統的方法則至少需1個月,耗費3萬馬克。
  ②快速工具:模具是快速工具制造技術應用的重要方面。限制產品推向市場的主要因素是模具及模型的設計時間。由于現代社會產品競爭十分激烈,產品能否快速響應市場往往是競爭成敗的關鍵,所以模具快速制造顯得尤為重要。傳統的模具制造的方法工藝復雜、時間長、費用高,影響了新產品對于市場的響應速度;傳統的快速模具(例如中低熔點合金模具、電鑄模、噴涂模具等)又由于工藝粗糙、精度低、壽命短,很難完全滿足用戶的要求;特別是常常因為模具的設計與制造中出現的問題無法改正,而不能做到真正的“快速"。而應用RP技術制造快速模具,在最終生產模具開模之前進行產品的試制與小批量生產,可以大大提高產品開發的一次成功率,有效地節約開發時間和費用。在RP原型制造出來之后,以此原型作為基礎,采用一次轉換或多次轉換精密模鍛工藝,制造出實際的大批量生產中或產品試制中零件使用的模具,稱為間接模技術,目前是RP技術最重要的應用領域。
  ③醫學上的仿生制造:RP技術在醫學上也有許多的應用。根據CT掃描或是MRT核磁共振的數據,采用RP技術可以快速制造人體骨骼和軟組織的實體模型,這些人體器官實體模型對醫生進行病情輔助診斷和確定治療方案,具有巨大的臨床價值和醫學價值。
  ④藝術品的制造藝術品和建筑裝飾品是根據設計者的靈感,構思設計出來的,采用RPM可使藝術家的創作、制造一體化,為藝術家提供最佳的設計環境和成型條件。
  (4)快速成型制造技術的未來:3D增材打印技術是未來快速成型技術的發展方向。如3D打印汽車、3D打印飛機、3D打印自行車、3D打印人造血管、3D打印皮膚、3D打印比基尼、3D打印小提琴等。3D打印技術無所不能,這種技術用創意和智慧取代了勞動力成本。3D打印技術已成為現代模型、模具和零件制造的有效手段,它簡化產品的制造程序,縮短產品的研制周期,提高效率并降低成本,其發展將會深刻影響先進制造業、工業設計業、生產性服務業、文化創意業、電子商務業及制造業信息化工程,引領第三次工業革命的到來,是未來快速成型技術的主要發展方向。
  3D打印技術是一種以數字模型文件為基礎,運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料,通過逐層打印的方式來構造物體的技術。與傳統的去除材料加工技術不同,因此又稱為增材制造(AM)。
  若你看過電影《十二生肖》,成龍如何復制出圓明園獸首,那么就不難理解3 D打印技術了。只需要一個想法,一些材料,一臺3 D打印機,就可以把一切想法轉化成實體。從原理上看,可以打印一輛車、一棟房子,甚至一只胳膊。這項在歐美快速發展的技術已被美國《時代》周刊列為十大增長最快的工業,認為它將“與其他數字化生產模式一起推動實現第三次工業革命"。
  
  圖29 3D增材打印
  3D打印機是3D打印的核心裝備。它是集機械、控制及計算機技術等為一體的復雜機電一體化系統,主要由高精度機械系統、數控系統、噴射系統和成型環境等子系統組成。此外,新型打印材料、打印工藝、設計與控制軟件等也是3D打印技術體系的重要組成部分。它作為一種綜合性應用技術,3D打印綜合了數字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等諸多方面的前沿技術知識,具有很高的科技含量。3D打印技術誕生于20世紀80年代的美國。第一臺3D打印機在1986年由美國人Charles Hull發明,3D打印這個名詞也是由麻省理工學院在1995年創造的。德國利用3D立體打印技術研制出人造血管;美國“打印"皮膚修復傷口;力日拿大制造了世界上首臺3D打印汽車Urbee 2,英國打印了世界上首架飛機。一時間,仿佛世界萬物沒有什么是這個所謂的3D打印技術所不能完成的。這項技術廣泛應用于航空航天、軍事,醫療、汽車工業、文物保護、飾品裝飾等領域,用來制造精密鍛件產品的模型。
  2013年中國3D打印技術產業聯盟正式宣告成立,該聯盟是由亞洲制造業協會發起,并聯合了華中科技大學,北京航空航天大學,清華大學等權威科研機構和3D打印行業領先企業成立的,旨在推動我國3D打印技術的產業化市場化進程,加快與國際問的對話交流,促進3D打印技術與傳統制造技術的有機結合。自20世紀90年代以來,國內多所高校開展了3D打印技術的自主研發。清華大學在現代成型學理論、分層實體制造、FDM工藝等方面都有一定的科研優勢;華中科技大學在分層實體制造工藝方面有優勢,并已推出了HRP系列成型機和成型材料;西安交通大學自主研制了三維打印機噴頭,并開發了光固化成型系統及相應成型材料,成型精度達到0.2毫米;中國科技大學自行研制了八噴頭組合噴射裝置,有望在微制造、光電器件領域得到應用。2009中國第一家3D打印服務公司杭州銘展網絡科技有限公司成立,2012年12月31日,全國首家3D打印照相館落戶陜西西安高新區。
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