快速成型制造技术(R印id Pmtotyping,RP)也称为快速原型制造技术(Rap—id Pmtotvping&MaJlufacturing,RP&M),是一种用材料逐层或逐点堆积出制件的制造方法。是借助计算机、激光、精密传动和数控等现代手段,将计算机辅助设计(cAD)和计算机辅助制造(cAM)集成于一体,根据计算机上构造的三维模型,能在很短时问内直接制造产品样品而无需传统的机械加工机床和模具的先进制造技术。是由cAD模型直接驱动的快速制造复杂形状三维物理实体的技术的总称。
随着经济的快速发展,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竞争的主要矛盾。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,快速响应市场需求已成为制造业发展的重要走向。制造业在满足日益变化用户需求的同时,又要求制造技术有较强的灵活性,灵活性制造技术由于其在产品开发和单件小批量产品制作中显著的经济效益和时间效益,能够以小批量甚至单件生产而不增加产品的成本而受到广泛关注。因此,产品开发的速度和制造技术的柔性就变得十分关键。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基础。快速成型技术就是在这种社会背景下产生的。
该项技术诞生于20世纪80年代后期,被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它使设计师以直观方式体会设计的感觉,感性而迅速地验证和检查所设计产品的结构和外形,可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件,从而可以对产品设计进行快速评估、修改及功能试验,使设计工作进入了一种全新的境界,改善了设计过程中的人机交流,缩短了产品开发的周期,加快了产品更新换代的速度,降低了企业投资新产品的风险。
1、快速成型技术的基本原理
快速成型制造技术的基本原理
快速成型制造技术的基本原理是基于离散/堆积的增长方式分层成形原型或制品过程。可以理解为离散和堆积两个步骤。离散过程是数字化过程,先进行模型设计,再对模型数据进行处理,按高度方向离散化,即用一系列平行于z·1坐标面的平面截取经过sTL㈢转换后的三维实体模型,获取各层的几何信息,用各层的层面几何信息来控制成形设备。堆积过程是实体化过程,即把二维实体逐层累积为三维实体。通过离散获得堆积的顺序、限制和方式,只有获得准确的层面几何数据,才能完成整个堆积工作。
快速成型加工的基本原理(图9.1)是用CAD三维造型软件设计产品的三维曲面模型,或用实体反求方法采集得到有关原型或零件的几何形状、结构和材料的组合信息,从而获得目标原型的概念,并以此建立数字化模型,即零件的电子模型,根据具体工艺要求,将其按一定厚度分层切片,根据切片处理得到的截面轮廓信息,通过计算机控制激光束固化一层层的液态光敏树脂(或切割纸,或烧结粉末材料),或利用某种热源有选择性地喷射粘接剂或热熔材料,形成各个不同截面,每层截面轮廓成形之后,快速成型系统将下一层材料送至已成型的轮廓面上,然后进。行新一层截面轮廓的成形,逐步叠加成三维产品,再经过必要的处理,使其在外观、强度和性能等方面达到设计要求。
快速成型制造技术从广义上讲可以分成两类:材料累积和材料去除。但是,目前人们谈及的快速原型制造方法通常指的是累积式的成形方法。
快速成型技术不同于传统的在型腔内成型毛坯经切削加工后获得零件的方法,而是在计算机控制下,基于离散/堆积原理采用不同方法堆积材料最终完成零件的成型与制造的技术。从成形角度看,零件可视为“点”或“面”的叠加。从cAD电子模型中离散得到点、面的几何信息,再与成形工艺参数信息结合,控制材料有规律、精确地由点到面,由面到体地堆积零件。从制造角度看,它根据cAD造形生成零件三维几何信息,控制多维系统,通过激光束或其他方法将材料逐层堆积而形成原型或零件。
2、快速成形加工的基本过程
快速成型的全过程可归纳为以下三个步骤。
1)前处理。它包括工件三维模型的构造、j维模型的近似处理、快速成型方向的选择和三维模型的切片处理。
2)分层叠加成型。它是快速成型的核心,包括模型截面轮廓的制作与截面轮廓的叠合。 、
3)后处理。它包括原形零件的剥离、后固化、修补、打磨、抛光和表面强化处理等。