快速成型技术
快速成型技术
1、快速成型简介
快速成型（RP）技术是九十年代发展起来的一项先进制造技术，是为制造业企业新产品开发服务的一项关键共性技术, 对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极的推动作用。自该技术问世以来，已经在发达国家的制造业中得到了广泛应用，并由此产生一个新兴的技术领域。
RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。但是，其基本原理都是一样的，那就是"分层制造，逐层叠加"，音箱声音小 类似于数学上的积分过程。形象地讲，快速成形系统就像是一台"立体打印机"先进制造技术的特点。
2、RP 技术的原理
RP 技术是采用离散∕堆积成型的原理, 由CAD 模型直接驱动的通过叠加成型方出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型, 根据工艺要求将其按一定厚度进行分层, 把三维电子模型
变成二维平面信息(截面信息), 在微机控制下, 数控系统以平面加工的方式有序地连续加工出每个薄层并使它们自动粘接成型, 图1 为RP 技术的基本原理。
图1 RP 技术的基本原理。
RP 技术体系可分解为几个彼此联系的基本环节: 三维CAD 造型、反求工程、数据转换、原型制造、后处理等。
2.1立体光固化成型(SLA)
该方法是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成型方法。SLA 技术原理是计算机控制激光束对光敏树脂为原料的表面进行逐点扫描, 被扫描区域的树脂薄层( 约十分之几毫米) 产生光聚合反应而固化, 形成零件的一个薄层。工作台下移一个层厚的距离, 以便固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂, 进行下一层的扫描加工, 如此反复, 直到整个原型制造完毕。由于光聚合反应是基于光的作用而不是基于热的作用, 故在工作时只需功率较低的激光源。此外,因为没有热扩散, 加上链式反应能够很好地控制, 能保证聚合反应不发生在激光点之外, 因而加工精度高, 表面质量好, 原材料的利用率接近100%, 能制造形状复杂、精细的零件, 婚礼上适合唱什么歌效率高。对于尺寸较大的零件, 则可采用先分块成形然后粘接的方法进行制作, 如图2 所示。
 
图2 立体光固化( SLA) 成型工艺原理图
2.2叠材选择性切割( LOM)
LOM工艺将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起, 位于上方的激光器按照CAD 分层模型所获数据, 用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓, 然后新的一层纸再叠加在上面, 通过热压装置和下面已切割层粘合在一起, 激光束再次切割,这样反复逐层切割- 粘合- 切割, 直至整个零件模型制作完成。LOM技术制作冲模, 其成本约比传统方法节约1 /2, 生产周期大大缩短。用来制作复合模、薄料模、级进模等, 经济效益也甚为显著, 原理如图3 所示。 
 
图3 LOM系统装置原理图
2.3粉末选择性烧结( SLS )
该法采用CO2 激光器作能源, 目前使用的造型材料多为各种粉末材料。在工作台上均匀铺上一层很薄的粉末, 激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结, 一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结完后去掉多余的粉末, 再进行打磨、烘干等处理便获得零件。目前, 成熟的工艺材烧结的工艺还正在实验研究阶段。该技术具有原材料选择广泛、多余材料易于清理、应用范围广等优点, 适用于原型及功能零件的制造。在成形过程中,激光工作参数以及粉末的特性和烧结气氛是影响结成形质量的重要参数, 原理如图4 所示。
 
图4 选择性激光烧结原理图
 
 
2.4熔融堆积成形( FDM)
FDM工艺的关键是保持半流动成型材料刚好在熔点之上( 通常控制在比熔点高1°C 左右) 。FDM喷头受CAD 分层数据控制使半流动状态的熔丝材料( 材料直径一般在1.5mm 以上) 从喷头中挤压出来,凝固形成轮廓形状的薄层。每层厚度范围在0.025～0.762mm, 一层叠一层最后形成整个零件模型, FDM工艺原理如图5所示。
 
图5熔融堆积成形原理图
 
 
2.5三维打印成型(3DP)
三维打印式快速成型机是将粉末由储存桶送出一定分量，再以滾筒将送出之粉末在加工平台上铺上一层很薄的原料，喷嘴依照3D电脑模型切片后获得的二维层片信息喷出黏著剂，黏著粉末．做完一层，加工平台自动下降一点，储存桶上升一点，刮刀由升高了的储存桶把粉末推至工作平台並把粉末推平．再喷黏著剂，如此循环便可得到所要的形状。常用的ZCorp立体打印材料是石膏粉及淀粉，但亦有其他材料可供选用，如弹性塑料等.更有多种颜的墨水可供选择，甚至可更换彩墨头，即時打印出彩快速成型工件。 
3、RP旅行房车技术的特点
3.1 快速性
通过STL 格式文件, RPM最新情侣名字系统几乎可以与所有的CAD 造型系统无缝连接, 从CAD 模型到完成原型制作通常只需几小时到几十小时, 可实现产品开发的快速闭环反馈。
3.2 高度柔性
快速成型系统是真正的数字化制造系统, 它取消了工装夹具, 系统不作任何改变和调整即可完成不同类型的零件的加工制作, 特别适合新品开发或
单件小批量生产。
3.3 与复杂程度无关性
零件制造周期和制造成本与零件的形状和复杂度无关, 而只与其净体积有关。
3.4 高度集成化
快速成型应用重复的三维扫描成型复杂的三维零件, 避免了数控加工的复杂编程步骤, 并从根本上克服了CAD/CAM 集成时, CAPP 这一瓶颈问题, 从而实现高度自动化和程序化。
3.5 材料的广泛性
快速成形技术可以制造树脂类、塑料类原型, 还可以制造出纸类、石蜡类、复合材料以及金属材料和陶瓷材料的原型。
3.6 加工特点
快速成型技术突破了“毛坯/切削加工/成品”的传统的零件加工模式, 开创了不用刀具制作零件的先河, 是一种前所未有的薄层迭加的加工方法。与传统的切削加工方法相比, 快速原型加工具有以下优点: ( 1) 可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件, 如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等, 零件的复杂程度和生产批量与制造成本基本无关, 大大降低了新产品的开发成本和开发周期; ( 2) 属于非接触加工, 不需要机床切削加工所必需的刀具和夹具, 无刀具磨损和切削力的影响; ( 3) 无振动, 噪声和切削废料; ( 4) 可实现完全自动化生产; ( 5) 加工效率高,能快速制作出产品实体模型及模具。
4、快速模具制造技术
快速原型(RP)技术是一种用材料逐层或逐点堆积出制件的新型制造方法，它不采用常规的刀具和模具加工零件，而是利用光、电、热等手段，通过固化、烧结、粘结、或聚合等方式，实现材料的迁移和堆积，可由计算机CAD模型直接驱动生成三维实体，即原型零件。
  RP技术的发展同时推动了快速模具/工具(RT)制造技术的发展。RT技术与传统的机械加工成形模具制造方法相比，具有周期短、成本低，模具精度和使用寿命等方面均能满足生产要求、经济效益好等特点。
4.1 硅橡胶快速复制模具
  硅橡胶快速复制模具是一种以原型为样件，使用硫化硅橡胶浇注制作的经济型快速复制成形模具。由于硅橡胶具有良好的柔性和弹性，适合于制作结构复杂、花纹精细、无拔模斜度或倒拔模斜度及具有深凹槽的模具。其工艺流程为：原型(母型)制作→硅橡胶料制备→胶料预脱泡→浇注→硅橡胶模脱泡(抽真空)→固化→脱模及后处理。其中母模的表面质量将会直接影响复制模型的表面质量。并且，应根据硅橡胶料及成型零件材料的凝固收缩率，作适当的尺寸补偿，以提高模具的尺寸精度。
  这种模具可作为塑料件低压注塑模与真空浇注模、低熔点合金的铸造模或蜡型成形模。硅橡胶还能与其他材料(如爱牢达树脂、聚氨酯等)一岁一礼一寸欢喜的意思配制成多材料复合模具，以延长模具的使用寿命。该方法具有模具制作周期短(一般为1～3天)、成本低和易脱模等特点，它相对于其他材料的快速模具制造更具独特之处。
  4.2 石膏型快速金属模具
  石膏型铸造的基本原理是：将熔融的金属液烧注到以石膏为基料的铸型内，待金属液冷却凝固后，经清理即可获得金属模具或零件。它的工艺过程为：先将模样固定在专供灌浆用的砂箱里，再将按一定比例配置的半水石膏、填料、添加剂及适量水，在真空状态下混制成浆料，并迅速浇灌在砂箱中，待浆料凝固、硬化，再烘干、焙烧成石膏型，然后在真空状态浇注，获得最终的金属模具或零件。该工艺通常适合于制造金属熔化温度低于石膏分解温度(<1300oC)的合金，如：铅、锡等低熔点合金以及锌合金、铝合金及部分铜合金等。
  RP原型技术与石膏型精密铸造相结合主要有两种方法。方法一，采用叠层法、熔融沉
  积法、激光选区烧结法等工艺制造的原型为母模或硅橡胶为中间转化模，然后进行石膏型精
  密铸造。方法二，采用原型为母模，翻制硅橡胶件，再由硅橡胶件翻制蜡型或直接采用母模制作蜡型，再进行石膏型熔模精密铸造。采用特种膨胀石膏料还可补偿铸造时金属凝固
的收缩量。这种工艺方法具有零件变形小、精度高、表面光洁等特点，可用于铸造精密、复杂、
  薄型的有金属模具或零件，尤其适合于制作复杂型腔的净(近)成形模具。
  4.3 树脂型复合模具
  该方法是将液态的环氧树脂与有机(或无机)材料复合作为基体材料，以原型为基准浇注模具的一种间接制模技术，通常可直接注塑生产。其工艺过程为：快速原型制作→表面处理→原型表面、分型面刷脱模剂、胶衣树脂→浇注凹模→浇注凸模。刷脱模剂、胶衣树脂的目的是防止模具表面受磨擦、碰撞、老化和介质腐蚀等，在实际使用中更安全、可靠。环氧树脂模具与传统注塑模具相比，成本大幅度度降低，生产周期大为缩短。模具寿命虽不及钢制模具，但比硅橡胶模具高，达1000~5000件，可满足中小批量生产的需要。
  4.4 陶瓷型快速金属模具
  陶瓷型制造技术的基本原理是：以耐高温、热膨胀系数小的耐火材料为骨料、水解液为粘结剂，按比例配制成陶瓷浆料，在催化剂作用下，经灌浆、结胶、硬化、起模、喷烧等工
序制成表面光洁、尺寸精度高的精密陶瓷型，可烧注各种精密铸件。
  将RP技术与无焙烧精密陶瓷型工艺相结合，有利于提高模具精度，缩短制造周期、降低成本，采用这种方法的铸造模具与传统的机加工模具相比，生产成本降低数倍至数十倍，尤其适于铸造大型冲压模具。该工艺的关键技术是母模的设计与制造，即通过三维CAD直接制造出形状复杂的RP原型，作为无焙烧精密陶瓷型的母模，目前这种方法应用较多。
  4.5 熔模铸造法制造钢模
  用快速原型技术制作原型(母模)，将母模浸入陶瓷砂液，形成模壳。在炉中固化模壳，烧去母模。然后在炉中预热模壳并在模壳中浇注钢或铁型腔，对型腔表面进行抛光，加入浇注系统和冷却系统后，可铸造批量生产用注塑模。其优点是可制造形状非常复杂的零件。

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