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快速成形制造技术

发布时间:2020-1-8
               快速成形制造技术
  快速成形制造技术(RPM)是20世纪80年代后期起源于美国,并很快发展起来的一种先进制造技术,是近20年来制造技术领域的一项重大突破。是利用光、热、电等物理手段(其中激光是经常应用的)实现材料的转移与堆积;原型是通过堆积不断增大,其力学性能不但取决于成形材料本身,而且与成形中所施加的能量大小及施加方式有密切关系;在成形工艺控制方面,需要对多个坐标进行精确的动态控制。能量在成形物理过程中是一个极为关键的因素,在以往的去除成形(切削磨削加工)和受迫成形(铸造锻压)中,能量是被动地供给的。一般无须对加工能量进行精确的预测与控制,而在离散/堆积类型的RPM中,单元体(分层体)制造中能量是主动地供给的,需要准确地预测与控制,对成形中的能量形式、强度、分布、供给方式以及变化等进行有效的控制,从而经由单元体的制造而完成成形。
  随着RPM技术的发展和人们对该项技术认识的深入,它的内涵也在逐渐扩大。目前快速成形技术包括一切由CAD直接驱动的成形过程,而主要的技术特征即是成形的快速性。对于材料的转移形式可以是自由添加、去除以及添加和去除相结合等形式。
  (1)快速成形的原理和特点:快速成形技术不同于传统的在型腔内成形毛坯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形与制造的技术。快速成形制造技术是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的技术总称。它可以制造任意复杂的三维几何实体;由CAD模型直接驱动;成形设备无需专用夹具或工具;成形过程中无人干预或较少干预。
  快速成形技术采用离散/堆积成型的原理,其过程是:先由三维CAD软件设计出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型(亦称电子模型),然后·根据工艺要求,将其按一定厚度进行分层,把原来的三维电子模型变成二维平面信息(截面信息),即离散的过程;再将分层后的数据进行一定的处理,加人加工参数,产生数控代码,在微机控制下,数控系统以平面加工方式有序地连续加工出每个薄层并使它们自动粘接而成形,这就是材料堆积的过程。
  快速成形技术具有以下特点:
  ①高度柔性:快速成形技术的最突出特点就是柔性好,它取消了专用工具,在计算机管理和控制下可以制造出任意复杂形状的零件。
  ②技术的高度集成:快速成形技术是计算机技术、数控技术、激光技术与材料技术的综合集成。在成形概念上,它以离散/堆积为指导,在控制上以计算机和数控为基础,以最大的柔性为目标。因此只有在计算机技术、数控技术高度发展的今天,才有可能诞生快速成形技术。
  ③设计制造一体化:快速成形技术的另一个显著特点就是CAD/CAM一体化。在传统的CAD、CAM技术中,由于成形思想的局限性,致使设计制造一体化很难实现。而对于快速成形技术来说,由于采用了离散、堆积分层制造工艺,能够很好地将CAD、CAM结合起来。
  ④快速性:快速成形技术的一个重要特点就是其快速性。由于激光快速成形是建立在高度技术集成的基础之上,从CAD设计到原型的加工完成只需几小时至几十小时,比传统的成形方法速度要快得多。这一特点尤其适合于新产品的开发与管理。
  ⑤材料的广泛性:由于各种RP工艺的成形方式不同,因而材料的使用也各不相同,如金属、纸、塑料、光敏树脂、蜡、陶瓷,甚至纤维等材料在快速成形领域已有很好的应用。
  (2)快速成形制造技术的主要方法:下面将国外几种典型和较成熟的商品化RPM技术作一简介。
  ①立体印刷(SP):又称立体光刻、光造型(见图20)。液槽中盛满液态光固化树脂,它在一定剂量的紫外激光照射下就会在一定区域内固化。成形开始时,工作平台在液面下,聚焦后的激光光点在液面上按计算机的指令逐点扫描,在同一层内则逐点固化。当一层扫描完成后,被照射的地方就固化,未被照射的地方仍然是液态树脂。然后升降架带动平台再下降一层高度,上面又布满一层树脂,以便进行第二层扫描,新固化的一层牢固地粘在前一层上,如此重复直到三维零件制作完成。
  
  图20 立体印刷原理图
  立体印刷方法是最早出现的一种RP工艺,目前是RPM技术领域中研究最多、技术最为成熟的方法。但这种方法有其自身的局限性,如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂有一定的毒性而不符合绿色制造发展趋势。
  ②分层实体制造(LOM):该工艺即叠层实体制造,也称为分层实体制造,采用激光切割箔材,箔材之间靠热熔胶在热压辊的压力和传热作用下熔化并实现粘接,层层叠加制造原型。加工时,首先铺上一层箔材,然后用CO:激光在计算机控制下切出本层轮廓,非零件部分全部切碎以便于去除。当本层完成后,再铺上一层箔材,用滚子碾压并加热,以固化粘结剂,使新铺上的一层牢固地粘接在已成形体上,再切割该层的轮廓,如此反复直到加工完毕(图21)。最后去除切碎部分以得到完整的零件。LOM的关键技术是控制激光的光强和切割速度,使它们达到最佳配合,以便保证良好的切口质量和切割深度。
  
  图21 分层实体制造LOM
  LOM工艺成形厚壁零件的速度较快,易于制造大型零件,不易引起翘曲变形,零件的精度较高,且所有LOM工艺无需加支撑。
  ③选择性激光烧结(SLS):该工艺称为选择性烧结,是利用粉末状材料成形的。将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面,并刹平;用高强度的CO。激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面;材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起,得到零件的截面,并与下面已成形的部分粘接;当一层截面烧结完后,铺上新的一层材料粉末,有选择地烧结下层截面(图22)。
  
  图22 选择性激光烧结
  SLS工艺的特点是材料适应面广,不仅能制造塑料零件,还能制造陶瓷、蜡等材料的零件。特别是可以直接制造金属零件。这使SLS工艺颇具吸引力。SLS工艺无需加支撑,因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用。
  ④熔融沉积成形(FDM):它是一种不使用激光器的加工方法,模锻技术的关键在于喷头,喷头在计算机控制下作X—Y联动扫描以及Z向运动,丝材在喷头中被加热并略高于其熔点。喷头在扫描运动中喷出熔融的材料,快速冷却形成一个加工层并与上一层牢牢连接在一起。这样层层扫描叠加便形成一个空间实体。FDM的材料一般是热塑性材料,如蜡、尼龙等,并以丝状供料。
  FDM工艺不用激光,因此使用、维护简单,成本较低。由于以FDM工艺为代表的熔融材料堆积成形具有一些显著优点,该工艺发展极为迅速。
  (3)快速成型制造技术的应用:RPM技术应用发展很快,已经从对 RPM工艺的熟悉、观望、尝试性应用阶段进人了将RPM真正作为产品开发的重要环节,提高产品开发质量、加快产品开发速度的阶段。
  RPM的应用主要在以下几方面:与制造业有关的快速产品开发、快速工具、微型机械、小批零件等;与美学有关的建筑设计、桥梁设计、古建筑恢复、首饰和灯饰等;在医学领域,主要是颅外科、辅助诊断、软组织和牙科;用于康复、考古工程,如假肢、整形、考古;还可用于三维地图和光电模型等其他方面。RPM在国民经济极为广阔的领域得到了应用,并且还在向新的领域发展。从广义上讲,这些应用均可属“产品开发范畴’’。下面简单介绍一下RPM的几种主要应用。
  ①产品设计中的应用一快速产品开发RPD:RP技术的第一个重要应用就是产品的概念原型和功能原型的制造。RPM在产品开发中的关键作用和重要意义是很明显的,它不受复杂形状的任何限制,可迅速地将显示于计算机屏幕上的设计变为可进一步评估的实物。根据原形可对设计的正确性,造型合理性,可装配和干涉进行具体的检验。对形状较复杂而贵重的零件(如模具),如直接依据CAD模型不经原型阶段就进行加工制造,这种简化的做法风险极大,往往需要多次反复才能成功。不仅延误了开发的进度,而且往往需花费更多的资金。经过原型的检验可将此种风险减到最低的限度。
  一般来说采用RPM快速产品开发技术,可减少产品开发成本30%~70%,减少开发时间50%。如开发光学照相机机体采用RPM技术仅需3~5天(从CAD建模到原型制作),花费5 000马克,而用传统的方法则至少需1个月,耗费3万马克。
  ②快速工具:模具是快速工具制造技术应用的重要方面。限制产品推向市场的主要因素是模具及模型的设计时间。由于现代社会产品竞争十分激烈,产品能否快速响应市场往往是竞争成败的关键,所以模具快速制造显得尤为重要。传统的模具制造的方法工艺复杂、时间长、费用高,影响了新产品对于市场的响应速度;传统的快速模具(例如中低熔点合金模具、电铸模、喷涂模具等)又由于工艺粗糙、精度低、寿命短,很难完全满足用户的要求;特别是常常因为模具的设计与制造中出现的问题无法改正,而不能做到真正的“快速"。而应用RP技术制造快速模具,在最终生产模具开模之前进行产品的试制与小批量生产,可以大大提高产品开发的一次成功率,有效地节约开发时间和费用。在RP原型制造出来之后,以此原型作为基础,采用一次转换或多次转换精密模锻工艺,制造出实际的大批量生产中或产品试制中零件使用的模具,称为间接模技术,目前是RP技术最重要的应用领域。
  ③医学上的仿生制造:RP技术在医学上也有许多的应用。根据CT扫描或是MRT核磁共振的数据,采用RP技术可以快速制造人体骨骼和软组织的实体模型,这些人体器官实体模型对医生进行病情辅助诊断和确定治疗方案,具有巨大的临床价值和医学价值。
  ④艺术品的制造艺术品和建筑装饰品是根据设计者的灵感,构思设计出来的,采用RPM可使艺术家的创作、制造一体化,为艺术家提供最佳的设计环境和成型条件。
  (4)快速成型制造技术的未来:3D增材打印技术是未来快速成型技术的发展方向。如3D打印汽车、3D打印飞机、3D打印自行车、3D打印人造血管、3D打印皮肤、3D打印比基尼、3D打印小提琴等。3D打印技术无所不能,这种技术用创意和智慧取代了劳动力成本。3D打印技术已成为现代模型、模具和零件制造的有效手段,它简化产品的制造程序,缩短产品的研制周期,提高效率并降低成本,其发展将会深刻影响先进制造业、工业设计业、生产性服务业、文化创意业、电子商务业及制造业信息化工程,引领第三次工业革命的到来,是未来快速成型技术的主要发展方向。
  3D打印技术是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。与传统的去除材料加工技术不同,因此又称为增材制造(AM)。
  若你看过电影《十二生肖》,成龙如何复制出圆明园兽首,那么就不难理解3 D打印技术了。只需要一个想法,一些材料,一台3 D打印机,就可以把一切想法转化成实体。从原理上看,可以打印一辆车、一栋房子,甚至一只胳膊。这项在欧美快速发展的技术已被美国《时代》周刊列为十大增长最快的工业,认为它将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命"。
  
  图29 3D增材打印
  3D打印机是3D打印的核心装备。它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统,主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。此外,新型打印材料、打印工艺、设计与控制软件等也是3D打印技术体系的重要组成部分。它作为一种综合性应用技术,3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识,具有很高的科技含量。3D打印技术诞生于20世纪80年代的美国。第一台3D打印机在1986年由美国人Charles Hull发明,3D打印这个名词也是由麻省理工学院在1995年创造的。德国利用3D立体打印技术研制出人造血管;美国“打印"皮肤修复伤口;力日拿大制造了世界上首台3D打印汽车Urbee 2,英国打印了世界上首架飞机。一时间,仿佛世界万物没有什么是这个所谓的3D打印技术所不能完成的。这项技术广泛应用于航空航天、军事,医疗、汽车工业、文物保护、饰品装饰等领域,用来制造精密锻件产品的模型。
  2013年中国3D打印技术产业联盟正式宣告成立,该联盟是由亚洲制造业协会发起,并联合了华中科技大学,北京航空航天大学,清华大学等权威科研机构和3D打印行业领先企业成立的,旨在推动我国3D打印技术的产业化市场化进程,加快与国际问的对话交流,促进3D打印技术与传统制造技术的有机结合。自20世纪90年代以来,国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM工艺等方面都有一定的科研优势;华中科技大学在分层实体制造工艺方面有优势,并已推出了HRP系列成型机和成型材料;西安交通大学自主研制了三维打印机喷头,并开发了光固化成型系统及相应成型材料,成型精度达到0.2毫米;中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射装置,有望在微制造、光电器件领域得到应用。2009中国第一家3D打印服务公司杭州铭展网络科技有限公司成立,2012年12月31日,全国首家3D打印照相馆落户陕西西安高新区。