第六章  快速成型技术
4.1  快速原型技术简介
快速成型(Rapid Prototyping)是上世纪80年代末及90 年代初发展起来的新兴制造技术，是由三维CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的总称。它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。
与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段相结合，已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了广泛应用。
快速成型技术自问世以来，得到了迅速的发展。由于RP技术可以使数据模型转化为物理模型，并能有效地提高新产品的设计质量，缩短新产品开发周期，提高企业的市场竞争力，因而受到越来越多领域的关注，被一些学者誉为敏捷制造技术的使能技术之一。
4.1.1  快速成型的基本原理
与传统的机械切削加工，如车削、铣削等“材料减削”方法不同的是，“快速成型制造技术”是靠逐层融接增加材料来生成零件的，是一种“材料迭加”的方法，快速成型技术采用离散/堆积成型原理，根据三维CAD模型，对于不同的工艺要求，按一定厚度进行分层，将三维数字模型变成厚度很薄的二维平面模型。再将数据进行一定的处理，加入加工参数，在数控系统控制下以平面加工方式连续加工出每个薄层，并使之粘结而成形。实际上就是基于“生长”或deposition“添加”材料原理一层一层地离散叠加，从底至顶完成零件的制作过程。快速成型有很多种工艺方法，但所有的快速成型工艺方法都是一层一层地制造零件，所不同的是每种方法所用的材料不同，制造每一层添加材料的方法不同。该技术的基本特征是“分层增加材料”，即三维实体由一系列连续的二维薄切片堆叠融接而成，如图4-1所示。
4.1.2
图4-1  RP的成形原理
快速成型的工艺过程
（1）三维模型的构造：按图纸或设计意图在三维CAD设计软件中设计出该零件的CAD实体文件。一般快速成型支持的文件输出格式为STL模型，即对实体曲面做近似的所谓面型化处理，是用平面三角形面片近似模型表面。以简化CAD模型的数据格式。便于后续的分层处理。由于它在数据处理上较简单，而且与CAD系统无关，所以很快发展为快速成型制造领域中CAD系统与快速成型机之间数据交换的标准，每个三角面片用四个数据项表示。即三个顶点坐标和一个法向矢量，整个CAD模型就是这样一个矢量的集合。在一般的软件系统中可以通过调整输出精度控制参数，减小曲面近似处理误差。如Pre/1E软件是通过选定弦高值(ch-chordheight)作为逼近的精度参数。
（2）三维模型的离散处理（切片处理）：在选定了制作(堆积)方向后，通过专用的分层程序将三维实体模型(一般为STL模型)进行一维离散，即沿制作方向分层切片处理，获取每一薄层片截面轮廓及实体信息。分层的厚度就是成型时堆积的单层厚度。由于分层破坏了切片方向CAD模型表面的连续性，不可避免地丢失了模型的一些信息，导致零件尺寸及形状误差的产生。所以分层后需要对数据作进一步的处理，以免断层的出现。切片层的厚度直接影响零件的表面粗糙度和整个零件的型面精度，每一层面的轮廓信息都是由一系列交点顺序连成的折线段构成。所以，分层后所得到的模型轮廓已经是近似的，层与层之间的轮廓信息已经丢失，层厚越大丢失的信息越多，导致在成型过程中产生了型面误差。
（3）成型制作：把分层处理后的数据信息传至设备控制机，选用具体的成型工艺，在计算机的控制下，逐层加工，然后反复叠加，最终形成三维产品。
（4）后处理：根据具体的工艺，采用适当的后处理方法，改善样品性能。
4.1.3  快速原形技术的特点
与传统的切削加工方法相比，快速原型加工具有以下特点：
1、自由成型制造：自由成型制造也是快速成型技术的另外一个用语。作为快速成型技术的特点之一的自由成型制造的含义有两个方面：一是指无需要使用工模具而制作原型或零件，由此可以大大缩短新产品的试制周期，并节省工模具费用；二是指不受形状复杂程度的限制，能够制作任何形状与结构、不同材料复合的原形或零件。
2、制造效率快：从CAD数模或实体反求获得的数据到制成原形，一般仅需要数小时或十几小时，速度比传统成型加工方法快的多。该项目技术在新产品开发中改善了设计过程的人机交流，缩短了产品设计与开发周期。以快速成型机为母模的快速模具技术，能够在几天内制作出所需材料的实际产品，而通过传统的钢质模具制作产品，至少需要几个月的时间。该项技术的应用，大大降低了新产品的开发成本和企业研制新产品的风险。
3、由CAD模型直接驱动：无论哪种RP制造工艺，其材料都是通过逐点、逐层以添加的方式累积成型的。无论哪种快速成型制造工艺，也都是通过CAD数字模型直接或者间接地驱动快速成型设备系统进行制造的。这种通过材料添加来制造原形的加工方式是快速成型技术区别传统的机械加工方式的显著特征。这种由CAD数字模型直接或者间接地驱动快速成型设备系统的原形制作过程也决定了快速成型的制造快速和自由成型的特征。
4、技术高度集成：当落后的计算机辅助工艺规划（Computer Aided Process Planning,CAPP）一直无法实现CAD与CAM一体化的时候，快速成型技术的出现较好的填补了CAD与CAM之间的缝隙。新材料、激光应用技术、精密伺候驱动技术、计算机技术以及数控技术等的高度集成，共同支撑了快速成型技术的实现。
5、经济效益高：快速成型技术制造原型或零件，无须工模具，也与成型或零件的复杂程度无关，与传统的机械加工方法相比，其原型或零件本身制作过程的成本显著降低。此外，由于快速成型在设计可视化、外观评估、装配及功能检验以及快速模具母模的功用，能够显著缩短产品的开发试制周期，也带来了显著的时间效益。也正是因为快速成型技术具有突出的经济效益，才使得该项技术一经出现，便得到了制造业的高度重视和迅速而广泛的应用。
6、精度不如传统加工；数据模型分层处理时不可避免的一些数据丢失外加分层制造必然产生台阶误差，堆积成形的相变和凝固过程产生的内应力也会引起翘曲变形，这从根本上决定了RP造型的精度极限。

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。