快速原型技術(shù)是一種涉及多學(xué)科的新型綜合制造技術(shù)挖榜。80年代后卑我，隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用，產(chǎn)品造型和設(shè)計(jì)能力得到極大提高纸藕，然而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后臣锣，批量生產(chǎn)前，必須制出樣品以表達(dá)設(shè)計(jì)構(gòu)想冗炊，快速獲取產(chǎn)品設(shè)計(jì)的反饋信息仓貌，并對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可行性作出評(píng)估、論證刘耀。在市場競爭日趨激烈的今天泉互，時(shí)間就是效益。為了提高產(chǎn)品市場競爭力召藻，從產(chǎn)品開發(fā)到批量投產(chǎn)的整個(gè)過程都迫切要求降低成本和提高速度严钞。快速原型技術(shù)的出現(xiàn)忆某，為這一問題的解決提供了有效途徑点待，倍受國內(nèi)外重視。

　　1　快速原型技術(shù)的基本原理

　　快速原型技術(shù)是用離散分層的原理制作產(chǎn)品原型的總稱弃舒，其原理為：產(chǎn)品三維CAD模型→分層離散→按離散后的平面幾何信息逐層加工堆積原材料→生成實(shí)體模型癞埠。

　　該技術(shù)集計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光加工技術(shù)聋呢、新型材料技術(shù)于一體苗踪，依靠CAD軟件，在計(jì)算機(jī)中建立三維實(shí)體模型，并將其切分成一系列平面幾何信息通铲，以此控制激光束的掃描方向和速度毕莱，采用粘結(jié)、熔結(jié)颅夺、聚合或化學(xué)反應(yīng)等手段逐層有選擇地加工原材料朋截，從而快速堆積制作出產(chǎn)品實(shí)體模型。

　　2　快速原型技術(shù)的加工特點(diǎn)

　　快速原型技術(shù)突破了“毛坯→切削加工→成品”的傳統(tǒng)的零件加工模式吧黄，開創(chuàng)了不用刀具制作零件的先河部服，是一種前所未有的薄層迭加的加工方法。與傳統(tǒng)的切削加工方法相比竖沦，快速原型加工具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)可迅速制造出自由曲面和更為復(fù)雜形態(tài)的零件甸诽，如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等做销，大大降低了新產(chǎn)品的開發(fā)成本和開發(fā)周期所惶。

　　(2)屬非接觸加工，不需要機(jī)床切削加工所必需的刀具和夾具对夹，無刀具磨損和切削力影響桦溃。　　

　〖凇（3）無振動(dòng)呐相、噪聲和切削廢料。

　∨鹌ā（4）可實(shí)現(xiàn)夜間完全自動(dòng)化生產(chǎn)汞小。

　　（5）加工效率高赠懊，能快速制作出產(chǎn)品實(shí)體模型及模具蛛挚。

　　3　快速原型技術(shù)的發(fā)展

　　快速原型技術(shù)概念即RP(Rapid Prototyping Technology)概念的提出可追朔到1979年，日本東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所的中川威雄教授發(fā)明了疊層模型造型法囚企，1980年小玉秀男又提出了光造型法丈咐，該設(shè)想提出后，由丸谷洋二于1984年繼續(xù)研究龙宏，并于1987年進(jìn)行產(chǎn)品試制棵逊。

　　1988年，美國3D Systems公司率先推出快速原型實(shí)用裝置—激光立體造型即SLA(Stereo Lightgraphy Apparatus),并以年銷售增長率為30%～40%的增幅在世界市場出售银酗。近年來辆影，隨著掃描振鏡性能的提高，以及材料科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展黍特，快速原型技術(shù)已日趨成熟蛙讥，并于1994年正式進(jìn)入推廣普及階段锯蛀。

　　按照所用材料的形態(tài)與種類不同，快速原型技術(shù)目前有以下四種類型键菱。

　　3.1　利用激光固化樹脂材料的光造型法

　　光造型裝置一直以美國3D Systems公司的SLA型產(chǎn)品獨(dú)占鰲頭，并形成壟斷市場今布。其工作原理如圖1所示经备。由激光器發(fā)出的紫外光，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)匯集成一支細(xì)光束掩半，該光束在計(jì)算機(jī)控制下瞒脆，有選擇的掃描液激光器掃描鏡升降裝置容器光敏樹脂體光敏樹脂表面，利用光敏樹脂遇紫外光凝固的機(jī)理溉谣，一層一層固化光敏樹脂纺闷，每固化一層后，工作臺(tái)下降一精確距離胧含，并按新一層表面幾何信息使激光掃描器對(duì)液面進(jìn)行掃描需复，使新一層樹脂固化并緊緊粘在前一層已固化的樹脂上，如此反復(fù)费控，直至制作生成一零件實(shí)體模型拓郑。激光立體造型制造精度目前可達(dá)±0.1mm,主要用作為產(chǎn)品提供樣品和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀４送庀膛啵毡镜廴酥茩C(jī)開發(fā)的SOLIFORM可直接制作注射成型模具和真空注塑模具节霸。

　　3.2　紙張疊層造型法

　　紙張疊層造型法目前以Helisys公司開發(fā)的LOM裝置應(yīng)用最廣。該裝置采用專用滾筒紙疑跑，由加熱輥筒使紙張加熱聯(lián)接怒医，然后用激光將紙切斷，待加熱輥筒自動(dòng)離開后奢讨，再由激光將紙張裁切成層面要求形狀稚叹。

　　LOM可制作一些光造型法難以制作的大型零件和厚壁樣件，且制作成本低廉（約為光造型法的1/2）拿诸、速度高（約為木模制作時(shí)間的1/5以下）入录，并可簡便地分析設(shè)計(jì)構(gòu)思和功能。

　　3.3　熔融造型法

　　熔融造型法以美國Stratasys公司開發(fā)的產(chǎn)品FDM(Fused Deposition Modelling)應(yīng)用最為廣泛佳镜。工作時(shí)僚稿，直接由計(jì)算機(jī)控制噴頭擠出熱塑材料并按照層面幾何信息逐層由下而上制作出實(shí)體模型。FDM技術(shù)的最大特點(diǎn)是速度快（一般模型僅需幾小時(shí)即可成型）蟀伸、無污染蚀同，在原型開發(fā)和精鑄蠟?zāi)５确矫娴玫綇V泛應(yīng)用。

　　3.4　熱可塑造型法

　　熱可塑造型法以DTM公司開發(fā)的選擇性激光燒結(jié)即SLS(Selective Laser Sintering)應(yīng)用較多啊掏。該方法是用CO2激光熔融燒結(jié)樹脂粉末的方式制作樣件蠢络。工作時(shí)衰猛，由CO2激光器發(fā)出的光束在計(jì)算機(jī)控制下，根據(jù)幾何形體各層橫截面的幾何信息對(duì)材料粉末進(jìn)行掃描刹孔，激光掃描處粉末熔化并凝固在一起忧绊。然后，鋪上一層新粉末缓贤，再用激光掃描燒結(jié)基列，如此反復(fù)，直至制成所需樣件卿黍。

　　SLS技術(shù)造型速度快（一般制品军笑，僅需1天～2天即可完成）、造型精度高（每層粉末最小厚度約0.07mm,激光動(dòng)態(tài)精度可達(dá)±0.09mm,并具有自動(dòng)激光補(bǔ)償功能）见拴、原型強(qiáng)度高（聚碳酸脂其彎曲強(qiáng)度可達(dá)34.5MPa,尼龍可達(dá)55MPa）擅暴，因此，可用原型進(jìn)行功能試驗(yàn)和裝配模擬馒毙，以獲取最佳曲面和觀察配合狀況项栈。

　　在快速原型技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用方面，美國和日本走在前列疫壕。近年來搁突，我國快速原型技術(shù)的發(fā)展已十分迅速。華中理工大學(xué)在1994年開發(fā)研制成功兩種快速成型系統(tǒng)樣機(jī)HRP和RPS,目前已進(jìn)入商品市場只磷，廣泛應(yīng)用于汽車经磅、玩具、航空航天钮追、造船预厌、軍工等行業(yè)。

　　4　快速原型技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用

　　4.1　快速制模鑄造

　　將需鑄零件的CAD模型轉(zhuǎn)換為快速模殼制造元媚，按模殼每層截面的幾何形狀生成陶瓷模殼然后按快速熔模鑄造方法即可快速制造金屬零件轧叽。此外，可將快速原型技術(shù)制作生成的樣件作為鑄造模具的原模刊棕，實(shí)現(xiàn)零件的快速鑄造炭晒，其過程為：零件CAD三維設(shè)計(jì)→計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析（CFD）→LOM模型制造→熔模鑄造金屬零件。

　　4.2　快速模具制造

　　傳統(tǒng)的模具制造方法周期長甥角、成本高网严，一套簡單的塑料注塑模具其價(jià)值也在10萬元以上。設(shè)計(jì)上的任何失誤反映到模具上都會(huì)造成不可挽回的損失嗤无≌鹗快速原型技術(shù)可精確制作模具的型心和型腔，也可直接用于注射過程制作塑料樣件咸婿，以便發(fā)現(xiàn)和糾正出現(xiàn)的錯(cuò)誤姚转。

　　美國愛達(dá)荷國家工程與環(huán)境試驗(yàn)中心采用快速凝固工藝即RSP技術(shù)實(shí)現(xiàn)了注塑模具的快速經(jīng)濟(jì)制造谋扼。該方法采用快速原型技術(shù)制作的樣件作為母體樣板，通過噴涂到母體樣板的金屬或合金熔滴的沉積制造模具们敢。其工藝過程為：熔融的工具鋼或其它合金被壓入噴嘴咐准，與高速流動(dòng)的隋性氣體相遇而形成直徑約0.05mm的霧狀熔滴，噴向并沉積到母體樣板上慷训，復(fù)制出母樣的表面結(jié)構(gòu)形狀消李，借助脫模劑使沉積形成的鋼制模具與母樣分離，即可制出所需模具巫邻。

　　母樣使用的材料取決于噴涂其上的合金材料猫荤。對(duì)于噴涂工具鋼來說顶山，可選用陶瓷材料溺察，類似材料還有鋁氧粉和氧化鋯可供選擇。該方法制作精度高（噴涂工具鋼時(shí)最小表面涂層可達(dá)0.038mm,制造精度可達(dá)±0.025mm～±0.05mm）刨塔、時(shí)間短（普通模具一周之內(nèi)即可成型）矫评、造價(jià)低（一般為傳統(tǒng)模具制造費(fèi)用的1/2～1/10）。

　　4.3　快速鑄造模具

　　以聚碳酸脂為材料您旁，用SLS快速制出母型烙常，并在母體表面制出陶瓷殼型，焙燒后用鋁或工具鋼在殼內(nèi)進(jìn)行鑄造鹤盒，即得到模具的型心和型腔蚕脏。該方法制作周期不超過4周，制造的模具可生產(chǎn)250000個(gè)塑料制品侦锯。

　　5　結(jié)論

　　快速原型技術(shù)（RP）是采用材料累加思想驼鞭，快速制造產(chǎn)品原型的新型綜合技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械尺碰、汽車挣棕、電器、航天航空亲桥、軍工等幾乎所有的工業(yè)領(lǐng)域洛心，開創(chuàng)了模具快速制造的新時(shí)代，發(fā)展前景廣闊题篷。

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