1.快速成形的基本理論
快速成型屬于離散/堆積成型。它從成型原理上提出一個全新的思維模式,即將計算機上制作的零件三維模型,進行網(wǎng)格化處理并存儲,對其進行分層處理,得到各層截面的二維輪廓信息,按照這些輪廓信息自動生成加工路徑,由成型頭在控制系統(tǒng)的控制下,選擇性地固化或切割一層層的成型材料,形成各個截面輪廓薄片,并逐步順序疊加成三維坯件,然后進行坯件的后處理,形成零件。
2.快速成形工藝過程及特點
1)工藝過程
(1)產(chǎn)品三維模型的構建。由于RP系統(tǒng)是由三維CAD模型直接驅動,因此首先要構建所加工工件的三維CAD模型。該三維CAD模型可以利用計算機輔助設計軟件(如Pro/E,I-DEAS,Solid Works,NX等)直接構建,也可以將已有產(chǎn)品的二維圖樣進行轉換而形成三維模型,或對產(chǎn)品實體進行激光掃描、CT斷層掃描,得到點云數(shù)據(jù),然后利用反求工程的方法來構造三維模型。
(2)三維模型的近似處理。由于產(chǎn)品往往有一些不規(guī)則的自由曲面,加工前要對模型進行近似處理,以方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作。由于STL格式文件格式簡單、實用,目前已經(jīng)成為快速成型領域的準標準接口文件。它是用一系列的小三角形平面來逼近原來的模型,每個小三角形用3個頂點坐標和一個法向量來描述,三角形的大小可以根據(jù)精度要求進行選擇。STL文件有二進制碼和ASCⅡ碼兩種輸出形式,二進制碼輸出形式所占的空間比ASCⅡ碼輸出形式的文件所占用的空間小得多,但ASCⅡ碼輸出形式可以閱讀和檢查。典型的CAD軟件都帶有轉換和輸出STL格式文件的功能。
(3)三維模型的切片處理。根據(jù)被加工模型的特征選擇合適的加工方向,在成型高度方向上用一系列一定間隔的平面切割近似后的模型,以便提取截面的輪廓信息。間隔一般取0.05mm~0.5mm,常用0.1mm。間隔越小,成型精度越高,但成型時間也越長,效率就越低,反之則精度低,但效率高。
(4)成型加工。根據(jù)切片處理的截面輪廓,在計算機控制下,相應的成型頭(激光頭或噴頭)按各截面輪廓
(5)成型零件的后處理。從成型系統(tǒng)里取出成型件,進行打磨、拋光,或放在高溫爐中進行后燒結,進一步提高其強度。
成型過程示意圖
2)特點:
(1)可以制造任意復雜的三維幾何實體。由于采用離散/堆積成型的原理,它將一個十分復雜的三維制造過程簡化為二維過程的疊加,可實現(xiàn)對任意復雜形狀零件的加工。越是復雜的零件越能顯示出RP技術的優(yōu)越性此外,RP技術特別適合于復雜型腔、復雜型面等傳統(tǒng)方法難以制造甚至無法制造的零件。
(2)快速性。通過對一個CAD模型的修改或重組就可獲得一個新零件的設計和加工信息。從幾個小時到幾十個小時就可制造出零件,具有快速制造的突出特點。
(3)高度柔性。無需任何專用夾具或工具即可完成復雜的制造過程,快速制造零件。
(4)快速成型技術實現(xiàn)了機械工程學科多年來追求的兩大先進目標,即材料的提。、液固相)過程與制造過程一體化和設計(CAD)與制造(CAM)一體化。
(5)與反求工程(Reverse Engineering)、CAD技術、網(wǎng)絡技術、虛擬現(xiàn)實等相結合,成為產(chǎn)品決速開發(fā)的有力工具。
因此,快速成型技術在制造領域中起著越來越重要的作用,并將對制造業(yè)產(chǎn)生重要影響。
3.快速成形分類
快速成型技術根據(jù)成型方法可分為兩類:基于激光及其他光源的成型技術(Laser Technology),例如:光固化成型(SLA)、分層實體制造(LOM)、選域激光粉末燒結(SLS)、形狀沉積成型(SDM)等;基于噴射的成型技術(Jetting Technoloy),例如:熔融沉積成型(FDM)、三維印刷(3DP)、多相噴射沉積(MJD)。下面對其中比較成熟的工藝作簡單的介紹。
1)SLA(Stereo Lithography Apparatus)方法是目前快速成型技術領域中研究得最多的方法,也是技術上最為成熟的方法。SLA工藝成型的零件精度較高,加工精度一般可達到0.1mm,原材料利用率近100%。但這種方法也有自身的局限性,比如需要支撐、樹脂收縮導致精度下降、光固化樹脂有一定的毒性等。
2)LOM(Laminated Object Manufacturing)工藝LOM工藝稱疊層實體制造或分層實體制造,采用薄片材料,如紙、塑料薄膜等。
LOM工藝只需在片材上切割出零件截面的輪廓,而不用掃描整個截面。因此成型厚壁零件的速度較快,易于制造大型零件。工藝過程中不存在材料相變,因此不易引起翹曲變形。工件外框與截面輪廓之間的多余材料在加工中起到了支撐作用,所以LOM工藝無需加支撐。缺點是材料浪費嚴重,表面質(zhì)量差。
3)SLS(Selective Laser Sintering)工藝SLS工藝稱為選域激光燒結,由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。SLS工藝是利用粉末狀材料成型的。
SLS工藝的特點是材料適應面廣,不僅能制造塑料零件,還能制造陶瓷、蠟等材料的零件,特別是可以制造金屬零件。這使SLS工藝頗具吸引力。SLS工藝無需加支撐,因為沒有燒結的粉末起到了支撐的作用。
4)3DP(Three Dimension Printing)工藝三維印刷工藝是美國麻省理工學院E-manual Sachs等人研制的。已被美國的Soligen公司以DSPC(Direct Shell Production Casting)名義商品化,用以制造鑄造用的陶瓷殼體和型芯。
3DP工藝與SLS工藝類似,采用粉末材料成型,如陶瓷粉末、金屬粉末。所不同的是材料粉末不是通過燒結連結起來的,而是通過噴頭用粘結劑(如硅膠)將零件的截面“印刷”在材料粉來上面。用粘結劑粘接的零件強度較低,還須后處理。先燒掉粘結劑,然后在高溫下滲人金屬,使零件致密化,提高強度。
5)FDM(Fused Depostion Modeling)工藝熔融沉積制造(FDM)工藝由美國學者Scott Crump于1988年研制成功。FDM的材料一般是熱塑性材料,如ABS、PC,尼龍等。以絲狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動,同時將熔化的材料擠出,材料迅速凝固,并與周圍的材料凝結。
工藝原理圖
4.應用領域
輕工業(yè)、重工業(yè)、醫(yī)療等,主要用于新品的開發(fā)與驗證。
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