隨著科技進(jìn)步和全球市場一體化的形成，現(xiàn)在工業(yè)正面臨產(chǎn)品的生命周期越來越短的問題，作為一種新產(chǎn)品開發(fā)的重要手段，快速成型能夠迅速將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)。它為零件原型制作、新設(shè)計(jì)思想的校驗(yàn)等方面提供了一種高效低成本的實(shí)現(xiàn)手段，提高產(chǎn)品研發(fā)的效率。
1.快速成型技術(shù)原理
在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師往往希望能快速由三維CAD模型，得到產(chǎn)品的實(shí)物模型，快速成型技術(shù)可以滿足這種需求?？焖俪尚停≧apid Prototyping,RP）技術(shù)是一種基于離散/堆積成型思想的新型成型技術(shù)，它根據(jù)零件或物體的三維模型數(shù)據(jù)，快速、精確地制造出零件或物體的實(shí)體模型?？焖俪尚芜^程可以分為離散和堆積兩個(gè)過程。設(shè)計(jì)者借助三維CAD軟件直接設(shè)計(jì)，或用實(shí)體反求工程（Reverse Engineering,RE）采集原型的幾何形狀、結(jié)構(gòu)和材料的組合信息，得到樣品的三維模型，離散過程將制件CAD模型沿某一方向（如Z方向）離散為一系列的二維層面(稱為分層或切片)，得到一系列的二維平面信息(截面信息)；分層后的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，根據(jù)不同工藝的要求將這些信息與數(shù)控(CNC)成型技術(shù)相結(jié)合，生成CNC代碼；在微機(jī)控制下，數(shù)控系統(tǒng)以平面加工方式，有序地連續(xù)加工出每個(gè)薄層，并使它們自動(dòng)粘接而成型，從而構(gòu)成一個(gè)與CAD模型相對應(yīng)的三維實(shí)體模型，這就是堆積的過程。
2.關(guān)鍵技術(shù)
2.1 制造工藝
目前， 世界上已有幾十種不同的快速成型工藝方法， 比較成熟的就有十余種。其中光固化成型法(Stereo Lithography Apparatus,SLA)、疊層實(shí)體制造法(Laminated Object Manufacturing,LOM)、熔融沉積法(Fused Deposition Modeling,FDM)、選擇性激光燒結(jié)法(Selective Laser Sintering,SLS) 和3DP (Three Dimensional Printing and Gluing,也稱3DPG)五種方法，在世界范圍內(nèi)應(yīng)用最為廣泛。
對于RP制造工藝的研究，一方面是在原有技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，另一方面是研究新的成型技術(shù)。新的成型方法，如三維微結(jié)構(gòu)制造、生物活性組織的工程化制造、激光三維內(nèi)割技術(shù)、層片曝光方式等。
2.2 成型材料
成型材料是決定快速成型技術(shù)發(fā)展的基本要素之一，它直接影響到原型的精度、物理化學(xué)性能以及應(yīng)用等。與RP 制造的4 個(gè)目標(biāo)( 概念型、測試型、模具型、功能零件) 相適應(yīng), 使用的材料不同，概念型對材料成型精度和物理化學(xué)特性要求不高，主要要求成型速度快。如對光固化樹脂，要求較低的臨界曝光功率、較大的穿透深度和較低的粘度。測試型對于材料成型后的強(qiáng)度、剛度、耐溫性、抗蝕性等有一定要求，以滿足測試要求。如果用于裝配測試，則對于材料成型的精度還有一定要求。模具型要求材料適應(yīng)具體模具制造要求，如對于消失模鑄造用原型，要求材料易于去除。快速功能零件要求材料具有較好的力學(xué)性能和化學(xué)性能。從解決的方法看，一個(gè)是研究專用材料以適應(yīng)專門需要；另一個(gè)是根據(jù)用途分類，研究幾類通用材料以適應(yīng)多種需要。
目前應(yīng)用較多的成型材料及其形態(tài)有液態(tài)樹脂類、金屬或陶瓷粉末類、紙、塑料薄膜或金屬片( 箔) 類等，現(xiàn)有材料存在成本高、過程工藝要求高、制成成型的表面質(zhì)量與內(nèi)在性能還欠理想等不足。進(jìn)一步的研究應(yīng)包括開發(fā)成本與性能更好的新材料、開發(fā)可以直接制造最終產(chǎn)品的新材料、研究適宜快速成型工藝及后處理工藝的材料形態(tài)、探索特定形態(tài)成型材料的低成本制備技術(shù)、造型材料新工藝等。
2.3 加工精度
影響成型件精度的主要因素有兩方面：一是由CAD模型轉(zhuǎn)換成STL格式文件以及隨后的切片處理所產(chǎn)生的誤差；二是成型過程中制件翹曲變形，成型后制件吸入水分，以及由于溫度和內(nèi)應(yīng)力變化等所造成的無法精確預(yù)計(jì)的變形。
為了解決第一類問題，正在研制直接切片軟件和自適應(yīng)切片軟件。所謂直接切片是不將CAD模型轉(zhuǎn)換成STL格式文件，而直接對CAD模型進(jìn)行切片處理，得到模型的各截面層輪廓信息，從而可以減少三角面近似化帶來的誤差，所謂自適應(yīng)切片是快速成型機(jī)能根據(jù)成型零件表面的曲率和斜率自動(dòng)調(diào)整切片的厚度，從而得到高品質(zhì)的光滑表面。
為解決第二類問題，正在研究、開發(fā)新的成型方法、新的成型材料及成型件表面處理方法，使成型過程中制件的翹曲變形小，成型后能長期穩(wěn)定不變形。
2.4 與RP技術(shù)相關(guān)軟件
軟件是RP系統(tǒng)的靈魂，其中作為CAD到RP接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理軟件是其關(guān)鍵。不同CAD系統(tǒng)所采用的內(nèi)部數(shù)據(jù)格式不同，RP系統(tǒng)無法一一適從，這就要求有一種中間數(shù)據(jù)格式既便RP系統(tǒng)接受又便于不同CAD系統(tǒng)生成，STL(Stereo Lithography)格式應(yīng)運(yùn)而生了，STL文件是用大量空間小三角形面片來近似逼近實(shí)體模型。由于STL格式具有易于轉(zhuǎn)換、表示范圍廣、分層算法簡單等特點(diǎn)，為大多數(shù)商用快速成形系統(tǒng)所采用，現(xiàn)己成為快速成形行業(yè)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
3.快速成型技術(shù)的應(yīng)用
3.1 在外觀及人機(jī)評價(jià)中的應(yīng)用
新產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)計(jì)階段，雖然可借助設(shè)計(jì)圖紙和計(jì)算機(jī)模擬，但并不能展現(xiàn)原型，往往難以做出正確和迅速的評價(jià)，設(shè)計(jì)師可以通過制作樣機(jī)模型達(dá)到檢驗(yàn)的目的。傳統(tǒng)的模型制作中主要采用的是手工制作的方法，制作工序復(fù)雜，手工制作的樣機(jī)模型不僅工期長，而且很難達(dá)到外觀和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的精確尺寸，因而其檢查外觀及人機(jī)設(shè)計(jì)合理性的功能大打折扣。快速成型設(shè)備制作的高精度、高品質(zhì)樣機(jī)與傳統(tǒng)的手工模型相比較可以更直觀地以實(shí)物的形式把設(shè)計(jì)師的創(chuàng)意反映出來，方便產(chǎn)品的外觀造型和人機(jī)特性評價(jià)。
現(xiàn)在的快速成型加工得到的成型件都是單一顏色，顏色主要由材料決定，為了對產(chǎn)品色彩外觀進(jìn)行評價(jià)，有時(shí)需要手工涂色，隨著彩色成型技術(shù)的發(fā)展，這方面的問題可以解決。人機(jī)評價(jià)主要包括成型件尺寸及操作宜人性，快速成型可以很好地滿足這方面的要求。
3.2 在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)評價(jià)中的應(yīng)用
通過快速成型制成的樣機(jī)和實(shí)際產(chǎn)品一樣是可裝配的，所以它能直觀地反映出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理與否，安裝的難易程度，使結(jié)構(gòu)工程師可以及早發(fā)現(xiàn)和解決問題。由于模具制造的費(fèi)用一般很高，比較大的模具往往價(jià)值數(shù)十萬乃至幾百萬，如果在模具開出后發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)不合理或其他問題，其損失可想而知。而應(yīng)用快速成型技術(shù)的樣機(jī)制作可以把問題解決在開出模具之前，大大提高了產(chǎn)品開發(fā)的效率。
3.3 與反求工程結(jié)合
反求工程(Reverse Engineering,RE)也稱逆向工程，就是用一定的測量手段對實(shí)物或模型進(jìn)行測量，然后根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法重建實(shí)物的CAD數(shù)字模型，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造過程。對于大多數(shù)產(chǎn)品來說，可以在通用的三維CAD軟件上設(shè)計(jì)出它們的三維模型，但是由于對某些因素，如對功能、工藝、外觀等的考慮，一些零件的形狀十分復(fù)雜，很難在CAD軟件上設(shè)計(jì)出它們的實(shí)體模型，在這種情況下，可以通過對模型測量和數(shù)據(jù)處理，獲得三維實(shí)體模型。
作為一種新產(chǎn)品開發(fā)以及消化、吸收先進(jìn)技術(shù)的重要手段，反求工程和快速成型技術(shù)可以勝任消化外來技術(shù)成果的要求。對于已存在的實(shí)體模型，可以先通過反求工程，獲取模型的三維實(shí)體，經(jīng)過對三維模型處理后，使用快速成型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速復(fù)制，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，大大提高產(chǎn)品的開發(fā)效率。
快速成型技術(shù)可以大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，滿足產(chǎn)品的個(gè)性化、多樣化需求，在工業(yè)設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。但由于該技術(shù)的制作精度、強(qiáng)度和耐久性還不能滿足工程實(shí)際的需要，加之設(shè)備的運(yùn)行及制作成本高，一定程度上制約著RP技術(shù)的普遍推廣。隨著研究的不斷深入，制約快速成型發(fā)展的因素會(huì)逐步解決，應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)不斷得到拓展。
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