快速原型制造技术

快速原型制造技术又称快速成形技术。作为一种先进制造技术，自20世纪80年代问世以来得到了迅速发展，并在工程领域得到广泛应用。该技术打破了传统的制造模式，利用离散/堆积的原理，无需任何工、模具，由CAD模型直接驱动，快速完成任意复杂形状的原型和零件，从而大大缩短了新产品开发的周期，极大增强了企业的市场竞争力。

王秀峰，男，1963年8月生，中共党员，工学博士。现任陕西科技大学材料科学与工程学院院长，教授，首批博士生指导教师。他建立了短纤维复合材料强度的体视学表达式；提出了材料在快速原型制造过程中的平面成型设计思想。发表论文50余篇；出版一部学术专著；拥有1项中国专利和1项美国专利的发明人权利。正在主持有关显示材料与技术方面的国家自然科学基金等研究项目。

第1章 概论
第2章 立体印刷成型
第3章 层合实体制造
第4章 选域激光烧结
第5章 溶融沉积造型
第6章 其他技术
第7章 数码累积
第8章 数据处理与软件开发
第9章 实体数据测量与反求
第10章 材料工程原型制造
第11章 快速原型制造技术的应用
参考文献
附录A 快速原型制造技术研究机构、公司、服务机构名录
附录B 英中文术语
后记

书摘
现在快速原型制造技术主要是用于快速直接模具制造和原型间接模具制造。传统制造方法如硅胶模、金属冷喷涂、精密铸造、电铸和离心铸造等方法都被用来和快速原型制造技术相结合生产模具。快速原型制造件还可以直接或间接制得电火花加工(EDM)电极。快速原型制造技术与这些传统制造方法的有效结合，使得复杂零部件的生产周期大大缩短，生产成本下降。
目前国外正大力将快速原型制造技术应用于医学、医疗领域。随着医学水平和医疗手段不断提高，以数字影像技术为特征的临床诊断技术迅速发展，如计算机辅助断层扫描(CT)，核磁
共振成像(MRI)、三维B超等，对人体局部扫描获得的截面图像，用计算机对器官进行三维重建。将这些数据传输到快速原型制造系统便可以建造实体器官模型。
我们正在积极探索古陶瓷快速原型复仿制的可能性，以期借助古陶瓷器型数据库及用数码相机、扫描仪、三维坐标测量仪等反求手段获得的古陶瓷器型数据进行数字化复仿制。
(5)研制经济、精密、可靠、高效的制造设备
大力改进快速原型制造系统，研制工作精度高、可靠性好、效率高而且价廉的制造设备是非常重要的，以解决制造系统昂贵、精度偏低、制品物理性能较差以及使用的原材料有限等问
题。不同的制造设备，要求的数控系统相差甚远。如在掩膜式应用系统中，一般仅需单轴的匀速运动；大多数的立体印刷成型系统、选域激光烧结系统等需两轴联动的控制系统；也有要三轴控制的运动系统，如数码累积、弹道微粒制造等，甚至有需更多轴的控制系统。但对大多数制造系统来说，都是两轴联动的控制系统，在Z轴方向上仅是固定规律的运动控制，这样，就大大简化了对数控系统的要求。
另一方面，也需要考虑制造大型原型或零件的设备。汽车模具中应用最广泛的是大型覆盖件模具，尺寸多在1m左右。实型铸造法制造的汽车覆盖件冲模以及鼓风机覆盖件冲模重量可达几吨至几十吨。美国Stratasys公司推出的FDM 8000可成型的零件尺寸达到457mm×457mm×609mm，清华大学推出的SSM-1600可成型的零件尺寸达到了800mm×l600mm×500mm。但是，大多数情况下，仍需采用拼接等方法解决大型制件问题。

通过分析可知，不论是外凸曲面或者内凹曲面，这种方法所产生的误差都是正误差，即实际轮廓比理论轮廓大。但如果在切割层板时，有意制造一定的负误差，并控制负误差和正误差之比，使二者平均后的总误差最小化，就可以使成型的精度进一步提高。由于误差大小是以正误差和负误差中大的数值进行度量的，因而所产生的原理误差应该是最小的。可以证明，使原理误差最小的切割位置应该在理论轮廓线的切线和弦线之间，如图3—7所示。即用斜切法切割层板时，不需要考虑曲面是外凸的还是内凹的，只需要控制切割位置，就可使原理误差降到最低。

北京隆源自动成型系统有限公司快速原型制造服务中心已为用户加工了200余件铸件熔模或母模。图4-7是试制的红外制导仪观测镜壳体的精铸熔模。客户需要3件合格的铸件产品。该公司完成三维CAD实体模型用了2天，建模过程中发现原图纸有若干处较严重的错误，修改后在AFS-300成型机上用1天时间制作出精铸熔模。交用户7天后得到首件铸件，整个过程只用了12天。用户用该样件画线测量、试装配和后续工装设计，发现有2处装配尺寸需要修改。数据返回后，很方便地在CAD模型上进行了修改，又用8天时间制作了6个熔模，使用了两组收缩率数据。从CAD建模到最后得到合格铸件共40天。
用快速原型制造技术得到的一组人造骨骼的蜡型及型壳。用2．5h首先在选域激光烧结成型机上制得一个塑料样件，通过翻制硅胶模压制了一批蜡模并铸出Ni-Co合金铸件。但用户在使用中发现原设计尺寸偏大，需要缩小尺寸。然后在计算机中方便地按94％的缩比缩小了价尺寸系列，用6h成型出价塑料样件，再通过硅胶模制得小批量的铸件。

三坐标测量仪法，又称探针扫描，利用三坐标测量仪的接触探头飞有各种不同直径和形状的探针)逐点地捕捉样品表面数据。这是目前应用最广的三维模型数字化方法之一。当探头上的探针沿样件表面运动时，样件表面的反作用力使探针发生形变，这种形变通过连接到探针上的三个坐标的弹簧产生位移反应出来，其大小和方向由传感器测出。通过模拟转换，将测出的信号反馈给计算机，通过计算机运算，显示出所测量的三维点的坐，标，并将数据记录下来。一些设备以激光束作为探头，以激光束焦点为探针进行测量。
采用三坐标测量仪可以达到很高的测量精度(±0．5μm)，对被测物体的材质和色泽一般无特殊要求，测量过程较简便。三坐标测量仪法对没有复杂内部型腔、特征几何尺寸多、只有少量特征曲面的零件反求是非常有效的。但是由于这种方法是接触式测量，易于损伤探头和划伤被测样件表面；始终需要人工干预，不可能实现全自动化测量；测量数据点较少，还需要在CAD软件中修改模型或重构模型。三坐标测量仪价格较高，对使用环境也有一定要求，而且测量速度较慢。
9．3．1．1 Renishaw扫描系统
英国Renishaw公司生产的高速、高精度数字化扫描系统有多种不同功能的扫描设备。Retroscan是可在加工中心和数控铣床上装配的扫描系统，易于安装，与大多数本身不配备扫描功能的普通数控系统兼容。Cyclone高速扫描机可以快速采集复杂的二维曲线和三维表面的数据，为模具制造厂提供了一种快速、可靠的将模型转换为零件程序的设备。这种扫描机的扫描测力小，扫描速度快，最高可达140点／min或3n／min，操作简便，非常适合于具有精细表面的模型扫描。
该公司最近还推出了一种用于高速扫描机上的激光扫描系统，可对不宜接触的易碎、软性材料的表面进行快速扫描。激光快速扫描系统的分辨率可达1μm，并有超强的数据过滤功能。所采用的“点云”数据不需进行人工编辑，可节省大量时间。与其他激光扫描系统相比，在正常扫描中，不需人为干预。
Renishaw采用的Tracecut软件是其扫描系统的核心。新版扫描软件与Windows95、98、NT兼容，增加了很多新功能，使扫描系统的操作更加容易。该软件所提供的确定平面、轴向设定和多种工件基准设定功能，使扫描时无需复杂的昂贵夹具。此外该软件提供的多种不同的数据采集方法，使得几乎各种复杂的形状都可以进行扫描。在新版的软件中，还增加了沿着轮廓的法向方向进行扫描、同时定义多个工件基准、用平头的探针进行标定(限CYCLONE扫描机)等功能。Tracecut软件可对模型进行多种数据处理，如阴／阳模转换、比例缩放、镜像、合并等。软件还可对模型的体积进行计算并生成复杂的分型面。Tracecut软件的后置处理功能允许加工时刀具的直径、形状路径和速度与扫描探针的直径、扫描路径和速度完全独立。根据需要还可由Tracecut生成多种不同格式的CAD数据。

采用模具生产零件具有效率高、质量好、节约能源和原材料以及成本低等一系列优点，集中体现了现代先进制造技术实现优质、高效、低耗、清洁生产的思想，已成为当代工业生产的重要手段和工艺发展方向。然而模具的设计与制造是一个多环节、多反复的复杂过程。由于在实际制造和检测前，很难保证产品在成型过程中每一个阶段的性能，所以长期以来模具设计大都是凭经验或使用传统的CAD进行的。要设计和制造出一副适用的模具往往需要经过由设计、制造到试模、修模的多次反复，致使模具制作的周期长、成本高，甚至可能造成模具的报废，难以适应快速增长的市场需要。
快速原型制造技术不仅能适应各种生产类型特别是单件小批的模具生产，而且能适应各种复杂程度的模具制造。它既能制造塑料模具，也能制造金属模具。模具材料还可以强韧化和复合化。例如，快速模具制造工艺能方便地在合金中添加元素或结晶核心改变金属凝固过程，制造复合材料模具，或利用热处理等手段改善和提高模具材料的性能。由于模具是一项技术密集型产品，其设计制造涉及材料、工艺、设备等各种因素，制模周期长，一般中等复杂的注塑模、压铸模、锻模的制造都需要3个月或更长的时间。因此快速原型制造技术一问世，就被迅速应用于模具制造上。
快速原型制造技术模具制造方面的应用可分为直接制模和间接制模，主要用于制造注塑模、冲压模和铸模等。把精密铸造、中间软模过渡法以及金属喷涂、电火花加工、研磨等先进模具制造技术与快速原型制造结合起来，就可以快速地制造出各种简易模具和钢模具来。
对于不同的制造批量，有三种典型的工艺路线。单件、小批量产品制造，可以利用快速原型技术和真空注塑技术，直接制造树脂模具；对于3000件以下中等批量的注塑零件的生产可利用快速制造的原型，采用喷涂技术制造金属冷喷模；对于万件以上的大批量零件的模具生产，可先利用快速原型技术制造石墨电极，再通过电火花加工钢模。
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