本科毕业论文-—快速成型技术的产生和发展.doc

快速成型的产生与发展六安职业技术学院毕业设计（论文）题目 快速成型技术的产生和发展 机电工程系 系 模具设计与制造 专业班 级 模具0901 学生姓名 * 指导教师 * 起迄日期 2011.05.272011.06.15 设计地点 *职业技术学院 【摘要】 近年来，快速成型技术和逆向工程技术发展迅速，尤其是模具制造领域应用非常广泛，将快速成型技术与逆向工程技术相结合，可以在已有样件或原型的基础上进行复制和产品的创新再设计，缩短新产品的设计和研制周期，适应市场的多品种、小批量的快速响应能力。【关键字】：快速成型技术 ；特点；分析；前景- 23 -目 录引言 4 第一章 概述 51.1 快速成型概述5 1.2 快速成型系统的基本工作原理 6 1.3 快速成型制造的发展 6 第二章 RPM技术的原理和特点 7 2.1 RPM技术的原理 8 2.2 RPM技术发热内涵10 2.2.1实体自由成型制造（SFF） 10 2.2.3 离散堆积制造（DCM）112.2.4 即时制造（IM）12 2.2.5 分成制造（LM） 12 2.2.6 材料添加制造（MIM）13 2.3 RPM技术的特点13第三章 几种常用的RPM方法143.1立体光刻（Stereo Lithography Apparatus，SLA） 15 3.2 分层实体制造（Laminated Object Manufacturing，LOM） 16 3.3 选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS） 17 3.4 熔融沉积成形（Fused Deposition Modeling，FDM） 17 3.5 RPM典型工艺比较 18 第四章 RPM技术的发展趋势19 4.1快速模具制造 19 4.2 快速制造金属零件 19 4.3在医学中用于器官模型制作 19 4.4 与反求工程相结合形成快速设计制造闭环系统 20 21 致谢 22 参考文献 23 引 言快速成型(rapid prototyping, RP)技术是在计算机技术、数控技术、激光技术和新材料上的基础上发展起来的一种先进制造技术。它具备如下特点：原形的复制性、互换性高、制造工艺与制造原型的几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优越；加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低50%，加工周期缩短70%以上，高度技术集成，实现了设计制造一体化；制造原型所用的材料不限，各种金属与非金属材料均可使用，因而，得到广泛应用。快速成型技术自80年代问世以来，在成型系统、材料方面有了长足的进步，同时推动了快速制模技术（rapid tooling ，RT）和快速制造技术（rapid manufacturing ，RM）的发展。快速成型技术（RP）是制造技术的一次飞跃，它从成型原理上提出了一个全新点的思维模式，即将计算机辅助设计（CAD），计算机辅助制造（CAM）。计算机数字控制（CNC）、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体，依据计算机构成的工件三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的二维轮廓信息，按照这些轮廓信息由成型头在控制系统的控制下，选择性的固化或切割一层层的成型材料，形成各个截面的轮廓，并逐渐顺序堆加成三维工件。经过十余年的发展，目前已成熟的快速成型技术的与商品化的快速成型机有SLA、LOM、SLS、FDM、及TDP等型号，被广泛地应用于工业和医疗领域，已取得了丰硕的成果。同时快速成型技术还派生了一个全新的领域快速模具制造，以供批量生产塑料件或金属件。例如。可根据RP原型零件复制硬环氧树脂模具，生产塑料件或注塑模；根据RP原型零件复制硅橡胶模具，生产塑料件或注塑模等等。但是由于该技术的成本高，制件的精度、强度和耐久性等方面还不能满足用户的期望，暂时阻碍了RP技术的推广和普及。但是该技术近年来迅速在我国的工业造型、制造、建筑、艺术、医学、航天、考古和影视等领域得到良好的应用。快速自动成型技术为企业提高竞争力提供了一种先进的手段。第一章 概述1.1 快速成型概述21世纪是以知识经济和信息社会为特征的时代，制造业面临信息社会中瞬息万变的市场对其产品小批量多品种要求的严峻挑战。在制造业日趋国际化得状况下，缩短产品开发周期、减少新产品的投资风险和开发成本，已成为企业获取利润和赖以生存的关键。快速成型技术(rapid prototyping, RP)就是直接从计算机设计方案产生三维实体的快速成型技术，涉及机械工程、自动控制、激光、计算机、材料等多个学科，是由现代制造技术迅速发展的需要应运而生的，快速成型技术自20世纪80年代问世以来，在成型系统、材料方面有了长足的进步，同时推动了快速制模（rapid tooling ，RT）、快速制造（rapid manufacturing ，RM）的发展，90年代终末期是RP技术蓬勃发展的阶段。在科技部的领导和支持下，全国先后成立了近10家旨在推广应用RP技术的“快速原型制造技术中心”，863/CIMS课题专家组还将快速成型技术纳入发展项目。因而，该技术近半年迅速在我国的工业造型、制造、建筑、艺术、医学、航天、考古和影视等领域得到良好的应用。快速成型技术是近年来发展起来的直接根据CAD模型快速生产样件或零件的成型技术总称。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。与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD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。快速成型技术把复杂的三维制造转化为二维叠加，在不用模具和工具的条件下，堆积成型几乎任意复杂的零部件，极大的提高了生产效率和制造柔性。快速成型技术发展非常迅速，目前已形成了相当大的市场。与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造技术一起，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、家电等设计制造领域得到了广泛应用。1.2 快速成型系统的基本工作原理RP系统可以根据零件的形状，每次制做一个具有一定微小厚度和特定形状的截面，然后再把它们逐层粘结起来，就得到了所需制造的立体的零件。当然，整个过程是在计算机的控制下，由快速成形系统自动完成的。不同公司制造的RP系统所用的成形材料不同，系统的工作原理也有所不同，但其基本原理都是一样的，那就是分层制造、逐层叠加。这种工艺可以形象地叫做增长法或加法。 每个截面数据相当于医学上的一张CT像片；整个制造过程可以比喻为一个积分的过程。 RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。RP技术的基本原理是：将计算机内的三维数据模型进行分层切片得到各层截面的轮廓数据，计算机据此信息控制激光器（或喷嘴）有选择性地烧结一层接一层的粉末材料（或固化一层又一层的液态光敏树脂，或切割一层又一层的片状材料，或喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂）形成一系列具有一个微小厚度的的片状实体，再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐层堆积成一体，便可以制造出所设计的新产品样件、模型或模具。自美国3D公司1988年推出第一台商品SLA快速成形机以来，已经有十几种不同的成形系统，其中比较成熟的有UV、SLA、SLS、LOM和FDM等方法1.3 快速成型制造的发展国际上首台快速成型机于1987年诞生于美国，是由美国3DSystems公司制造的快速成型系统SLA-1，采用立体光刻法的快速成形制造系统。1998年在我国上海举行的第七届国际模具技术和设备展览会上，美国、日本、德国、新加坡等国都展出了RPM设备。 目前全世界已有2000多台RPM系统投入使用。 我国RPM技术的研究始于1991年。清华大学、西安交通大学、华中科技大学、南京航空航天大学等高校和北京隆源RPM公司、广州中望商业机器有限公司等都 在RPM的研究与应用放面取得了显著成果。清华大学现已开发出“M-RPMS-”型多功能快速成型制造系统，这是我国自主知识产权的世界唯一拥有两种RPM工艺的系统。第二章 RPM技术的原理和特点 2.1 RPM技术的原理快速成型制造技术：是一种基于离散堆积成型思想的新型成型技术，是综合利用CAD 技术、数控技术、激光加工技术和材料技术实现从零件设计到三维实体原型技术实现从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术。RPM的流程图2.2 RPM技术发热内涵RPM技术不是使用一般意义上的模具或刀具，而是利用光、热、电等物理手段实现材料的转移与堆积；原型是通过堆积不断增大，其力学性能不但取决于成型材料本身，而且与从成型材料本身，而且与成型中所施加的能量大小及施加方式有密切关系；在成型工艺控制方面，需要对多个坐标系进行精确的动态控制；RPM技术的不同称谓实体自由成型制造（Solid Freeform Fabrication, SFF） 直接CAD制造（Direct CAD Manufacturing , DCM）离散堆积制造（Dispersed Cumulate Manufacturing ,DCM）即时制造（Instant Manufacturing ,IM）分成制造（Layered Manufacturing，LM）材料添加制造（Material Increase Manufacturing，MIM）2.2.1实体自由成型制造（SFF）SFF它表明RPM技术无需专用的模腔或夹具，零件的形状和结构也相应不受任何约束 。RPM工艺是用逐层变化的截面来制造三维形体，在制造每一层片时都和前一层自动实现联接，不需要专用夹具或工具，使制造成本完全与批量无关，既增加了成型工艺的柔性，又节省了制造工装和专用工具的成本。2.2.2直接CAD制造（DCM）DCM反映了RPM是CAD模型直接驱动，计算机中的CAD模型通过接口软件直接驱动RPM设备，接口软件完成CAD数据向设备数控指令的转化和成型过程的工艺规划，成型设备则像打印机一样“打印”零件，完成三维输出，RPM由于采用了离散/堆积的加工工艺，CAD和CAM能够很顺利地结合在一起，课容易地实现设计与制造一体化。 2.2.3 离散堆积制造（DCM） 离散堆积制造是现代成型学理论中在成型技术发展进行总结的基础上提车的，表明了模型信息处理工程的离散型，强调了成型物理过程的材料堆积性，体现了RPM技术的基本成型原理，具有较强的概括性和适应性。2.2.4 即时制造（IM）IM它反映了RPM技术的响应性。由于无需针对特定零件制定工艺操作规程，也无需要专用夹具和工具，RPM技术制造一个零件的全过程远远短于传统工艺相应过程，使得RPM技术尤其是适合新产品的开发，显示了其适合现代科技发展的快速反应的特征和时代要求。 2.2.5 分成制造（LM） LM是将复杂的三维加工分解成一系列二维层片的加工，着重强调层作为制造单元的特点，每层课采取更低维单元进行累加或高维单元进行加工得到。 2.2.6 材料添加制造（MIM） MIM是将材料单元采用一定方式堆积、叠加成型，有别于车削等基于材料去除原理的传统加工工艺 2.3 RPM技术的特点 快速成型制造系统是与CAD集成的RPMS，属于CIMS的目标产品的范畴，具有以下特点：度柔性，可以制造任意复杂形状的三维实体；CAD模型直接驱动，设计制造高度一体化；型工程无需专用夹具或工具；需人员干预或较少干预，是一种自动化的成型过程；型全过程的快速性；术的高度集中成型，带有鲜明的高新技术特征；第三章 几种常用的RPM方法3.1立体光刻（Stereo Lithography Apparatus，SLA）SLA法 也称为立体印刷，或称为光造型，又称为光敏液相固化法。是基于液态光敏脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长和强度的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。立体光刻的工艺原理3.2 分层实体制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）LOM法 又称为叠层实体制造，或称为层合实体制造法。是事先在薄片材料涂覆上一层热熔胶。加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成形的工件粘结；用CO2激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框；激光切割完成后，工作台带动已成形的工件下降，与带状片材分离；供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域；工作台上升到加工平面；热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚；再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完，得到分层制造的实体零件。分层实体制造的工艺原理3.3 选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）SLS法 又称为选区激光烧结法。它是利用粉末状材料成形的。将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分连接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面。选择性激光烧结的工艺原理3.4 熔融沉积成形（Fused Deposition Modeling，FDM）FDM法 又称为熔丝沉积成形法。所用材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、尼龙等。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出；材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。熔融沉积成形的工艺原理3.5 RPM典型工艺比较光固化成型熔融沉积成型选择性激光烧结分层实体制造优点（1）成型速度极快，成型精度，表面质量高；（2）适合做小件及精细件(1)成型技术种类多，成型样件强度好，能直接制造ABS塑料 (2)尺寸精度较高，表面质量较好，易于装配； （3）材料利用率高；（4）操作环境干净、安全可在办公室环境下进行（1）有直接金属型的概念，可直接得到塑料、蜡或金属件；（2）材料利用率高；造型速度较快（1）成型精度较高；（2）只须对轮廓线进行切割，制做效率高，适合做大件及实体件；（3）制成的样件有类似木质制品的硬度，可进行一定的切削加工。缺点（1）成型后要进一步固化处理；（2）光敏树脂固化后较脆，易断裂，可加工性不好；（3）工作温度不能超过100，成型件易吸湿膨胀，抗腐蚀能力不强（1）成型时间较长（2）做小件和精细件事精度不如SLA（1）成型件强度和表面质量较差，精度低。（2）在后处理中难于保证制件尺寸精度，后处理工艺复杂，样件变型大，无法装配。（1）不适宜做薄壁原型；（2）表面比较粗糙，工件表面有明显的台阶纹，成型后要进行打磨；（3）易吸湿膨胀，成型后要尽快表面防潮处理；（4）工件强度差，缺少弹性。设备购置费用高昂低廉高昂中等保护和日常使用费用激光器优损耗，光敏树脂价格昂贵，运行费用无激光器损耗，材料的利用率高，原材料便宜，运行费用极低。激光器有损耗，材料利用率高，原材料便宜，运行费用居中。激光器有损耗，材料利用率很低，运行费用较高。发展趋势稳步发展飞速发展稳步发展渐趋淘汰应用领域复杂、高精度、艺术用途的精细件塑料件外形和机构设计铸造件设计实心体大件适合行业快速成型服务中心科研院校生产企业铸造行业铸造行业第四章 RPM技术的发展趋势4.1 快速模具制造快速模具（RT）制造主要用于制造铸造模具和塑料模具。1）间接制模用RPM技术制造零件原型，与传统的制模工艺相结合的制模方法。2）直接制模是利用RPM技术将模具直接制造成形，它不需制作原型样件，是一种与传统的制模工艺完全不同的方法。硅橡胶模具4.2 快速制造金属零件RPM技术与铸造技术相结合是由RPM原型转化为金属零件的最佳途径。其方法有通过RPM原型翻制压型、直接复制铸模或烧失型铸造熔模，亦可设计模型直接得到型壳、型芯。采用RPM原型得到烧失型铸造熔模是一种较快的精铸方法。4.3在医学中用于器官模型制作该方法是将以数字成像技术为基础的CT（断层成像）、MRI（核磁共振）等诊断方法与RPM系统相结合，即把所获得的人体扫描的分层截面图像，经计算机三维重建后的数据提供给RPM系统，得到人体局部或内脏器官。这样就可以显示该部位病变情况和实体结构，可用于临床辅助诊断和复杂手术方案的确定，或供教学使用。此外亦可利用RPM原型制作假肢。4.4 与反求工程相结合形成快速设计制造闭环系统在RPM技术中的反求，就是要在现有实物的基础上求出三维的CAD模型。某些产品零件的形状十分复杂，很难在CAD软件上设计出它们的实体模型，因此先制造出小比例的实物模型，再通过对模型测量和数据处理，获得三维实体模型。通过反求工程还可以快速、准确地测量RPM原型，找出产品设计中的不足，重新设计，经过多次反复的迭代使产品更加完善。结束语踉踉跄跄地忙碌了一个多月，我的毕业设计课题也终于将告一段落。从开始接到论文题目到论文文章的完成，每走一步对我来说都是新的尝试与挑战。在这段时间里，我学到了很多知识也有很多感受，我努力使自己非常稚嫩作品一步步完善起来，每一次改进都是我努力的收获，每一次在论文上的收获对我都是一种很大的激励。虽然我的论文作品不是很成熟，还是有很多不足之处，但经过自己的不断修改，最终也达到了所要求的设计目的。也许因为能力和时间的关系，总是觉得有很多不尽人意的地方，譬如内容空缺、所涉及的知识面有限、不能明确的突出论文主题思想等。但我可以自豪的说，这次毕业论文设计的过程对我虽是一种考验，但同时又是一种莫大的收获。我相信其中的酸甜苦辣最终都会化为甜美的甘泉。毕业设计，也许是我大学生涯交上的最后一个作业了。想此次机会感谢三年以来给我帮助的所有老师、同学，你们的友谊是我人生的财富，是我生命中不可或缺的一部分。特别要感谢我的毕业指导老师*老师，他教学严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作学习的榜样。虽然自己在写论文时会出现许多不该出现的问题及错误，但他却能以一位长辈的风范来容谅我的无知和冲动，给我不厌其烦的指导。这篇论文的每个实验细节和每个数据，都离不开你的细心指导。在此，特向他道声谢谢。 这次做论文的经历也会使我终身受益，我感受到做论文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没有自己的研究，就不会有所突破，那也就不叫论文了。希望这次的经历能让我在以后学习中激励我继续进步。大学生活即将匆匆忙忙地过去，但我却能无悔地说：“我曾经来过。”大学三年，但它给我的影响却不能用时间来衡量，这三年以来，经历过的所有事，所有人，都将是我以后生活回味的一部分，是我为人处事的指南针。就要离开学校，走上工作的岗位了，这是我人生历程的又一个起点，在这里祝福大学里跟我风雨同舟的朋友们，一路走好，未来总会是绚烂缤纷。致谢大学三年学习时光已经接近尾声，在此我想对我的母校，我的父母、亲人们，我的老师和同学们表达我由衷的谢意。 感谢我的家人对我大学三年学习的默默支持；感谢我的母校*职业技术学院给了我在大学三年深造的机会，让我能继续学习和提高；感谢*职业技术学院的老师和同学们三年来的关心和鼓励。老师们课堂上的激情洋溢，课堂下的谆谆教诲；同学们在学习中的认真热情，生活上的热心主动，所有这些都让我的三年充满了感动。 这次毕业论文设计我得到了很多老师和同学的帮助，首先诚挚的感谢我的论文指导老师*，老师对我的关心和支持尤为重要。每次遇到难题，我最先做的就是向*老师寻求帮助，而孔老师每次不管忙或闲，总会抽空给我讲解，然后一起商量解决的办法。孔老师平日里工作繁多，但我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等各个环节中都给予了我悉心的指引与教导。使我得以最终完成毕业论文设计。在学习中,老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，老师们的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神，将永远激励着我。在此，谨向孔老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 同时，本篇毕业论文的写作也得到了黄浩、吴烈才等同学的热情帮助。感谢在整个毕业设计期间和我密切合作的同学，和曾经在各个方面给予过我帮助的伙伴们，在此，我再一次真诚地向帮助过我的老师和同学表示感谢！ 最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人论文答辩的各位老师表示感谢。 祝母校蒸蒸日上，永创辉煌！参考文献1 郭铁良.模具制造工艺学.高等教育出版社，2009.012 黄树槐.快速原型制造技术的进展.中国机械工程,1997.053 卢晨.铸造模样计算机辅助快速制造系统.铸造,1997.034 杨占尧.利用快速成型与硅胶模技术远程制造塑料件.工程塑料应用,2001.025 李涤尘.快速成型技术发展方向探讨.制造技术与机床,2000.086 毛宽民.一种新型的快速原型技术激光三维内割技术.21世纪新产品快速开发技术论文集,20007 王学让.快速成型理论与技术.北京航空工业出版社,2001.098 王运赞.快速成型技术.武汉华中理工大学出版社,1999.079 朱林泉.快速成型制造技术.北京国防工业出版社,2003.0110 孙金平.快速成型技术.哈尔滨工业大学威海材料学院出版,2010.0311 卢秉恒.21世纪新产品快速开发技术.陕西科技出版社,2000.06