【文章內(nèi)容簡介】 技術(shù)采用分層制造原理，將任意復(fù)雜的三維幾何實體，沿某一確定方向用平行的截而去依次截取厚度為s的制造單元，再將這些厚度為s的制造單元疊加起來，形成原來的三維實體，這樣就將三維問題轉(zhuǎn)化為二維問題，從而降低了處理的難度，同時又不受零件復(fù)雜程度的限制。而傳統(tǒng)的加工方法則截然相反，甚至有些復(fù)雜的零件無法用傳統(tǒng)方法加工。其二是產(chǎn)品的價格幾乎與產(chǎn)品批量無關(guān)。傳統(tǒng)的方法則不同，單件或小批量生產(chǎn)時，制件造價很貴，而大批量生產(chǎn)時，制件價格將大大下降。這主要是由于傳統(tǒng)加工方法所需要的工裝夾具、刀具和模具等的費用可由大批量來分擔(dān)而使制件價格下降。而快速成型技術(shù)不需要準(zhǔn)備工裝夾具，直接用CA D軟件驅(qū)動，生產(chǎn)周期短，很適宜制造小批量零件?；诳焖俪尚图夹g(shù)的上述特點、該技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)、航空航大、電器、藝術(shù)、玩具等各個行業(yè)?？焖僭图夹g(shù)成功地解決了CAD三維造型中“看得見，摸不著”的問題。人們在進(jìn)行快速原型技術(shù)研究的同時，也在探索它的實際應(yīng)用。目前快速原型技術(shù)用于以下幾個方面： （1）原型制造為提高設(shè)計質(zhì)量，縮短生產(chǎn)試制周期，RP技術(shù)成型系統(tǒng)可以在幾個小時或數(shù)大內(nèi)將設(shè)計人員的圖紙或CAD模型轉(zhuǎn)變成看得見、摸得著的實體模型。這樣可以根據(jù)設(shè)計的原型進(jìn)行設(shè)計評定和功能驗證(如產(chǎn)品形狀的驗證、設(shè)計缺陷的發(fā)現(xiàn)和更改、對產(chǎn)品尺寸和相互裝配關(guān)系的驗證等)，迅速取得用戶對設(shè)計的反饋信息，同時也有利于產(chǎn)品設(shè)計者對產(chǎn)品的理解，從而合理確定產(chǎn)品的生產(chǎn)方式、工藝過程與制造費用。（2）小批量、特殊零件的制造加工在制造業(yè)領(lǐng)域，經(jīng)常遇到小批量及特殊零件的生產(chǎn)。這類零件加工周期長，成木高，對于某些形狀復(fù)雜零件，甚至無法制造。采用快速成型技術(shù)可經(jīng)濟(jì)地實現(xiàn)小批量和形狀復(fù)雜零件的制造。以精密鑄造用蠟為原料，直接成型精密鑄造蠟?zāi)?，再通過傳統(tǒng)精密鑄造方法制造金屬零件；以消失性聚合物為原料成型消失模，再用特殊的消失模鑄造工藝鑄造金屬零件；以復(fù)合陶瓷為原材料，直接成型鑄造型殼，再鑄造金屬零件，以快速成型的原型為母模，翻印其他模具，澆注出所需要的零件。（3）快速模具制造隨著快速成型技術(shù)的發(fā)展，人們?yōu)榱瞬捎眠@種技術(shù)來制造模具，發(fā)展了許多新工藝。幾乎所有快速成型技術(shù)都可以直接或間接用幾模具的制造，以便大批量生產(chǎn)形狀復(fù)雜件。這些新的模具制造技術(shù)的特點在于用快速成型技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，相互補充，使得技術(shù)先進(jìn)、制件成本低廉、設(shè)計周期縮短。從模具的概念設(shè)計到出模，僅需要傳統(tǒng)加工方法所需要時間的1/ 3和成木的1/ 4左右。模具的幾何復(fù)雜程度越高，這種經(jīng)濟(jì)效益越明顯?！?（4）在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)CT斷層掃描等獲取的人體掃描的分層截面數(shù)據(jù)，輸入到計算機(jī)三維重構(gòu)軟件中構(gòu)造出三維模型，經(jīng)快速原型加工就能制造出人體器官的模型，用于診斷、康復(fù)和醫(yī)學(xué)教學(xué)使用。最近，快速成形技術(shù)因其不可比擬的優(yōu)勢而被用來進(jìn)行組織工程材料的人體器官誘導(dǎo)成形研究組織工程材料是與生命體相容的、能夠參與生命體代謝并在一定時間內(nèi)逐漸降解的特種材料。用快速成形技術(shù)并采用這種材料制成的細(xì)胞載體框架結(jié)構(gòu)能夠創(chuàng)造一種微環(huán)境，以利細(xì)胞的粘附、增殖和功能發(fā)揮。它是一種極其復(fù)雜的非均質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)，是一種充滿生機(jī)的蛋白和細(xì)胞活動、繁衍的環(huán)境。在新的組織、器官生長完畢后，組織工程材料隨代謝而降解、消失。在細(xì)胞載體框架結(jié)構(gòu)支撐下生長的新器官完全是天然器官。這一技術(shù)將為人們的健康提供更強有力的保證?？焖僭图夹g(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用很有前景，發(fā)達(dá)國家已把它作為快速成型應(yīng)用方面的主要研究之一。　 （5）航天技術(shù)領(lǐng)域空氣動力學(xué)地面模擬實驗(即風(fēng)洞實驗)是設(shè)計性能先進(jìn)的天地往返系統(tǒng)(即航天飛機(jī))所必不可少的重要技術(shù)環(huán)節(jié)。該實驗中所用的比較模型由國家統(tǒng)一制定，該模型形狀復(fù)雜、精度要求高、又具有流線型特征，采用該技術(shù)，根據(jù)嚴(yán)格的CAD模型，由RP設(shè)備自動完成模型，是能夠保證其質(zhì)量的。（6）在建筑上的應(yīng)用建筑設(shè)計上，RP技術(shù)可以制作建筑物模型(如大樓、橋梁等)，幫助設(shè)計師進(jìn)行設(shè)計評價和最終方案的確定。在古建筑的恢復(fù)上，可以根據(jù)圖片記載，用RP技術(shù)復(fù)制原建筑。（7）與美學(xué)有關(guān)的各工程領(lǐng)域 快速原型技術(shù)對一切有美學(xué)需要的設(shè)計，如轎車、建筑、橋梁、燈飾等是一種重要工具，它可將設(shè)計者的構(gòu)思迅速表達(dá)成三維實體，便于設(shè)計修改和再創(chuàng)作。此外，RP技術(shù)還可應(yīng)用到首飾、燈飾和三維地圖的設(shè)計制作等方面。由此可見，快速成型技術(shù)的應(yīng)用十分的廣闊。 1988年，第一套快速成形機(jī)誕生于美國3D系統(tǒng)公司。1991年，有關(guān)快速原型工藝的研究己趨于成熟，但其中大部分仍處于準(zhǔn)商業(yè)化階段，直到1993年美國3D系統(tǒng)公司研制的SL(Sterolithography)工藝成功實現(xiàn)商業(yè)化，快速原型技術(shù)才開始受到廣泛關(guān)注。美國在該技術(shù)領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位，新工藝、新材料的研究和開發(fā)都是在美國首先出現(xiàn)。日本和歐洲等發(fā)達(dá)工業(yè)國家也投入了大量資金進(jìn)行研究和開發(fā)。世界上已形成強勁的快速原型熱，發(fā)展十分迅猛。根據(jù)美國Wohlers Associates咨詢公司調(diào)查報告，快速原型設(shè)備平均年銷售以62%的速度增長，其發(fā)展速度超過了目前相當(dāng)普及的CNC技術(shù)在相同發(fā)展時期的發(fā)展速度。目前，世界上有200多家機(jī)構(gòu)開展了RPM及相關(guān)技術(shù)的研究。其研究內(nèi)容涉及到新的工藝方法、新材料的開發(fā)、快速模具制造、制件精度、CAD建模軟件及新應(yīng)用等方面。歸結(jié)如下:（1）新工藝的研究。涌現(xiàn)了一些新的成形方法，如多種材料組成的熔融沉積成型、層掃描光固化、直接光成型、光成型表面光順工藝等。另外，也在研究新的成形機(jī)理，以進(jìn)一步完善RPM技術(shù)，降低成本，提高成形精度和縮短成形時間。（2）新材料的開發(fā)。研制成本低、易成形、變形小、強度高、無污染的成形材料。特別是復(fù)合材料，如納米材料、非均質(zhì)材料等。降低成形材料的成本，開發(fā)新的更便宜的材料。(3) CAD建模。研究基于測量與曲面擬合的集成系統(tǒng)，將分離的測量與曲面擬合過程集成在一起，對測量結(jié)果實時擬合，用擬合結(jié)果指導(dǎo)測量，減少測量數(shù)據(jù)，提高建模精度:開發(fā)高精度的、具有自動診斷和修復(fù)功能的三維重構(gòu)數(shù)據(jù)處理軟件，提高了實體建模的自動化程度和通用性。(4)提高制件的成形精度。除了對新材料、新工藝兩方面的研究外，還對制件的表面處理方法進(jìn)行了研究，以使成形過程中制件的翹曲變形小，成形后能長期穩(wěn)定不變形。我國在快速原型技術(shù)的研究與應(yīng)用起步較晚，與國外還有不小的差距，我國快速原型技術(shù)方面的研究始于90年代初期。，至此標(biāo)志著這一研究方向在我國開始受到重視并迅速地發(fā)展。 RP技術(shù)在我國的發(fā)展經(jīng)歷了3個階段。第一階段(1992年—1994年)是起步跟蹤階段。這一階段主要是消化、吸收國外的先進(jìn)技術(shù)。第二階段(1995年—1998年)是發(fā)展創(chuàng)新階段。主要體現(xiàn)在如下方面:(1)比較成熟地掌握了SLA(Sterolithography Apparatus)、SLS(Selective Laser Sintering)、FDM(Fused Deposition Modeling)、LOM(Laminated Object Manufacturing)等4種主要技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)能力。2)在技術(shù)原理、成形精度控制技術(shù)、參數(shù)優(yōu)化等方面的研究取得了比較明顯的進(jìn)步。如:清華大學(xué)提出了關(guān)于制造維數(shù)的概念，西安交通大學(xué)提出了“增材制造”的理論以及華中理工大學(xué)對于數(shù)據(jù)重構(gòu)原理都有較為深入的研究。(3)成形材料的陸續(xù)國產(chǎn)化研究工作己開始進(jìn)行。第三階段是初級產(chǎn)業(yè)化階段(1998年至今)，根據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)現(xiàn)有RPM設(shè)備約100臺，其中，國產(chǎn)設(shè)備50臺左右，可以說，正進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化的初級階段。 近年來，RP 技術(shù)在我國得到快速發(fā)展，許多高校、院所進(jìn)行了積極的研究，比較著名的有清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)等。例如我國西安交通大學(xué)承擔(dān)了國家“十五”攻關(guān)項目“基于快速成型的金屬噴涂大型模具快速制造集成系統(tǒng)”和國家863計劃項目“面向產(chǎn)品開發(fā)的快速模具制造集成技術(shù)及設(shè)備”。主要任務(wù)是通過技術(shù)攻關(guān)，形成以快速原型技術(shù)和金屬電弧噴涂技術(shù)為核心的模具快速制造集成系統(tǒng)，并在企業(yè)內(nèi)建立應(yīng)用示范，已經(jīng)取得成功。本成果在西安交通大學(xué)、中國一拖集團(tuán)模具廠建立了應(yīng)用試驗基地。已經(jīng)為比亞迪汽車公司、長安汽車公司、一拖集團(tuán)等企業(yè)提供技術(shù)服務(wù)，同時通過一拖集團(tuán)模具公司實現(xiàn)了成果轉(zhuǎn)化，初步形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。一拖集團(tuán)模具廠在成功應(yīng)用本成果技術(shù)實現(xiàn)其新型收割機(jī)覆蓋件沖壓模具制造基礎(chǔ)上，正著手將本成果技術(shù)應(yīng)用到其新型重型卡車駕駛室模具的開發(fā)中去，希望以金屬噴涂模具取代鋼模具完成中小批量生產(chǎn)任務(wù)。我國在快速成型機(jī)的研制方面也取得很大的成績，例如陜西恒通智能機(jī)器有限公司自1997年開發(fā)并銷售出國內(nèi)首臺光固化快速成型機(jī)LPS600以來，已經(jīng)開發(fā)出氣體、固體激光快速成型機(jī)、紫外光快速成型機(jī)等7種型號10余個規(guī)格的快速成型與模具制造設(shè)備，以及9種型號的配套光敏樹脂。穩(wěn)居國內(nèi)快速成型領(lǐng)域領(lǐng)先地位。盡管RP技術(shù)已引起國人的極大關(guān)注，但目前仍有一些因素制約著RP技術(shù)在我國的發(fā)展。(1)RP設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性、及功能尚不能適應(yīng)需求。（2）影響RP發(fā)展的一些關(guān)鍵技術(shù)還不夠成熟。如在CAD建模技術(shù)研究方面，三維重構(gòu)軟件的通用性、精確性以及自動化程度不高，還需進(jìn)一步研制高精度的三維CAD建模軟件，用以解決一些復(fù)雜CAD模型(如發(fā)動機(jī)缸體)的重構(gòu)，減少建模時間與費用，加強RPM技術(shù)的優(yōu)勢。(3) RP的材料有待國產(chǎn)化。目前我國絕大多數(shù)工藝的材料均從國外進(jìn)口，價格貴，故導(dǎo)致生產(chǎn)成本高。(4)缺乏全面掌握RPM技術(shù)的人才。因此，我們還需根據(jù)我國的實情來有針對地大力發(fā)展RP技術(shù)?？焖僭图夹g(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，設(shè)備與材料兩方面都有了長足的進(jìn)步。目前由于該技術(shù)的成本高，加上制件的精度、強度等方面還不能滿足用戶的要求，暫時阻礙了該技術(shù)的發(fā)展。但是，這種直接的設(shè)計到生產(chǎn)的模式，必然是21世紀(jì)中制造技術(shù)的主流。從RP技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來看，未來幾年的趨勢主要為：快速成型將向復(fù)合成型、降低成本、簡化工藝，提高速度和精度的方向發(fā)展。1)提高RP系統(tǒng)的速度、控制精度和可靠性，優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)，選用性能價格比高、壽命長的元器件，使系統(tǒng)更簡潔，操作更方便，可靠性更高，速度更快。開發(fā)不同檔次、不同用途的機(jī)型亦是RP系統(tǒng)發(fā)展的一個方面。例如：一方面開發(fā)高精度、高性能的機(jī)型，以滿足對制件尺寸、形狀和表面質(zhì)量要求更高或有特殊要求的用戶；另一方面，開發(fā)專門用于檢驗設(shè)計、模擬制品可視化，而對尺寸精度形狀精度和表面粗糙度要求不高的概念機(jī)。2)提高數(shù)據(jù)處理速度和精度，研究開發(fā)用CAD原始數(shù)據(jù)直接切片方法，減少數(shù)據(jù)處理量以及由STL格式轉(zhuǎn)換過程而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)缺陷和輪廓失真。 3)研究開發(fā)成本低、易成型、變形小、強度高、耐久及無污染的成型材料。將現(xiàn)有的材料，特別是功能材料進(jìn)行改造或預(yù)處理，使之適合于RP技術(shù)的工藝要求，從RP特點出發(fā)，結(jié)合各種應(yīng)用要求，發(fā)展全新的RP材料，特別是復(fù)合材料，例如納米材料、非均質(zhì)材料、其它方法難以制作的復(fù)合材料等。降低RP材料的成本，發(fā)展新的更便宜的材料。 4)開發(fā)新的成型能源。前述的主流成型技術(shù)中，SLA、LOM和SLS均以激光作為能源而激光系(包括激光器、冷卻器、電源和外光路)的價格及維護(hù)費昂貴而傳輸效率(輸出激光能量/輸入電能)較低，影響制件的成本。新成型能源方面的研究也是RP技術(shù)的一個重要方向。 5)研究開發(fā)新的成型方法。在過去的十年中，許多研究者開發(fā)出了十幾種成型方法，基本上都基于立體平面化離散堆積的思路。這種方法還存在著許多不足，今后有可能研究集“堆積”和“切削”于一體的快速成形方法，即RP與CNC機(jī)床和其它傳統(tǒng)的加工方式相結(jié)合，以提高制件的性能和精度，降低生產(chǎn)成本。還可能從RP原理延伸，產(chǎn)生一些新的快速成形方法。 6)繼續(xù)研究快速制模(RT)和快速制造(RM)技術(shù)。一方面研究開發(fā)RP制件的表面處理技術(shù)，提高表面質(zhì)量和耐久性；另一方研究開發(fā)與注塑技術(shù)、精度鑄造技術(shù)相結(jié)合的新途徑和新工藝，快速經(jīng)濟(jì)地制造金屬模具、金屬零件和塑料件。 7)在應(yīng)用方面，通過對現(xiàn)有RP系統(tǒng)的改進(jìn)和新材料的開發(fā)，使之能夠經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)出直接可用的模具、工業(yè)產(chǎn)品和民用消費品。制造出人工器官，用于治療疾病。盡管快速原型技術(shù)已經(jīng)得到了快速的發(fā)展，但是依然存在著一些問題，具體表現(xiàn)如下幾個方面。(1) 材料問題目前RP成型材料的成型性能大多不太理想，成型件的物理性能不能滿足功能性半功能性零件的要求，必須借助于后處理或二次開發(fā)才能生產(chǎn)出令人滿意的產(chǎn)品。而由于材料技術(shù)開發(fā)的專門性，一般RP成型材料的價格都比較貴，造成生產(chǎn)成本提高。(2)軟件、成型精度和質(zhì)量問題隨著RP技術(shù)的不斷發(fā)展，RP技術(shù)的軟件問題越來越突出，RP軟件系統(tǒng)不但是實現(xiàn)離散/堆積成型的重要環(huán)節(jié)，對成型速度，成型精度，零件表面質(zhì)量等方面都有很大影響。目前RP成型件的精度及表面質(zhì)量大多不能滿足工程實際需要，不能作為功能性零件，而只能作原型使用，進(jìn)行新產(chǎn)品開發(fā)及功能器官的調(diào)試等。為提高成型件的精度和表面質(zhì)量，必須改進(jìn)成型工藝和RP軟件。(3)應(yīng)用問題RP技術(shù)是綜合計算機(jī)、激光、新材料、CAD/CAM等技術(shù)而形成的一種全新的制造技術(shù)，是高科技的產(chǎn)物，技術(shù)含量較高，所以目前RP設(shè)備價格較貴，限制了RP技術(shù)的推廣應(yīng)用。當(dāng)今時代為網(wǎng)絡(luò)時代，快速成型技術(shù)己經(jīng)與其他技術(shù)相互結(jié)合形成一個完整又龐大的技術(shù)體系。該體系具有技術(shù)系統(tǒng)化、需求多樣化、技術(shù)多樣化和復(fù)雜化以及技術(shù)更新速度不斷加快等特點。當(dāng)今RP技術(shù)發(fā)展的總趨勢為完善現(xiàn)有技術(shù)和制件成型精度，探索新的成型工藝，開發(fā)新材料，尋找直接或間接制造高機(jī)械性能金屬件的方法以及與其他技術(shù)的結(jié)合。預(yù)計該項技術(shù)在汽車、機(jī)械、電器、電子產(chǎn)品等行業(yè)和國防工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計、開發(fā)和生產(chǎn)中得到更為廣泛的應(yīng)用，今后該技術(shù)必將成為各國相互研究的熱點。第 62 頁 共81 頁陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文3 基于RP的快速模具制造技術(shù) 快速模具技術(shù)的概述及在工業(yè)中的地位世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展使制造工業(yè)市場的競爭日益加劇 ,企業(yè)為了保持自身活力 ,都在不斷地提高其主導(dǎo)產(chǎn)品的質(zhì)量和性能并堅持不懈地進(jìn)行新產(chǎn)品的開發(fā)與研制 ,而有眼光的企業(yè)家便將超越競爭對手的有效策略定位在降低新產(chǎn)品的開發(fā)成本和縮短新產(chǎn)品研制和投放市場的周期上，因此,八十年代末快速原