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快速成型技术

UGCAD视频网 / 2012-10-19
摘要:  快速原型制造技术,又叫快速成形技术,(简称RP技术);   英文:RAPID PROTOTYPING(简称RP技术),或 RAPID PROTOTYPING MANUFACTURING,简称RPM。   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。不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同,成形原理和系统特点也各有不同。但是,其基本原理都是一样的,那就是"分层制造,逐层叠加", 类似于数学上的积分过程。形象地讲,快速成形

RP技术优越性
      它可以在无需准备任何模具刀具和工装卡具的情况下,直接接受产品设计(CAD)数据,快速制造出新产品的样件、模具或模型。因此,RP技术的推广应用可以大大缩短新产品开发周期、降低开发成本、提高开发质量。由传统的"去除法"到今天的"增长法",由有模制造到无模制造,这就是RP技术对制造业产生的革命性意义。

RP技术特点
      RP技术将一个实体的复杂的三维加工离散成一系列层片的加工,大大降低了加工难度,具有如下特点:
⑴成型全过程的快速性,适合现代激烈的产品市场;
⑵可以制造任意复杂形状的三维实体;
⑶用CAD模型直接驱动,实现设计与制造高度一体化,其直观性和易改性为产品的完美设计提供了优良的设计环境;
⑷成型过程无需专用夹具、模具、刀具,既节省了费用,又缩短了制作周期。
⑸技术的高度集成性,既是现代科学技术发展的必然产物,也是对它们的综合应用,带有鲜明的高新技术 特征。
以上特点决定了RP技术主要适合于新产品开发,快速单件及小批量零件制造,复杂形状零件的制造,模具与模型设计与制造,也适合于难加工材料的制造,外形设计检查,装配检验和快速反求工程等。

形成的过程编辑本段回目录
      形象地比喻:快速成形系统相当于一台"立体打印机"(3D打印)。
它可以在没有任何刀具、模具及工装卡具的情况下,快速直接地实现零件的单件生产。根据零件的复杂程度,这个过程一般需要1~7天的时间。换句话说,RP技术是一项快速直接地制造单件零件的技术。

RP系统的基本工作原理编辑本段回目录
      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。其成形原理分别介绍如下:

      SLA"Stereo Lithography Appearance"的缩写,即立体光固化成型法。由Charles Hul于1984年获美国专利。1988年美国3D System公司推出商品化样机SLA-1,这是世界上第一台快速原型技术成形机。SLA各型成形机占据着RP设备市场的较大份额。

      SLS 选择性激光烧结(以下简称SLS)技术最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl ckard于1989年在其硕士论文中提出的。后美国DTM公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备Sinter Sation。几十年来,奥斯汀分校和DTM公司在SLS领域做了大量的研究工作,在设备研制和工艺、材料开发上取得了丰硕成果。德国的EOS公司在这一领域也做了很多研究工作,并开发了相应的系列成型设备。

      LOM 分层实体制造(LOM——Laminated Object Manufacturing)法,LOM又称层叠法成形,它以片材(如纸片、塑料薄膜或复合材料)为原材料,其成形原理如图所示,激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据,将背面涂有热熔胶的纸用激光切割出工件的内外轮廓。切割完一层后,送料机构将新的一层纸叠加上去,利用热粘压装置将已切割层粘合在一起,然后再进行切割,这样一层层地切割、粘合,最终成为三维工件。LOM常用材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等,此方法除了可以制造模具、模型外,还可以直接制造结构件或功能件。该方法的特点是原材料价格便宜、成本低。

      FDM 熔积成型(FDM——Fused Deposition Modeling)法,该方法使用丝状材料(石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝)为原料,利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度(约比熔点高 1℃),在计算机的控制下,喷头作x-y平面运动,将熔融的材料涂覆在工作台上,冷却后形成工件的一层截面,一层成形后,喷头上移一层高度,进行下一层涂覆,这样逐层堆积形成三维工件。该方法污染小,材料可以回收,用于中、小型工件的成形。

快速成型技术特点编辑本段回目录
1 制造快速 RP技术是并行工程中进行复杂原型或者零件制造的有效手段,能使产品设计和模具生产同步进行,从而提高企业研发效率,缩短产品设计周期,极大的降低了新品开发的成本及风险,对于外形尺寸较小,异形的产品尤其适用。
2 CAD/CAM技术的集成
设计制造一体化一直来说是现在的一个难点,计算机辅助工艺(CAPP)在现阶段由于还无法与CAD、CAM完全的无缝对接,这也是制约制造业信息化一直以来的难点之一,而快速成型技术集成CAD、CAM、激光技术、数控技术、化工、材料工程等多项技术,使得设计制造一体化的概念完美实现。
3 完全再现三维数据
经过快速成型制造完成的零部件,完全真实的再现三维造型,无论外表面的异形曲面还是内腔的异形孔,都可以真实准确的完成造型,基本上不再需要再借助外部设备进行修复。
4 成型材料种类繁多
到目前为止,各类RP设备上所使用的材料种类有很多,树脂、尼龙、塑料、石蜡、纸以及金属或陶瓷的粉末,基本上满足了绝大多数产品对材料的机械性能需求。
5 创造显著的经济效益
与传统机械加工方式比较,开发成本上节约10倍以上,同样,快速成型技术缩短了企业的产品开发周期,使的在新品开发过程中出现反复修改设计方案的问题大大减少,也基本上消除了修改模具的问题,创造的经济效益是显而易见的。
6 应用行业领域广
RP技术经过这些年的发展,技术上已基本上形成了一套体系,同样,可应用的行业也逐渐扩大,从产品设计到模具设计与制造,材料工程、医学研究、文化艺术、建筑工程等等都逐渐的使用RP技术,使得RP技术有着广阔的前景。

应用RP技术的重要意义编辑本段回目录
大大缩短新产品研制周期,确保新产品上市时间;
------使模型或模具的制造时间缩短数倍甚至数十倍;
提高了制造复杂零件的能力;
------使复杂模型的直接制造成为可能;
显著提高新产品投产的一次成功率;
------可以及时发现产品设计的错误,做到早找错、早更改,避免更改后续工序所造成的大量损失;
支持同步(并行)工程的实施;
------使设计、交流和评估更加形象化,使新产品设计、样品制造、市场定货、生产准备、等工作能并行进行;
支持技术创新、改进产品外观设计;
------有利于优化产品设计,这对工业外观设计尤为重要。
成倍降低新产品研发成本;
------节省了大量的开模费用
快速模具制造可迅速实现单件及小批量生产。使新产品上市时间大大提前,迅速占领市场。
总而言之,RP技术是九十年代世界先进制造技术和新产品研发手段。在工业发达国家,企业在新产品研发过程中采用RP技术确保研发周期、提高设计质量已成为一项重要的策略。当前,市场竞争愈演愈烈,产品更新换代加速。要保持我市产品在国内外市场的竞争力,迫切需要在加大新产品开发投入力度、增强创新意识的同时,积极采用先进的创新手段。RP技术在不需要任何刀具、模具及工装卡具的情况下,可实现任意复杂形状的新产品样件的快速制造。用RP技术快速制造出的的模型或样件可直接用于新产品设计验证、功能验证、外观验证、工程分析、市场订货等,非常有利于优化产品设计,从而大大提高新产品开发的一次成功率,提高产品的市场竞争力,缩短研发周期,降低研发成本。快速原型制造技术生产力促进中心的成立为本市企业应用RP技术开展产品创新活动提供了很好的前提条件。

RP技术的发展方向编辑本段回目录
      RP技术已经在许多领域里得到了应用,其应用范围主要在设计检验、市场预测、工程测试(应力分析、风道等)、装配测试、模具制造、医学、美学等方面。RP技术在制造工业中应用最多(达到67%),说明RP技术对改善产品的设计和制造水平具有巨大的作用。
目前快速成形技术还存在许多不足,下一步研究开发工作主要在以下几方面:
⑴改善快速成形系统的可靠性、生产率和制作大件能力,尤其是提高快速成形系统的制作精度;
⑵开发经济型的快速成形系统;
⑶快速成形方法和工艺的改进和创新;
⑷快速模具制造的应用;
⑸开发性能良好的快速成形材料;
⑹开发快速成形的高性能软件等

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