基于快速成型技术的快速模具制造技术.pdf

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1、大连理工大学硕士学位论文基于快速成型技术的快速模具制造技术姓名：李仁杰申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：赵福令20050301大连理工大学辕士擘键论文撩要市场竞争的不断加剧，要求企业必须快速响应市场和用户的需求变化，促使工2 奎产越来越向多鼹种、小批量、满质量、低成本的方向发展。快速成形技术作为诞嫩仅十余年瓣兔逡螽造拽本，溅成功毯赛瑗了快速臻l 型锩造，爨蔫委岗恢逮摸县豢l 造秀巍遮速发展。论文酋先对快速成毅技术的特点和几种典型工艺作了介绍，并分析和探讨了快速成型技术豹磅究现状、存强弱主要起瑟及发鼹趋势。对于抉速豢4 模鼓零主要介缨了其现状和发麓趋势，分析了模懿快邃南l 造的

2、闯接法和壹按法酌特点和闷簇，黼述7 快速禳具技术在2 I 世纪的麓展趋势及冀应用前最。通过对醚橡胶横具设讨+技术的特点、实施方法和步骧的磷究，探讨了尺寸 髅、分黧方向确定及分疆舔设计、脱模瓣庭逡歆、滤疆设计等稽关豹关键毅术。必了深入了髂影响硅橡胶模其加工的因素，本文采用正交试验方法进行大量的正藏试验，完成了对工然参数的优化。本文褥窦鍪下王艺结谂：(1)影响制件精度的因索很多，通常，澹含眈例戳l：l 为最佳，E 例的交大成交小郝姆引起表面粗糙度的增大；浇注速度以接远5 分钟为好，速度过快将导致表面租糙度熬增太；穗饕撼滕黻度翡趱大，材料熬漉动拨终变麓，对袭嚣粗糙发的影镳媳憋蹙大。(2)产品内部可能

3、如瓒有气沲的瑗藩，号|超酌器西肖；摔气的彼鬟不会瓒，摊气嗣过小导致模具内部真空度不够，材料内育水分、溶剂和挥发物战浚黧的速度过快。(3)影镌产暴不宠整的源困很多，主要包撼：浇淀的考葶料不够；淀型材料熟独废高，材料静流动馥蓑；浇日遗小，位置不当；设备的粪警燮不够等。本文的研究对硅胶模工艺的实际应用具有一定的搬导意义，并为硅胶模技术专家系绞提供了实毅依据。关键谲：快遴成整撩零；袂邃耕瀵烧术；媸豫黢模巽基予快速成型技术的恢涟模其翻造技术T h eT e c h n o l o g yo f R a p i dT o o l i n gB a s e do nR a p i dP r o t o t

4、y p i n gA b s t r a c tA st h er e s u l to f t h es t m g i n gm a r k e tc o m p e t i t i o n,m o d e mm a n u f a c t u r i n gi sd e v e l o p i n gt o w a r d t h e m o d e o f l o w v o l u m e，m a n y t y p e s,h i 馥q u a l i t y,l o w c o s t a n d p r o m p t l y m a r k e tr e s p o n d

5、A san e wa d v m a c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo n l yo v e rt e ny e a r,r a p i dp m t o t y p i n ga n dm a n u f a c t u r i n gh a ss u c c e s s f u l l yr e a l i z e dt h em a n u f a c t u r i n go f r a p i dp r o t o t y p e，n o wi th a sd e v e l o p e ds w i f t l y

6、t o w a r dr a p i dt o o l i n g I nt h i sp a p e r,i ti n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n daf e wr e p r e s e n t a t i v ea r t sf o rr a p i dp r o e o t y p i n g，a n a l y s e s a n d d i s c u s s e s t h e c u r r e n t s i t u a t i o n，m a i n p r o b l e ma n d d e

7、v e l o p m e n t t r e n df o rR Pa tf i r s t T h e ni ti n t r o d u c e st h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tf o rr a p i dt o o l i n g，n a l y s e st h ef e a t u r e sa n dp r o b l e m so f i n d i r e c tr a p i dt o o l i n ga n dd i r e c tr a p i dt o o l i n g,p

8、 o i n t so u tt h ed e v e l o p m e n tt r e n d so f t h eR Pl at h e2 1 t hc e n t u r y T h r e a d t h es t u d y o f t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e t e c h n o l o g y f o r d e s i g n i n g，t h e m e t h o d a n d t h ep r o c e d u r e s f o r t h e s i l i c o n er u b b e

9、r m o u l d b a s e d o n t h er a p i d p r o t o t y p i n g t e c h n o l o g y,t h e r e l a t i v ek e yt e c h n i q u e ss u c ha sd i m e n s i o nc o m p e n s a t i o n，d e t e r m i n a t i o no f t h ep a r t i n gd i r e c t i o n，d e s i g no f t h ep a r t i n gl i n e，s e l e c t i o

10、 no f t h ed r a f ta n dd e s i g no f t h eg a t ew e r es t u d i e d 弧艟c o n c l u s i o na r es h o w e da sf o l l o w s：T h e r ea r em a n yf i c 妁r sw h i c hc a ni n f l u e n c ep a r tp r e c i s i o n C o m m o n l y,t h eb e s tm i xp r o p o r t i o ni so n er a t i oo n e,i tc a ne i

11、 f l a a n c e st h es u r f a c er o u g l m e s sw h e nt h ep r o p o r t i o n 越l a n c eo rd i s m i n i s h；t h ep o u rs p e e dw h i c hi sd e a rf i v em i n u t ei sb e t t e r,t h ef a s t e rs p e e dw i l le n h a n c et h es u r f a c er o u g h n e s s；t h ev i s c i d i t yo f r o s

12、i ni sl a r g e r,t h es u r f a c er o u g h n e s si sb i g g e r。T h eb o s o mo f p r o d u c tc a na p p e a rt h ep h e n o m e n o no f b l a d d e r T h ee x h a u s tp l a c ei si r r a t i o n a l，t h ei n t e r i o rv a c u u mi sn o te n o u g hw h e nt h ev e n ti ss m a l l，m o i s t u

13、 r e，s o l v e n to rv o l a t i l ei si nt h em a t e r i a l，w h i c hc a nc a l,l 辩t h ep r o b l e m T h e r e 懿m a n yr e a s o n sw h i c hc a u s et h ep r o d u c ti sn o tw h o l e I ti n c l u d e st h ep o u rm a t e r i a li sn o te n o u g h，t h ev i s c i d i t yo f m a t e r i a li sh

14、 i g h，t h ef l u i d i t yo f m a t e r i a li sb a d，t h ep o u rp l a c ei si m p r o p e ra n dt h ev a c u u mo f t h ee q m p m e n ti sn o te n o u g he t c，T h ep r a c t i c ea p p l i c a t i o no f t h es i l i c o n em b b e rm o d dw i l lb eb e n e f i t e df r o mt h er e s e a r c ho

15、 ft h i sp a p e r,I tb r i n g st h ee x p e r i m e n td a t a 受f 出et b u n d a t i o no f t h ee x p e r ts y s t e m K e yW o r d s：R a p i dP r o t o t y p i n g；R a p i dT o o l i n g；S i l i c o n eR u b b e rM o u l d“-独创性说明作者郑重声明：本硕士学位论文楚我个入在导师指择下进行的研究工作及取褥研究成采。尽我所翔，除了文中褥别翻瑷标注和致溺|的地方外，论文中不包

16、含萁能人已经发表或撰写的綦舞究成采，氇不包含为获褥大连疆工大学或獒毯肇位的学盘或汪书赝搜耀过岭材糕。与我一霜王作灼同志对本磷突爨做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者签名：冬垒泰目瓤缝堕二!垒大连理工大学硕士学位论文1 绪论1 1 课题的提出1 1 1 模具在工业生产中的重要地位模具是现代工业生产中使用极为广泛的工艺装备，在某些产品(如塑料件)的批量化成形加工中，模具成形甚至是唯一的加工工艺。模具在成形工艺中对成形件尺寸、形状精度和内在质量具有重要作用【l】。用模具生产制件所表现出来的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比拟的。模具生产技术水平

17、的高低，已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志，在很大程度上决定着产品的质量、效益和产品的开发能力 2 。由于用模具加工零件具有生产率高、质量好、节约原材料和成本低等一系列优势。因此模具在很大程度上决定企业在市场竞争中的应变能力，模具成型已成为现代工业生产的重要手段和工艺发展方向。鉴于模具特定的带动型成功型功能，世界各国高度重视模具工业，美国工业界领导人称模具工业为“美国工业的基石”，日本将其誉为“富有社会的原动力”，德国认为模具是“金钥匙，加工的帝王”。高技术的模具行业在国际上被称作是“点铁成金”的行业。美国和日本，模具行业人均劳动生产率在1 5-2 0 万美元之间，作为一项基础工业，

18、模具的质量，精度寿命周期，也对其他工业的发展起着十分重要的作用。在国际上又被称作“工业之母”。因此，各国政府都采取各种扶植政策，支持和推动模具的发展。进入9 0 年代后，模具生产在欧美日等先进发达国家都得到了高度发展，模具工业在这些国家已摆脱从属地位，发展成为独立的行业。1 1 2 传统模具制造技术的局限性8 0 年代以来，中国模具工业发展十分迅速。国民经济的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求，也为其发展提供了巨大的动力。这些年来，中国模具工业一直以每年1 5 左右的增长速度快速发展。传统的模具制造要用到车、铣、刨、钻、磨、电火花等加工方法，才能得到所需的模具形状和尺寸。要设计和制造出一副

19、合格的模具，往往需要经过由设计、加工到试模的多次反复，因此模具制作成本高、周期长，而且精度不易保证，有时甚至造成模具的报废。2 0 世纪8 0 年代以来，随着市场竞争的1 3 趋加剧，要求企业必须能快速响应市场和用户的需求，促使工业产品的生产模式由传统的大、中批量向具有灵活、易变性和快速反应能力的中、小批量转变。在这种条件下，传统的模具制造方法由于其自身固有的生熬于快速成型技术的快速模具制造技术产周期长、投入风险高、产龋改进匿难等缺点，在一定糕皮上成为企波在市场竞争巾发挥活力的制约因豢。针对传统的枧城加工模其镱造技术的上述缺点，近年来研究开发了逶用于薮产菇、群瓿试镱l 和孛、小批量规模擞产的基

20、于浃遮原型技术豹快速模其露l 造按米。快速模其鼢基本技术特征是非机械加工型腚复制，其关键技术之一鼹母模原型件的设计与制造。传统的快速制模一般采用已有制件或机加工件作为母模，对予较复杂的和精度要求较高的快速模翼，梭绞静母穰设诗镑l 逡模式显缮褰零无蒙，毫躐麓镯缝挟速壤其裁逡技零发溪的瓶颈。基于快速原型制造的快速模具技术集成快速原型制造高新技术和传统的非机械加工型腔复制技术，发挥各自优势，已成为产品快速更新换代和新产晶开发及中、小批爨艇产蕊毒效手段之一【3】。1 I 3 现代模其置她的发展方内现代工业的发展，对模具技术的要求越来越高。综观现代模具技术，正向如下的方囱发展瑟】。1)高精度。现代模具酶

21、精度要求b E 传统的模具精发至少要高一个数爨级。多工饿级进模、精冲模、精密塑料模的精度均在O 0 0 3-0 0 0 5 m m，撼至更高。2)寿命长。现代模具的港愈 传统模其的寿命高出5-1 0 倍。如现代冲模具寿命一般翰在5 0 0 万次班上，硬蔟念金多工位进模豹寿命可这2 0 0 0 0-6 0 0 0 0 万次，注鎏摸4 0 6 0万件，压铸模4 5 1 0 0 万件，而传统模具的搿命一般只有它的1 1 0-1 1 5 0。3)高生产率。由于采用多工位的级进模、多能模、多腔注塑模和艨鼹注塑模等先避貘爨，可鞋辍大迪捷鑫生产攀，麸嚣豢来鼗藩懿经济效蕊。懿嚣瑟王簸鹣洼鳖壤生产囊料汽水瓶，每

22、小时可生产8 0 0 件以上。4)结构复杂。随着社会需求的多样化和个性化以及许多新材料、灏王艺的广泛应耀，霹瑗钱搂爨瓣绥稳影式帮黧黢要求瞧嚣薤复杂I 萋聚躅簧统豹模爨翻造方法，不佼成本高，生产率低，而且很滋保证模具的磺攫要求。传统模具设计制造技术，根本不能满足市场对模具的要求。因此，研制和开发新的摸其设计、靠逡技术势在必行，挟速模具镥逡R T(R a p i dT o o l i n g)技术惩是在这秘形势下被开发出来的，并在现彳弋模其的生产中发撵了重要作用。2 大连理工大学硕士学位论文l，l。4 浚速禳暴潮遥技零秘撬囊快速制横技术与传统的机械加工相比，其有制模周期短、成本低、精度与寿命又能满

23、足生产上的使用要求，快遄响应市场和用户需求的变化，产品快遮投放市场，特别是j c 圣予形状 0 较复杂弱中枣黧援其，其毒毙较显著熬综合经济效益。在快速制摸技术中，制逸赶尺寸精度陇较高的快速原型是前提。倦大部分抉遮成型得到的原型因材质和成型工裁的限制，不自直接作为模双使用 5 。只肖解决好快速原型囱达到使用要求的模具豹转他，并且绦诬畿每次工艺转换过程中的尺寸精度要求，者能囊正实现模其静快速经济露造。本课题“撼于快速原型技术的快速模媳制造”正是在这种背景下提出的。1 2 课题研究豹意义由予渍费鬈的价篷鼹离多样佳鞍令穗纯转变，导致奄场静快速多褒。淤茬衡羹露l 造技术的三大鼹綮：质量、成本、生产率，己

24、被新的衡量标准T i m e(节省时间)，Q u a l i t y(提高质勘，C o s t(降低成本)和S e r v i c e(优质服蜘所取代，“速度”已成为制造的麓一要素。嚣传统戆产燕开发麓麓及滚穗冀：网1 1 传统的产品开发周期和流程F i g 1 IC y c l ea n df l o wo f t r a d i t i o n a lp r o d u c td e v e l o p m e n t在这循J 葶渐进的过穰中，完成上一步并认为满j 蠢后才能开始下一步的工作，谮则上一步的工稷信息资料不可能提供给下一步。这样，设计上的任何修正及根据用户反馈悫冤对产箍鹣羧逢都会攀

25、蠢B 产瑟嚣发懿瓣阉帮或奉。现代社会市场竞争日趋激烈，产品煎新换代加快，各种产品向多鼯种、小批爨的方向发展，产品的“上市时间”已成为市场竞争的焦点，把产品及时投放市场的能力已成为农市场竞争巾彀矬豹一令荫要嚣素【6】。运用模鼹快速铡造技术，可以缩短产黼的开发、制造周期，驮藤实现对市场交他、新技术开发以及竞争对手的快速反应能力，从而保持产晶的市场竞争力，使企业在市场巍争中出奇制胜。3 罄予快速戒螫技术的快速横其谁豫技术1 3 课越钓来源本课题“基于快遴原型的快速模具制造技术驰硬究”寐灏予国家自然科学基金攫点资助瑗鑫“瑟彝快速隶l 造戆姆秘加工理论与技术基疆”(矮嚣蹴准号：5 9 9 3 5 1 1

26、 0)(2 0 0 0 1 2 0 0 2 1 2)，跫其五大罨阡究内容之一的“蒺予R p 技术的特种加工方法与技术及面向R P 技术的特种加工工艺组合技术研究”的重要组成部分。4 大连理工大学硕士学位论文2 快速成型技术2 1 快速成型技术的原理和成型过程2 1 1 快速成型技术的原理快速成形技术(R a p i dP r o t o t y p i n g，简称R P)是一项集激光、材料、信息及控制等于一体的商新制造技术，其突出特点就是不需要任何工装夹具便能根据产品的C A D 数据快捷地制造出具有一定结构和功能的原型甚至产品，是制造领域的一次重大技术突破，与并行工程一起被列为当代两项最重

27、要的制造技术 7 。快速成形技术是2 0 世纪8 0 年代末期迅速发展起来的一种先进制造技术。它是将计算机辅助设计(C A D)、计算机辅助制造(C A M)、计算机数字控制(C N C)、精密伺服驱动、激光和材料科学等先进技术集于一体的新技术。其基本构思是：任何三维零件都可看成是许多二维平面沿某一坐标方向迭加而成，因此可利用分层切片软件，将计算机产生的C A D 三维实体模型处理成一系列薄截面层，并根据各截面层形成的二维数据，控制材料在工作台上一层一层地生成二维轮廓段，逐层地固化液体(或粘结固体)材料，(或模型)8 。2 1 2 快速成型技术的成型过程用粘贴、熔结、聚合作用或化学反应等手从而

28、快速堆积制作出所要求形状的零部件快速成型的过程包括：前处理(三维模型的构造、三维模型的近似处理、三维模型的切片处理)、分层叠加成型(截面轮廓的制造与截面轮廓的叠合)和后处理(表面处理等)。其基本成形过程如图2 1 所示：(1)-维模型的建立由于实现快速成型的系统只能接受计算机构造的产品三维模型(立体图)，然后才能进行切片处理。因此，因此三维建模是快速成型系统的第一步也是关键的一步。所谓三维建模就是以计算机能够理解的方式，对实体进行确切的定义，赋予一定的数学描述，再以一定的数据结构形式对所定义的几何实体加以描述，从而在计算机内部构造一个实体的模型。现阶段它主要包括线框建模、表面建模、实体建模和特

29、征建模。在建模初期要考虑到整个模型在三维坐标系中的位置，使模型在x、Y、z 三个方向都不能有负值也不能数值太大，否则以后无法在M a g i cV i e w 等软件中查看到所设计的模型。建模也就是在计算机上实现设计思想的数字化，即将产品的形状、特性等数据输入到计算机中。目前快速成型机的数据输入主要有两种途径：一是设计人员利用计算机辅5 一蒸于快速成型技术的快速模其伟0 造技术助设计软件(如P r o E n g i n e e r i n g，S o l i dW o r k s，I D E A S，M D T，A u t oC A D 等)，根据产品的要求设计三维模型，或将融有产品的二维三

30、视图转换为三维模型；羯一种是对已商的实物进行数字化，这些实物可以是手工模型、工苞品成人体器官等。运些实物的形体信息可以通过三维数字化仪、C T 和M R I 等手段采集处理，然后通过相成的软件将获得的形体信息等数据转化为快速成型机所能接受的输入数攒。圈2 1 快速袋型熬成篓i 遥程r i g2。1T h em o l d i n gp r o g r e s so f R P(2)三维模型的近似处理出于产黪上往往鸯一些不规则的臭由热蘑，因此加工翦必须对其进褥j 垃似处理。奁网翦的快速成型系统中，最常见的近似处理方法照模型转换成S T L 接式瞧文仕。S T L揍式是目藏快速成型系统中最常见的一

31、种文 牛格式，它用予将三维模型近似成、三咫形平面的组会。计算机将记录模型的每一个小三角形法向量的X、Y、Z 的分摄，以及三角挺每个顶点的x、Y、z 的坐标，用户大多菇不嚣要关心这螳藤只要了嬲到S T L文件的三角形的西数、线数和点数，从而刿叛模型的糕度。在转换的过程中，要根据所制作的产晶或模舆的不同，选择不同的精度，精度太低无法达到设计要求，精度太离则有些不成熟的成型系统接受不了。对于精度设置，主要有角度袋差、宽高比、表面公差和顶点间距这4 项，而其中顶点间距值设置的大小崴接聪明摄地改变了模型的精度，用户应根据自己的设计要求，不断摸索经验，选择适合自已的顶点间距值。典型的计算6 大连理工大学硕

32、士学位论文机辅助设计都有转换和输出S T L 格式文件的接口，但是，有时输出的三角形会有少量错误，需要进行局部的修改。(3)三维模型的切片处理由于快速成型是按一层层截面轮廓来进行加工，因此，加工前必须从三维模型上沿成型的高度方向，每隔一定的间隔进行切片处理，以便提取截丽的轮廓。间隔的大小根据被成型件精度和生产率的要求选定，间隔愈小，精度愈高，成型时间愈长；间隔的范围为O 0 5 0 5 m m，常用O 1 m m 左右，在此取值下，能得到相当光滑的成型曲面。切片间隔选定之后，成型时每层叠加的材料厚度应与其相适应。各种快速成型系统都带有切片处理软件，能自动提取模型的截面轮廓。(4)截面轮廓的制造

33、根据切片处理得到的截面轮廓，在计算机的控制下，快速成型系统中的成型头(激光头或喷头)在x-y 平面内，自动按截面轮廓运动，切割纸(或固化剂，热熔材料)，得到一层层截面轮廓。每层截面轮廓成型后，快速成型系统将下一层材料送至成型的轮廓面上，然后进行新一层截面轮廓的成型，从而将一层层的截面轮廓逐步叠合在一起，最终形成三维产品。f 5)后处理后期处理是一种新工艺，在进行后期处理之前，先用M a r c 等类似软件将工件的图纸在计算机上打印出来，以了解整个工件的形状、尺寸，做到心中有数。然后根据工件的大小、复杂性，决定是先取外围废料还是先取内腔废料，对于小工件一般先取内腔较好。在处理的过程中一般遵循打磨

34、涂料一再打磨再涂料不断重复直至表面光洁度和尺寸精度符合设计要求的原则。要注意打磨的时间、粗细和所选择的涂料的性能。2 2 快速成型技术的特点及主要用途2 2 1 快速成型技术的特点快速成型技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法(即：部分去除大于工件的毛坯上的材料，而得到工件)，采用全新的“增长”加工法(即：用一层层的小毛坯逐步叠加成大工件)，将复杂的三维加工分解成简单二维N I 的组合，因此，它不必采用传统的加工机床和工模具，只需传统加工方法3 0 5 0 的工时和2 0 3 5 的成本【9】，就能直接制造产品样品或模具。快速成型技术的特点如下：7 基于快速成型技术的快速模具制造技术(1)成功地解

35、决了三维造型“看得见，摸不着”的问题，其最大的特点是能以最快的速度将设计思想转变为具有一定结构功能的产品原型或直接制造零件，使设计模型从“看得见”(显示器)到“摸得着”(实物)，从而可以对产品设计进行快速评估、测试及功能试验，以缩短产品开发的研制周期，减少开发费用，提高企业参与市场竞争的能力。(2)成型速度快。从C A D 设计到原型零件制成，一般只需几个小时至几十个小时速度比传统的成型方法快得多，快速成型技术可在产品开发过程中提供设计验证与功能验证，检验产品可制造性、可装配性，通过各种转换技术，可将R P 模型快速转换成各种模具，大幅度地缩短产品更新换代的周期。(3)设计制造一体化。由于快速

36、成型技术采用了离剀堆积的加工工艺，使C A D 和C A M 很好地结合在一起，真正实现了设计制造一体化，快速成型能为看样定货、供货询价、市场宣传等方面及时提供精确的样品，大大提高企业的营销效率。(4)高度柔性。若要生产不同形状的零件模型，只需改变C A D 模型，重新调整和设置参数即可。产品的造价几乎与产品批量、产品的复杂性无关。(5 洎由成型制造。自由的含义有两个：一是指可以根据零件的形状，无需专用工具的限制而自由地成形，可以大大缩短新产品的试制时间：二是指不受零件形状复杂程度限制。(6)制造费用低。其制造周期一般为传统的数控切削方法的1 5 1 1 0，而成本仅为其1 3 1 5，模具的

37、几何复杂程度愈高，这种效益愈显著，而以特定紫外光源取代激光器研制成的紫外光快速成型机与其它光固化成型机相比，它在保证一定精度和零件制作速度的基础上，具有低设备造价和低运行成本的突出特点，具有最优的性能价格比。(7)材料的广泛性。快速成型技术可以制造树脂类、塑料原型，还可以制造出纸类、石蜡类、复合材料以及金属材料和陶瓷的原型。(8)技术的高度集成。R P 技术是计算机、数据、激光、材料和机械的综合集成，只有在计算机技术、数控技术、激光器件和控制技术高度发展的今天才可能诞生快速成型技术，因此快速成型技术带有鲜明的时代特征。2-2 2 快速成型技术的主要用途自1 9 8 7 年美国3 DS y s

38、t e m s 公司推出第一套R P M 系统S L A I 以来，随着各种快速成型方法的出现和相关应用技术的开发，其应用范围已拓展到家电、汽车、玩具、轻工、造船、建筑、航空航天、兵器、艺术、考古和影视等行业，并取得了显著的效果。而医学领域和微机电系统将是R P M 技术另一个重要而有前途的应用方向。8 大连理工大学硕士学位论文R P M 技术的主簧用途如下：(1)新产品研制阶段的验证在糖产品瓣磺割除毅，虽然计舞我赣秘搜诗使产品设计鬟燕侠建、方蠖，毽设诗入员只黥借助设计图纸和计算机模拟，对产品设计避行评判。因而不能直观漶评判所设计产品的效果和结构的含理性以及生产工艺的可行性，对形状复杂的产品尤

39、其如此。快速成型搜沭可以快速制出产品样品的察物模型，供设计者和用户赢接进行授爨、装配、功麓实验稻往麓镁l 试+麸i i 孬抉速经济穗验涯设计入燹的设诗愚愆、产菇结构鹣念理性、可制造悭、可装配性、荧观性，找出设计缺陷，并进行反复修改、制造，完善产品设计。这样就可以大大缩缀新产品的设计周期，使设计符合预期的形状、尺寸和工茳要求。这一验谖 霪翟，镬设诗受趋宠美，懑受了骞嚣投产逡或懿渡费。鲡美嚣C h r y s l e r 公司竭S L A 工范制成了汽率率体模型，将其放在高速飙洞中进行空气动力学试验，取得令人满意的效果。(2)藏产瑟授救枣场兹匏谴戮黟嶷健在新产品投放市场前，户的意见和需求量，以此来

40、决定怒否向市场投放此新产品及其价格和生产规模，从而使企业打肖把握之“仪”。(3 嫩遮卷模快速制模(R a p i dT o o l 抽g _ _ R D 怒快速成型技术的重要庭蠲方向之一。毽髓，采用快速成形制造技术的快速模具制造主骚用于制造铸造模具和塑料模具。制模方法可分为间接皋模和直接制模两种方式，这在下一章将详缨叙述。鳓碾学上鹩辅耢警末确诊和傍垒。世界上许多国家都十分重视R P M 技术在医学领域中的成用，并取得了好的效果。该方法怒将以数字成像技术为基础的C T(断层成像)、M P I(核磁共振)等诊断方法与R P系绫稳缝合，鼙把骚获霉戆久傣扫糖戆分瑟藏瑟强臻，经诗雾梳三维羹建嚣瓣数据疆供

41、给R P 系统，得到人体局部或内脏器官(原型)。这样就可以盟示该部位病交情况和实体结构，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R P甄霎!剃佟媛艘。(5)R P M 技术用予微型制造的研究开发。将R P M 技术应用于微型制造，需解决诸如微成型机理与方法、R P M 系统的控制精度、激光光斑尺寸懿控割爱材料懿成型等阔题，爨照蟊翦还处予搽究开发除段。曩本学者K y u s h u 研制了一种基于S L A 工艺的桌面微黧螽8 造系统e s 鼢pM i c r oF a b d c a f i o n)嚣l。9。基于快速成型技术的快速模具制造技术特殊的光固化树脂材料用光

42、斑直径仅为5 w m 的紫外光取代激光光源，制成多种微型零件的原型。(6)新材料的研究2 1 世纪，随着各行各业高技术的迅猛发展，对各种新材料性能的要求更加苛刻。塑料、金属、陶瓷等单一材料一般满足不了其特殊的性能要求，由此诞生了复合材料、功能梯度材料、智能材料等新型材料，这些新型材料一般由两种或两种以上材料组成，其性能优于单一材料的特性。这些新型材料的性能可根据人们对材料的性能需要，从已有的各种单一材料中配方而成。人们如何能够快速、经济地研究这些新型材料所表现的特性，从而找出最优的配方。由于S L S 技术可以分层制造出具有任意复杂结构的高分子、陶瓷、金属及其复合制件，可以用它来研究新型材料及

43、其制件的各种特性。因此，S L S 技术也是研究新型材料的非常有潜力的手段。现在国内的很多高校和研究单位计划购买快速成型设备，以用作教学、对外技术服务和新材料的研究。(7)集成的快速制造技术与反求工程。在反求工程中引入R P M 技术，能使反求检测结果以最快的速度仿制出优化设计的产品原型。R P M 技术与三坐标测量仪、三维激光扫描仪、工业C T 和M R I、自动断层扫描仪等反求测量手段以及传统的数控加工相结合，组成了集成的快速制造系统，可实施快速反求工程。2 _ 3 快速成型技术的几种典型工艺目前见诸报道的快速成型技术工艺有数十种，其中较成熟和典型的工艺有：液态光敏树脂选择性固化(S t

44、e r e oL i t h o g r a p h yA p p a r a t u s，简称S L A)分层实体I N J 告(L a m i n a t e dO b j e c tM a n u f a c t u r i n g，简称L O M)；粉末材料选择性烧结(S e l e c t e dL a s e rS i n t e r i n g，简称S L S)：丝状材料选择性熔覆(F u s e dD e p o s i t i o nM o d e l i n g，简称F D M)；粉末材料选择性粘结(T h r e eD i m e n s i o n a lP r i n

45、 t i n g，简称3 D P)2 3 1 液态光敏树脂选择性固化液态光敏树脂选择性固化又称立体光刻工艺，是最早出现、应用最为广泛的种快速原型技术，1 9 8 4 年获美国专利，1 9 8 8 年美国3 DS y s t e m 公司推出世界上第一台光固化成形机。图2 2 为S L A 工艺原理图。据报道，该公司新近开发的S L A 设备的分层厚度已可精确至O 0 2 5 4m l n。所采用的固体激光器输出功率达1 0 0 m W，工作寿命达7 5 0 0 h。其高速扫描系统是由运算速度极高的数字信号处理器D S P 控制的。1 0 大连理：大学硕士学位论文图2 2S L A 基本原理图F

46、 i g 2 2T h ep r i n c i p l ef i g u r eo fS L AS L A 方法的工作过程为：工作槽中盛满液态光敏树脂(在一定波长的光的照射下发生固化)，升降工作台上附带有导轨和刮板。当成形开始时，先在工作台上铺一层设定层厚的液态树脂，光源在计算机的控制下按本截面轮廓要求，作横向和纵向扫描，使轮廓内的树脂固化。工作台下降，在上一层的基础上再铺上另一层树脂。导轨带动刮板按照设定的层高刮去多余的树脂，然后光源再纵横向扫描固化树脂，新固化的一层就牢固地粘接在先前固化的一层上，如此重复直到整个原型成形完毕。见图2 3。l 激光器照射卜1 液态光敏树脂层【|聚合固化截面

47、轮廓层|l 工作台下移一层Ii 全凰7 7 I I*专E b o、图2 3S L A 成型过程F i g 2 3T h em o l d i n gp r o g r e s so fS L A和礅光藿基于快速成型技术的快速模具制造技术为降低成本，美国和日本研制采用紫外光光源取代激光光源。如果将陶瓷粉或金属粉加入到液态树脂中，固化出原型，高温烧掉树脂聚合物后，就可以得到陶瓷或金属制件，这也是目前前沿研究的内容之-1 0 1。S L A 方法是目前R P 技术中最成熟的成形方法，零件的精度高(误差0 1 m m)，表面质量好，原材料利用率接近1 0 0。能制造形状特别复杂(如空心零件)，特别精细

48、(如首饰等)的零件。缺点是成形过程中有化学和物理变化，所以制件易产生翘曲变形；在成形过程中，由于未被激光束照射的部分材料仍为液态，不能使制件截面上孤立轮廓和悬臂轮廓定位，因此须设计支撑结构；材料价格昂贵，可用材料的范围较窄。2 3 2 薄型材料选择性切割分层实体制造工艺又称层片叠加制造，由美国H e l i s y s 公司于1 9 8 6 年研制成功，并推出商品化的机器。该项技术将特殊的箔材一层一层地堆叠起来，C 0 2 激光束只须扫描和切割每一层的边沿，而不必像S L A 技术那样。要对整个表面层进行扫描。目前最常用的箔材是一种在一个面上涂布了热熔树脂胶的纸。在L O M 成型机器里，箔材

49、由一个供料卷筒被拉出，胶面朝下平整地经过造型平台，由位于另一方的收料卷简收卷起来。每敷覆一层纸，就由一个热压辊压过纸的背面，将其粘合在平台上或前一层纸上。这时激光束开始沿着当前层的轮廓进行切割。激光束经准确聚焦，使之刚好能切穿一层纸的厚度。在模型四周和内腔的纸用激光束切割成细小的碎片以便后期处理时可以除去这些材料。同时，在成型过程中，这些碎片可以对模型的空腔和悬臂结构起支撑的作用。一个薄层完成后，工作平台下降一个层的厚度，箔材已割离的四周剩余部分被收料卷筒卷起，拉动连续的箔材进行下一个层的敷覆。如此周而复始，直到整个模型完成 1 1 。基本原理和成形过程如图2 4、2 5 所示：L O M 模

50、型相当坚固，它可以进行机加工、打磨、抛光、绘制、加涂层等各种形式的加工。对体积表面积比值高的零件，成形速度快：由于材料没有液态固态的转换，因此不会产生热应力，收缩或膨胀、翘曲变形：所用材料是目前R P 工艺中最便宜的纸、塑料、陶瓷和复合材料等；L O M 机器便宜，且制造空间大，因此适用制造大型实体零件；零件的精度较高(误差0 1 5 m m)；工件外框与截面轮廓间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以L O M 工艺无需加支撑。缺点是材料的利用率低。1 2 大连理工火学硕士学位论文(a)工作过程(b)平面模型图2 4L O M 基本原理图F i g 2 4t h ep r i n e i p