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首页 快速成型与快速模具制造技术及其应用第十章 快速成型制造技术的应用

快速成型与快速模具制造技术及其应用第十章 快速成型制造技术的应用.ppt

快速成型与快速模具制造技术及其应用第十章 快速成型制造技术的应用

孟子73代
2019-01-12 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《快速成型与快速模具制造技术及其应用第十章 快速成型制造技术的应用ppt》,可适用于高等教育领域

快速成型技术自年前出现以来以其显著的时间效益和经济效益得到制造业广泛的关注涌现出了多种快速成型技术方法和相应的商品化设备出现了专门从事商品化快速成型设备、快速成型与快速模具制造技术支持与服务的公司和机构极大地促进了快速成型与快速模具制造技术的推广与应用为机械行业、汽车行业、医疗行业及相关的其它行业带来了显著的效益。快速成型技术自年商品化设备推出之后其设备销售量逐年增加图给出了在最初的几年间世界范围内RP系统的安装统计情况图给出的是各种主要RP系统截止到年底的安装统计。从图每年设备数量递增的梯度看快速成型技术自出现之后得到了广泛认可和迅速发展。据美国工程自动化咨询公司的RP市场年调查报告该行业年的产值接近亿美元如图所示。与CNC初期市场相比RP行业的发展速度是相当惊人的~年度RP产值以的年平均速度增长而在~年度CNC市场的年平均增长率为所以有人比喻RP技术对制造业的冲击与贡献可以与世纪年代出现的数控(NC)技术相媲美。第十章快速成型制造技术的应用图RP系统年安装统计第十章快速成型制造技术的应用图各主要RP系统的安装统计第十章快速成型制造技术的应用图RP行业的年收益及增长第十章快速成型制造技术的应用快速原型的基本用途快速成型技术的应用领域快速成型技术在铸造领域的应用快速成型技术在医学领域的应用快速成型技术在生物工程领域的应用第十章快速成型制造技术的应用现代产品的设计与制造已经依托于计算机软硬件技术和数控技术与装备进行了CADCAM的高度集成显著提高了产品开发的效率和质量。然而从CAD到CAM一直以来都存在着一个缝隙即产品的CAD总不能在CAM之前尽善尽美。快速成型技术的出现恰当好处地弥补了产品CAD与CAM之间的这个缝隙。正因为如此RP模型的早期应用主要集中在产品设计阶段的外观评估、装配与功能检验方面而且这几方面的应用至今仍然占据着较大的需求据年WohlersAssociatesInc对家RP系统制造商和家RP服务机构的统计对RP模型需求的目的如图所示。从图可见设计可视化、装配检验与功能模型(Fit/Form/Function)占据着RP模型的主要需求约占%而另一主要应用领域就是快速模具母模的需求。第一节快速原型的基本用途图对RP模型需求的目的第一节快速原型的基本用途概念模型可视化计算机软硬件技术的发展使传统的图纸式设计走向现代化的三维概念设计。尽管目前造型软件的功能十分强大但设计出来的概念模型仍然停留在计算机屏幕上概念模型的可视化是设计人员修改和完善设计十分渴求而又十分必要的。有人比较形象化地形容快速成型系统相当于一台三维打印机能够迅速地将CAD概念设计的物理模型非常高精度地图概念设计可视化ldquo打印rdquo出来。这样在概念设计阶段设计者就有了初步设计的物理模型借助于物理模型设计者可以比较直观地进行进一步的设计大大提高了产品设计的效率和可靠性。如设计者可以进行模型的合理分析和模型的观感分析根据原型或零件评价设计正确与否并可加以改正如图所示。第一节快速原型的基本用途新产品的开发总是从外形设计开始的外观是否美观和实用往往决定了该产品是否能够被市场接受。传统的加工方法中二维工程视图在设计加工和检测方面起着重要作用。其做法是根据设计师的思想先制作出效果图及手工模型经决策层评审后再进行后续设计。但由于二维工程视图或三维观感图不够直观表达效果受到很大限制而手工制作模型耗时又长精度较差修改也困难。快速成型制造技术能够迅速地将设计师的设计思想变成三维实体模型既可节省大量的时间又能精确地体现设计师的设计理念为产品评审决策工作提供直接、准确的模型减少了决策工作中的不正确因素。第一节快速原型的基本用途设计评价利用快速成型制造技术制作出的样件能够使用户非常直观地了解尚未投入批量生产的产品外观及其性能并能及时作出评价使厂方能够根据用户的需求及时改进产品为产品的销售创造有利条件并避免由于盲目生产可能造成的损失。同时投标方在工程投标中采用样品可以直观、全面地提供评价依据使设计更加完善为中标创造有利条件。在产品开发与设计过程中由于设计手段和其他方面的限制每一项设计都可能存在着一些人为的设计缺陷。如果未能及早发现就会影响后续工作造成不必要的损失甚至会导致整个设计的失败。使用快速成型制造技术可以将这种人为的影响减少到最低限度。快速成型制造技术由于成型时间短、精度高可以在设计的同时制造高精度的模型使设计者能够在设计阶段对产品的整体或局部进行装配和综合评价从而发现设计上的缺陷与不合理因素改进设计。第一节快速原型的基本用途因此快速成型制造技术的应用可把产品的设计缺陷消失在设计阶段最终提高产品整体的设计质量。下图给出的是某新型豪华客车用于外观评估的经过喷漆等处理的RP模型该模型大小为实际尺寸的图某新型豪华客车用于外观评估的RP模型第一节快速原型的基本用途装配校核进行装配校核、干涉检查等对新产品开发尤其是在有限空间内的复杂、昂贵系统(如卫星、导弹)的可制造性和可装配性检验尤为重要。如果一个产品的零件多而且复杂就需要做总体装配校核。在投产之前先用快速成型制造技术制作出全部零件原型进行试安装验证设计的合理性和安装工艺与装配要求若发现有缺陷便可以迅速、方便地进行纠正使所有问题在投产之前得到解决。下图为某发动机气缸部件中气缸盖改进设计后制作的用于装配检验的LOM模型。图用于装配检验的气缸盖LOM模型第一节快速原型的基本用途性能和功能测试快速原型除了可以进行设计验证和装配校核外还可以直接用于性能和功能参数试验与相应的研究如机构运动分析、流动分析、应力分析、流体和空气动力学分析等。采用快速成型制造技术可严格地按照设计将模型迅速地制造出来进行实验测试对各种复杂的空间曲面更体现快速成型制造技术的优点。如风扇、风毂等设计的功能检测和性能参数确定可获得最佳扇叶曲面、最低噪音的结构。如果用传统的方法制造原型这种测试与比较几乎是不可能的。第一节快速原型的基本用途图用于运动功能测试的凸轮模型右图给出的是为检验凸轮设计能否实现某机构的机械传动而制作的用于传动功能检测的LOM模型。通过装机运转检测根据反馈的信息进行了数次改进设计最终获得了能够完全满足运动要求的凸轮结构。采用SLS工艺快速制造内燃机进气管模型如图所示可以直接与相关零部件安装进行功能验证快速检测内燃机运行效果以评价设计的优劣然后进行针对性的改进以达到内燃机进气管产品的设计要求。图采用SLS工艺制作的内燃机进气管模型第一节快速原型的基本用途总体来说通过快速制造出物理原型可以尽早地对设计进行评估缩短设计反馈的周期方便而又快速地进行多次反复设计大大提高了产品开发的成功率开发成本大大降低总体的开发时间也大大缩短。快速模具的母模快速原型的另一大类应用就是作为翻制快速经济模具的母模如硅橡胶模具、聚氨酯模具、金属喷涂膜具、环氧树脂模具等软质模具进行单件小批量的试制以及浇注石膏、陶瓷、金属基合成材料、金属等硬质模具进行塑料件或金属制件的批量生产。快速原型用作快速模具的母模是快速成型制造技术经济效益的延伸和另一亮点。下图给出的是采用LOM原型翻制硅橡胶模具并进行产品快速制作的例子。第一节快速原型的基本用途图LOM原型做母模翻制的硅胶模具及产品环氧树脂模具因为成本低廉且制件数量较硅橡胶模具大而适合于小批量产品的试制。环氧树脂模具的制作同样需要RP模型做母模通过树脂材料及添加材料浇注而成模具的寿命可以达到数百件模具的表面质量主要取决于原型母模的表面质量尺寸精度可以达到plusmnmm。图给出的是环氧树脂模具制作产品的例子。图环氧树脂模具及产品第一节快速原型的基本用途直接制作快速模具采用快速成型技术可以直接制作不同用途的模具。采用SLS法可直接烧结金属模具和陶瓷模具用作注塑、压铸、挤塑等塑料成型模及钣金成形模。DTM公司用RapidTooltrade专利技术在SLS系统Sinterstation上将Rapidsteel粉末(钢质微粒外包裹一层聚酯)进行激光烧结得到模具后放在聚合物的溶液中浸泡一定时间然后放入加热炉中加热使聚合物蒸发接着进行渗铜出炉后打磨并嵌入模架内即可。图给出了采用上述工艺制作的高尔夫球头的模具及产品。图采用SLS工艺制作高尔夫球头模具及产品第一节快速原型的基本用途快速原型的基本用途快速成型技术的应用领域快速成型技术在铸造领域的应用快速成型技术在医学领域的应用快速成型技术在生物工程领域的应用第十章快速成型制造技术的应用快速成型自出现之后在众多领域都得到了较为广泛的应用。据年WohlersAssociatesInc对家RP系统制造商和家RP服务机构的统计对RP模型需求的行业如图所示。从图可以看出日用消费品和汽车两大行业对RP的需求占整体需求%以上而医疗行业的需求增长迅速其它的学术机构、宇航和军事领域对RP的需求也占有一定的比例。图对RP模型需求的行业第二节快速成型技术的应用领域第二节快速成型技术的应用领域汽车行业快速成型技术应用效益较为显著的行业为汽车制造业世界上几乎所有著名的汽车生产商都较早地引入快速成型技术辅助其新车型的开发取得了显著的经济效益和时间效益。现代汽车生产的特点就是产品的多型号、短周期。为了满足不同的生产需求就需要不断地改型。虽然现代计算机模拟技术不断完善可以完成各种动力、强度、刚度分析但研究开发中仍需要做成实物已验证其外观形象、工装可安装性和可拆卸性。对于形状、结构十分复杂的零件可以采用快速成型技术制作零件原型以验证设计人员的设计思想并利用零件原型做功能性和装配性检验。右图为采用光固化快速成型及技术制造的汽车水箱面罩原型。汽车发动机研发中需要进行流动分析实验。将透明的模型安装在一简单的实验台上中间循环某种液体在液体内加一些细小粒子或细气泡以显示液体在流道内的流动情况。该技术已成功的用于发动机冷却系统(气缸盖、机体水箱)、进排气管等的研究。问题的关键是透明模型的制造用传统方法时间长花费大且不精确而用SLA技术结合CAD造型仅仅需要~周的时间且花费只为之前的三分之一制作出的透明模型能完全符合机体水箱和气缸盖的CAD数据要求模型表面质量也能满足要求。第二节快速成型技术的应用领域右图所示为用于冷却系统流动分析的气缸盖模型。为了进行分析该气缸盖模型装在了曲轴箱上并配备了必要的辅助零件。图中的蓝色液体高亮显示了腔体的内部结构。当分析结果不合格时可以将模型拆卸对模型零件进行修改之后重装模型进行另一轮的流动分析直至各项指标均满足要求为止。第二节快速成型技术的应用领域光固化成型技术在汽车行业除了上述用途外还可以与逆向工程技术、快速模具制造技术相结合用于汽车车身设计、前后保险杆总成试制、内饰门板等结构样件功能样件试制、赛车零件制作等等。下图为基于SLA原型采用Keltool工艺快速制作的某赛车零件的模具及产品。第二节快速成型技术的应用领域位于德国Regensburg的宝马公司为了提高生产率和工人的舒适度以及工艺的可重复性其装配部门采用FDM工艺提高其手持装配装置的人体工程学效果。根据使用工人的反馈信息和要求改善其手持舒适度减轻重量并提高其平衡性例如某一款安装用手持装置采用内部薄筋结构替代原有的实心结构其重量降低了Kg。其设计者说Kg的重量看似不多但是工人每班需要成百上千次的使用它对减轻工人的劳动强度的效果是十分显著的。图为该装配部门采用Stratasys公司的FortusFDM系统制作的装配工具该工具用于固定宝马车徽。(a)宝马车徽(b)原机械加工的装配工具(c)FDM制作的装配工具图宝马公司采用FDM工艺替代机加工制作装配工具第二节快速成型技术的应用领域德国Regensburg的宝马公司装配部门给出了采用FDM技术替代传统CNC技术制作此装配用工具的成本和时间的对比如表所示。日本丰田公司采用FDM工艺制作轿车右侧镜支架和四个门把手的母模通过快速模具技术制作产品而取代传统的CNC制模方式使得Avalon车型的制造成本显著降低右侧镜支架模具成本降低万美元四个门把手模具成本降低万美元。在整个新式Avalon汽车的改进设计制造中FDM为这一计划节约的资金超过万美元。韩国现代汽车公司采用了美国Stratasys公司的FDM快速成型系统用于检验设计、空气动力评估和功能测试。FDM系统在起亚的Spectra车型设计上得到了成功的应用现代汽车公司自动技术部的首席工程师TaeSunByun说:空间的精确和稳定对设计检验来说是至关重要的采用ABS工程塑料的FDMMaxum系统满足了两者的要求在mm的长度上其最大误差只有mm。现代公司计划再安装第二套RP快速成型系统并仍将选择FDMMaxum该系统完美地符合我们的设计要求并能在个月内收回成本。图韩国现代汽车公司采用FDM工艺制作的某车型的仪表盘第二节快速成型技术的应用领域航空领域航空领域需求的许多零部件通常都是单件或小批量采用传统制造工艺成本高周期长。借助快速成型技术制作模型进行试验及直接或间接利用快速成型技术制作产品具有显著的经济效益和时间效益。通过快速熔模铸造、快速翻砂铸造等辅助技术进行特殊复杂零件的单件、小批量生产如涡轮、叶片、叶轮等并进行发动机等部件的试制和试验如图a所示为SLA技术制作的叶轮模型。图b给出了基于SLA技术采用精密熔模铸造方法制造的某发动机的关键零件。第二节快速成型技术的应用领域图快速成型在航空领域的应用(a)(b)利用光固化成型技术制作的导弹全尺寸模型在模型表面表进行相应喷涂后清晰展示了导弹外观、结构和战斗原理其展示和讲解效果远远超出了单纯的电脑图纸模拟方式可在未正式量产之前对其可制造性和可装配性进行检验如图c为SLA制作的导弹模型。某一航空领域公司的无人驾驶飞行器上一款电驱动四马达垂直起落架通过CAD设计之后采用DSystems公司的sProSLS设备使用DuraFormEX黑色材料进行其制作如图d所示。(c)(d)图快速成型在航空领域的应用第二节快速成型技术的应用领域在航空领域借助快速成型技术取代采用模具方式方法进行单件制作的优势一方面节省了模具制作的成本和时间另一方面优化后复杂结构的制作也容易实现。据某一为航空领域提供零部件公司统计采用快速成型技术使得零部件本身制作成本降低~制造时间减少~零部件重量降低~模具制作时间和成本降低~。第二节快速成型技术的应用领域电器行业随着消费水平的提高及消费者追求个性化生活方式的日益增长制造业中对电器产品的更新换代日新月异。不断改进的外观设计以及因为功能改变而带来的结构改变都使得电器产品外壳零部件的快速制作具有广泛的市场需求。在若干快速成型工艺方法中光固化原型的树脂品质是最适合于电器塑料外壳的功能要求的因此光固化快速成型在电器行业中有着相当广泛的应用。下图模型的树脂材料是DSM公司的SOMOS其性能与塑料件极为相近可以进行钻孔和攻丝等操作以满足电器产品样件的装配要求。图电器产品外壳件原型第二节快速成型技术的应用领域玩具等其他行业从事模型制造的美国RapidModelsPrototypes公司采用FDM工艺为生产厂商LaramieToys制作了玩具水枪模型如图所示。借助FDM工艺制作该玩具水枪模型通过将多个零件一体制作减少了传统制作方式制作模型的部件数量避免了焊接与螺纹连接等组装环节显著提高了模型制作的效率。图采用FDM工艺制作玩具水枪第二节快速成型技术的应用领域快速成型技术在雕塑艺术品创作的可视化展示中得到了非常好的应用效果。许多离奇的雕塑艺术品的创作灵感来源于海洋生物的形貌、有机化学的晶体结构、细胞结构的生长图形、数学计算演变的结构等。图示意的为基于某种螺旋环面生物的基本形貌而创作的叫做ldquo棘皮动物rdquo的雕塑。图快速成型在雕塑艺术的应用第二节快速成型技术的应用领域图基于细胞生长的有机体结构模型(a)原始模型(b)着色模型第二节快速成型技术的应用领域图为一种基于细胞生长算法构造的有机体结构图的雕塑模型。图基于细胞生长的有机体结构模型第二节快速成型技术的应用领域图示意的雕塑形式来源于一本关于立体有机化学书籍中对某种网格的描述。后来该晶体结构被普及传播而被称做K晶体。这个结构在各个方向上的投影存在着巨大不同需要通过实体模型辅助才可看清其复杂的构造。当前国际上制鞋业的竞争日益激烈而美国WolverineWorldWide公司无论在国际还是美国国内市场都一直保持着旺盛的销售势头该公司鞋类产品的款式一直保持着快速的更新时时能够为顾客提供高质量的产品而使用PowerSHAPE软件和Helysis公司的LOM快速成型加工技术是WolverineWorldWide公司成功的关键。Wolverine的设计师们首先设计鞋底和鞋跟的模型或图形从不同角度用各种材料产生三维光照模型显示这种高质的图像显示使得在开发过程中能及早地排除任何看起来不好的装饰和设计如图a所示。图WolverineWorldWide公司鞋类产品开发第二节快速成型技术的应用领域a)b)c)即使前期的设计已经排除了许多不理想的地方但是投入加工之前Wolverine公司仍然需要有实物模型。实物模型的制作便由叠层快速成型设备来完成。鞋底和鞋跟的LOM模型非常精巧但其外观是木质的为了使模型看起来更真实可在LOM表面喷涂产生不同材质效果如图b所示。LOM模型可用来决定设计是否可行如果可行则计算机将使用镜向对称操作生成另一只鞋底模型而相应产生LOM模型。将两LOM模型用金属喷涂然后用充满环氧树脂的铝增强该金属涂层。去除LOM模型后即可得到鞋底和鞋跟的型腔。每一种鞋底配上适当的鞋面后生产若干双样品(如图c所示)放到主要的零售店展示以收集顾客的意见。根据顾客所反馈的意见计算机能快速地修改模型根据需要可再产生相应的LOM模型和式样。第二节快速成型技术的应用领域图WolverineWorldWide公司鞋类产品开发a)b)c)快速原型的基本用途快速成型技术的应用领域快速成型技术在铸造领域的应用快速成型技术在医学领域的应用快速成型技术在生物工程领域的应用第十章快速成型制造技术的应用RP技术出现以来除了在新产品开发阶段具有较为广泛的需求外一直在铸造领域有着比较活跃的应用。在典型铸造工艺如熔模铸造等中为单件或小批量铸造产品的制造带来了显著的经济效益。在铸造生产中模板、芯盒、压蜡型、压铸模等的制造往往是采用机加工方法有时还需要钳工进行修整费时耗资而且精度不高。特别是对于一些形状复杂的铸件例如飞机发动机的叶片、船用螺旋桨、汽车、拖拉机的缸体、缸盖等模具的制造更是一个巨大的难题。虽然一些大型企业的铸造厂也备有一些数控机床、仿型铣等高级设备但除了设备价格昂贵外模具加工的周期也很长而且由于没有很好的软件系统支持机床的编程也很困难。快速成型技术的出现为铸造的铸模生产提供了速度更快、精度更高、结构更复杂的保障。第三节快速成型技术在铸造领域的应用熔模铸造熔模铸造也称为失蜡铸造是一种可以由几乎所有的合金材料进行净形制造金属制件的精密铸造工艺尤其适合于具有复杂结构的薄壁件的制造。快速成型技术的出现和发展为熔模精密铸造消失型的制作提供了速度更快、精度更高、结构更复杂的保障。尤其是DSystems公司开发的QuickCast工艺更加突出了RP技术在熔模铸造领域应用的优越性。熔模铸造的工艺过程如下:()浇注法制作熔模铸造的消失型-蜡模如右图所示。()将蜡质的标准浇注系统(浇口和浇道)和蜡型组装如右图所示。第三节快速成型技术在铸造领域的应用()将组装后的蜡型与浇注系统浸入到陶瓷浆中反复挂砂和干燥形成~mm的硬壳如右图所示。()向硬型壳中通入热水或蒸汽使蜡型熔化并排出得到空型壳如右图所示。()硬型壳高温焙烧进一步除去残留的蜡得到可进行浇注熔化金属的高强度陶瓷硬型壳如左图所示。第三节快速成型技术在铸造领域的应用()将陶瓷硬型壳预热至一定温度后注入熔化金属如右图所示。()冷却后除去陶瓷壳得到工件和浇注系统再除去浇注系统便得到了金属制件如右图所示。第三节快速成型技术在铸造领域的应用在应用较广泛的四种快速成型工艺中光固化原型与粉末烧结快速原型可以用作熔模铸造的消失型。图a为SLA技术制作的用来生产氧化铝基陶瓷芯的模具该氧化铝陶瓷芯是在铸造生产燃气涡轮叶片时用作熔模的其结构十分复杂包含制作涡轮叶片内部冷却通道的结构且精度要求高对表面质量的要求也很高。制作时当浇注到模具内的液体凝固后经过加热分解便可去除SLA原型得到氧化铝基陶瓷芯。图b是用SLA技术制作的用来生产消失模的模具嵌件该消失模用来生产标致汽车发动机变速箱的拨叉。图SLA原型在铸造领域的应用实例a)b)第三节快速成型技术在铸造领域的应用将SLS激光快速成型技术与精密铸造工艺结合起来特别适宜具有复杂形状的金属功能零件整体制造。在新产品试制和零件的单件小批量生产中不需复杂工装及模具可大大提高制造速度并降低制造成本。图给出了若干基于SLS原型由熔模铸造方法制作的产品。图基于SLS原型由快速无模具铸造方法制作的产品第三节快速成型技术在铸造领域的应用美国Sundstrand公司用快速成型件作母模进行了大量的熔模铸造取得了明显的效益如下表所示。由表中的数据可见采用快速成型技术后节省工时%~%节省成本%~%。第三节快速成型技术在铸造领域的应用砂型铸造砂型铸造的木模一直以来依靠传统的手工制作其周期长精度低。快速成型技术的出现为快速高精度制作砂型铸造的木模提供了良好的手段尤其是基于CAD设计的复杂形状的木模制作快速成型技术更显示了其突出的优越性。图为铸铁手柄的CAD模型和LOM原型。图给出的同样是砂型铸造的产品和通过快速原型技术制作的木模。图砂型铸造产品及木模图铸铁手柄的CAD模型和LOM原型a)CAD模型b)LOM原型第三节快速成型技术在铸造领域的应用石膏型铸造在石膏型铸造过程中快速成型件仍然是可消失模型然后由此得到石膏模进而得到所需要的金属零件。石膏型铸造的第一步是用快速成型件制作可消失模然后再将快速成型消失模埋在石膏浆体中得到石膏模再将石膏模放进培烧炉内培烧。这样将快速成型消失模通过高温分解最终完全消失干净同时石膏模干燥硬化这个过程一般要两天左右。最后在专门的真空浇铸设备内将熔溶的金属铝合金注入石膏模冷却后破碎石膏模就得到金属件了。图所示为使用石膏型铸造得到的发动机进气歧管系列产品。图采用石膏型铸造的发动机进气歧管第三节快速成型技术在铸造领域的应用直接模壳铸造美国麻省理工大学开发了一项基于立体喷墨印刷技术的直接模壳制造(DirectShellProductionCastingmdashDSPC)的铸造技术。这一技术随后授权于SoligenInc公司用于金属铸造。DSPC首先利用CAD软件定义所需的型腔通过加入铸造圆角、消除可待后处理时通过机加工生成的小孔等结构对模型进行检验和修饰然后根据铸造工艺所需的型腔个数生成多型腔的铸模。第三节快速成型技术在铸造领域的应用DSPC的工艺过程:首先在成型机的工作台上覆盖一层化铝粉如右图(a)所示。然后将微细的硅胶沿着工件的外廓喷射在这层粉末上如右图(b)所示。a)b)硅胶将氧化铝粉固定在当前层上并为下一层的氧化铝粉提供粘着层每一层完成后工作台就下降一个层的高度使下一层的粉末继续敷料和粘固未粘固在模型上的粉末就堆积在模型的周围和空腔内起着支撑的作用直至完成所有的叠层如右图(c)所示c)第三节快速成型技术在铸造领域的应用DSPC的工艺过程(续):整个模型完成后型腔内所充填的粉末必须去除获得需要的模壳如图d所示然后利用此模壳进行金属制件的铸造如图e所示。该项技术的优势是模壳材料广泛结构可较为复杂且制作快捷与熔模铸造工艺相比节省了制造蜡模模具和蜡模本身的成本缺点是模壳型腔表面比较粗糙且模壳尺寸受DP快速成型设备工作空间限制而较小。图基于DP快速成型技术的直接模壳铸造工艺流程e)d)第三节快速成型技术在铸造领域的应用快速原型的基本用途快速成型技术的应用领域快速成型技术在铸造领域的应用快速成型技术在医学领域的应用快速成型技术在生物工程领域的应用第十章快速成型制造技术的应用现代RP技术在世纪年代末期一经出现很多制造行业即对其表现出浓厚的兴趣。最早采用RP技术的是航空、汽车和医学工业。虽然医学应用仍然只占的RP市场但医学又对RP的应用提出了更高的要求。RP已经运用于种植体原型、监视系统和很多其它医疗设备原型的制作。运用生理数据采用SLA、LOM、SLS、FDM等技术快速制作物理模型对想不通过开刀就可观看病人骨结构的研究人员、种植体设计师和外科医生等能够提供非常有益的帮助。这些技术在很多专科如颅外科、神经外科、口腔外科、整形外科和头颈外科等得到了广泛应用帮助外科医生进行手术规划。第四节快速成型技术在医学领域的应用设计和制作可植入假体快速成型用于种植体设计已经有很长一段时间了工程师利用CAD软件可以很快地设计一个产品而RP设备的快速性允许设计师在很短的时间内多次验证并修改其设计这样就在设计过程中节约了时间和成本。运用RP技术设计师可以根据特定病人的CT或MRI数据而不是标准的解剖学几何数据来设计并制作种植体如图所示。这样极大地减少了种植体设计的出错空间并且这种适合每个病人解剖结构的种植体确实能设计一个更好的手术结对病人的麻醉时间还能减少整个手术的费用。第四节快速成型技术在医学领域的应用图从CT数据到骨骼D数值模型图应用RP模型设计植入体基于RP制造的植入体具有相当准确的适配度其优点在于能够提高美观度、缩短手术时间、减少术后并发症等。具体制作的过程为:()来源于CT的数据转换成STL数据()利用RP技术制作缺损部位原型()采用硬质石膏、硅橡胶等材料和相关方法翻模()制作熔模并进行熔模铸造制作假体。第四节快速成型技术在医学领域的应用外科手术规划复杂外科手术往往需要在三维模型上进行演练以确保手术的成功。快速成型技术可满足这种要求。由于有了解剖模型医生可以有效地与病人沟通借助于病人自己的解剖模型医生可以指出关键的区域从而增加病人的理解。模型增加了病人对治疗的理解这比晦涩的二维X光照片要好理解得多。模型也能让医生对病人以前的手术经历一目了然。此外模型还能让医生在手术之前对着模型进行手术规划如图所示。仅时间节省这一项就使得模型制作在很多复杂手术中显得非常重要和必要。图RP模型辅助复杂手术规划第四节快速成型技术在医学领域的应用颌面修复目前美国、澳大利亚、新加坡、日本以及欧洲等许多国家对快速原型在医疗领域的应用非常重视。美国在牙科手术、面部矫正手术方面新加坡在面部矫正手术方面澳大利亚在头颅和面部修复手术方面德国和法国等在头颅和颌骨修复手术方面都依靠快速原型技术取得了明显的效果。国内的医疗领域目前也在尝试对快速原型技术进行应用研究但是成功的案例还十分少见。第四节快速成型技术在医学领域的应用基于CT技术和快速成型技术的人体颌面部缺损修复手术是快速原型技术在医学领域里比较有价值的临床应用。对患者头部进行螺旋CT扫描得到最小间距的二维CT数据。通过设定骨骼的灰度阈值提取CT图像中的骨骼轮廓得到患者病变区域的头颅模型如图所示。图像中左侧因肿瘤病变进行了切除。手术的目的就是通过切取病人体内的腿骨修复左侧下颌的缺损。在数据处理时还进行了右侧下颌骨的提取并镜像用于制作快速原型以辅助手术。图患者病变区域的头颅骨模型第四节快速成型技术在医学领域的应用将上述处理完毕的数据文件按要求的格式输入到快速原型系统进行加工制作。下图为具有缺损的患者头颅骨SLA模型、患者小腿骨SLA模型及患者左侧完好的下颌骨模型的镜像颌骨SLA模型图颌面缺损的局部头盖骨、下颌骨及小腿骨SLA模型第四节快速成型技术在医学领域的应用颌面修复手术的方案:以对应缺损部位的正常部位的镜像体为参考模型对从腿部切下的小腿骨进行分割拼凑到缺损部位然后用金属植入体进行相应的固定和定位。具体步骤如下:将颌面部缺损的局部头盖骨原型和对应缺损部位的正常部位的镜像体拼合到一起如图(a)所示观察结合部位上下牙齿咬合的程度如果咬合程度好就可以定型作为手术规划和演练的目标实体。②将成型钛板支架固定在吻合好的下颌模型上定型后采用螺钉固定如图(b)所示。a)b)图借助快速成型技术辅助颌骨修复手术第四节快速成型技术在医学领域的应用③将小腿腓骨SLA模型进行切割拼凑处理使切割骨的形状与钛板形状吻合测量每一段小腿腓骨模型的长度并标记对应于整体腓骨的位置作为手术过程的依据如图(c)所示。④按照上述手术规划和方案实施下颌骨修复手术如图(d)所示。图借助快速成型技术辅助颌骨修复手术d)c)第四节快速成型技术在医学领域的应用义耳制作全耳廓缺损在临床上是一种较为常见的疾病。外耳缺失不仅影响美观而且听力也大受影响。全耳缺损的修复方法一般有种:手术和义耳。手术再造耳的外形不够理想且存在费用高危险大周期长效果不满意等缺点。随着计算机技术的发展CT图像处理和三维重构技术的迅速发展伴随着快速成型技术的成熟两者结合为义耳的制作提供了一种新工艺。在颌面修复领域义耳赝复体形态制作一直存在仿真程度不高的问题。基于医学CT三维重构技术进行数据处理得到义耳及义耳注型模具的三维模型采用快速成型技术进行义耳注型模具的快速制作。同时对浇注的硅橡胶材料进行配色再利用快速成型制作的义耳注型模具进行义耳赝复体的真空注型便可得到几何形状仿真度比较满意的义耳赝复体。第四节快速成型技术在医学领域的应用基于螺旋CT图像的义耳模型构建的过程如下图所示。扫描患者正常一侧的耳朵将CT数据存储成DICOM格式如图a使用专用的三维重建软件将患者耳部CT数据重建生成的三维模型如图b将三维模型进行光顺处理并将数据格式转化为快速成型系统接收的STL文件格式如图c所示镜像得到患者缺损耳朵三维数据模型如图d所示。图基于CT图像处理技术的义耳模型第四节快速成型技术在医学领域的应用图义耳上下模具图SLA法制作的义耳模具当获得义耳三维模型后通过布尔运算及根据真空注型工艺要求得到义耳注型的上下模具并根据注型工艺要求设置了浇道和合模定位装置。义耳注型上下模具如图所示。图是采用光固化快速成型技术制作的用于硅橡胶浇注的义耳模具。第四节快速成型技术在医学领域的应用采用SLA快速成型技术制作的义耳注型模具利用医学硅橡胶材料进行义耳的真空注型。但是在注型之前需要对硅橡胶材料根据个体肤色进行配色。义耳赝复体的颜色应该在整体上能够与颌面部组织相协调这就需要与患者肤色进行精确匹配而这项工作以往通常是由医技人员根据患者肤色或肤色记录按照经验进行配色但是操作者颜色辨别能力的差异和修复材料固化后颜色的变化一直影响着赝复体颜色的准确性。最新的图义耳赝复体研究是以色度学为基础建立肤色值、颜料配比值、赝复体的颜色色度值及色差之间的数学关系借助色度测量仪器对个体肤色进行测量得到与个体肤色比较精确的科学配色方法。图便是对硅橡胶材料进行配色后使用SLA快速成型的模具通过真空注型技术得到的义耳赝复体。第四节快速成型技术在医学领域的应用心血管模型制作心血管系统由心脏、动脉、静脉、毛细血管等组成准确复制心脏、血管、血管瘤、气管等软组织结构可以提供个性化软组织模型在诊疗、手术和医学教学等领域具有很大的意义。图为由心脏器官CT数据提取出来的右、左半部分心血管的三维结构。图左、右心血管的三维结构第四节快速成型技术在医学领域的应用典型的快速成型技术SLA、SLS、LOM、FDM等都被应用于医学模型实体制作在不同的组织结构模型成形中各有其优势。在精度基本一致的情况下SLA工艺优点在于加工模型透明外观效果好致命缺点是其加工过程中需要添加支撑而对于心血管这类细枝干器官支撑的添加和去除都是一项繁重的工作。LOM工艺虽不存在支撑问题但是成型后多余材料的去除对于小尺寸的心血管来说比较困难。SLS工艺则不存在上述两种问题但其成型时容易出现固化不全、细节部位固化多余等问题。图为采用SLS快速成型工艺制作的右心血管模型。图右心血管SLS模型第四节快速成型技术在医学领域的应用口腔种植体导板随着口腔种植技术逐渐被广大患者接受和认可种植技术已经成为常规的牙列缺失的治疗手段。基于CT数据的CADCAM导板目前已经发展成熟并广泛应用于临床。通过对患者的CT信息进行三维重建从而有效评价骨量和重要组织(神经)的位置虚拟放置种植体到最理想的位置实现种植体位置的计算机模拟植入继而利用反求技术获取种植体的位置及角度等信息、采用CAD手段将其设计并转移到植入导板的导向孔道中实现种植体植入导板的计算机辅助设计。而快速成型技术为上述CAD导板的快捷而精确制作提供了一种有效途径。下面为借助快速成型技术辅助种植体植入导板制作的实验研究实例。第四节快速成型技术在医学领域的应用()试验标本选取选取干燥的下颌骨模型作为实验对象利用下颌骨标本以及种植体:干燥下颌骨标本个种植体颗(OSSTEM公司直径mm,长度mm)。如图所示。a)干燥下颌骨b)种植体图试验标本第四节快速成型技术在医学领域的应用()放射导板制作及CT数据获取对下颌骨标本取模制作石膏模型修整后利用热压膜技术对石膏模型压膜制作压膜导板修整后在压膜导板的颊舌侧钻孔放置放射标记物完成放射导板的制作。放射导板戴入颌骨后拍摄CT同时放射导板单独CT扫描获取下颌骨和放射导板CT数据。如图所示图中箭头指示的为放射标记点。图下颌骨石膏模型及利用热压膜技术制作的放射导板第四节快速成型技术在医学领域的应用()种植体导板设计将CT数据导入专用软件中分别重建下颌骨和放射导板三维数模(图a)利用放射标记点进行配准实现导板与颌骨模型的匹配(图b)图中箭头所指即为放射标记点。采用与实际微螺钉直径相同的圆柱体作为虚拟螺钉虚拟放置种植体在合适位置(图c)设计植入孔道结构并确定植入深度完成种植体导板设计(图d)。a)重建的下颌骨模型b)虚拟放置种植体c)配准放射导板d)植入导板设计图种植体导板设计第四节快速成型技术在医学领域的应用()快速成型植入导板植入种植体将设计的植入导板数据提供给快速成型系统进行导板快速成型制作(图a)。为保证每个植入钻的植入方向在导向孔道内还需设计、制作并安装导向管(图a)。导板在实验模型上经过试戴后检查其稳定性并利用微螺钉将导板固定在颌骨标本上按顺序依次更换导向管导向钻在颌骨模型上植入种植体(如图b)。a)导板SLA模型及导向管安装b)植入种植体图植入种植体第四节快速成型技术在医学领域的应用实际临床应用时可以按照上述给出的试验研究步骤和方法来进行口腔种植体植入导板的设计与制作下图给出的是面向临床应用而设计并制作的口腔种植体植入导板及其应用。a)种植体植入导板b)临床植入图借助快速成型技术制作的种植体植入导板及其应用第四节快速成型技术在医学领域的应用快速原型的基本用途快速成型技术的应用领域快速成型技术在铸造领域的应用快速成型技术在医学领域的应用快速成型技术在生物工程领域的应用第十章快速成型制造技术的应用快速成型技术在生物工程的应用刚刚起步但也取得了令人可喜的成果。针对骨的具体结构进行CAD造型然后利用内部细微结构仿生建模技术及分层制造常温下用生物可降解材料边分层制造边加入生物活性因子及种子细胞。用快速成型技术制成的细胞载体框架结构来创造一种微环境以利于细胞的粘附、增殖和功能发挥以此达到组织工程骨的并行生长加速材料的降解和成骨过程。此外有关文献还报道了用一种结合表面活性剂和颗粒模板的称为软平板印刷的方法来形成有功能的纳米结构其研究已经达到了分子水平。归纳起来目前RP模型的医学应用如图所示。第五节快速成型技术在生物工程领域的应用图应用RP模型的原因医学应用的每一个RP模型都需要原型设备和材料的特殊搭配才能产生预期效果某种情况可能需要半透明的硬塑料而另一种情况可能需要软的生物兼容材料有时需要消毒材料有时却并不需要。RP医学应用中设备和材料的选择可参考表所示。第五节快速成型技术在生物工程领域的应用USPVI级材料是通过安全测试并能消毒的材料。目前只有少数几种RP材料符合这一要求SLA有一种FDM有一种SLS有两种LOM有几种。表中的另一类材料是可植入材料目前仍然很弱将来有望该类材料能够得到迅速增长。DP与SLS等RP技术在这方面具有较大的优越性。从医学图象得到的解剖模型有一系列的要求。有些模型最适合用半透明材料做有的最适合用不透明材料制作以便更好的观察表面。在大多数情况下这些模型是在手术之前使用特定情况下需要把模型消毒用于手术时的参考。第五节快速成型技术在生物工程领域的应用随着生物材料科学的发展快速成型产品在医学领域的临床应用将不断增长从骨再生植入到器官置换应用范围非常广。目前正在研究的人工骨制作是RP技术非常有前景的一个应用领域目前有两种制造骨骼植入体的方法。一种方法是采用选择性沉积磷酸钙粉末的工艺来制作多孔的种植体。动物实验表明这些多孔种植体在新骨生长性能方面表现了优异的性能。经过一定的时间这些多孔种植体将变成动物骨架的一部分。这些多孔种植体在相对密度为时强度要比原先降低到MPa因而他们的用途局限于不承载的部分如面部和颅骨部分。第二种工艺是用SLS准备碳素模具熔融的磷酸钙在℃的熔化温度下浇注到模具中。这样得到的全密度玻璃态部件可以通过退火得到半结晶的合成物抗压强度超过MPa可用于承载种植体如牙齿骨头螺钉和脊椎骨等。第五节快速成型技术在生物工程领域的应用定制骨植入体在重建、整形外科手术中如果病人可以经济的定制到通过医用CT扫描的骨植入体是非常有用的。如果可能的话需要对事故前的受伤部位进行CT扫描或者使用相应身体的另一侧未受伤骨头的镜像。按照实际尺寸定制的植入体可以减少进行医用培植步骤的过程降低病人的风险。采用快速原型制造技术制作骨植入体一般采用一种羟基磷灰石(HA)和磷酸盐的玻璃相粉末混合物的聚合材料体系这种材料与人体具有生物相容性并且可以制作成LOM工艺中的薄层材料。应用LOM工艺制作羟基磷灰石定制骨植入体的流程如图所示。图定制骨植入体制造流程图第五节快速成型技术在生物工程领域的应用这种复合材料体系包括羟基颗粒和磷酸钙的玻璃相如图所示。玻璃相的磷酸钙被用做粘合剂当烧结时玻璃相熔化并把羟基磷灰石熔和在一起。适当比例的玻璃添加物使HA烧结工艺在较低温渡下执行(等于或稍高于玻璃的熔化温度)从而降低了HA损失羟基和分解的趋势。此外烧结后收缩率也明显低于纯固态烧结的。HA与玻璃相合成物的最佳重量配比一般为:。当烧结时这种配比有足够的玻璃相来完全覆盖到HA但又不会因为玻璃相过多而影响复合物的性能。a)HA颗粒b)磷酸钙的玻璃相图羟基磷灰石定制骨植入体复合材料体系第五节快速成型技术在生物工程领域的应用陶瓷薄层材料制作工艺如图所示。HA玻璃相薄层的厚度范围从mum到mum。薄层的微结构如图所示烧结后由于粘合剂的去除颗粒显示更为清晰。多数薄层材料会产生一定程度肉眼可见的裂缝。采用LOM工艺对上述制备的薄层材料进行叠加成形制作出层的腕骨(大约mmtimestimesmm)如图所示。图陶瓷薄层材料制作工艺第五节快速成型技术在生物工程领域的应用图用LOM法制作的陶瓷带的羟基磷灰石玻璃相腕骨植入体图陶瓷薄层材料制作工艺a)生羟基磷灰石玻璃相带b)粘合剂烧结后的羟基磷灰石玻璃相带第五节快速成型技术在生物工程领域的应用PCL多孔支架制作复杂关节如颚关节的修复与重建对骨组织工程提出了很大的挑战。患者体内对异源体、非生物材料的恶性反应使治疗结果大打折扣自体移植则要求从患者其他部位移植骨这将导致患者其他部位的并发症。为此支架必须与解剖缺陷相吻合拥有能够承受活体负载的机械性能加强组织生长产生具有生物相容性的降解产物。PCL是一种生物可消溶聚合物在骨与软骨修复方面具有潜在的应用价值。PCL支架可由多种快速成型技术制得包括熔融沉积技术、光固化成型技术、精密挤压沉积、三维打印等而采用SLS技术制作能够容易实现具有多种内部结构与孔隙率的PCL支架。第五节快速成型技术在生物工程领域的应用图a给出的是在UG三维造型软件上设计的圆柱形多孔支架(直径mm高度mm)图b为SinterstationTM设备上使用PCL粉末制作SLS支架模型。a)孔径mm的多孔支架的STL模型b)采用SLS工艺制作的PCL支架图PCL多孔支架的设计与制造第五节快速成型技术在生物工程领域的应用a)实际猪颚关节b)PCL支架的STL设计描述c)SLS模型图PCL多孔支架在猪颚关节制造中的应用图给出的是猪颚关节的三维构形及多孔支架设计与SLS模型。第五节快速成型技术在生物工程领域的应用无支架血管组织再造通常的组织再造是基于外源性生物相容性的支架的使用而进行的。然而支架材料的选择、免疫性、降解速率等会影响组织的长期性能并直接干涉其主要的生物功能。因此借助于快速成型技术的DP方法出现了无支架组织的再造技术并在皮肤、骨骼等方面取得了进展成功再造了外径为~mm的血管组织。在无支架血管组织再造之前需经过前期的细胞培养、柱状多细胞体和琼脂糖棒的准备。图a为血管再造模板按照图b中的顺序进行琼脂糖棒的逐层堆积。图c为再造血管组织的生物打印快速成型设备堆积出如图d所示的含有琼脂糖棒的血管组织。去除琼脂糖棒后得到图e所示的外径分别为mm和mm的血管组织。生物打印机配备两个打印头一个用来挤出琼脂糖棒另一个用来进行多细胞体的沉积。第五节快速成型技术在生物工程领域的应用图无支架血管组织再造过程a)b)c)d)e)第五节快速成型技术在生物工程领域的应用第十章快速成型制造技术的应用思考题、列举对快速原型需求较多的领域有哪些?、列举快速原型应用的目的或用途主要有哪些?、快速原型作为快速模具的母模主要应用于哪几个方面?、快速原型在铸造领域的应用有哪几个主要方面?、快速原型在产品设计中的应用主要有哪几个方面?、快速原型在医学领域的应用主要有哪几个方面?、快速原型在组织工程领域的应用主要有哪几个方面?

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快速成型与快速模具制造技术及其应用第十章 快速成型制造技术的应用

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