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快速成型技术

lqwbyd
2010-08-01 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《快速成型技术pdf》,可适用于工程科技领域

T快速成形技术的产生背景T随着全球市场一体化的形成制造业的竞争十分激烈产品的开发速度日益成为竞争的主要矛盾。同时制造业需要满足日益变化的用户需求又要求制造技术有较强的灵活性能够以小批量甚至单件生产而不增加产品的成本。因此产品开发的速度和制造技术的柔性变得十分关键。快速原型制造技术就是在这样的社会背景下产生的。八十年代后期RP技术在美国首先产生并商品化。从那时起RP技术一直以离散堆积原理为基础和特征。简单的说将零件的电子模型(如CAD模型)方式离散成为可加工的离散面、离散线和离散点而后采用多种手段将这些离散的面、线段和点堆积形成零件的整体形状。由于工艺过程无需专用工具工艺规划步骤简单总的来说制造速度比传统方法快的多。也有人因该技术高度的柔性而称之为“自由成形制造”。RP技术涉及CAD技术、数据处理技术、数控技术、测试传感技术、激光技术等多种机械电子技术材料技术和计算机软件技术是各种高科技技术的有机综合、交叉应用。因此各种相关技术的迅速发展是RP技术得以产生的重要技术背景。RP技术具有很好的前景和应用价值世界上主要先进工业国家的政府部门、企业、高等院校、研究机构纷纷投入巨资对RP技术进行开发和研究。当前世界上己形成强劲的RP热发展十分迅猛。美国、欧洲、日本都站在世纪世界制造业全球竞争的战略高度来对待这一技术。什么是RPTURP、RPM的定义UTTURP技术的基本过程UTTURP技术的特点UTTRP、RPM的定义TT快速成形(RPRapidPrototyping)技术:T快速成形技术是一种基于离散堆积成形思想的新型成形技术是集成计算机、数控、激光和新材料等最新技术而发展起来的先进的产品研究与开发技术。T快速原型制造(RPMRapidPrototypingManufacturing)技术:T使用RP技术由CAD模型直接驱动的快速完成任意复杂形状三维实体零件的技术的总称。TU返回UTTRP技术的基本过程TT快速成形技术的基本过程TT:T由CAD软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体模型将三维模型沿一定方向(通常为Z向)离散成一系列有序的二维层片(习惯称为分层)根据每层轮廓信息进行工艺规划选择加工参数自动生成数控代码成形机制造一系列层片并自动将它们联接起来得到三维物理实体。快速成形过程示意图这样将一个物理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且成形过程的难度与待成形的物理实体形状和结构的复杂程度无关。TRP技术的实现流程:TRP的离散堆积成形流程TU返回UTTRP技术的特点TT快速成形技术的重要特征:T高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成形过程无需专用夹具或工具无需人员干预或较少干预是一种自动化的成形过程成形全过程的快速性适合现代激烈的产品市场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。先进的快速成形制造(RPM)系统即是与CAD集成的快速成形制造系统属于CIMS的目标产品的范畴。由于它直接由计算机数据信息驱动设备进行制造因此是一种数字化制造。在信息传递网络化的今天RPM技术成为实现数字化制造的最佳方法。TRP的作用和优越性TTRP技术功能:T根据零件或物体的三维模型数据快速、精确地制造出零件或物体的实体模型无需任何专用工具。即:“CAD模型直接驱动快速地制造出复杂的三维实体。”RP的技术功能它与NC机床的主要区别在于高度柔性。无论是数控机床还是加工中心都是针对某一类型零件而设计的。如车削加工中心铣削加工中心等。对于不同的零件需要不同的装夹用不同的工具。虽然它们的柔性非常高可以生产批量只有几十件、甚至几件的零件而不增加附加成本。但它们不能单独使用需要先将材料制成毛坯。而RP技术具有最高的柔性对于任何尺寸不超过成形范围的零件无需任何专用工具就可以快速方便的制造出它的模型(原型)。从制造模型的角度RP具有NC机床无法比拟的优点即快速方便、高度柔性。零件的模型或原型虽然只反映出最终零件的几何特性不能反映出全部的机械性能。但已经使RP技术受到极大的欢迎。德国奔驰公司的WernerPullman博士在IMS快速产品开发国际会议上讲:“购买一辆车首先考虑的是它的客观印象然后是它的技术特性如马力、安全设备等。象噪音、操作性能和款式等特性是作出购买决定的重要因素。但这些特性只有通过物理原型来评价。因此高质量的功能原型在产品开发中是重要的方面不能被数字模型和分析所取代。”PP在美国福特汽车公司RPM技术被用于为多种目的制造模型:T设计者和工程师可以拿着他们设计概念的实物模型进行早期的观察、验证反复改进和优化TT模型作为并行工程的联系工具TT用于零部件的加工和配合测试TT用于市场研究作为测试样品研究消费者的偏好TT帮助制定生产规划决定工具夹具的需求TT帮助设计包装衬板的设计TT制造出金属原型T用QuickCast方法直接从SLA制造的原型制造出成对的凸凹模具这些模具可用于注塑成形加工出最终使用材料的零件。从上述例子可以看到快速制造零件原型快速将CAD的数字模型转换成实体模型的RP技术已被人们所接受并受到产业界的广泛欢迎。T技术现状TTRP技术概况TT|TU工艺设备水平UTTT|TU成型材料UTTT|TU软件UTTT|TTTTURP技术存在的主要问题UTT工艺设备水平T国内外现有的工艺分为五类就这五类工艺许多公司都开发了自己的设备。如表所示。RPM的商品化工艺设备工艺方法公司设备最大造型尺寸mm正常精度mmDSYSTEMSLAHHEOSSterEosHHFSLMSHHCMETSOUPHHDMECSCSHHTeijinSeikiMark选择性液体固化MitsuiZosenCOLAMN±HelicesLOMhKaraCorpKSCSparHotPlotSingaporeZIPPYIⅡ××±层片添加SinghSSM±选择性粉未熔结DTMSinterstation,××±EOSEOSINT××Strategy’sFDM××±熔融挤压成形SinghMEMⅡ××±SandersPrototypeMMPROModelMakerⅡBPMBPMDSYSTEMActua××Strategy’sGenesis喷墨打印SoignéDSPCG±TU返回UTT成型材料TT国外RPM材料应用类型T成型材料是RPM技术发展的关键环节。它影响原型的成型速度、精度和物理、化学性能直接影响到原型的二次应用和用户对成型工艺设备的选择。国外新工艺的出现往往与新材料的应用有关。国外现在所应用的成型材料种类已经较为丰富见表所示。材料形态液态固态粉末固态片材固态丝材非金属金属具体材料光固化树脂蜡粉尼龙粉覆膜陶瓷粉钢粉覆膜钢粉覆膜纸覆膜塑料覆膜陶瓷箔覆膜金属箔蜡丝ABS丝与RPM制造的四个目标(概念型、测试型模具型功能零件)相适应对成型材料的要求也不同。概念型对材料成型精度和物理化学特性要求不高主要要求成型速度快。如对光固化树脂要求较低的临界曝光功率、较大的穿透深度和较低的粘度。测试型对于材料成型后的强度、刚度、耐温性、抗蚀性等有一定要求以满足测试要求。如果用于装配测试则对于材料成型的精度还有一定要求。模具型要求材料适应具体模具制造要求如对于消失模铸造用原型要求材料易于去除。快速功能零件要求材料具有较好的力学性能和化学性能。从解决的方法看一个是研究专用材料以适应专门需要另一个是根据用途分类研究几类通用材料以适应多种需要。T国外主要的光固化树脂T国外主要的光固化树脂表工艺材料制造商材料品牌材料类型备注CapitolSL丙烯酸基光固化树脂CapitolSL同上CapitolSL环氧基光固化树脂低收缩率、低粘度ACES及QuickCast模式CapitolSL同上同上CapitolSL同上同上SOMOS丙烯酸基光固化树脂不透明SOMOS同上透明SOMOS同上不透明变形少CoatesBrothersPLC收缩率小抗水SGSDSMDesotecDeSolite通用光固化树脂T国外公司材料研究情况TT国外公司材料研究情况表T公司材料特点适用范围Helices涂覆纸价格便宜易燃直接或间接消失模铸造、砂型铸造、石膏铸造制造硅胶模、喷涂金属模纤维混纺料耐高温高压直接制造塑料注塑模具Strategy’s精铸石蜡价格便宜气化温度低消失模制造聚脂石蜡价格便宜熔点低消失模制造ABS(红、黄、蓝绿、白、黑六色)强度高熔点较高色彩鲜艳概念型、测试型和注射模制造MABS(医学用ABS)强度高溶点较高医学用原型制造纤细尼龙(FineNylon)有较好的强度、刚度、耐热性和抗腐蚀性能概念型和测试型制造尼龙复合物(NylonComposite)填充了玻璃微珠的尼龙有很好的强度、刚度、耐热性和抗腐蚀性能能制造微小特征适合概念型和测试型制造存真塑料(TrueFormPTMP)熔点低变形率低颗粒小而均(micron)强度稍差消失模制造聚碳酸脂(polycarbonate)熔点低消失模制造DTM金属粉末熔点高强度高功能零件或金属模具制造Soigné覆膜陶瓷粉溶点高刚度高制造陶瓷壳型TU返回UTT软件T软件是RPM系统的灵魂。其中最为关键的又是CAD到RP接口的数据转换和处理软件。在RPM发展的初期人们的注意力主要集中在工艺本身而随着应用的不断深入软件处理的精度和速度软件对复杂模型的处理能力就成为应用中的一个主要瓶颈。国外的RPM公司和研究机构对此都非常重视并投入大量人力和资金进行软件的研究和开发。国外的各大RPM系统生产商一般都开发自己的数据变换接口软件如DSYSTEM公司的ACES、QuickCastHollis’s公司的LOMSliceDTM的RapidTooStrategy’s的QuickSlice、SupportWorks、AutopenCubical的SoliderSanderPrototype的potboil和ProtoSupport等。由于CAD与RPM的数据变换接口软件开发的困难性和相对独立性国外涌现了很多作为CAD与RP系统之间的桥梁的第三方软件这些软件一般都以常用的数据文件格式作为输入输出接口。输入的数据文件格式有STL、IGES、DXF、HPGL、CT层片文件等而输出的数据文件一般为CLI。以下是国外比较著名的一些第三方接口软件。TBridgeWorks:T由美国的SolidConcept公司在年推出经不断改进现已发展到Version以上。该软件可通过对STL文件特征的分析自动添加各种支撑。TMagic’s:T由比利时的Materialize公司在年推出现已发展到version包括Magic’sViewMagic’sRPMagic’sSGContoursToolsCTModeerSystemMimicsCTM等七个模块可以进行基于STL文件的显示、错误检验、自动添加支撑、分层、制造时间估计等处理还提供了各种对CT文件及IGES文件的有效处理。该软件功能广泛、性能优良、界面美观是一个优秀的第三方接口软件。TSolidView:T由美国的SolidConcept公司在年推出可以在WINDOWSWINWINNT操作系统下进行STL文件的线框和着色显示STL文件的旋转、缩放等操作。TSTLManager:T由美国的POGO公司于年推出主要用于STL文件的显示和支撑的添加。TSylvie:T这是一个由美国的软件工程师IgorTable在业余时间所写的软件现己发展到Version。它可以从网上免费下载并使用两周同SolidVielw类似这个软件可用于STL文件的显示和变换同时它还有错误修复、添加支撑等功能。TSurface-RPM:T这是由美国的Imageware公司在年为其Surface软件增加的用于快速原型制造数据处理的模块。其他第三方数据接口软件还有克莱梅森大学的CIDES、AnthonyDMartin开发的ADMeshXOX公司的SHAPESBrockRooney的BrockwareIDEAS的RP模块CADDS的RP模块等。由于数据接口软件的开发往往需要很高的专业水平要耗费大量的财力和时间现在国外出现了RPM生产商购买第三方数据接口软件的趋势。如年DSYSTEM公司与Imageware公司达成协议采用Imageware的RP一系列模块作为“DSystemsSLToolkit”。而SandersPrototype公司也采用了STLManager作为自己的数据接口软件。另外德国的F&S公司也购买了MAGICS软件的部分模块。从技术角度说数据转换和处理软件的难度集中在STL自动纠错、支撑的自动添加、快速模具制造时的实体空腔化或网格(lattice)化处理、扫描矢量的生成等环节。目前国外软件综合起来在这些方面都处理的比较好。国外现在软件有人工智能化的趋势。TU返回UTTRP技术存在的主要问题T根据“RapidPrototypingReport”对其读者调查目前RP领域中存在的主要问题如图所示。从图可知材料问题和RP设备的价格仍然是RP技术发展的主要问题。具体地说目前RP技术中主要存在以下问题:T材料问题T目前RP成形材料的成形性能大多不太理想成形件的物理性能不能满足功能性、半功能性零件的要求必须借助于后处理或二次开发才能生产出令人满意的产品。而由于材料技术开发的专门性一般RP成形材料的价格都比较贵造成生产成本提高。T高昂的设备价格TRP技术是综合计算机、激光、新材料、CADCAM集成等技术而形成的一种全新的制造技术是高科技的产物技术含量较高所以目前RP设备价格较贵一般在~万美元之间限制了RP技术的推广应用。T功能单一T现有的RP成形系统都只能进行一种工艺成形而且大多数只能用一种或少数几种材料成形。这主要是因为RP技术的专利保护问题各厂家只能生产自己开发的RP工艺成形设备随着技术的进步这种保护体制已成为RP技术集成的障碍。T成形精度和质量问题T由于RP成形工艺发展还不完善特别是对RP软件技术的研究还不成熟目前RP成形件的精度及表面质量大多不能满足工程需要不能作为功能性零件只能作原型使用。为提高成形件的精度和表面质量必须改进成形工艺和RP软件。T应用问题T虽然RP技术在航空航天、汽车、机械、电子、电器、医学、玩具、建筑、艺术品等许多领域都已获得了广泛应用但大多是作为原型件进行新产品开发及功能测试等如何生产出能直接使用的零件是RP技术面临的一个重要问题。随着RP技术的进一步推广应用直接零件制造是RP技术发展的必然趋势。T软件问题T随着RP技术的不断发展RP技术的软件问题越来越突出RP软件系统不但是实现离散堆积成形的重要环节对成形速度成形精度零件表面质量等方面都有很大影响软件问题已成为RP技术发展的关键问题。目前RP技术中软件系统主要存在以下问题:RP软件大多是随机安装无法进行二次开发各公司的软件都是自行开发没有统一的数据接口随机携带的RP软件都只能完成一种工艺的数据处理和控制成形已商品化的通用性软件价格较贵功能单一只能进行模型显示、加支撑、错误检验与修正等中的一种或几种功能而且也存在数据接口问题不易集成商品化的软件还不完善不能满足当前RP技术对成形速度、成形精度和质量的要求当前的数据转换模型缺陷较多对CAD模型的描述不够精确从而影响了RP成形的精度和质量。TRPT技术的发展趋势TU喷射成型技术的广泛应用UTTU分层方式的演变UTTURP大型化UTTU梯度功能材料上的应用UTTU组织工程材料快速成形UTRPM这一制造业上具有重要意义的制造模式从产生到现在发展十分迅速。与过去相比RPM在成型工艺、RP软件、设备尺寸、成型材料、工程应用等方面都有了很大的变化和提高。这些发展和变化对RPM的未来具有重要影响。T喷射成型技术的广泛应用T喷射成型技术在所有的RP成形技术中更加受到重视。由于材料应用广泛运行成本降低容易将材料形成与原型成形结合起来因此喷射成型技术的广泛应用已成为快速成形技术发展的重要趋势。无论从市场销售情况统计还是从成形设备和工艺的研究开发来看喷射成型技术表现出十分强劲的发展势头。喷射成型技术可采用的实现方法有挤压喷射成形和压电喷射成形挤压喷射成形又包括挤压筒挤压及螺杆挤压方式等。现有具体产品有美国STRATASYS公司的FDM和中国清华大学企业集团的殷华公司的SSM挤压喷射成形美国SANDERS公司的压电喷射成形等。目前喷射成型技术面临的主要难题是喷射速度较低从而降低了成型效率和成型速度这也是RP研究人员正致力解决的问题。TU返回UTT分层方式的演变TRP数据处理过程需要将CAD模型数据(STL文件)按一定方向分层为层片模型数据(CLI文件)以便于加工层片从而堆积成实体。目前分层方式已经由传统的二维的平面分层发展为空间的曲面分层具体而言分层方式的演变有以下两种:平面演变为曲面(美国DAYTON大学对此进行了研究)二维分层发展为三维分层(美国STANFORD大学对此进行了研究)TU返回UTTRP大型化T分析各大公司的产品系列可以发现原型的制造尺寸呈增大的趋势。由于大型模具的制造方面的优势可以预测将来的RPM市场将有一定比例为大型原型制造所占据。在大型化方面日本东京大学作了较多的工作中国清华大学也自主开发了大型RP设备其SSM成形尺寸已达××mmPP为世界之最。TU返回UTT梯度功能材料上的应用T特殊功能材料成形在生产生活中发挥着越来越重要的作用而且快速成形技术几乎是制造它的唯一途径。如快速成形用于梯度功能材料可以制造出具有特定电、磁学性能(如超导体、磁存储介质)满足实际需要的产品。TU返回UTT组织工程材料快速成形T生物医学工程在世纪将成为继信息产业后最重要的科学研究和经济增长热点其中生命体的人工合成和人体器官的人工替代成为了目前全球瞩目的科学前沿。而生命体中的细胞载体框架结构是一种特殊的结构从制造科学的角度来讲它是由纳米级材料构成的极其精细的复杂非均质多孔结构是传统制造技术无法完成的结构但快速成形制造(RPM)是能很好完成此种特殊制造的技术这是由于RPM是根据离散堆积成形原理的制造技术在计算机的管理与控制下精确地堆积材料以保证成形件(细胞载体框架结构)的正确拓朴关系强度表面质量等等。用于治疗学和康复工程的生物实体模型(bimodal)的快速制造是快速成形领域正被研究的热点问题之一。组织工程材料快速成形由初级到高级分为如下三个研究阶段:初级体外模型中级植入体高级人体器官TU返回UTT研究开发TTURP相关技术UT|TU计算机辅助设计(CAD)UT|TU反求工程UT|TU数控技术(NC)UT|TU材料技术UT|TU国外研究状况UT地区分布:|TU美国公司UT|TU美国大学UT|TU日本UT|TU西欧UT|研究重点:|TU金属直接成形UT|TU桌面制造系统UT|新工艺、新方法的研究|有利条件:TU政府大力支持UTTU国内研究状况UT单位研究情况:|TU清华大学UT|TU其它院校和研究单位UT|其它研究内容:|TU材料研究UT|TURP前端数据转换和处理UT|TURP后端应用技术UTTU国内外专利申请和授权情况UTTURP技术产业化UT|TU产业化原则UT|TU产业化技术路线和方法UT|TRP相关技术TRP技术是多种技术的交叉结合主要的相关技术有:|TU计算机辅助设计(CAD)UT|TU反求工程UT|TU数控技术(NC)UT|TU材料技术UTT计算机辅助设计(CAD)TCAD技术的发展是以它的硬件和软件技术的发展为标志的。从某种意义上讲RP技术是CAD硬件设备中输出外设的最新成员而与之相关的是CAD中以产品模型(几何模型)发展为主线的软件技术的发展。CAD技术中产品模型的发展过程经过二维模型、三维线框模型、曲线模型、实体模型、产品模型、特征模型直至最新的生物模型。从二维向三维从简单的几何元素(直线、圆弧)向复杂的几何元素(体、曲线、曲面)从单一的几何信息向反映工艺信息在内的产品全信息从静态设计向以参数化特征造型为基础的动态设计发展。最早的CAD技术以二维绘图软件为主。它是传统设计手段─工程图纸设计的延续具有简单、实用对传统的生产管理体制冲击较小的特点。直至今日二维绘图系统仍是CAD领域中的重要部分并且自身亦在不断发展。它对于普及和推广CAD技术提高绘图质量和设计效率起着积极的促进作用。但是二维产品模型有着根本的局限性用二维的直线、圆弧来表示三维的物体只能是视图、投影图的表示不能建立物体真实模型。随着六十年代“计算机图形学”的出现实体造型中诸如边界计算、曲面表示、布尔运算等关键技术的相继解决能够较真实地表示三维物体的三维实体模型开始应用。许多具有三维实体造型功能的CAD系统陆续问世。给传统的生产方式从设计到制造乃至经营管理都带来了巨大的冲击。利用三维实体产品模型设计者在设计产品时不需要将三维物体进行投影想象各种角度的视图用多个剖面表示内容结构用多个视图解释投影的二义性。而可以直接在计算机上构造三维物体并赋以质量、颜色等特性并从任意角度观察物体。随着参数化特征造型技术的发展设计人员还可以在零件上构造具有加工工艺特性的特征结构修改原先设计的尺寸使零件的形态按要求进行变化。新的设计手段大大方便了设计人员。一方面他们可以构造任意复杂的零件表面形状和内部结构而无需考虑如何表达它们的二维投影另一方面他们可以把头脑中的设计灵感直接映射到计算机构成的三维空间中而无需经过二维平面手段作为媒介。产品模型发展到实体模型能较完整的表示一个三维物体。这为RP技术的产生准备了条件同时也提出了需求。因为如果没有能表示三维物体的数据模型而只是一些图纸想要用RP的原理制造出实体模型就需要手工计算出各个截面编制每个截面的加工代码。计算劳动量太大以致无法实现。假设一个零件的高度有mm每层厚度为mm共层的加工量而一个人每天计算层就需天的编程时间。这根本谈不上是快速。因此三维物体的实体模型表示是RP技术的一项重要的支撑技术它的发展和成熟是RP技术出现并实用的必要条件。TU返回UTT反求工程T反求技术在根据测量数据、CT扫描数据、照片在缺少零件工程图或其CAD模型的情况下或直接测量实体来直接建立其CAD模型方面有着举足轻重的地位。如果这一技术有了大的发展则可以很容易地利用RPM技术来生产出汽车的壳体、珍贵的艺术品、庞大的物体、医学上内脏器官精确模型、实现对不完整的物体的修复等。反求作为RPM技术的前端数据处理技术在国内只有清华大学进行的根据照片的反求上海交大的利用BP神经网络重构反求技术中基于数字化点的曲面等为数不多的几种但这些技术也都只是处于发展阶段。反求技术在RP中的应用主要涉及三个方面:利用反求技术生成STL文件供RP系统的数据处理软件直接使用产生NC代码利用反求技术生成层片文件CLI文件这种输出比较适用于对各种CT图象的反求并且由于RP本身就是分层制造法用断层图象或矢量化的层片轮廓信息直接驱动RP设备逐层叠加而成三维实体这种方法也是目前学术界研究最活跃的领域之一利用反求技术来重构出实体模型借助于CAD系统来转化成STL文件。TU返回UTT数控技术(NC)TRP技术的另一个重要支撑技术是NC技术。数控技术几乎与电子计算机同时产生。第二次世界大战后美国为了加速飞机工业的发展要革新样板加工的设备由空军部门委托帕森斯公司(ParsonsCo)和麻省理工学院伺服机构研究所(ServoMechanismLaboratoryoftheMassachusettsInstituteofTechnology)进行数控机床的研制工作。于年试制成功世界上第一台数控机床。它是一台立式三座标铣床采用电子管元件具有直线插补连续控制功能。后又经过年的改进和自动编制程序的研究于年开始进入实用阶段用于加工复杂的零件曲面。电子技术迅猛发展年晶体管发明并成功应用于计算机中。年出现了小规模集成电路和专用功能器件。年代中大规模集成电路以及后来的超大规模集成电路的出现使数控系统的可靠性提高价格下降从原来军用部门进入民用工业部门在制造业中得到普及。早期的数控系统采用穿孔纸带传送加工程序专用数控装置读入加工代码进行识别、储存和计算输出相应的指令脉冲以驱动伺服系统。年代中期小型计算机出现。由于其较低的价格高超的数据处理和输入输出功能使它迅速应用到数控机床的控制系统中出现所谓计算机数控(CNC)和直接数控(DNC)系统。此后微型处理器出现以其低廉的价格和高集成性成为数控系统的核心使数控技术得到迅猛发展和普及成为当前的主流产品。这种以超大规模集成电路为基础以微处理器为核心的数控系统称为微机数控(MNC)系统。如日本的FANUC系列美国的CINCINNATI德国的SIEMENS等。近年来微处理器发展极快几乎每~个月就更新一代个人计算机系统(PC)异军突起成为计算机领域中最活跃的部分其性能已从早期的位位发展到位位内存也从K发展到M乃至M用于储存软件和代码的介质从原先的K软盘发展到~G的硬盘。其性能已相当于一台中型计算机的能力而价格却只有,元左右。PC机上的丰富软件资源是其它计算机系统所无法比拟的。其十分友好的人机界面连家庭主妇也能使用。因此在PC机上开发CNC以PC机为平台发展CNC已经成为较普遍的共识。PC机进入数控领域后它的总线式、模块化、开放型的系统结构使得系统的开发变得比较容易数控技术的应用范围迅速扩大。RP技术就是数控技术最新应用的领域之一。RP技术要求将材料精确地堆积并长时间保持较高的定位精度防止错层。如果没有高可靠性、高精度的数控系统是无法实现的。数控技术的应用是RP技术能够产生并发展成熟必不可少的条件。TU返回UTT材料技术TRP技术的特点要求有各种符合不同工艺条件的专用材料不同材料的成形性能相差很大因此需要对相关材料进行较深入的研究目前广泛采用的RP材料有以下几种:T涂覆纸:T采用国产热熔胶和高强度牛皮纸其SSM原型呈榆木质感分低温和高温两种型号、不同幅宽的多种纸材已批量生产适用于我国清华大学SSM、SSM、MRPMSII、MRPMSIII等机型以及美国LOM系列机型售价远低于美国同类产品。TABS丝:T具有最佳粘度、分解点、熔点、抗氧化能力、柔韧性和收缩率等性能之丝材呈盘状销售适用于我国清华大学MEM、MEMII、MRPMSII、MRPMSIII等机型以及美国FDM系列机型售价仅为美国同类产品的~。T尼龙丝:T具有透明和不透明两种后者特别适合于人体解剖学数据的原型制造适用于我国清华大学MEM和美国FDM的各类机型。T蜡丝:T具有合适的粘度、柔韧性、熔点、分解点等性能的丝材适用于MEM和FDM的各类机型。TU返回UTT国外研究状况T地区分布:|TU美国公司UT|TU美国大学UT|TU日本UT|TU西欧UT|研究重点:|TU金属直接成形UT|TU桌面制造系统UT|新工艺、新方法的研究|有利条件:TU政府大力支持UTT美国公司T美国主要RP技术公司的研究开发情况:DSystemInc研究以SLA工艺及其应用为主并开发成功分辩率为dpi的多喷头DMJM系统DTMCorpatAustin以SLS为主HelicesInc以LOM为主Strategy’sInc开发了FDM和桌面制造系统GenesisBPM公司开发弹道粒子制造(BallisticParticleManufacturing)技术。TU返回UTT美国大学T美国开展RP技术研究的大学主要有:MIT以EmanuelSuch为首开发DP为主TheUniversityofDayton以AllanJLightman为首从事多种RP工艺的研究每年在这所大学召开国际RPM学术会议TheUniversityofTexasatAustin以JosephJBeaman为首主要以SLS工艺研究为主国际SFF学术会议在此召开CarnegieMellonUniversity以LeeEWeiss为首主要研究RPM在微机械中的应用。另外美国还有多所大学和研究机构从事RP新工艺、RP技术的应用以及直接制造陶瓷或金属原型等多方面的研究。TU返回UTT日本T日本仅次于美国大力发展RP主要的研究单位有:东京大学以中山威雄为首从事SLA和LOM技术的研究SONY公司属下的DMEC从事SLA推出SCS型设备Mitsubishi公司属下的CMETINC从事SLA推出SOUP设备在日本已占据相当市场Mitosis公司属下的MES从事SLA推出COLAMM成形机DuePontTeijinSeiki公司从事SLA推出SOMOS。TU返回UTT西欧T西欧许多研究机构和厂商也将目光瞄准这一领域如:德国ElectroOpticalSystemGumbo即EOS主要从事SLA和SLS瑞典SparAB(LarsonBrothersCOAB)推出“HotPlotRapidPrototyping”系统类似于Helices的LOM法国LaserD推出RPSystem。TU返回UTT金属直接成形T在金属直接成形方面目前主要有三种方法:金属合金粉末的直接烧结。该方法基于SLS(激光选择性烧结)工艺。美国Austin大学在这方面进行了大量的研究并研制了成形高温材料的烧结设备。用金属丝线利用堆焊的方法成形金属零件。英国的Nottingham大学正在进行这方面的研究。用激光切割金属板材并用激光焊接的方法将各层截面连接起来。上述这些方法目前都处在研究过程中还没有真正实用。但直接成形金属零件是一个十分诱人的发展目标它可以大大地扩大RP技术的应用领域使设计和制造更紧密地联接在一起。TU返回UTT桌面制造系统T桌面制造系统是RP领域产品开发的一个热点。RP设备系统作为CAD系统三维图形输出的外设而被人们接受。这就要求RP系统能在办公室环境中运行减少对现有CAD机房的影响。当前商品化的RP系统一般体积较大对环境要求较高而且需专门人员操作和日常维护。而桌面系统要求体积小操作、维护简单噪音、污染少对环境无特别要求且成形速度快但精度要求适当降低。美国Strategy’s公司和SandersPrototype公司推出了各自廉价的桌面系统GenesisDPrinter和ModelMaker。据报导它进入市场仅几个月销量就急剧上升已显示出桌面制造系统巨大的市场潜力。TU返回UTT政府大力支持TRP技术的巨大优点及其发展速度已引起各国政府的高度重视,他们纷纷确立了一些RP重点研究项目进行资助。美国国家自然科学基金委员会,ARPA(AdvancedResearchProjectsAgency)和其它联邦委员会都投入较大资金向一些大学、公司提供资助和贷款等以推动RP学术研究与应用开发研究。例如许多大学RP研究课题均得到NSF的资助ARPA资助一些公司和研究机构深入研究如何应用RP方法较经济地制造无污染的陶瓷近成形零件技术MIT研究DP技术的课题组也得到了ARPA和MIRP的资助。欧共体也设立过多个针对RP的项目计划以扩大和深化RP技术在欧洲的研究、开发和应用。如受欧共体支持的EARP(EuropeanActiononRapidPrototyping)的宗旨就是鼓励和促进其成员间技术信息共享和在RPT(RapidPrototypingTechnology)领域RD合作其中的“WorkArea,MedEarp”就是专门支持RP在医学上应用的项目。TU返回UTT国内研究状况T单位研究情况:|TU清华大学UT|TU其它院校和研究单位UT|其它研究内容:|TU材料研究UT|TURP前端数据转换和处理UT|TURP后端应用技术UT|T清华大学T在我国清华大学机械工程系是最早进行RP技术研究的单位于年成立了“激光快速成形中心”。年月该中心在自行设计开发的M多功能试验机上在国内首次实现了“分层实体制造”SSM(SlicingSolidManufacturing)工艺相当于美国的LOM并于同年月通过国家教委的技术鉴定。年研制成功类似于FDM的MEM工艺。目前中心主要的研究方向在:SLA工艺应用FDM工艺研究与设备开发SSM工艺研究与设备开发MRPMS多功能快速成形机的开发无木模制造技术低温冰成形基于RP的陶瓷型精密铸造技术等清华大学在SSM和MEM工艺研究基础上研制生产出多种型号的单功能成形机及将其集成在一起的多功能快速成形设备MRPMS并远销至泰国、香港以及国内多家研究机构。TU返回UTT其它院校和研究单位T华中理工大学于年开始研制LOM工艺开发出了类似于LOM的“快速成形系统”─RPS(RapidPrototypingSystem)。该系统已实现商品化。目前他们正立足国内开发国产的RPS。另外该校的光电子系在进行SLA光敏树脂的研制。浙江大学在国家自然科学基金的支持下开展光敏树脂的固化精度研究。南京航空航天大学正进行SLS工艺的研究。西安交通大学在国家科委、教委的支持下开发SLA工艺及设备的研究。北京隆源公司积极投入力量开发SLS工艺年月其SLS设备通过鉴定。华北大学正开发线扫描SLS工艺及设备。经过多年的宣传和推广RP技术在国内逐渐被认识和接受。越来越多的工厂、公司和科研机构对它表示了兴趣。如:广东华宝空调器厂、广东科技实业开发公司、上海上菱公司都引进了美国DSystem公司的SLA进行产品开发与对外服务青岛利勃海尔电冰箱厂引进日本CMET公司的SOUP。深圳生产力促进局、广州华泰公司购买了FDM设备开展技术服务。清华大学激光快速成形中心利用其引进的SLA以及自主开发的MRPMS设备(含SSM和MEM两种工艺)为社会服务为用户制造了包括电话机、玩具汽车、卫生洁具、汽车零件铸件毛坯等多种原形受到用户的广泛好评。香港科技大学、国立华侨大学、大连理工大学、航空工艺研究所、哈尔滨工业大学、河北工业大学等单位均购买了具有较好开放性的MRPMSⅠ、MRPMSⅡ、MRPMSⅢ设备上海交通大学、天津大学均购买了LOM设备进行RP工艺的深入研究。此外香港大学、香港理工学院、香港城市理工学院也购买了RP设备进行研究。目前国内的快速原型技术研究主要是模仿国外现有的成形工艺实现国产化产品化。同时有实力的研究机构也在积极进行创新工艺研究。TU返回UTT材料研究T国内在材料方面进行的研究较少。现在研究的材料主要是SL用料─光固化树脂、FDM用料─蜡及ABS、LOM用料─涂敷纸、SLS用料─树脂蜡、工程塑料、铸造覆膜砂等。浙江大学接受国家自然科学基金会的资助进行了光固化树脂的固化和精度研究。清华大学激光快速成型中心与化学系台作进行了光固化树脂的配方和物理化学性能测定工作。西安交通大学配制了LPS系列用光固化树脂。清华大学通过自己的努力已成功地解决了用于FDM工艺的蜡和ABS丝材的制备并正在进行尼龙的研制。华中理工大学可自行制备LOM工艺用纸。北京隆源公司通过研究开发了可用于SLS工艺的工程塑料、精铸蜡等用这些材料共制作了余个原型、Q余件铸件。TU返回UTTRP前端数据转换和处理T国内这方面的工作较薄弱。各个研究单位基本自行开发了从CAD数据文件到RP的转换和处理程序但质量都有待提高。目前国内通用的数据处理软件还不多见。清华大学采用VisuaC开发了一套可运行于Win和WinNT操作系统上的通用RP数据处理软件Lark可实现STL文件显示交换拓扑信息提取错误检验和修复。反求工程也是RP前端数据转换和处理的重要内容。当前国内从事反求工作研究的有:浙江大学CAD实验室在CT复原三维模型方面开展了大量的研究并取得较好成绩。华中理工大学开发了三维激光彩色扫描系统DLCS获得国家专利。北京隆源公司实现了将片层反求数据(CT、CGI)和激光扫描数据直接转换成RP加工的数据。清华大学激光快速成型中心进行的照片反求、CT反求研究。用片反求是通过提取实物照片的几何信息重构实际物体的STL模型。有了STL模型就可以用RPM系统制造出该物体的原型。该中心利用照片反求TDS系统用汽车照片制造出了纸质的汽车原型。CT反求是指利用人体器官或工业零件的CT切片扫描文件通过图象处理提取物体的平面轮廓线并通过层片间的插值得到可以被RPM系统接受的层片文件格式。该中心正在进行人体器官(心脏)的CT反求研究。西安交通大学完成了激光扫描法、层除法实验室系统的研制并开发了反求工程的核心软件─CAD重构软件。TU返回UTTRP后端应用技术TRP后端应用技术主要是指从原型到快速模具的转换工艺和设备研究。殷华激光快速成形及模具技术有限公司引进了金属冷喷制模机和快速石墨电极研磨机开展了以原型为母模采用上述设备制作金属模具的研究并已向用户提供了数套模具。上海交通大学结合原型开展了涂料转移法精密铸造的研究、并成功地用于桑塔纳轿车轮胎模具的制造。清华大学现正在开展大型陶瓷型技术、尺寸凝固模拟等技术研究。西安交通大学研究了从原型到石墨电极的制备方法并开发了相应设备(GET─A)已实现了由CAD→原型→整体石墨电极→钢制模具的工程服务还开展了陶瓷型精铸硅橡胶复型、简易树脂型腔模具制造技术研究可承接模具的快速制造服务。北京隆源公司开展了快速铸造技术的应用研究并取得可喜成绩。TU返回UTT国内外专利申请和授权情况T美国的DSystems公司、Strategy’s公司、Helices公司等均在各自的RPM产品上申请了专利。如美国的DSystems公司采用的专利号为(年月日)、Strategy’s公司采用的专利号为(年月日)。欧洲、日本等国也有一些公司拥有RPM产品方面的专利。为了保护知识产权上述许多公司还申请了多项专利有的内容只涉及点滴的技术诀窍。这些专利并不是在中国申请的。我国的清华大学、华中理工大学、西安交通大学、北京隆源公司等也都申请了有关RPM产品方面的专利。除了清华大学的关于多功能快速成型制造系统的专利(专利号:X)等少数专利以外绝大多数尚处于申报阶段。TU返回UTTRP技术产业化TTU产业化原则UTTU产业化技术路线和方法UTT产业化原则TRP技术产业化应当遵循以下两个原则:T产品产业化过程与其工程应用、市场开发相结合:T显然高质量、高可靠度产品的研制成功是产业化的前提但更为重要的是在产品研制的同时就应抓住需求最强劲的领域建立应用实体并通过这个实体将产品推向更为宽阔的市场。本着这种原则清华大学企业集团殷华公司在产品从单件生产达到小批量的时候不失时机地与一汽集团组建一汽实业清华模具技术有限公司这是我国RPM拔术最大的应用实体。该实体的目标是建立基于RPM的大型覆盖模具制造系统大量生产汽车车身覆盖件模具。此生产系统不但需要大量的RPM设备同时其产品-大型模具又是一汽所急需的一汽本身就是一个巨大的RPM设备和模具市场。并且还可以通过一汽再扩散到其他汽车集团及制造业。另外这个新组建的公司还准备生产超大型SSM设备。T跟踪与创新相结合:TRPM技术发展时间较短其平均每年增长率超过%过高的速度增长隐含着设备的不完善性。因而国外名牌产品不可能是十全十美的必然会存在许多问题不应采用纯拷贝式地仿制。当然在研究开发初期采取跟踪国外产品的技术路线是必须的在跟踪的基础上改进和创新是十分重要的。本项目申请单位有关RP技术的研究与开发体制充分说明了这一点。TU返回UTT产业化技术路线和方法T与CIMS主题已有目标产品进一步相结合。如与三维CAD造型软件相结合的无需中间数据转换的RP数据处理软件系统的开发。产品多样化。在产品系列的框架下针对用户的不同需要进行单件生产。建立产品图库及数据库。单功能RP设备与多功能设备协调发展。前者主要服务于大型企业(有能力购买多台设备)后者主要服务于RP服务中心和科研教学单位。通过网络发展RP异地设计与制造是促进RP技术发展及产品产业化的主要措施。产品开发单位强大的三维设计能力通过网络与RP服务中心的原型能力相结合从而形成完整的设计体系并且应当建立用户数据库。加强RP设备大型化和在微型机械制造中的应用。加强基于数字成像技术的RP原型制造开拓在医学康复工程和卫星遥感行业的应用。加强特种材料如:生物活性材料生物兼容性材料的快速成形。TU返回UTT全球市场T|TU世界RP设备历年销售量曲线UT|TU世界上不同地区RP设备装机量

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