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RP技术
RP技术
快速成型技术(RapidPrototyping简称RP)是80年代末才发展起来的数字制造工艺技术,它把零件的三维数字模型先进行离散化,然后按照数字积分的思路进行逐层加工。
利用这一技术可以在计算机控制下,迅速将CAD数字模型变为零件的物理模型。
因而CAD→RP原型→评价→CAD修改已逐渐成为保证一次设计成功的新设计模式。
目前,它在国内主要分以下几类:
1、薄形材料选择性切割(LaminatedObjectManufacturing)
简称LOM,直译名为“分层物体制造”
它是由新加坡KINERGY公司开发、生产的一种ZIPPY型薄形材料选择性切割成形机,材料是一种经过特殊处理的纸材,利用激光切割叠加得到实体件。
特性:
适用大中型实体件,能承受高达到200℃的温度,无需设计和制作支撑,有较高的硬度和较好的机械性能,可直接用来翻砂模。
缺点:
不能直接制作塑料工件,工件的抗拉和弹性不好,易吸湿膨胀,成形后应尽快进行表面防潮处理。
但随着CNC机加工的广泛应用,该方法已逐步被淘汰。
2、液态光敏聚合物选择性固化(StereoLithographyApparatus)
简称SLA,直译名为“立体平板印刷设备”
它是由美国3D公司研制开发的利用UV紫外激光灯对液态光敏聚合物选择性固化成形的一种快速成形加工方式。
该方法适合成形中、小精巧机构零件,能够直接得到类似塑料的产品,精度较高能达到±0.15mm。
缺点:
需要设计支撑,且成形过程中有化学和物理变化,尤其对于薄壁件易产生翘曲;工件强度韧性不高,较脆易断裂,不适于进行动态功能测试。
3、丝状材料选择性熔覆(FusedDepositionModeling)
简称FDM,直译名为“熔积成型”
它的工作原理是将丝状热塑性材料有选择性的涂覆在工作台上,快速冷却成形后截面轮廓,并逐层涂覆形成实体。
该方法适合中小型塑料件,能够直接制作ABS塑料件,制件的翘曲变形比SLA小,原材料的利用率高,成形件精度可达到±0.127mm。
缺点是原材料价格昂贵,且成形件表面有明显的条纹;沿成形轴垂直方向的强度较弱,也需要设计制作支撑结构。
、
4、粉末材料选择性烧结(SelectedLaserSintering)
简称SLS,直译名为“选择性激光烧结”
它的工作原理是对直径为50~125μm的粉粒用激光进行选择性烧结,并逐层叠加后得
到成形件。
SLS能采用尼龙粉、聚碳酸酯粉、丙烯酸类聚合物粉、聚氯乙烯粉、混有50%玻璃珠的尼龙粉、弹性体聚合物粉,以及陶瓷或金属与粘结剂的混合物等多种材料,但其在成形过程中的材料收缩率高达2%~4%,成形表面比较疏松粗糙。
5、精密数控机加工(简称CNC或手板)
该加工方法是目前国内快速成形行业中应用最广泛的一种,它直接对ABS或其它可机加
的塑料板材进行精密加工,制作出高强度的样板。
优点:
材料可选择ABS、PMMA、POM、PP、PC、PE、代木等,金属件如铝合金、铜、钢,能满足客户进行功能测试的要求,尤其适用于大件产品模型,生产成本低。
快速原型制造(RPM:
RapidPrototypingManufacturing)技术,又叫快速成形技术,(简称RP技术),是90年代初发展起来的新兴技术,RPM是CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果,被认为是近年来制造技术领域的一次重大突破,融合了机械工程、CAD技术、激光技术、数控技术和材料技术等,可以直接、自动、快速地将设计师的设计思想物化为具有一定功能的原型或直接制造零件,从而可以对产品设计进行快速评价、修改及功能验证,有效地缩短了产品的研发周期,为企业的新产品开发和创新提供了技术支持。
1.RPM技术产生背景
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市场竞争的主要矛盾。
在这种情况下,自主快速产品开发的能力(周期和成本)成为制造业全球竞争的实力与基础。
同时,制造业为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大幅度增加产品的成本。
因此,产品开发的速度和制造技术的柔性就变的十分关键了。
RPM技术就是在这种社会背景下,于80年代后期产生于美国,并很快扩展到日本及欧洲,是近20年来制造技术领域的一项重大突破。
RPM技术问世不到十年,已实现了相当大的市场,发展非常迅速,在短短不到十年的时间里已实现了近五亿美元的市场。
人们对材料逐层添加法这种新的制造方法已逐步适应。
制造行业的工作人员都想方设法利用这种现代化手段,与传统制造技术的接轨工作也进展顺利。
人们用其长避其短,效益非凡。
与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段一起,快速成型已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段,在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了广泛应用。
2.RPM技术的原理及主要方法
RPM技术,是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体和技术总称。
RPM技术采用离散/堆积成型原理,其过程是:
先由三维CAD软件设计出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型;然后根据工艺要求,将其按一定厚度进行分层,使原来的三维电子模型变成二维平面信息(截面信息),加入加工参数,产生数控代码;微机控制下,数控系统以平面加工方式,有序地连续加工出每个薄层,并使它们自动粘接而成形,这就是材料堆积的过程。
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,快速成形系统就像是一台"立体打印机",如下图所示。
RPM技术的工艺不下30余种,最成熟的主要有以下四种:
1)立体印刷(SLA:
StereolithgraphyApparatus)
将激光聚焦到液态固化液态材料(如光固化树脂)表面,令其有规律地固化,由点到线、到面、完成一个层面的建造;而后升降平台,移动一个层片厚度的距离,重新覆盖一层液态材料,再建造一个层,由此层层迭加,成为一个三维实件。
成形材料:
液态光敏树脂;
制件性能:
相当于工程塑料或蜡模;
主要用途:
高精度塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。
2)分层实体制造(LOM:
LaminatedOdjectManufacturing)
它采用激光或刀具对箔材进行切割而获得一个层面。
具体的说,首先切割出工艺边框和原型的边缘轮廓线,而后将不属于原型的材料切割成网格状。
通过升降平台的移动和箔材的送给,可以切割出新的层片,并将其与筠有的层片粘接在一起,这样层层迭加后得到一个块状物;最后将不属于原型的材料小块剥除,就获得所需的三维实体。
这里所说的箔材可以是涂覆纸(涂有粘接剂覆层的纸),涂覆陶瓷箔、金属箔或其他材质基的箔材。
成形材料:
涂敷有热敏胶的纤维纸;
制件性能:
相当于高级木材;
主要用途:
快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。
3)选择性激光烧结(SLS:
SelectiveLaserSintering)
对于由粉末铺成的很好密密实度和平整度的层面,有选择地直或间接粉末熔化或粘接,形成一个层面,铺粉压实,再熔结或接成另一个层面,并与原层面熔结或粘接,哪此层层迭加为一个三维实体。
成形材料:
工程塑料、尼龙、石蜡等粉末;
制件性能:
相当于工程塑料、蜡模、砂型;
主要用途:
塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。
4)熔融沉积成形(FDM:
FusedDepositionModeling)
将热熔性材料(ABS、尼龙或蜡)通过国热器熔化,挤压喷出并堆积一个层面,然后将第二个层面用同样的方法建造出,并与前一个层面熔结在一起,如此层层堆积面获得一个三维实体。
成形材料:
固体丝状工程塑料;
制件性能:
相当于工程塑料或蜡模;
主要用途:
塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。
这几种方法各有优势,比如粉末激光烧结法(SLS)利于复杂薄壁件设计,分层实体制造(LOM)利于厚壁件设计。
它们的共同点是:
基本过程都是通过CAD建立实体模型,在文件以STL的格式输出后,经过切片软件的处理,得到片层文件并传递至快速成型系统,由系统自动生成整个零件。
快速成型技术是添加法的代表,它为机械制造工业开辟了一条全新的制造途径,而且不用任何刀具。
3.RPM技术发展
国外RPM技术的研究和应用主要集中在美国、欧洲和日本。
从技术、材料、应用和基本设施等方面比较来看,总的情况是美国先于欧洲的日本,欧洲和日本平分秋色。
目前世界上已有200多家机构开展了RPM的研究,据统计到1998年底全世界已销售4259余台RPM成型设备。
1)国外RPM工艺装备的发展目前RPM的工艺装力发展速度很快,前述四种RPM技术都已由许多公司开发了自己的装备。
美国主要的RPM生产商有7家:
3Dsystmes、Helisys、DTM、Stratasys、Sanders、Prototype、Soligen。
日本有6家:
CMET、D-MEC、TeijinSelki、KiraCorp、MitsuiZosen和DenkenEnginerring、欧洲有3家:
德国的EOS、以色列的Cubital、F&S。
2)国外RPM成型材料的发展成形材料是RPM技术发展的关键环节。
国外现在所应用的成型材料已经较为丰富,见表1所示。
表1国外RPM材料应用类型材料形态
液态
固态粉末
固态片材
固态丝材材料类型
光固化树脂
非金属
金属
覆腊纸、覆膜塑料、覆腊陶瓷箔、覆膜金属箔等
蜡丝、
ABS丝等蜡粉、尼龙粉、覆腊陶瓷粉等
钢粉、
覆腊钢粉等
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