随着科学技术的飞速发展和社会需求的多样化,全球统一市场和经济全球化的逐步形成,产品的竞争更加激烈,产品更新的周期越来越短。因此,要求设计者不但能根据市场的要求在尽可能短的时间内制造出产品的样品,进行必要的性能测试,征求用户的意见,并进行必要的修改,最后形成能投放市场的定型产品。于是产品快速开发的技术和手段便成为制造企业的核心竞争力。
快速成形技术就是在这一背景下应运而生的一种现代制造技术。
快速成形技术(RapidPrototyping,RP)是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称。其主要是采用了分层制造的思想,这一思想的形成与计算机技术、数控技术、激光技术、材料和机械科学的发展和集成是分不开的,具有鲜明的时代特征。
1.快速成形技术的特点
快速成形技术与传统材料加工技术有本质的区别,并显示出诸多的优越性。
(1)高度的柔性和适应性,可以制成任意复杂的几何形状的零件,而不受传统机械加工方法中刀具无法达到某些型面的限制。
(2)直接采用CAD模型驱动。设计出CAD模型后,后续工作全部由计算机自动化处理,无需多人数天进行大量工作。
(3)快速成形技术是建立在高度技术集成的基础之上,它不需要传统的刀具或工装等生产准备工作,从而大大缩短了新产品的开发成本和周期。
(4)RP(快速成形)所用的材料类型丰富多样,应用领域广阔。
(5)加工过程中无振动、噪声和废料。并且没有刀具、夹具的磨损和切削力所产生的影响。
2.快速成形技术的应用
在快速成形技术领域中,发展速度最快、效益最明显的当属快速模具制造技术(RT)。
快速模具制造技术能够解决传统加工方法难以解决甚至不能解决的问题。
目前快速模具制造技术已经广泛应用于机械工业、电子工业、汽车制造、航天航空制造业、轻工业、通信等领域。
利用RP(快速成形)技术制造快速模具,可以分为直接模具制造(DRT)和间接模具制造(IRT)两大类。
(1)直接快速模具制造
直接快速模具制造指的是利用不同的RP工艺直接制造出模具,然后进行必要的后处理,以获得模具所要求的力学性能、尺寸精度和表面粗糙度。
1)通过光固化工艺(SL)或激光烧结工艺(SLS),直接用树脂、粉末塑料等制成凸凹模,可以做成薄板的简易冲模、汽车覆盖件成形模等。用硅橡胶、金属粉、环氧树脂粉、低熔点合金等方法将RP原型准备复制成模具。
2)采用熔融堆积成型(FDM)工艺,可以直接制成金属模,将不锈钢粉末用FDM工艺制成金属原型后,经过烧结、渗铜等工艺制成具有复杂冷却液道的冷塑模。
3)采用分层实体制造工艺(LOM)直接制成的模具,硬度较高,可承受200℃的高温。
一般将其作为低熔点合金模,试制用注塑模以及精密铸造用的蜡膜,也可以替代砂型铸造用的木模。
(2)间接模具制造(IRT)
间接模具制造是指通过快速成形技术与传统模具翻制技术相结合制造模具的方法。常用的间接模具制造技术有以下几种。
1)喷涂模具制造技术
受喷涂设备和母模耐温及强度限制,喷涂材料一般选用低金属熔点的材料,常用的喷涂方法是电弧喷涂。
电弧喷涂与传统加工工艺相比具有工艺简单,模具制作周期短、费用低、仿形效果好、复印性强等显著特点。适用于汽车、轻工、电子、仪表、工艺美术等行业的多品种、换代快、中小批量产品模具的制造,特点是模具的表面硬度一般不高。
采用等离子喷涂制模技术可以制造不锈钢快速模具。此种方法与传统制作相比,可缩短开发周期一半以上,成本只是传统制作成本的
,适合新产品的开发和单件小批量产品的生产。
2)消失模铸造技术
采用光固化(SL)工艺原型,应用不同的消失模铸造工艺都可获得金属模具。
此种方法可以降低成本,缩短生产周期,抢占市场。
3)还有一些模具制造技术,如:电铸模具技术,铝颗粒增强环氧树脂模具技术,硅橡胶模具技术等,也在各个领域得到了广泛的应用。
总之,快速模具制造技术,已经给制造业带来了巨大的经济效益和社会效益,必将得到更迅猛的发展,得到更广泛的应用。
3.快速成型技术案例简介
(1)快速成形在工业领域的应用
1)叶轮。采用五轴数控铣加工铝合金叶轮,如果叶轮直径为410mm,高度为150mm,则需要20～30天,造价4万元。而采用快速成形技术生产同样的叶轮则只需要数十小时,造价数千元。
2)减速机箱体。发动机及运输设备上的减速机箱体,不但结构复杂,尺寸精度要求高,对原型的表面质量也有非常严格的规定。采用快速成形可以大幅度减少加工时间,降低制造成本,保证其精度和表面质量。
3)电吹风机。由于市场竞争激烈,为了占领市场,电吹风机的外形就需要不断的推陈出新,迎合消费者的口味,小厂每年要推出十几款新的外形的电吹风机。目前,快速成形已大量应用于电吹风机外形设计制造。这样,不但躲避了风险,提高了质量,还加快了定型的时间,为抢占市场赢得了时间。
(2)快速成形技术在医疗领域中的应用
快速成形技术在医疗领域中的应用,主要体现在医疗诊断,外科手术策划,器官的原型制作等,如:在牙齿矫正方面、骨损伤手术中等。
3)快速成形技术在艺术创作中的应用
现代的艺术家可以利用CAD软件创作出心目中的艺术品,再采用快速成形技术把艺术品制作出来。
有些仿古工艺品不但要求材质与古作品接近,还要求色泽与古作品相同,采用其他手段都很难满足这些要求,只有采用快速成形设备制作的工艺品原型,质感、加工时间等方面都能很好地满足厂商的需求。
(4)快速成形在教学科研中的应用
1)向学生传授快速成形技术,能够打破传统的思维模式,提高创新意识,扩大思维空间。
2)快速成形技术的特点,使其在师生的科研工作中起到了很大的作用,既节省了师生外协加工的时间和精力,又可以制造出传统工艺无法制造的复杂模型。
有人预测,如果快速成形件能够达到以下指标:即强度大于500MPa,精度高于0.01mm,表面粗糙度小于1μm,则此项技术将会渗透到更加广泛的领域,取得更大的经济效益和社会效益。
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