快速原型制造技术的发展和应用.doc

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1、快速原型制造技术的发展和应用发展概况十几年前兴起的快速原型制造（RP,RapidPrototyping）技术，与传统的去除型加工不同,乃是一种基于离散/堆积原理的“生长型”加工，也称为分层叠加成形。所谓离散/堆积原理，是指在计算机的管理与控制下，先将CAD模型离散成一层层截血轮廓信息,然後在RP成形设备上依次制造出各个片层并逐层粘结成一体，从而堆积出三维实体制件。显而易见，RP是在零件CAD模型的驱动下快速制造出任意复杂形状实体的技术。它不需要传统的多坐标数控机床、刀具和夹具,一般只需传统加工方法30%~50%的工时和20%~35%的成木,就能把体现设计思想的CAD模型转化为物理实体，从而可以

2、有效地缩短开发周期，提高金业的竞争力。不过，RP工艺极大地依赖于材料木身的特性，所处理的材料既要首先能够满足离散/堆积成形的特殊要求，又要能进行後处理和成形後具有必要功能，因此RP工艺所擅长处理的材料目前只限于树脂、蜡、某些工程册料和纸等儿类，与制造领域广泛使用的金属等高强度材料尚有距离，故以往多用于产品开发过稈制造物理原型件，也就是说RP最初是作为复杂形状构件原型的成形方法出现的，故称Z为“快速原型制造”。如果进一步细分，物理原型件（图1）又可分为概念原型和功能原型两类。概念原型主要是展示制品的立体形态和结构，供人多角度观察和用手触摸，比计算机上的虚拟原型具有更强的真实感。它不仅有助于激发设

3、计者的创新火花，还能促进设计部门与其它部门和客户进行深入交流。功能原型则不仅要给人提供视觉和触觉反馈，而且还可以进行装配检查（现在有的概念原型也有此要求）以及承受传热、流体力学等性能实验。事实上，RP技术并没有仅仅停留在制作原型上，经过十几年的发展，国外相继推出了一些岚接成形金属材料的RP系统，并开始实际用于快速制作金属模县乃至金属零件。与此同时,RP技术也己能快速制作在实际产品屮使用的功能性槊料（比如聚碳酸脂）零件。由此可见,RP技术已经具有了制造最终产品的功能，从而表明它的内涵正从快速原型制造向快速制造（RM,RapidManufacturing）方向发展。以母模为基础来制造务种模具，速度

4、快、成木低，但母模特别是形状复杂的母模获取不易，而RP技术很易将体现设计构思的CAD模型变为非金属材料的母模，为快速制模（RT,RapidTooling）技术注入了新的活力，RP与RT的结合（RP+RT）是快速原型技术应用领域最重要的扩展。除此Z外，人们也正将RP技术应用于微纳米制造领域。RP技术不只在制造业的应用方兴未艾，在生物医学领域的应用也充满生机。不仅根据CT扫描或MRI磁共振数据快速制作的人体器官实体模型可以帮助医生进行诊断和确定治疗方案，而且借助RP技术制作的人体假肢还能与结合部位实现最大程度的吻合。近几年国内外更是热衷于研究将生物材料快速成形为人T器官的课题，其中人工骨的研究已取

5、得可喜的成果。例如中国清华大学采用喷射方法，将生物材料在低温环境下堆积成形，制成多孔大段人丁•骨的细胞载体框架，经动物实验证明该框架能有效降解。有专家茯至说，虽然RP技术最初出现在制造行业，但它最激动人心的应用将是在生物医学领域。最近几年，RP设备的拥有量快速增长。据WohlersAssociates,Inc发布的全球RP设备拥有量数据：1999年为5449台、2000年为6755台、2001年略多于8000台（在2001年的拥有量中,美国占428%、日本占18.7%、徳国占9.3%、中国占4.7%名列世界第四）、2002年为9000多台,2003年的拥有量数据虽然尚未秋得，但佔计有可能接近或

6、达到11,000台，最近四年全球RP设备的拥有量增加了约一倍。另一方面，与因特网结合的专业化RP服务机构正蓬勃发展，通过网络为客户进行离线或交互式在线服务，深受屮小企业的欢迎,其业务量不断增加。所有这些，都表明RP技术正进入加速发展阶段，英应用将越来越普及。RP的工作流程及主要工艺方法构逍三维CAD模教1詡处理CAD«型近似处理1i111切片处理1基于激竟的层面基于喷射山心在RP设备上制造与粘结面制逍与粘结快速成形逐心堆积形矗三维实体厉处理療型•样件或零件（模其）模具前制mi图2RP工作流程示意如图2所示，RP的工作流程大致分为三个阶段:前处理。这个阶段除通过造型软件或反求T稈构造三维CAD模

7、型外，通常还需对三维模型进行近似处理。常用的近似处理方法是用一系列的小三角形平面来逼近H由曲面，生成所谓STL格式文件。li前正研究开发与使川不经近似处理育接对三维CAD模型切片的软件，以消除由于STL格式的转换过程而产生的数据缺陷和轮廓失真。在RP设备上快速成形。首先用配置在RP设备上的切片软件沿成形制件的高度方向每隔一定距离（多为0.1mm）从CAD模型上依次截取平血轮廓信息，随後RP设备上的