浅谈快速成型技术在工业设计中的应
【摘要】: 快速成型技术的发展是近20年来制造领域的突破性进展，它不仅在制造原理上与传统方法迥然不同，更重要的是在目前产业策略以市场响应速度为第一的状况下，RP技术可以缩短产品开发周期，降低开发成本，提高企业的竞争力。RP技术所使用的材料也已从开始的光敏固化树脂领域扩展到其它诸如塑料、金属、陶瓷等领域，工艺也不断得到改进。本文介绍快速成型技术的原理,重点讨论了与快速成型相关的技术,并试图将此技术充分应用于产品设计评价,以期缩短产品的开发周期。
【Abstract】:Rapid prototyping technology in the last 20 years to create breakthroughs in the field, not only in the manufacture of traditional methods with very different principles and, more importantly in the current industry strategy to the market responsiveness of the conditions for the first, RP technology shorten product development cycles, reduce development costs and improve the competitiveness of enterprises. RP technology is also used material from the beginning of the photosensitive resin extended to other areas, such as plastic, metal, ceramics and other fields, technology has also been improved. This article describes the principle of rapid prototyping technology, focused on rapid prototyping and related technologies, and tried to apply this technology to fully evaluate product design in order to shorten the product development cycle.
【关键词】:快速成型 RP 反求工程
【Key words】: Rapid Prototyping RP Reverse Engineering
【引言】:随着科技进步和全球市场一体化的形成,现在工业正面临产品的生命周期越来越短的代写论文问题,作为一种新产品开发的重要手段,快速成型能够迅速将设计思想转化为产品的现代先进制造技术。它为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段,提高产品研发的效率。
【正文】：
一、快速成型技术
快速成形（Rapid Prototyping and Manufacturing，简称RP或RP&M）或自由实体造型（Solid Freeform Fabrication，简称SFF）是80年代中期发展起来的一种造形新技术，它将传统的“去除”加工法改变为“增加”加工法。
快速成型技术原理在工业产品设计过程中,设计师往往希望能快速由三维CAD模型,得到产品的实物模型,快速成型技术可以满足这种需求。快速成型 (Rapid Prototyping,RP)技术是一种基于离散/堆积成型思想的新型成型技术,它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。
RP技术综合了计算机辅助设计、激光、光化学和高分子聚合物等多种技术，并且随着RP技术与其它材料加工技术的结合，其应用领域不断扩大。RP技术的基本原理是，首先根据产品设计图纸或“反求法”得到一系列横截面，数控激光束按每一层的轮廓线或内部网格线对材料逐层加工并叠加，直至完成整个制件。RP技术无需机械加工或任何模具，直接从CAD模型生成复杂形状的制件，因而产品研制周期缩短，生产率提高，生产成本降低。
1987年，美国3D Systems公司展出第一代商用RP系统SLA-1，之后RP技术迅速发展，在许多部门都得到应用。其用途主要包括，快速成形技术制作模型对产品进行设计验证、评 价、性能测试等，制作注塑模、功能材料制件，与传统制造工艺相结合制造模具和金属零件等。
立体光刻装置（Stereo-Lithography Apparatus,简称SLA）是最早的RP技术实用化产品，其工艺过程是，首先通过CAD设计出三维实体模型，将模型转换为标准格式的STL文件 ，利用离散程序将模型进行切片处理，设计扫描路径，产生的数据将精确控制扫描器和升降台的运动；激光器产生的激光束经聚焦照射到容器的液态光敏树脂表面，使表面特定区域内的一层树脂固化后，升降台下降一定距离，这样SLA装置逐层地生产出制件。
1、HRPL系列(SLA)光固化快速成形系统
SLA技术的常用原料是热固性光敏树脂，主要用于制造多种模具、模型等，还可以通过加入其它成分用SLA原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。SLA技术成形速度较快，精度较高，但由于树脂固化过程中产生收缩，不可避免地会产生应力或引起形变。开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。
2、HRP系列(LOM)薄材叠层快速成形系统
分层实体造型(Laminated Object Manufacturing，简称LOM)是将薄膜材料逐层激光切割成所需形状，然后叠加在一起的造形方法。LOM工艺与SLA工艺的区别在于将SLA中的光致固化的扫描运动变为LOM中的激光切割运动。LOM技术常用材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等，除了可以制造模具、模型外，还可以直接制造结构件或功能件。LOM技术成形速度快，制造成本低，但由于材料薄膜厚度有限制，未经处理的表面不光洁，需要进行再处理。
3、HRPS系列(SLS)粉末烧结
选择性激光烧结，是使用粉状固体材料（如石蜡，聚碳酸脂，石英砂，合金粉等）进行加工的一种快速成型方法。它在储料缸中存放加工原料，在工作缸中完成原型加工。制 件加工时，储料缸首先上升一个层厚，通常为0.1到0.3毫米，工作缸下降一个层厚，铺粉机构把粉状材料从储料缸铺向工作缸，再由激光在工作缸中选择性扫描整个二维截面，激 光扫描过的部分粘接成一个整体，没有扫描过的部分仍然保持粉状结构。截面完成后，再进行下一个工作周期，直到制件加工完成。
关键技术
（1）制造工艺目前,世界上已有几十种不同的快速成型工艺方法, 比较成熟的就有十余种。其中光固化成型法(Stereo Lithography Apparatus,SLA)、叠层实体制造法(Laminated Object Manufactur-ing,LOM)、熔融沉积法(Fused Deposition Model-ing,FDM)、选择性激光烧结法(Selective LaserSintering,SLS)和3DP(Three DimensionalPrinting and Gluing,也称3DPG)五种方法,在世界范围内应用最为广泛。对于RP制造工艺的研究,一方面是在原有技术基础上进行改进,另一方面是研究新的成型技术。新的成型方法,如三维微结构制造、生物活性组织的工程化制造、激光三维内割技术、层片曝光方式等。
（2）成型材料成型材料是决定快速成型技术发展的基本要素之一,它直接影响到原型的精度、物理化学性能以及应用等。与RP制造的4个目标(概念型、测试型、模具型、功能零件) 相适应,使用的材料不同,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。
（3）加工精度影响成型件精度的主要因素有两方面:一是由CAD模型转换成STL格式文件以及随后的切片处理所产生的误差;二是成型过程中制件翘曲变形,成型后制件吸入水分,以及由于温度和内应力变化等所造成的无法精确预计的变形。为了解决第一类问题,正在研制直接切片软件和自适应切片软件。所谓直接切片是不将CAD模型转换成STL格式文件,而直接对CAD模型进行切片处理,得到模型的各截面层轮廓信息,从而可以减少三角面近似化带来的误差,所谓自适应切片是快速成型机能根据成型零件表面的曲率和斜率自动调整切片的厚度,从而得到高品质的光滑表面。为解决第二类问题,正在研究、开发新的成型方法、新的成型材料及成型件表面处理方法,使成型过程中制件的翘曲变形小,成型后能长期稳定不变 形。
（4）与RP技术相关软件软件是RP系统的灵魂,其中作为CAD到RP接口的数据转换和处理软件是其关键。不同CAD系统所采用的内部数据格式不同,RP系统无法一一适从,这就要求有一种中间数据格式既便RP系统接受又便于不同CAD系统生成,STL(Stereo Lithography)格式应运而生了,STL文件是用大量空间小三角形面片来近似逼近实体模型。由于STL格式具有易于转换、表示范围广、分层算法简单等特点,为大多数商用快速成形系统所采用,现己成为快速成形行业的工业标准。但是,STL模型也存在许多不足之处:2.4.1精度不足。由于STL模型用大量小三角形面片来近似逼近CAD模型表面,造成STL模型对产品几何模型的描述存在精度损失,并且在对多张曲面进行三角化时,在曲面的相交处往往产生裂缝、孔洞、覆盖及相邻面片错位等缺陷。2.4.2数据冗余度大。STL模型不包含拓扑信息,三角形面片的公用点、边单独存储,数据的冗余度大。随着网络时代的到来,STL模型数据冗余大的不足也使其不利于远程RF的数据传输,难以有效支持远程制造。
二、快速成型技术的应用的实质体现
目前RP技术的发展水平而言，在国内主要是应用于新产品（包括产品的更新换代）开发的设计验证和模拟样品的试制上，即完成从产品的概念设计（或改型设计）――造型设 计――结构设计――基本功能评估――模拟样件试制这段开发过程。对某些以塑料结构为主的产品还可以进行小批量试制，或进行一些物理方面的功能测试、装配验证、实际外观效果审视，甚至将产品小批量组装先行投放市场，达到投石问路的目的。
1、快速成型技术的应用
（1）在外观及人机评价中的应用新产品开发的设计阶段,虽然可借助设计图纸和计算机模拟,但并不能展现原型,往往难以做出正确和迅速的评价,设计师可以通过制作样机模型达到检验的目的。传统的模型制作中主要采用的是手工制作的方法, 制作工序复杂,手工制作的样机模型不仅工期长,而且很难达到外观和结构设计要求的精确尺寸,因而其检查外观及人机设计合理性的功能大打折扣。快速成型设备制作的高精度、高品质样机与传统的手工模型相比较可以更直观地以实物的形式把设计师的创意反映出来,方便产品的外观造型和人机特性评价。现在的快速成型加工得到的成型件都是单一颜色,颜色主要由材料决定,为了对产品色彩外观进行评价,有时需要手工涂色,随着彩色成型技术的发展,这方面的问题可以解决。人机评价主要包括成型件尺寸及操作宜人性,快速成型可以很好地满足这方面的要求。
（2）在产品结构评价中的应用通过快速成型制成的样机和实际产品一样是可装配的,所以它能直观地反映出结构设计合理与否,安装的难易程度,使结构工程师可以及早发现和解决问题。由于模具制造的费用一般很高,比较大的模具往往价值数十万乃至几百万,如果在模具开出后发现结构不合理或其他问题,其损失可想而知。而应用快速成型技术的样机制作可以把问题解决在开出模具之前, 大大提高了产品开发的效率。
（3）与反求工程结合反求工程(Reverse Engineering,RE)也称逆向工程,就是用一定的测量手段对实物或模型进行测量,然后根据测量数据通过三维几何建模方法重建实物的CAD数字模型,从而实现产品设计与制造过程。对于大多数产品来说,可以在通用的三维CAD软件上设计出它们的三维模型,但是由于对某些因素,如对功能、工艺、外观等的考虑,一些零件的形状十分复杂,很难在CAD软件上设计出它们的实体模型,在这种情况下,可以通过对模型测量和数据处理,获得三维实体模型。作为一种新产品开发以及消化、吸收先进技术的重要 手段,反求工程和快速成型技术可以胜任消化外来技术成果的要求。对于已存在的实体模型,可以先通过反求工程,获取模型的三维实体,经过对三维模型处理后,使用快速成型技术,实现产品的快速复制,缩短了产品开发周期,大大提高产品的开发效率。
2、 快速成型的应用主要体现在以下几个方面：
（1）新产品开发过程中的设计验证与功能验证。RP技术可快速地将产品设计的CAD模型转换成物理实物模型，这样可以方便地验证设计人员的设计思想和产品结构的合理性、可 装配性、美观性，发现设计中的问题可及时修改。如果用传统方法，需要完成绘图、工艺设计、工装模具制造等多个环节，周期长、费用高。如果不进行设计验证而直接投产，则一旦存在设计失误，将会造成极大的损失。
（2）可制造性、可装配性检验和供货询价、市场宣传，对有限空间的复杂系统，如汽车、卫星、导弹的可制造性和可装配性用RP方法进行检验和设计，将大大降低此类系统的设计制造难度。对于难以确定的复杂零件，可以用RP，技术进行试生产以确定最佳的合理的工艺。此外，RP原型还是产品从设计到商品化各个环节中进行交流的有效手段。
（3）单件、小批量和特殊复杂零件的直接生产。对于高分子材料的零部件，可用高强度的工程塑料直接快速成型，满足使用要求；对于复杂金属零件，可通过快速铸造或直接金属件成型获得。该项应用对航空、航天及国防工业有特殊意义。
（4）快速模具制造。通过各种转换技术将RP原型转换成各种快速模具，如低熔点合金模、硅胶模、金属冷喷模、陶瓷模等，进行中小批量零件的生产，满足产品更新换代快、批 量越来越小的发展趋势。
三、快速成型技术的应用举例
快速成型应用的领域几乎包括了制造领域的各个行业，在医疗、人体工程、文物保护等行业也得到了越来越广泛的应用。
快速成型技术的主要应用各行业的应用状况如下：
（1）汽车、摩托车：外形及内饰件的设计、改型、装配试验，发动机、汽缸头试制。
（2）家电：各种家电产品的外形与结构设计，装配试验与功能验证，市场宣传，模具制造。
（3）通讯产品：产品外形与结构设计，装配试验，功能验证，模具制造。
（4）航空、航天：特殊零件的直接制造，叶轮、涡轮、叶片的试制，发动机的试制、装配试验。
（5）轻工业：各种产品的设计、验证、装配，市场宣传，玩具、鞋类模具的快速制造。
（6）医疗：医疗器械的设计、试产、试用，CT扫描信息的实物化，手术模拟，人体骨关节的配制。
（7）国防：各种武器零部件的设计、装配、试制，特殊零件的直接制作，遥感信息的模型制作。
【结束语】：快速成型技术可以大大缩短产品的开发周期,满足产品的个性化、多样化需求,在工业设计中得到广泛应用。但由于该技术的制作精度、强度和耐久性还不能满足工程实际的需要,加之设备的运行及制作成本高,一定程度上制约着RP技术的普遍推广。随着研究的不断深入,制约快速成型发展的因素会逐步解决,应用领域会不断得到拓展。
参考文献
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[2]丘宏扬,谢嘉生,刘斌.快速成型技术研究中的若干关键问题[J].锻造机械,2001.
[3]徐江华,张敏.快速成型技术在工业设计中的应用[J].包装工程,2004.
