先进制造技术论文

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快速成形, 英文是Rapid Prototyping, 是当代先进制造技术的一种. 快速成形技术是计算机辅助设计及制造技术、逆向工程技术、分层制造技术(SFF)、材料去除成形(MPR)材料增加成形(MAP)技术以及它们的集成. 通俗一点说, 快速成形就是利用在三维造型软件中已经设计的数字三维模型, 通过快速成型设备(快速成形机), 制造实体的三维模型的技术.

快速成形技术有以下特点：
(1) 制造原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用
(2) 原型的复制性、互换性高
(3) 制造工艺与制造原型的几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优越
(4) 加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般与传统加工模型的工艺相比, 快速成形在制造费用上可以降低80%，加工周期可以节约70%以上
(5) 高度技术集成，可实现了设计制造一体化

曾经和目前仍然为主流的快速成形技术有以下几种：

1、立体光刻技术 (SL/SLA)
SLA的工作原理是以液态光敏树脂 (例如一种特殊的环氧树脂)为造型材料，采用紫外激光器为能源:一种是氦一福激光器 (波长 325nm，功率15~50MW)，另一种是氨离子激光器(波长351~365nm，功率 100~500MW )，激光束光斑大小为0.05~3mm。由CAD设计出三维模型后将模型进行水平切片，分成为成千上万个薄层，生成分层工艺信息，按计算机所确定的轨迹，控制激光束的扫描轨迹，使被扫描区域内的液态光敏树脂固化，形成一层薄固体截面后，升降机构带动工作台下降一层高度，其上复盖另一层液态光敏树脂，接着进行第二层激光扫描固化，新固化的一层牢固地粘在前一层上，就这样逐层叠加直到完成整个模型的制作。一般每个薄层的厚度0.07~0.4mm，模型从树脂中取出后，进行最终硬化处理加以打光、电镀、喷漆或着色等即可。

发展趋势：稳步发展. SL/SLA技术的缺点在于材料成本和设备维护成本十分高昂。因为紫外激光器的使用寿命只能维持在1年左右, 同时作为成形材料的光敏树脂也需要每年更换, 仅此两项便需要每年50万人民币以上的维护成本. 此外, SL/SLA快速成形设备结构复杂, 零件众多, 日常的维护保养也十分不易. 但是, 由于SL/SLA技术的成形精度非常高, 可以制造十分细小的模型或表面特征, 这一项优势似的SL/SLA技术仍然具有十分广阔的应用前景.

2. 薄材叠层成形技术 (LOM)
薄材叠层成形技术是通过对原料纸进行激光切割与粘合的方式来形成零件的。其工艺是先将单面涂有热熔胶的纸通过加热辊加压粘结在一起，此时位于其上方的激光器按照分层CAD模型所获得的数据，将一层纸切割成所制零件的内外轮廓，然后新的一层纸再叠加在上面，通过热压装置，将下面已经切割的层粘合在一起，激光再次进行切割。切割时工作台连续下降，切割掉的纸片仍留在原处，起支撑和固化作用，纸片的一般厚度为0.07~0.1mm。该方法特点是成形速率高，成本低廉。

发展趋势：已经淘汰. LOM技术是快速成形技术发展过程中曾今为了寻找成本相对低廉, 精度相对合理的解决方案的一种尝试性探索. 客观而言, LOM设备的成形精度适中, 可以制造一些具有表面纹路的模型, 同时, 成形速度也相对较快. 但是, 由于LOM技术的材料利用率很低(10%-20%), 使得实际的材料成本并不便宜. 此外, LOM设备的稳定性和安全性也存在严重隐患, 在实际运行过程中, 纸质、木质和PVC材料在激光照射极易着火, 引起事故. 因此, 目前LOM技术在全世界范围内已经几乎停止使用.

3. 选区激光粉末烧结技术 (SLS)
选择性激光烧结 (SLS)的成形方法是。在层面制造与逐层堆积的过程中，用激光束有选择地将可熔化粘结的金属粉末或非金属粉末 (如石蜡、塑料、树脂沙、尼龙等)一层层地扫描加热，使其达到烧结温度并烧结成形;当一层烧结完后，工作台降下一层的高度，铺下一层的粉末，再进行第二层的扫描，新烧结的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复，最后烧结出与CAD模型对应的三维实体。选择性激光烧结 (SLS)突出的优点在于它是以粉末作为成形材料，所使用的成形材料十分广泛，从理论上来说，任何被激光加热后能够在粉粒间形成原子间连接的粉末材料都可以作为SLS的成形材料。

发展趋势：停滞不前.

4、熔融沉积成形技术 (MEM)
MEM的基本原理是:加热喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息作X--Y平面运动和高度Z方向的运动，丝材 (如塑料丝、石腊质丝等)由供丝机构送至喷头，在喷头中加热、熔化，然后选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层截面轮廓，层层叠加最终成为快速原型。用此法可以制作精密铸造用蜡模、铸造用母模等。

发展趋势：快速发展. MEM是在相对近期发展处的快速成形技术, 其有点在于安全性高, 设备稳定性高, 成形精度高而运行成本低. 因为含有特殊配方的ABS工程塑料本身的物理和化学性质, 使得MEM技术制作的模型具有很好的强度和韧度, 可以经受锻造、钻孔、打磨等高强度的测试. 加之ABS丝材成本相对低廉, 设备设计简洁, 维护方便等优势, 使得MEM技术目前后来居上, 成本工人的应用最广泛的快速成形技术.