快速成型机理及精度保证体系研究

摘要：阐述了RP技术的由来和优越性，分析了快速成型系统的成型原理，重点分析了一种新型激光熔敷快速成型系统，介绍了利用RP技术的快速性和铸造工艺的成熟性制造功能性产品的CAE系统，并构建了多回路误差控制及反馈系统。
关键词：快速成型；成型原理；CAE系统；误差控制。1.引言
快速原型制造技术，又叫快速成型技术；英文：Rapid Prototyping（简称RP技术），或Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM。
RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术等基础上集成发展起来的一项先进制造技术，对促进企业产品创新、缩短开发周期、降低开发成本、提高产品竞争力有积极推动作用。它可以在无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下，直接接受产品设计（CAD）数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型。由传统的“去除法”到今天的“增长法”，由有模制造到无模制造，这就是RP技术对制造业产生的革命性意义。2. RP系统的基本工作原理
不同种类的快速成型系统因所用成型材料不同，成型原理和系统特点也各有不同。但其基本工作原理都是一样的，那就是“分层制造，逐层叠加”，类似于数学上的积分过程。形象地比喻：快速成型系统相当于一台“立体打印机”。将一个复杂的三维物理实体离散成一系列二维层片的加工，是一种降维制造的思想，大大降低了加工难度，并且成形过程的难度与待成形的物理实体的形状和结构的复杂程度无关． 其整个成型过程是在没有任何刀具、模具及工装卡具的情况下，快速直接地实现零件单件生产的，这个过程只需很短的时间。3. RP系统的成型机理
技术的基本原理：其基本过程如图2所示，首先由CAD软件设计出所需零件的计算机三维曲面模型或实体模型；然后根据工艺要求，按一定的规则将该模型离散为一系列有序单元，通常在Z向将其按一定厚度进行离散（习惯称为分层或切片），把三维数字模型变成一系列的二维层片；再根据每个层片的轮廓信息进行工艺规划，选择合适的加工参数，自动生成数控代码；最后由成形机（数控机床）接受指令控制激光器（或喷嘴）有选择性地烧结一层接一层的粉末材料（或固化一层又一层的液态光敏树脂，或切割一层又一层的片状材料，或喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂）形成一系列具有一个微小厚度和特定形状的片状实体，再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐层堆积成一个三维物理实体。自美国3D公司1988年推出第一台商品SLA快速成型机以来，到现在已经有十几种不同的成型系统，其中比较典型的有SLA、SLS、LOM和FDM等方法。3.1 激光固化成型（SLA）的成型机理
A的基本构成如图3所示。它以光敏树脂为原料，在计算机控制下，紫外激光按零件各分层截面数据对液态光敏树脂表面逐点扫描，使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层；一层固化完毕后，工作台下降，在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂以便进行下一层扫描固化；新固化的一层牢固地粘合在前一层上；如此重复直到整个零原件型制作完毕。 方法的特点是精度高、表面质量好、原材料利用率将近100%，能成型形状特别复杂(如空心零件)、特别精细（如手饰、工艺品等）的零件。缺点是设备价格相对较贵。3.2 选择性激光烧结成型（SLS）的成型机理
S技术原理如图4所示。这项技术与SLA很相似，也是用激光束来扫描各层材料，但SLS的激光器为CO2激光器，成型材料为粉末物质。制作时，粉末被预热到稍低于其熔点温度，然后控制激光束来加热粉末，使其达到烧结温度，从而使之固化并与上一层粘结到一起。目前烧结的材料主要有标准的铸造蜡材，标准的工程热塑性塑料如聚碳酸酯、尼龙、覆膜金属。现在国内外正在研究陶瓷以及其它工程塑料的烧结成型。 机器比较昂贵,制作的零件表面粗糙，后处理比较麻烦,例如要在表面涂敷环氧树脂固化、打磨等。还有一个问题是成型件的致密程度较差。3.3 激光层压成型（LOM）的成型机理
本原理是根据零件分层几何信息切割薄材(如纸张、金属箔材)，将所获得的层片依次粘结成三维实体。一般采用一定功率（依被切割材料而定，如切纸可用20W）的CO2激光器进行切割，如图5所示，首先铺上一层薄材，然后激光器在计算机的控制下切出本层轮廓，并把非零件部分按一定形状切成碎片以便去除;本层完成后，再铺上一层薄材，用热辊碾压，以固化粘结剂，使新铺上的一层粘结在已形成的形体上，再切割。其主要用于快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。3.4 熔积成型（FDM）的成型原理
3.4.1 多种材料组织的熔积成型
方法的原理如下：利用等离子放电来加热金属丝材料，加热头的结构如图6所示，熔化的材料熔积到工件逐渐成型。制做一个多种材料的工件时需要多个喷头，各喷头可分别喷出不同的材料。在CAD造型中设计出一个完整的器件，器件中的零件由不同材料组成，加工时根据各层所需材料的要求，分别喷上所需材料，这样就可成形出一个多种材料和部件的三维实体器件。这种技术可在一些小型复杂结构器件的一次整体制造中使用，而无需分件加工和装配，是一个材料与结构一体化的方法，是发展微机械制造的一条有效途径。3.4.2 气相沉积成型（SALD）
康奈迪格（Connectict）大学的Kevin Jakubeas阐述了一种基于活性气体分解沉淀的成型技术，它称之为“Selective area laser deposition”（图7），即使用高能量激光的热能或光能分解一种活性气体。这种活性气体在激光的作用下发生分解，沉积出一个材料的薄层进行逐层制造。
Jakubeas认为通过改变活性气体的成分和温度以及激光束的能量，可以沉积出不同材料的零件，包括成型陶瓷和金属零件。3.5 激光熔覆快速制造技术（LCRM）
RM是一种基于激光熔覆的包括激光熔覆、送粉系统、CAD/CAM、传感器和数控技术的综合制造技术。近几年来，天津工业大学激光工程中心对这一技术进行了深入的研究和开发，并取得了突破性的进展。图8为该项技术的原理图。
激光熔覆最初是一种涂层技术，激光熔覆道沿平面横向多道搭接可以获得高性能的表面涂层，将激光熔覆面沿垂直方向空间多层叠加便可以制造出三维金属零件。 RM技术的原理是：首先用CAD画出零件实体模型，然后用分层软件对实体模型进行处理，获取各截面的几何信息，并将其转化成NC工作台运动的轨迹信息。成形时，有一束高功率激光会照射到基材表面形成熔池，与此同时金属粉末通过同轴送粉嘴被同轴地喷入熔池形成熔覆层，送粉嘴根据CAD给定的轨迹信息在NC的控制下逐层扫描堆积，最终制造出金属实体零件。由于激光熔覆的快速凝固特征，所制造出的金属零件具有优良的质量和强度。4. RP系统产品精度保证体系
实际生产中，常常采用试错法来保证最终产品的精度。随着计算机技术的发展以及对降低成本、实现数字化、过程可控性的要求，有必要采用计算机集成制造方法，对整个过程进行计算机模拟仿真研究。 E（Computer Aided Engineering,计算机辅助工程）包括灵捷制造、柔性制造、同时工程，虚拟制造等。引进CAE技术，可以把工艺路线绘制为图10所示。其中比较关键的是“转换”技术，也称快速模具（RT，Rapid tooling）技术，它是用各种方法把RP原型转换成工模具的技术。其中一个方法是将原型转换成陶瓷型，再利用铸造的方法转换成金属型。利用RP原型与RT技术集成的制造精密铸造模具方法适应了现代工业向着多品种、变批量发展的要求，被称为“柔性工具”方法。
把中间过程看作 “黑匣子”，则由CAD模型到产品的工艺路线，如图10所示；此过程相应的快速、多回路误差控制与反馈系统．5. 结论
技术是二十一世纪世界先进制造技术和新产品研发的手段。当前，市场竞争愈演愈烈，产品更新换代加速，迫切需要采用先进的创新手段。RP技术在不需要任何刀具、模具及工装卡具的情况下，可实现任意复杂形状的新产品样件的快速制造，提高此快速柔性系统的精度是当今急迫解决的问题。
分析了几种典型快速成形技术的原理，并以LCRP技术制造出了质量和强度较为满意的零件。给出了计算机辅助工程的工艺路线，并结合生产实际总结出了合理的多回路误差控制及反馈系统，进而保证零件的加工精度。