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快速模具成形技术

Release time:2018-08-28

快速成型技术概述

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20世纪90年代以后,制造业的外部形势发生了根本的变化。用户需求的个性化和多变性,迫使企业不得不逐步抛弃原来以“规模效益第一”为特点的少品种、大批量的生产方式,进而采取多品种、小批量、按定单组织生产的现代生产方式。同时,市场的全球化和一体化,更要求企业具有高度的灵敏性,面对瞬息万变的市场环境,不断地迅速开发新产品,变被动适应用户为主动引导市场,这样才能保证企业在竞争中立于不败之地。可见,在这种时代背景下,市场竞争的焦点就转移到速度上来,能够快速提供更高性能/价格比产品的企业,将具有更强的综合竟争力。快速成型技术是先进制造技术的重要分支,无论在制造思想上还是实现方法上都有很大的突破,利用快速成型技术可对产品设计进行迅速评价、修改,并自动快速地将设计转化为具有相应结构和功能的原型产品或直接制造出零部件,从而大大缩短新产品的开发周期,降低产品的开发成本,使企业能够快速响应市场需求,提高产品的市场竞争力和企业的综合竞争能力 
 

特点

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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,一般制造费用降低50%,加工周期节约70%以上;
5、高度技术集成,可实现了设计制造一体化。
 

产生背景

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1、随着全球市场一体化的形成,制造业的竞争十分激烈,产品的开发速度日益成为主要矛盾。在这种情况下,西安交通大学机械学院,快速成型国家工程研究中心,教育部快速成型工程研究中心自主快速产品开发(快速设计和快速工模具)的能力(周期和成本)成为制造业全球竞争的实力基础。
2、制造业为满足日益变化的用户需求,要求制造技术有较强的灵活性,能够以小批量甚至单件生产而不增加产品的成本。因此,产品的开发速度和制造技术的柔性就十分关键。
3、从技术发展角度看,计算机科学、CAD技术、材料科学、激光技术的发展和普及为新的制造技术的产生奠定了技术物质基础。
 

基本原理

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快速成形技术是在计算机控制下,基于离散、堆积的原理采用不同方法堆积材料,最终完成零件的成形与制造的技术。
1、从成形角度看,零件可视为“点”或“面”的叠加。从CAD电子模型中离散得到“点”或“面”的几何信息,再与成形工艺参数信息结合,控制材料有规律、精确地由点到面,由面到体地堆积零件。
2、从制造角度看,它根据CAD造型生成零件三维几何信息,控制多维系统,通过激光束或其他方法将材料逐层堆积而形成原型或零件。
 

成型的分类

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去除成型

去除成型是运用分离的方法,按照要求把部分材料有序地从基体上分离出去而成型的加工方式。传统的车、铣、创、磨等加工方法均属于去除成型。去除成型是制造业最主要的成型方式。
 

添加成型

添加成型是指利用各种机械的、物理的、化学的等手段通过有序地添加材料来达到零件设计要求的成型方法。快速成型技术是添加成型的典型代表,它从思想上突破了传统的成型方式,可快速制造出任意复杂程度的零件,是一种非常有前景的新型制造技术。
 

受迫成型

受迫成型是利用材料的可成型性(如塑性等)在特定外围约束(边界约束或外力约束)下成型的方法。传统的铸造、锻造和粉末冶金等均属于受迫成型。受迫成型还未完全实现计算机控制,多用于毛坯成型、特种材料成型等。
 

生长成型

生长成型是利用生物材料的活性进行成型的方法,自然界中生物个体的发育均属于生长成型,“克隆”技术是在人为系统中的生长成型方式。随着活性材料、仿生学、生物化学、生命科学的发展,这种成型方式将会得到很大的发展和应用。
 

应用

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不断提高RP技术的应用水平是推动RP技术发展的重要方面。西安交通大学机械学院,快速成型国家工程研究中心,教育部快速成型工程研究中心快速成型技术已在工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到了广泛应用。并且随着这一技术本身的发展,其应用领域将不断拓展。RP技术的实际应用主要集中在以下几个方面:
1、在新产品造型设计过程中的应用快速成形技术为工业产品的设计开发人员建立了一种崭新的产品开发模式。运用RP技术能够快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的实物模型,这不仅缩短了开发周期,而且降低了开发费用,也使企业在激烈的市场竞争中占有先机。
2、在机械制造领域的应用由于RP技术自身的特点,使得其在机械制造领域内,获得广泛的应用,多用于制造单件、小批量金属零件的制造。有些特殊复杂制件,由于只需单件生产,或少于50件的小批量,一般均可用RP技术直接进行成型,成本低,周期短。
3、快速模具制造传统的模具生产时间长,成本高。将快速成型技术与传统的模具制造技术相结合,可以大大缩短模具制造的开发周期,提高生产率,是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径。快速成形技术在模具制造方面的应用可分为直接制模和间接制模两种,直接制模是指采用RP技术直接堆积制造出模具,间接制模是先制出快速成型零件,再由零件复制得到所需要的模具。
4、在医学领域的应用,人们对RPM技术在医学领域的应用研究较多。以医学影像数据为基础,利用RP技术制作人体器官模型,对外科手术有极大的应用价值。
5、在文化艺术领域的应用在文化艺术领域,快速成形制造技术多用于艺术创作、文物复制、数字雕塑等。
6、在航空航天技术领域的应用在航空航天领域中,空气动力学地面模拟实验,即风洞试验是设计性能先进的天地往返系统(即航天飞机)所必不可少的重要环节。该实验中所用的模型形状复杂、精度要求高、又具有流线型特性,采用RP技术,根据CAD模型,由RP设备自动完成实体模型,能够很好的保证模型质量。
7、在家电行业的应用,快速成形系统在国内的家电行业上得到了很大程度的普及与应用,使许多家电企业走在了国内前列,都先后采用快速成形系统来开发新产品,收到了很好的效果。快速成形技术的应用很广泛,可以相信,随着快速成形制造技术的不断成熟和完善,它将会在越来越多的领域得到推广和应用 
 

发展方向

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从RP技术的研究和应用现状来看,快速成型技术的进一步研究和开发工作主要有以下几个方面:
1、开发性能好的快速成型材料,如成本低、易成形、变形小、强度高、耐久及无污染的成形材料。
2、提高RP系统的加工速度和开拓并行制造的工艺方法。
3、改善快速成形系统的可靠性,提高其生产率和制作大件能力,优化设备结构,尤其是提高成形件的精度、表面质量、力学和物理性能,为进一步进行模具加工和功能实验提供基础。
4、开发快速成形的高性能RPM软件。提高数据处理速度和精度,研究开发利用CAD原始数据直接切片的方法,减少由STL格式转换和切片处理过程所产生精度损失。
5、开发新的成形能源。
6、快速成形方法和工艺的改进和创新。直接金属成形技术将会成为今后研究与应用的又—个热点。
7、进行快速成形技术与CAD、CAE、RT、CAPP、CAM以及高精度自动测量、逆向工程的集成研究。
8、提高网络化服务的研究力度,实现远程控制。
 

面临问题

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工艺问题

快速成型的基础是分层叠加原理,然而,用什么材料进行分层叠加,以及如何进行分层叠加却大有研究价值。因此,除了上述常见的分层叠加成形法之外,正在研究、开发一些新的分层叠加成形法,以便进一步改善制件的性能,提高成形精度和成形效率。
 

材料问题

成型材料研究一直都是一个热点问题,快速成型材料性能要满足:①有利于快速精确的加工出成型;②用于快速成型系统直接制造功能件的材料要接近零件最终用途对强度、刚度、耐潮、热稳定性等要求;③有利于快速制模的后续处理。发展全新的RP材料,特别是复合材料,例如纳米材料、非均质材料、其他方法难以制作的材料等仍是努力的方向。
 

精度问题

快速成形件的精度一般处于±0.1 mm的水平,高度方向的精度更是如此。快速成型技术的基本原理决定了该工艺难于达到与传统机械加工所具有的表面质量和精度指标,把快速成型的基本成形思想与传统机械加工方法集成,优势互补,是改善快速成型精度的重要方法之一。
 

软件问题

快速成型系统使用的分层切片算法都是基于STL文件格式进行转换的,就是用一系列三角网格来近似表示CAD模型的数据文件,而这种数据表示方法存在不少缺陷,如三角网格会出现一些空隙而造成数据丢失,还有由于平面分层所造成的台阶效应,也降低了零件表面质量和成形精度,应着力开发新的模型切片方法,如基于特征的模型直接切片法、曲面分层法,即不进行STL格式文件转换,直接对CAD模型进行切片处理,得到模型的各个截面轮廓,或利用反求工程得到的逐层切片数据直接驱动快速成型系统,从而减少三角面近似产生的误差,提高成形精度和速度。
 

能源问题

快速成型技术所采用的能源有光能、热能、化学能、机械能等。在能源密度、能源控制的精细性、成型加工质量等方面均需进一步提高。
 

应用领域问题

快速成型现有技术的应用领域主要在于新产品开发,主要作用是缩短开发周期,尽快取得市场反馈的效果。
由于快速成型技术的巨大吸引力,不仅工业界对其十分重视,而且许多其他的行业都纷纷致力于它的应用和推广,在其技术向更高精度与更优的材质性能方向取得进展后,可以考虑加入生物医学、考古、文物、艺术设计、建筑成型等多个领域的应用,形成高效率、高质量、高精度的复制工艺体系 。
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