快速成型技术在集成制造及微机械制造中的应用
•
技术综合
摘要:快速成型技术是集光学、电子、材料、计算机等多学科的高新技术。通过简要介绍快速成型技术在国内外发展的现状，并针对国内在此领域发展的不足，结合两期快速成型方面的“863计划”的研究成果，提出一种基于快速成型技术的集成制造系统体系。该集成制造系统综合了快速成型、快速模具制造、快速反求工程及并行工程、虚拟制造、网络等配套技术，可大大提高产品的开发速度，增强企业的竞争能力。最后介绍了快速成型技术在微机械制造方面的应用。
1 国外RPM技术的发展现状
图1 快速成型系统销售情况
2 国内RPM技术的发展
- RPM技术本身发展不够成熟 该领域研究队伍比较薄弱，资金投入有限，设备尚未完全达到商品化，成型材料急需国产化，与RPM技术配套的后续技术尚不完备。
- 未能有效地在企业中得到应用 企业界对RPM技术重要性认识不足，缺乏企业的有力支持，目前投入的研发资金几乎都是由国家承担，企业没有发挥其主导作用。对于已引进RPM设备的企业，也未能充分发挥其作用。由于目前的RPM设备价格太昂贵，因此广大中小型企业很少能得到RPM提供的技术服务。
- 没有建立发展RPM技术的统一协调管理体系 目前存在相当多的“低水平重复”现象，使得有限的投入未能发挥更好的作用。尤其是在学、产、研结合方面力度不够，影响科研成果的商品化，直至产业化。
3 基于RPM技术的集成制造系统
- 集成制造系统结构 该集成制造系统结构把RPM技术作为整个产品开发周期的一个核心环节。RPM技术与前期的快速反求工程(RRE: RapidReverse Engineering)、后续的快速模具制造(RT:Rapid Tooling)技术、其它先进制造技术及企业内外部的网络组成一个集成的快速响应制造系统，这样，RPM技术的优越性及形成的经济效益就会得到更为充分的体现。图2所示是基于RPM的集成制造系统结构。
- 对于单件或小批量生产，可直接由RPM系统制造。对于大批量生产，则由RPM系统加工出原型，利用RT技术生产大批零件。如果要快速复制某物品(在雕刻、珍贵文物复制、手术用器官模型等方面有应用)，则可利用RRE采集待复制物体的数据，进行物体的三维CAD模型重建，模型经处理后，再输入到RPM系统制作原型。
- 图2中的测试系统包括各种检测及测量设备，如三坐标测量机、核磁共振、激光快速扫描仪、动态测试仪等。产品或原型经检测分析合格后方能投入生产。企业不必花重金添置完备的测试装置，可将零件送交专门的检测单位检测。
- 快速成型、快速模具制造、快速反求工程及并行工程、虚拟制造等配套技术在Internet、Intranet支持下，便形成一个快速响应的集成制造系统，企业也可因此加快开发产品、开拓市场的步伐。
- 集成制造系统特点 与传统的机械加工方法相比，该系统在以下方面大大缩短了产品研发周期，提高了产品质量:
- 反求工程技术的引入使得建造CAD模型的过程方便且快捷，节省了大量的人工建造CAD模型时间。
- CAD模型到加工数据的处理过程自动化。省却了传统的CAPP、CAM编程环节，实现了原型的加工过程自动化，降低了对技术人员或操作人员的技术要求。
- 虚拟制造技术的应用提高了开发合格产品的一次成功率，避免了产品开发中的多次反复而造成的时间和财力的浪费。
- 企业对市场的响应能力大大提高。该系统以网络和数据技术为支撑，以计算机技术为实现手段，综合使用了各种先进的制造技术，充分实现了人、管理及技术三者间的有机结合。
- 台式快速成型系统 快速成型装置是整个集成制造系统的核心，目前推出的快速成型装置大都报价很高，暂不适宜推广到中小企业中去。
- 快速成型技术将会向着降低成本、提高效率、简化工艺的方向发展，目的是为普及和扩大其应用范围。
- 为此，我们在“863计划”的支持及有关单位的配合下，在借鉴研制微机械快速成型系统经验的基础上，研制了台式快速成型系统。
- 该系统具有体积小、成本低、材料国产化的特点，尤其适合于国内广大的中小企业。系统没有采用昂贵的激光器作为光源，而是采用了紫外光较为丰富的紫外灯。针对该灯，开发了一套体积小、成本低的调制及控制装置，实现了计算机的多种自动控制。在材料方面，同有关单位合作已成功开发出几种性能较好的树脂，树脂无味、无毒、基本实现了材料的国产化。
- 系统噪声小、重量轻、无三废排放，可将打印机、复印机等一同用作办公设备。系统的造价及运行成本仅为国外同类设备的1/10～1/20。
图2 基于RPM的集成制造系统结构
4 微机械快速成型技术
- 采用约束液面式的加工方法 固化层片堆积的方向是向下，而不是向上。图3a为一般光造型技术采用的自由液面式，图3b为约束液面式。约束液面式可提高零件制作精度，不需使用刮平树脂液面的机构，制作时间有较大缩短。
- 由于窗板与树脂固化物分离性小，需要对窗板表面进行一定的处理。在进行了关于表面处理的分离性评价实验的基础上，考虑到透明性、强度以及耐热性的要求，选择了含有氟树脂的材料涂覆在窗板表面上。
- 采用CAD直接法 CAD模型建造完以后，直接在CAD系统内对该模型进行切片，而不必转化为89: 文件格式。这一方法可以避免所有小三角形平面逼近而产生的逼近误差，更适合于微机械制造。
- 小固化单元，高加工分辨率 本系统采用光谱极窄(0.1nm)、发散角极小的氮分子激光器，激光经光学子系统调制后得到极微细的光束，该光束随着工作台的运动而逐点、逐线、逐面地固化液态光敏树脂。这种树脂的固化颗粒小，从而保证了高加工分辨率应具有小固化单元的要求。
图3 光造型技术两种加工方式
5 结论
作者：西部车床，如若转载，请注明出处：https://www.lathe.cc/2023/02/5376.html