1、中文 2935 字 快速原型技术及在模具制造中的应用 摘要 ： 论述了快速原型技术的工艺原理、加工特点、形成与发展概况以及在模具制造中的应用，指出该项技术可构成一种应用范围十分广泛、新颖的加工体系，市场前景广阔。 关键词 ： 快速原型技术 模具制造 产品开发 快速原型技术是一种涉及多学科的新型综合制造技术。 80 年代后，随着计算机辅助设计的应用，产品造型和设计能力得到极大提高，然而在产品设计完成后，批量生产前，必须制出样品以表达设计构想，快速获取产品设计的反馈信息，并对产品设计的可行性作出评估、论证。在市场竞争日趋激烈的 今天，时间就是效益。为了提高产品市场竞争力，从产品开发到批量投产的整个
2、过程都迫切要求降低成本和提高速度。快速原型技术的出现，为这一问题的解决提供了有效途径，倍受国内外重视。 1 快速原型技术的基本原理 快速原型技术是用离散分层的原理制作产品原型的总称，其原理为：产品三维 CAD 模型 分层离散 按离散后的平面几何信息逐层加工堆积原材料 生成实体模型 。 该技术集计算机技术、激光加工技术、新型材料技术于一体，依靠 CAD 软件，在计算机中建立三维实体模型，并将其切分成一系列平面几何信息，以此控制激光束的扫描方向和速 度，采用粘结、熔结、聚合或化学反应等手段逐层有选择地加工原材料，从而快速堆积制作出产品实体模型。 2 快速原型技术的加工特点 快速原型技术突破了 “
3、毛坯 切削加工 成品 ” 的传统的零件加工模式，开创了不用刀具制作零件的先河，是一种前所未有的薄层迭加的加工方法。与传统的切削加工方法相比，快速原型加工具有以下优点： (1)可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件，如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，大大降低了新产品的开发成本和开发周期。 (2)属非接触加工，不需要机床切削加工所必需的刀具和夹具，无刀具磨损和切 削力影响。 (3)无振动、噪声和切削废料。 (4)可实现夜间完全自动化生产。 (5)加工效率高，能快速制作出产品实体模型及模具。 下表为快速原型技术与传统切削方法的比较。 快速原型技术与传统切削方法比较表 3 快速原型技术的发展 快速原
4、型技术概念即 RP(Rapid Prototyping Technology)概念的提出可追朔到 1979 年，日本东京大学生产技术研究所的中川威雄教授发明了叠层模型造型法， 1980 年小玉秀男又提出了光造型法， 该设想提出后，由丸谷洋二于 1984年继续研究，并于 1987 年进行产品试制。 1988 年，美国 3D Systems 公司率先推出快速原型实用装置 激光立体造型即 SLA(Stereo Lightgraphy Apparatus),并以年销售增长率为 30% 40%的增幅在世界市场出售。近年来，随着扫描振镜性能的提高，以及材料科学和计算机技术的发展，快速原型技术已日趋成熟，并
5、于 1994 年正式进入推广普及阶段。 按照所用材料的形态与种类不同，快速原型技术目前有以下四种类型。 3.1 利用激光固化树脂材料的光造型法 光造型装置一直以美国 3D Systems 公司的 SLA 型产品独占鳌头，并形成垄断市场。其工作原理如图 1 所示。由激光器发出的紫外光，经光学系统汇集成一支细光束，该光束在计算机控制下，有选择的扫描液激光器扫描镜升降装置容器光敏树脂体光敏树脂表面，利用光敏树脂遇紫外光凝固的机理，一层一层固化光敏树脂，每固化一层后，工作台下降一精确距离，并按新一层表面几何信息使激光扫描器对液面进行扫描，使新一层树脂固化并紧紧粘在前一层已固化的树脂上，如此反复，直至制
6、作生成一零件实体模型。激光立体造型制造精度目前可达0.1mm, 主要 用作为产品提供样品和实验模型。此外，日本帝人制机开发的SOLIFORM 可直接制作注射成型模具和真空注塑模具 图 1 立体光造型技术原理图 3.2 纸张叠层造型法 纸张叠层造型法目前以 Helisys 公司开发的 LOM 装置应用最广。该装置采用专用滚筒纸，由加热辊筒使纸张加热联接，然后用激光将纸切断，待加热辊筒自动离开后，再由激光将纸张裁切成层面要求形状，如图 2 所示。 图 2 纸张叠 层造型原理图 LOM 可制作一些光造型法难以制作的大型零件和厚壁样件，且制作成本低廉（约为光造型法的 1/2）、速度高（约为木模制作时间
7、的 1/5 以下），并可简便地分析设计构思和功能。 3.3 熔融造型法 熔融造型法以美国 Stratasys 公司开发的产品 FDM(Fused Deposition Modelling)应用最为广泛。工作时，直接由计算机控制喷头挤出热塑材料并按照层面几何信息逐层由下而上制作出实体模型。 FDM 技术的最大特点是速度快（一般模型仅需几小时即可成型）、无污染，在原型开发和精铸蜡模等方面得到 广泛应用。 3.4 热可塑造型法 热可塑造型法以 DTM 公司开发的选择性激光烧结即 SLS(Selective Laser Sintering)应用较多。该方法是用 CO2 激光熔融烧结树脂粉末的方式制作样件。工作时，由 CO2 激光器发出的光束在计算机控制下，根据几何形体各层横截面的几何信息对材料粉末进行扫描，激光扫描处粉末熔化并凝固在一起。然后，铺上一层新粉末，再用激光扫描烧结，如此反复，直至制成所需样件。如图 3 所示。 图 3 选择性激光烧结原理图 SLS 技术造型速度快（一般制品，仅需 1 天 2 天即可完成）、造 型精度高（每层粉末最小厚度约 0.07mm,激光动态精度可达 0.09mm, 并具有自动激光补偿功能）、原型强度高（聚碳酸脂其弯曲强度可达 34.5MPa,尼龙可达 55MPa），因此，可用原型进行功能试验和装配模拟，以获取最佳曲面和观察配合状况。
