FDM汽车模型快速成型技术研究
FDM 汽车模型快速成型技术研究
1 引言
快速成型(Rapid Prototyping简称RP)技术是20世纪80年代中期发展起来的一种全新先进制造技术。随着新技术、新材料，新工艺的不断发展，RP技术逐渐发展成熟。与传统制造方法不同，RP是从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。由于RP技术在制造产品过程中不会产生废弃物造成环境污染，所以也是一种绿色制造技术。
1.1 快速成型技术的发展
RP制造是当今世界上发展最快的制造技术，该技术由最初的发展期步入成熟期，虽然其发展速度有所减缓，但近年来RP新工艺、新装备仍是最活跃的领域。RP制造的主流工艺有：美国3DSYSTEM的立体光刻(SLA)，美国Helisys的分层实体制造(LOM)，德国ESO的选择性激光烧结(SLS)，美国Stratasys的熔融堆积成形(FDM)，美国MIT-Z的三维打印(3-DP)。其中对RP发展具有里程碑意义的3D SYSTEM公司，已由最初的SLA-I发展到最新SLA-5000System、SLA-7000System，ViperTM Pro SLA system，目前SLA的精度可以达到±25μm。
我国RP研究工作起步于20世纪90年代初，早期以技术引进为主，据报导，我国至今已有数十家企业或机构从国外引进RP机器，加快了企业的新产品开发，取得了巨大的经济效益。
我国最早在RP技术方面开展工作的高校有清华大学、西安交通大学、华中理工大学和北京隆源自动成形系统有限公司。这些单位早期在开发系统设备方面各有侧重，其中，清华大学以FDM和LOM为主，西安交通大学则是SLA，北京隆源自动成形系统有限公司为SLS，而华中理工大学主要为LOM。
西安交通大学多年来一直致力于SLA的成型材料和设备的国产化，并因此获2000年度国家科技进步二等奖和教育部科技进步一等奖。
清华大学于1992年引进了SLA2250光固化成形设备，成立了激光快速成型中心，从此该校在RP成形理论、工艺方法、设备、材料、软件等方面做了大量的研究开发工作。该校研制出的世界上最大的LOM双扫描成形机，已提供给国内的汽车制造企业；研制成功的多功能快速造型系统MRPMS已打入国际市场；自主开发的大型挤压喷射成形RP设备SSM21600SSM成型尺寸已达1600mm×800mm×750mm，也居世界之首。清华大学企业集团下属的RP专业公司北京殷华公司的产品不仅占据国内市场的一定份额，而且进入国际市场，销售到泰国、香港、韩国等地并得到了好评。
目前，部分国产RP设备已接近或达到美国公司同类产品的水平，价格却便宜得多，材料的价格更加便宜。我国已初步形成了RP设备和材料的制造体系。近年来，在国家科学技术部的支持下，我国已在深圳、天津、上海、西安、南京、重庆等地建立一批向企业提供RP技术的服务机构，并开始起到了积极的作用，推动了该技术在我国的广泛应用，使我国RP技术的发展走上了专业化、市场化的轨道，为国民经济的发展作出了贡献。
1.2 快速成型技术的原理
RP技术是采用离散/堆积成型的原理，由CAD模型直接驱动的通过叠加成型方法快速制造任意复杂形状三维实体的技术总称。其过程是：由三维CAD软件设计出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型（亦称电子模型），根据工艺要求将其按一定厚度进行分层，把三维电子模型变成二维平面信息（截面信息），在微机控制下，数控系统以平面加工的方式有序地连续加工出每个薄层并使它们自动粘接成型，图1为RP技术的基本原理。
图1.1 快速成型基本原理
RP技术体系可分解为几个彼此联系的基本环节：三维CAD造型、反求工程、数据转换、原型制造、后处理等。
1.3 快速成型技术的特点
RP技术与传统方法相比具有独特的优越性和特点：
(1)快速性 从CAD设计到原型零件制成，一般只需几个小时至几十个小时，速度比传统的成型方法快得多，使之技术尤其适合于新产品的开发与管理。
(2)设计制造一体化 落后的CAPP一直是实现设计制造一体化的较难克服的一个障碍，而对于RP来说，由于采用了离散堆积的加工工艺，CAPP已不再是难点，CAD和CAM能很好结合。
(3)自由成形制造 自由的含义有两个：一是指可以根据零件的形状，无需专用工具的限制而自由地成型，可以大大缩短新产品的试制时间；二是指不受零件形状复杂程度限制。
(4)高度柔性 仅需改变CAD模型，重新调整和设置参数即可生产出不同形状的零件模型。
(5)材料的广泛性 RP技术可以制造树脂类、塑料类原型，还可以制造出纸类、石蜡类、复合材料以及金属材料和陶瓷材料的原型。
(6)技术的高度集成 RP技术是计算机、数据、激光、材料和机械的综合集成，只有在计算机技术、数控技术、激光器件和功率控制技术高度发展的今天才可能诞生RP技术。因此它带有鲜明的时代特征。
1.4 几种典型的快速成型工艺及其比较
随着CAD建模和光机电一体化技术的发展，RP技术的工艺方法发展很快，按照所用材料的形态与种类不同，目前http://www.huisheliren.com/zixun/投入应用的已有十余种工艺方法，其中发展较为成熟的主要有以下四种类型：液态光敏聚合物选择性固化(SLA)、薄型材料选择性切割(LOM)、粉末材料选择性激光烧结(SLS)、丝状材料选择性熔融沉积(FDM)。
1 几种典型的RP工艺
(1)光固化立体造型(SLA) SLA使用的是可光固化的液体材料，当扫描器在计算机的控制下将激光器的能量按分层信息传递给成型液面后，扫描区就发生聚合反应和固化，完成一层的加工。采用这种方法成型的零件有较高的精度且表面光洁，但可用材料的范围较窄。
(2)分层物件制造(LOM) LOM的层面信息通过每一层的轮廓来表示，激光扫描器的动作由这些轮廓信息控制，它采用的材料是具有厚度信息的片材。这种加工方法只需加工轮廓信息，所以可以达到很高的加工速度，但材料的范围很窄，每层厚度不可调整是最大缺点。
(3)选择性激光烧结(SLS) SLS使用固体粉末材料，该材料在激光的照射下，能吸收能量，发生熔融固化，从而完成层信息的成型。这种方法适用的材料范围广（适用于聚合物、铸造用蜡、金属或陶瓷粉末），特别是在金属和陶瓷材料的成型方面具有独特的优点。SLS无材料浪费现象，未烧结的粉末可重复使用。目前成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉，用金属粉或陶瓷粉进行粘结或烧结的工艺还正在实验阶段。
(4)熔融沉积造型(FDM) FDM不是采用激光作能源，而是将电能传递给塑料丝，在挤出喷头前达到熔融状态，喷头在计算机的控制下将熔融的塑料丝写到工作台上，从而完成整个零件的加工过程。这种方法的能量传输和材料传输均不同于前面三种方法，系统成本较低；但由于喷头的运动是机械运动，速度有一定限制，所以加工时间较长，且其材料使用范围不广。
2 几种典型RP工艺的比较
几种典型RP工艺的比较如表2所示。
表面质量 复杂程度 零件大小 材料价格 常用材料 制造成本 生产效率 设备费用 市场占有率
SLS
LOM
SLS
FDM 优
差
中等
差 中等
复杂
中等
中等 中小件
中大件
中小件
中小件 较贵
较便宜
较贵
较贵 热固性光敏树脂
纸，塑料，薄膜
塑料，金属，陶瓷粉末
石蜡，塑料，低熔点金属 较高
低
较低
较低 高
高
中等
较低 较贵
较便宜
较贵
较便宜 78%
7.3%
6.0%
6.1%
表2 几种典型RP工艺的比较
1.5 快速成型研究和开发的主要问题
现代RP技术发展的一个重要特点就是快速自动成型与其它先进的设计制造技术的结合越来越紧密。目前，RP技术朝着工业化、产业化方向迈进。但是目前RP技术还是面临着许多困难，比如，材料的残余应力、RP技术能够处理的材料种类问题等方面的限制：RP所专用的成型材料和设备价格较高及RP本身是小批量生产使得成本方面偏高；成型精度与速度方面的不足等方面。所以快速成型技术的进一步研究和开发工作应主要在以下几方面：
(1)改善快速成型系统的可靠性、生产率和制作大件能力，尤其是提高快速成型系统的制作精度；
(2)开发经济型的快速成型系统；
(3)快速成型方法和工艺的改进和创新；
(4)快速模具制造的应用；
(5)开发性能好的快速成型材料；
(6)开发快速成型的高性能软件；
(7)快速成型技术与CAD、CAE、CAPP、CAM以及高精度自动测量、逆向工程的一体化集成。
1.6 本章小结
RP技术是制造技术的一项革命，它是伴随激光技术、计算机技术、新材料技术及其它先进技术的发展而发展和进步的，正在不断的完善，具有广泛的应用前景。在未来的几年内将会有更大的发展，尤其是在RP系统的制作精度、可靠性以及RP材料、RP软件等方面的改进和创新将会更快。
目前我国有多家大专院校和科研机构从事RP及相关技术的研究，但是其普及程度和应用开发研究远远不能满足国民经济发展和科学技术进步的要求，但可以预见，经过科技人员的不懈努力，我国在RP及相关技术研究方面必将取得长足进步，使这项新技术及其成果在我国得到更广泛地应用。
1 引言
快速成型(Rapid Prototyping简称RP)技术是20世纪80年代中期发展起来的一种全新先进制造技术。随着新技术、新材料，新工艺的不断发展，RP技术逐渐发展成熟。与传统制造方法不同，RP是从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。由于RP技术在制造产品过程中不会产生废弃物造成环境污染，所以也是一种绿色制造技术。
1.1 快速成型技术的发展
RP制造是当今世界上发展最快的制造技术，该技术由最初的发展期步入成熟期，虽然其发展速度有所减缓，但近年来RP新工艺、新装备仍是最活跃的领域。RP制造的主流工艺有：美国3DSYSTEM的立体光刻(SLA)，美国Helisys的分层实体制造(LOM)，德国ESO的选择性激光烧结(SLS)，美国Stratasys的熔融堆积成形(FDM)，美国MIT-Z的三维打印(3-DP)。其中对RP发展具有里程碑意义的3D SYSTEM公司，已由最初的SLA-I发展到最新SLA-5000System、SLA-7000System，ViperTM Pro SLA system，目前SLA的精度可以达到±25μm。
我国RP研究工作起步于20世纪90年代初，早期以技术引进为主，据报导，我国至今已有数十家企业或机构从国外引进RP机器，加快了企业的新产品开发，取得了巨大的经济效益。
我国最早在RP技术方面开展工作的高校有清华大学、西安交通大学、华中理工大学和北京隆源自动成形系统有限公司。这些单位早期在开发系统设备方面各有侧重，其中，清华大学以FDM和LOM为主，西安交通大学则是SLA，北京隆源自动成形系统有限公司为SLS，而华中理工大学主要为LOM。
西安交通大学多年来一直致力于SLA的成型材料和设备的国产化，并因此获2000年度国家科技进步二等奖和教育部科技进步一等奖。
清华大学于1992年引进了SLA2250光固化成形设备，成立了激光快速成型中心，从此该校在RP成形理论、工艺方法、设备、材料、软件等方面做了大量的研究开发工作。该校研制出的世界上最大的LOM双扫描成形机，已提供给国内的汽车制造企业；研制成功的多功能快速造型系统MRPMS已打入国际市场；自主开发的大型挤压喷射成形RP设备SSM21600SSM成型尺寸已达1600mm×800mm×750mm，也居世界之首。清华大学企业集团下属的RP专业公司北京殷华公司的产品不仅占据国内市场的一定份额，而且进入国际市场，销售到泰国、香港、韩国等地并得到了好评。
目前，部分国产RP设备已接近或达到美国公司同类产品的水平，价格却便宜得多，材料的价格更加便宜。我国已初步形成了RP设备和材料的制造体系。近年来，在国家科学技术部的支持下，我国已在深圳、天津、上海、西安、南京、重庆等地建立一批向企业提供RP技术的服务机构，并开始起到了积极的作用，推动了该技术在我国的广泛应用，使我国RP技术的发展走上了专业化、市场化的轨道，为国民经济的发展作出了贡献。
1.2 快速成型技术的原理
RP技术是采用离散/堆积成型的原理，由CAD模型直接驱动的通过叠加成型方法快速制造任意复杂形状三维实体的技术总称。其过程是：由三维CAD软件设计出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型（亦称电子模型），根据工艺要求将其按一定厚度进行分层，把三维电子模型变成二维平面信息（截面信息），在微机控制下，数控系统以平面加工的方式有序地连续加工出每个薄层并使它们自动粘接成型，图1为RP技术的基本原理。
图1.1 快速成型基本原理
RP技术体系可分解为几个彼此联系的基本环节：三维CAD造型、反求工程、数据转换、原型制造、后处理等。
1.3 快速成型技术的特点
RP技术与传统方法相比具有独特的优越性和特点：
(1)快速性 从CAD设计到原型零件制成，一般只需几个小时至几十个小时，速度比传统的成型方法快得多，使之技术尤其适合于新产品的开发与管理。
(2)设计制造一体化 落后的CAPP一直是实现设计制造一体化的较难克服的一个障碍，而对于RP来说，由于采用了离散堆积的加工工艺，CAPP已不再是难点，CAD和CAM能很好结合。
(3)自由成形制造 自由的含义有两个：一是指可以根据零件的形状，无需专用工具的限制而自由地成型，可以大大缩短新产品的试制时间；二是指不受零件形状复杂程度限制。
(4)高度柔性 仅需改变CAD模型，重新调整和设置参数即可生产出不同形状的零件模型。
(5)材料的广泛性 RP技术可以制造树脂类、塑料类原型，还可以制造出纸类、石蜡类、复合材料以及金属材料和陶瓷材料的原型。
(6)技术的高度集成 RP技术是计算机、数据、激光、材料和机械的综合集成，只有在计算机技术、数控技术、激光器件和功率控制技术高度发展的今天才可能诞生RP技术。因此它带有鲜明的时代特征。
1.4 几种典型的快速成型工艺及其比较
随着CAD建模和光机电一体化技术的发展，RP技术的工艺方法发展很快，按照所用材料的形态与种类不同，目前http://www.huisheliren.com/zixun/投入应用的已有十余种工艺方法，其中发展较为成熟的主要有以下四种类型：液态光敏聚合物选择性固化(SLA)、薄型材料选择性切割(LOM)、粉末材料选择性激光烧结(SLS)、丝状材料选择性熔融沉积(FDM)。
1 几种典型的RP工艺
(1)光固化立体造型(SLA) SLA使用的是可光固化的液体材料，当扫描器在计算机的控制下将激光器的能量按分层信息传递给成型液面后，扫描区就发生聚合反应和固化，完成一层的加工。采用这种方法成型的零件有较高的精度且表面光洁，但可用材料的范围较窄。
(2)分层物件制造(LOM) LOM的层面信息通过每一层的轮廓来表示，激光扫描器的动作由这些轮廓信息控制，它采用的材料是具有厚度信息的片材。这种加工方法只需加工轮廓信息，所以可以达到很高的加工速度，但材料的范围很窄，每层厚度不可调整是最大缺点。
(3)选择性激光烧结(SLS) SLS使用固体粉末材料，该材料在激光的照射下，能吸收能量，发生熔融固化，从而完成层信息的成型。这种方法适用的材料范围广（适用于聚合物、铸造用蜡、金属或陶瓷粉末），特别是在金属和陶瓷材料的成型方面具有独特的优点。SLS无材料浪费现象，未烧结的粉末可重复使用。目前成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉，用金属粉或陶瓷粉进行粘结或烧结的工艺还正在实验阶段。
(4)熔融沉积造型(FDM) FDM不是采用激光作能源，而是将电能传递给塑料丝，在挤出喷头前达到熔融状态，喷头在计算机的控制下将熔融的塑料丝写到工作台上，从而完成整个零件的加工过程。这种方法的能量传输和材料传输均不同于前面三种方法，系统成本较低；但由于喷头的运动是机械运动，速度有一定限制，所以加工时间较长，且其材料使用范围不广。
2 几种典型RP工艺的比较
几种典型RP工艺的比较如表2所示。
表面质量 复杂程度 零件大小 材料价格 常用材料 制造成本 生产效率 设备费用 市场占有率
SLS
LOM
SLS
FDM 优
差
中等
差 中等
复杂
中等
中等 中小件
中大件
中小件
中小件 较贵
较便宜
较贵
较贵 热固性光敏树脂
纸，塑料，薄膜
塑料，金属，陶瓷粉末
石蜡，塑料，低熔点金属 较高
低
较低
较低 高
高
中等
较低 较贵
较便宜
较贵
较便宜 78%
7.3%
6.0%
6.1%
表2 几种典型RP工艺的比较
1.5 快速成型研究和开发的主要问题
现代RP技术发展的一个重要特点就是快速自动成型与其它先进的设计制造技术的结合越来越紧密。目前，RP技术朝着工业化、产业化方向迈进。但是目前RP技术还是面临着许多困难，比如，材料的残余应力、RP技术能够处理的材料种类问题等方面的限制：RP所专用的成型材料和设备价格较高及RP本身是小批量生产使得成本方面偏高；成型精度与速度方面的不足等方面。所以快速成型技术的进一步研究和开发工作应主要在以下几方面：
(1)改善快速成型系统的可靠性、生产率和制作大件能力，尤其是提高快速成型系统的制作精度；
(2)开发经济型的快速成型系统；
(3)快速成型方法和工艺的改进和创新；
(4)快速模具制造的应用；
(5)开发性能好的快速成型材料；
(6)开发快速成型的高性能软件；
(7)快速成型技术与CAD、CAE、CAPP、CAM以及高精度自动测量、逆向工程的一体化集成。
1.6 本章小结
RP技术是制造技术的一项革命，它是伴随激光技术、计算机技术、新材料技术及其它先进技术的发展而发展和进步的，正在不断的完善，具有广泛的应用前景。在未来的几年内将会有更大的发展，尤其是在RP系统的制作精度、可靠性以及RP材料、RP软件等方面的改进和创新将会更快。
目前我国有多家大专院校和科研机构从事RP及相关技术的研究，但是其普及程度和应用开发研究远远不能满足国民经济发展和科学技术进步的要求，但可以预见，经过科技人员的不懈努力，我国在RP及相关技术研究方面必将取得长足进步，使这项新技术及其成果在我国得到更广泛地应用。
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