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[转帖]激光快速成形技术及其应用  发帖心情 Post By:2005-11-3 10:44:20 [只看该作者]

摘要:赢得市场的关键不仅在于要开发出适应市场需求的高质量的创新产品,更重要的是对市场的快速响应,及时将新产品推向市场,占领市场。快速成形技术正是为满足这一要求而发展起来的先进制造技术,利用快速成形技术可以在很短的时间内,将三维CAD模型加工出新产品的实物原型,并通过快速制模制造出产品,进行设计验证和市场调查,大大缩短了新产品开发周期和避免了投资风险。本文着重介绍薄材叠层(LOM)、粉末烧结(SLS)和光固化(SLA)快速成形技术及其应用。
关键词:快速成形,薄材叠层,粉末烧结,光固化。

现代市场竞争的特点是多品种、小批量、短周期,要求企业对市场能快速响应并不断推出新产品占领市场。激光快速成形技术正是为满足这一要求而发展起来的先进制造技术,利用快速成形技术可以在很短的时间内,将三维CAD模型加工出新产品的实物原型,并通过快速制模制造出产品,进行设计验证和市场调查。二十世纪九十年代以来,在信息互联网支持下,由快速设计、反求工程、快速成形、快速制模等构成的快速制造技术取得很大进展。

快速制造技术是由计算机辅助设计(CAD)、反求工程(Reverse Engineering,简称RE)、快速成形(Rapid Prototyping,简称RP)和快速制模(Rapid Tooling,简称RT)一起在信息互联网支持下,形成一套快速制造系统的技术,其结构如图1所示。

自从80年代中期SLA光固化成形技术发展以来到90年代后期,出现了几十种不同的RP技术,但是SLA、LOM、SLS和FDM四种技术,目前仍然是RP技术的主流。快速成形技术在成形系统、材料各方面有了长足的进步,同时推动了快速制模(RT)和快速制造(RM)的发展。但是由于该技术发展历史短,尚有很多不足,如国外多次调查,普遍反映快速成形系统和成形材料价格昂贵,运行费用和制件成本高。因此必须解决以上问题,并研究、开发和生产出可靠性和技术指标达到国际先进水平、而价格低廉的系统和成形材料,才能在我国推广这项技术。我们从1991年开展快速成形技术研究以来,就将目标定位于在保证高可靠和高性能前提下,研究和开发出能大幅度降低成本的快速成形技术。开发成功薄材叠层、粉末烧结、光固化三种快速成形设备,一种反求设备和一种快速制模设备,多种快速成形和快速制模材料。

● 薄材叠层(LOM)快速成形技术
薄材叠层(LOM)方法具有系统及成形材料价格低廉、制件精度高和成本低、成形速度快、成形时无须特意设计支承等优点。其工作原理和制件如图2、3所示。薄层材料(纸、塑料薄膜或复合材料)单面涂敷一层热熔胶,通过热压装置使材料表面达到一定温度,薄层之间粘合在一起。随后位于其上方的激光器按照CAD模型切片分层所获得的数据,将薄层材料切割出零件该层的内外轮廓。激光每加工完一层后,工作台下降相应的高度,然后再将新的一层薄层材料叠加在上面,重复前述过程。如此反复,逐层堆积生成三维实体。非原型实体部分被切割成网格,保留在原处,起支撑和固定作用,制件加工完毕后,可用工具将其剥离。


图2 LOM原理图

图3 LOM制件

1.1 LOM方法的关键技术
(1)采用纸作基底,强度和刚度低;加以需要剥离废料,制作复杂薄壁件困难,而信息、家电、汽车、摩托车、玩具等行业薄壁件十分普遍,限制了该方法的应用。
(2)材料厚薄不均匀,制件高度方向精度较难保证。
(3)制件易吸潮变形。
(4)为保证成形材料可靠送进,搭边很宽,降低了材料的利用率。
(5)在保证高可靠和高性能的前提下,成形系统及成形材料价格需降低。
1.2 薄材叠层系列快速成形系统的特点

通过对上述关键技术的研究,HRP系列薄材叠层快速成形系统在主机、材料、软件、控制系统等方面均取得创新成果。
(1)主机:薄材叠层快速成形系统的主机主要由送料装置、加热装置、激光器及其扫描装置、检测及计算机控制硬件系统组成。对上述各个部分进行深入研究后,开发出高可靠、高性能、低成本的部件并构成主机。获得了两项发明专利和两项实用新型专利。发明了一种无拉力叠层材料送进装置,在减少搭边宽度的情况下仍能可靠的送进,提高了材料利用率。为提高制件精度特别是高度方面的精度,发明了一种叠层加热加压装置和独创了一种工作台传动装置。
(2)材料:薄材叠层快速成形材料目前主要以纸为基材,在其单面涂布热熔性粘结剂。在成形过程中,通过热压装置的作用使得材料逐层粘结在一起,形成所需的制件。材料品质的优劣主要表现为粘结性能、强度、硬度、可剥离性、防潮性能等。在分析对比国内外同类材料的基础上,根据我国的实际情况,以国产原材料为研究对象,开发出粘结可靠、强度高、废料容易剥离、制件精度稳定、成本低廉、对环境无污染、综合指标先进的薄材叠层快速成形材料,并实现了工业化生产。
(3)软件:快速成形系统的可靠性及性能在很大程度上取决于软件,所开发的HRP软件具有STL容错切片、多种曲线拟合算法、基于全局速度规划的轨迹插补、激光能量匹配和光斑半径补偿、网格划分自适应、压缩STL文件格式等功能。
A.STL文件容错切片:快速成形通常采用三角形平面逼近曲面的STL文件,STL文件常会出现错误,通常需人工干预,花费很多时间,我们提出的容错切片的思路、理论和算法,能在不需人工干预的情况下有效切片(见图4)。

B.多种曲线拟合算法:对分层切片后的离散数据(点)进行过滤,保留特征点,然后进行光顺拟合处理,构成连续光滑的曲线(直线、圆弧、抛物线以及样条曲线等)。采用通过曲线拟合算法,提高了数据处理的速度和稳定性,使加工轨迹光滑,激光切割速度提高。
C.基于全局速度规划的轨迹插补:根据系统的机械动态特性及加工轮廓曲线的变化,采用向前看(look forward)技术,确定最佳速度,使加工速度随轮廓曲线的变化而变化,在保证制件精度的前提下,实现了快速平稳加工(图5)。

D.激光能量匹配和光斑半径补偿:为了保证激光在扫描过程中切割到合适的深度,激光的能量就必须随扫描速度的变化而变化,以保证加工的质量。为了提高制件精度,对激光光斑半径进行了补偿。
E.网格划分自适应:采用LOM技术制作原型件,特别是复杂薄壁零件,去除废料是一关键,我们开发了一种网格划分自适应算法,根据制件形状自动生成不同尺寸的网格,难剥离的地方网格自动划分密集,容易剥离的地方网格自动划分粗大。既保证了废料容易除去,又提高了生产率(图6)。

2.粉未烧结(SLS)快速成形技术
2.1 SLS工艺的特点
(1)可烧结金属、陶瓷、石蜡、砂子及聚合物等多种材料;
(2)可直接制造塑料件、金属零件及模具;
(3)无需支撑,也无需剥离废料,生产率高;
(4)材料利用率高,价廉,运行费用低。发展前景很好。
2.2 关键技术
(1)成形空间预热温度控制的均匀性;
(2)制件翘曲变形和表面质量
2.3 系统特点
(1)推出了上送粉和三缸式系列(如图7所示)粉未烧结快速成形系统。开发成功适合不同用途、制件精度稳定、成本低廉、对环境无污染的多种成形材料。

(2)采用了先进的温控技术,使得在500X500的扫描范围内,其预热温度误差可控制在±3~5℃。
(3)加工工艺参数的智能化规划:SLS 加工工艺参数由计算机自动优化确定,改变了操作人员凭经验确定工艺参数的状况。
(4)扫描路径:采用分区变向扫描,提高了激光扫描效率,减小SLS制件的翘曲变形。
(5)采用独特工艺,用小功率激光烧结金属零件(如图8所示)

(6)解决大尺寸制件翘曲变形问题(如图9所示)。


图 9 用SLS技术快速制造的国防装备精密铸造蜡件

图10 SLA原理图及制件

零件尺寸:440.8 * 241.9 * 449.4 mm3

3.光固化(SLA)快速成形技术
3.1 SLA工艺的特点
(1)SLA(SLA原理图及制件如图10所示)制件的尺寸精度高(可达±0.1mm),表面质量好,最适合制造薄壁、精细的复杂制件。
(2)可制造具有中空结构的消失模直接用于精密铸造金属零件。
3.2 关键技术
(1)成形材料单一,其机械性能较脆,不便进行机加工。
(2)成形中有物化变化,制件易弯曲,需要辅助支撑,还需进行二次固化。
(3)设备运行及维修费用高(光敏树脂及激光器的价格昂贵。
3.3 系统特点
(1)配有温度自动控制、激光功率实时反馈及原型制作实时动态仿真系统。
(2)振镜零漂实时补偿系统和溢流补给系统。
(3)配套专用扫描校正软件及独特的扫描方式和完善的后处理工艺,从各个方面来保证制件的整体质量。
(4)开发成功制件精度稳定、成本低廉的成形材料。

4.展望及发展趋势
从快速成形技术的发展现状来看,未来几年的趋势主要有:
1)研究开发新的成形方法,提高制件的成形速度和精度。
2)研究开发性能更好和无污染的成形材料。
3)与组织工程相结合,制造出具有生物活性的器官。
4)研究核心单元技术,如三维振镜扫描系统、200mw固体紫外激光器。进一步降低成本,推广快速成形技术。
参考文献
[1] 杨劲松,叶升平,吴澄 等,.数字化制模新技术,.铸造,2002,52(8)P474-476
[2] 熊晓红,史玉升等,粉末烧结激光快速成形数字化制模技术及应用,铸造,2003,6 P405~407。
[3] 熊晓红,王从军,韩明等.薄材叠层、粉末烧结快速成形技术的应用.机电产品开发与创新,2003,1 P50.










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謝謝樓主講述的很詳細

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  发帖心情 Post By:2005-12-20 12:01:32 [只看该作者]

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