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生 产 力 动 态
快速成形技术的新进展
[ 来源: | 作者: | 时间:2006-2-10 9:04:43 | 浏览: ]
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20世纪80年代末、90年代初发展起来的快速成形(Rapid Prototyping&Manu facturing:RP)技术,突破了传统的加工模式,是近20年制造技术领域的一次重大突破。它与科学计算可视化和虚拟现实等技术相结合,为设计者、制造者与用户之间提供了一种可测量、可触摸的新手段。快速成形技术可以自动、快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的原型或直接制造零件(模具),有效地缩短了产品的研发周期,是提高产品质量、缩减产品成本的有力工具。它的核心是基于数字化的新型成形技术。快速成形技术对制造企业的模型、原型及成形件制造方式正产生深远的影响。

    RP系统可分为两大类:基于激光或其它光源的成形技术,如:立体光造型(Stereo lithography:SL)、迭层实体制造(Laminated Object Manufacturing:LOM)、选择性激光烧结(Selected Laser Sintering:SLS)、形状沉积制造(Shape Deposition Manufacturing:SDM)等;基于喷射的成形技术,如:熔融沉积制造(Fused Deposition Modeling:FDM)、三维打印制造(Three Dimensional Printing:3DP)等。

    1、RP起源

    1979年,东京大学的中川威雄教授利用分层技术制造了金属冲裁模、成形模和注塑模。20世纪70年代末到80年代初,美国3M公司的AlanJ. Hebert(1978年)、日本的小玉秀男(1980年)、美国UVP公司的Charles W. Hull(1982年)和日本的丸谷洋二(1983年),各自独立地首次提出了RP的概念,即利用连续层的选区固化制作三维实体的新思想。 Charles W. Hull在UVP的资助下,完成了第1个RP系统Stereo lithography Apparatus(SLA),并于1986年获得专利,这是RP发展的一个里程碑。随后许多快速成形概念、技术及相应的成形机也相继出现。

    2、RP技术应用及其市场

    快速成形术已经广泛应用于家电、汽车、航空航天、船舶、工业设计、医疗等领域。艺术、建筑等领域的工作者也已开始使用RP设备。根据14个RP设备供应商和43个RP服务商的统计数据,所有RP模型的近41%用于装配和功能型零件;约27%用于工程、工具制造、报价和投标;约23%用于原型模具、金属铸造及模芯制造。随着RP技术本身的发展和完善,其应用领域在不断拓展。

    截至2001年7月,全球共有355家RP服务机构,30家设备制造商,12家材料供应商,35家咨询机构,14家专门的软件供应商,67个教育及研究机构。分布于全球58个国家的RP系统有6755台套。根据其中6521个系统的分布情况统计出:北美(主要是美国)占45.3%,亚洲/环太平洋地区占28.6%,欧洲占24.6%,其它地区只占1.5%。近年来,采用RP设备最积极的地区是东亚(尤其是韩国、香港、新加坡)。

    RP市场2001年增速较慢,但在2002年有较大幅度的恢复性增长。

    3、快速成形技术的国外发展现状

    美国是世界上最重要的RP设备生产国,1999年美国生产的RP设备占全世界的8l.5%,美国的RP发展水平及其趋势基本代表了世界的RP发展水平及趋势。

    3.1 立体光造型

    1999年3DSystems公司推出SLA27000机型,扫描速度可达9.52m/s,层厚最小可达0.025mm。AUTOSTRADE公司(日本)开发了以680nm左右波长半导体激光器为光源的RP系统,及针对该波长的可见光树脂。提供光固化树脂的有瑞士Ciba公司、日本旭电化公司、美国Dupont公司等。

    3.2 迭层实体制造

    Helisys公司研制出多种LOM工艺用的成形材料,可制造用金属薄板制作的成形件。该公司还与Dayton大学合作开发基于陶瓷复合材料的LOM工艺。苏格兰的Dundee大学使用CO2激光器切割薄钢板,使用焊料或粘接剂制作成形。日本Kira公司PLT2A4成形机采用超硬质刀具切割和选择性粘接的方法制作成形件。澳大利亚的Swinburn工业大学开发了用于LOM工艺的金属2塑料复合材料。

    3.3 选择性激光烧结

    DTM公司推出了系列Sinterstation成形及多种成形材料,其中Somos材料具有橡胶特性,耐热、抗化学腐蚀,用该材料制造出了汽车上的蛇形管、密封垫等柔性零件。EOS公司研制了PA3200GF尼龙粉末材料,用其制作的零件具有较高的精度和表面光洁度。

    3.4 熔融沉积制造

    Stratasys公司推出FDM系列成形机,可使用两个喷头同时造形,制作速度快。1999年推出使用热塑性塑料的Genisys成形,并开发出水溶性支撑材料,解决了复杂及小型孔洞中的支撑材料难以去除的问题。

    3.5 三维打印

    美国的Z Corp与日本的Riken Institute于2000年研制出基于喷墨打印技术的、能制作出彩色原型件的RP设备。该系统采用4种不同的颜色能产生8种不同的色调,原型件可表现出三维空间内的热应力分布情况,切割开原型,即可发现原型内的温度和应力变化情况,这对于原型的有限元分析尤其实用。荷兰的TNO和德国的BMT也在研究RP彩色制造技术。

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