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快速原形制造技术论文
快速原形制造技术论文 快速原形制造技术论文篇一 面向快速原型制造的逆求技术 摘 要 逆求技术是一种应用非常广泛的新兴技术，在快速原型制造中 具有重要作用。本文介绍了面向快速原型制造的逆求工程系统的结构体系、测量 方法以及相应的数据处理手段，并指出了存在的问题和今后的发展方向。关键词 逆求工程 快速原型制造 测量 数据处理 最近几年，快速原型制造(RPM)在我国得到迅速发展和推广。它是为 了快速响应市场的需求变化，缩短产品开发周期而产生的。在实际生产中为了跟 踪国外先进技术等诸多原因，经常需要对样件进行仿制。然而对于一些复杂的样 件，如果采用传统的数据采集方法对实物进行测量建模非常困难，需要花费很长 一段时间，快速原型制造也随之失去了快速的意义。因此，研究适应快速原型制 造的逆求技术具有非常重要的意义。
快速原型制造与逆求工程(RE)的结合，在航空、航天、汽车、模具制 造和医学诊断等方面都具有重要作用。随着新的测试技术与仪器的不断涌现以及 CAGD的发展，有必要对适合于快速原型制造的逆求技术进行系统的研究，使之 不再成为快速产品开发中的瓶颈问题。
本文介绍国内面向RPM的逆求工程系统的测量技术、数据处理方法以 及目前存在的问题和今后的发展方向。
一 面向RPM的逆求工程及其实现技术 1. 逆求工程的结构体系 目前国内学术界对于逆求工程的定义并不统一，比较一致的看法是指 根据实物模型测得数据构造CAD模型，继而用于产品分析和制造。在快速原型制 造中，逆求工程充分体现了RPM的独有特点，它可以经过CAD模型也可以不经 过CAD模型而直接生成快速成型机所需的数据信息，包含了从实物样件测量直至 生成快速成型机的接口文件的全过程。由此可见，面向RPM的逆求工程范围很广，实现方法也不尽相同，但都包含样件测量和数据处理两大基本组成部分，其最终 目的就是给快速成型机提供能够精确成型实物样件所需的层片驱动文件。一个完 整的逆求工程流程如图1所示。
screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;¥ 图1 逆求工程流程图 2.逆求工程的测量技术 测量方法的选用是逆求工程中的一个非常重要的问题。每种方法都有 其优缺点，应当根据样件特点进行恰当的选择。获取三维面形信息的基本方法可 以分为接触式和非接触式两种。在RPM中经常采用的测量方法如图2所示。
screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;¥ 图2 测量方法分类 坐标测量仪(CMM)是一种广泛使用的接触式测量方法，测量精度可以 达到±0.5微米。由于采用接触测量，整个测量过程始终需要人工干预，对于获得 数据还需进行基准归一化以及测头半径补偿，因而不适于对自由曲面等需要大量 采集数据点的三维面形进行测量。
screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;¥ 图3 激光三角形测量 在非接触三维形貌测量中，基于激光的三角法由于其系统结构简单、 测量速度快，且具有实时处理能力，因而被广泛采用。它既可以逐点测量，也可 以进行线光条测量。测量精度在0.01毫米左右，采样速度可以达到每秒数万点。
激光三角法测量原理如图3所示。激光沿投影光轴投射到物体表面，在另一个方 向上，光点的像被CCD接收，其几何关系为：
screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;¥ (1) 其中f-成像系统焦距，h-目标平面相对物面的深度变化， screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;¥-物距， screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;¥-CCD光斑的质心偏移。
此外，在国内基于CT扫描和CGI的测量技术业已开始使用。在RPM中较为常用的测量方法还有条纹法、图象分析法和核磁共振法，但在国内并不多 见。
3.逆求工程的数据处理技术 采用非接触式测量得到的是大量密集散乱的数据群，被形象地称为 “云状数据”。这些测点数据之间没有显式的几何拓扑关系，且夹杂着非测量样件 信息。由于被测表面粗糙等原因，测得数据还不可避免的含有噪声信息。如何将 其处理成为能够完整表达被测样件的表面模型，并且满足用户的精度要求和设计 标准，是一个亟待给予圆满解决的问题。
能够进行正确测量造型的首要基础就是测量数据的预处理。在处理中， 不仅要剔除不相关数据和异常数据，还要对由于阴影或屏蔽作用而导致的未扫描 到部分予以数据补充。用外加振动等方法找出噪声信息或直接利用多点平滑去除 数据噪声。如果数据过于稠密，还要对数据进行匀化。经过上述操作，一般能够 提高测得数据精度。然而对于最能反映曲面特征的特征点、线的智能提取，国内 文献未见提及。
目前国内大都采用IGES、DEF等标准文件格式表达经过预处理的数据 信息，借助Pro/E 等通用CAD软件平台进行造型，进而生成快速成型机所需的接 口文件(STL文件)。由于RPM本身就是分层制造法，为了避免这种多次转化的繁 复，国内已开始层片信息直接驱动RP设备的研究。
二 面向RPM的逆求工程存在的问题 1. 测量方法中的实际问题 实际测量中，影响测量精度的因素很多，出现的问题也是很多。光学 测量系统在制造和装配时很难获得准确值，因此在装配后必须对结构参数进行标 定。由于标定中对光学系统进行了许多理想假设，因而会带来一些很复杂的非线 性误差，对测量精度有很大的影响。此外样件的自身结构和夹紧装置引起的阻塞 问题以及测量的可及性问题都将使整个表面的重构变得十分困难。
2.STL数据模型存在的问题 STL文件由一组无序且相互间无联系的三角面组成，由于不含有拓扑 信息，每个顶点要反复出现几次，数据冗余量大。三角片是对实体模型的线性逼近，降低了造型精度。随着曲面复杂程度的增大，用这种三角片逼近的误差也会 加大。由表面模型转换生成的STL数据模型还存在着裂缝、空洞和表面重叠问题。
这些问题如不能得到有效的控制，很有可能导致废品产生。
三 面向RPM的逆求工程的发展趋势 基于上述存在的问题，笔者认为应向如下三个方面发展：
1.建立适于RPM的逆求工程系统，该系统应该数据采集速度快，精度 高，能够充分发挥CAD/CAM技术和计算机高速处理优势，达到与RPM的匹配， 数据处理要由原来的手工分块测量建模方法向自动化程度高而且误差可控的曲 面造型新技术方向发展。
2.建立新的快速成型机标准接口软件，它应是与快速成型工艺无关， 无二义性，且具有开放性和兼容性的中性文件。
3.若使用STL文件，应建立专用的三维重构数据处理软件，且应具有 自动诊断和修复功能。目前国外已开发出多种类似的软件，专用软件在造型误差 控制和消除数据冗余方面比通用软件具有不可比拟的优势。
四 结论 面向RPM的逆求工程系统还在研究和探讨之中，有许多理论和关键技 术未能得到彻底解决。造型精度还需进一步的提高，测量建模算法的有效性、效 率以及所建模型的误差(测量、算法误差)分析也有待于深入。目前，面向RPM的 逆求工程系统在设备价格上还十分昂贵，逆求过程中还需要人工干预，快速响应 市场能力也有待于加强，因此逆求工程系统应向自动化、柔性化、快速化方向进 一步发展。
快速原形制造技术论文篇二 浅论快速模具制造技术分析与发展趋势 【摘 要】速成型与制造技术(rapid prototyping and manufacturing，RPM) 可以从CAD模型驱动直接得到实体模型或模具，大大缩短产品开发周期，降低制 造成本，成为支持快速市场响应的必要工具之一。本文主要介绍了快速模具制造技术的概况以及我国目前快速模具制造技术的应用现状及发展趋势。
【关键词】模具制造;快速成型;技术分析;发展趋势 1.快速模具制造技术概述 速成型与制造技术(rapidprototypingandmanufacturing，RPM)是一种可 以从CAD模型驱动直接得到实体模型或模具的全新技术，不需传统加工工具和模 具，缩短了产品开发周期，降低制造成本，成为支持快速市场响应的必要工具之 一，近年来获得广泛的应用。众多的国内外企业都在积极应用RPM技术加快产品 开发和技术进步，在产品的设计检验、外观评审、装配实验、动态分析、应力分 析、风洞实验和快速模具中都取得了成功。
2.快速模具技术分类与应用 根据快速模具是否由快速成型机直接制造，快速模具又可分为直接制 造和间接制造两类，其应用工艺各有各的特点，具体分析如下：
2.1快速模具直接制造 快速模具直接制造是由CAD模型驱动直接由快速成型机分层堆积形 成所需要的模具。由于工艺流程短，模具成型更加快捷，工艺过程更易控制，直 接制造金属模具成为最被看好的先进技术，是快速模具制造技术所追求的目标。
2.1.1激光选区烧结技术 快速模具直接制造最成功的快速成型工艺是激光选区烧结 (selectivelasersintering，SLS)。工艺过程为：高能量激光选择性地将粉末烧结为 层片，逐层烧结后，将未烧结的松散粉末除去，然后经过高温烧结及渗铜后即可 作为模具使用。该方法在小型注射模和吹塑模上已得到成功应用。直接金属激光 烧结(directmetallasersintering，DMLS)工艺是德国EOS公司基于SLS工艺开发的一 种新型模具直接制造技术，不用中间粘结剂而直接烧结金属粉末，所制造出的模 具密度接近纯金属。DMLS模具不必再进行后期的高温烧结和渗铜，但需在表面 渗入一层高温环氧树脂，目前模具的精度能达到0.05mm，用于注射模能注射出 高达1.5万件的塑件，用于压铸模可以铸造几百件金属零件。
2.1.2激光粉末熔覆近净成型技术激光粉末熔覆近净成型(laserengineerednetshaping，LENS)是一种基于 激光熔覆技术的快速金属零件和模具制造工艺，成型零件组织致密，具有明显的 快速熔凝特征，力学性能高，并可实现非均质和梯度材料零件和模具的制造。不 过，由于热应力的影响和缺乏支撑材料，制造的模具在表面粗糙度值和尺寸精度 方面尚不能满足大部分模具的要求，限制了LENS工艺在模具制造领域的应用。
2.1.3薄层物体叠加技术 薄层物体叠加(laminatedobjectmanufacturing，LOM)工艺是用加热辊和 激光束对背面涂有热熔胶的薄片材料(纸、塑料、金属等)进行逐层粘结和切割， 以形成模具的各层截面轮廓，最终制成模具。由于金属片的粘结温度和环境温度 难以协调和控制，金属片经过加热、粘结和冷却很容易发生扭曲，模具成型质量 不是很高。
2.1.4三维打印技术 三维打印(3Dprinting，3DP)工艺利用粘结剂喷头有选择地喷涂粘结剂， 使金属粉末如不锈钢、碳化钨等粘结成截面轮廓，一层层粘结形成三维形状，这 种低密度的成形件在经过高温烧结和渗铜处理，便可得到致密度达到92%以上的 金属实体，对其表面进行抛光打磨处理后就可作模具使用。
快速模具直接制造的工艺还有激光选区熔化(selectivelasermelting， SLM)、电子束选区熔化(electronbeammelting，EBM)、电子束自由制造 (electronbeamfreeformfabrication，EBF)等，这些工艺都是利用高能量使粉末材料 选择性熔化而形成金属零件的。CarnegieMellon和Stanford大学开发的形状沉积制 造(shapedepositionmanufacturing，SDM)快速成型工艺，结合了材料增长和材料去 除2种成型方法。首先微滴金属液根据CAD模型的二维层片信息沉积为实体层片， 然后通过数控加工形成精确尺寸和形状的层片，每一层的制作过程都是一个结合 微型铸造和数控加工的工艺，在快速制造大型模具方面有很广阔的发展前景。
2.2快速模具间接制造 快速模具间接制造就是以快速原型作为母模，然后转用其他工艺在快 速原型的基础上复制出所要求的模具。实际上该工艺的实践基础在模具行业中早 就存在，即以母模或者样件通过各种方法如铸造、喷涂和电铸等制造相应的模具， 因此技术开发和应用都很实用。尽管直接快速制模法的工序少，但是模具精度和性能很难满足要求，而间接制造方法是快速原型和传统成型工艺的结合，可以根 据模具的应用要求选择不同复杂程度和成本的配合工艺，模具的精度、表面质量、 材质要求和力学性能等更接近实际应用情况，因此目前工业界多使用快速模具间 接制造方法。
2.2.1粉末成型法 粉末成型法中最具代表性的是美国3DSystems公司开发的3DKeltool 工艺。这种工艺是SLA法快速成型技术、硅橡胶模、粉末成型和金属浸渗的结合， 一般可在10余天得到模具，比CNC加工方法节约25%～40%的成本，模具材料的 性能与常规钢制模具接近，用于热塑性塑料寿命可达百万次。该方法的缺点是模 具尺寸太大时在渗铜过程中会发生明显变形，因此仅适合制造小尺寸的模具镶块。
2.2.2 NCC制造技术 NCC(nickel-ceramiccomposite)工艺结合了镀镍工艺和陶瓷复合材料 背衬。该方法以高分子快速原型为母模电镀一层厚约1～5mm的镍，然后在镍壳 的外表面填充陶瓷粉与有机粘结剂的混合物，分离原型后得到模具。这种复合材 料的模具非常适合制造尺寸较大的模具(大于250mm@250mm@250mm)，用于注 射件时寿命可达5000件。
2.2.3喷涂法 喷涂法是一种制造金属模具的常用方法。由于快速原型表面在喷涂过 程中要受到热冲击，对原型的力学性能和热性能有较高的要求。一般喷涂材料为 低熔点金属，如果原型能够耐受高温，也可喷涂高熔点金属如不锈钢。喷涂法间 接快速模具制造工艺简单，模具型腔表面的精细纹路可以一次成型，尺寸精度高。
关键问题是解决好涂层与快速原型表面的贴合和脱离问题。
3.我国快速模具制造的发展趋势分析 随着快速成型技术的应用范围逐渐扩大和市场对快速产品制造的需 求增加，快速模具制造必然获得迅速的发展。快速模具制造技术已经体现了极大 的优势，国内外都投入了很大的力量进行开发研究，但是目前应用还不广泛，仍 然存在很多制约其发展和应用问题。从近几年的发展状况看，对于快速模具制造 的未来发展趋势体现为：
(1)快速模具制造的主要目的之一就在于快速开发、制作用于传统制 造工艺的模具，在这方面，目前RT技术已经取得很大的进展，但离实际应用的要求仍有一定的差距，因此需要进一步扩大快速模具的适用范围，并降低快速模 具的制造成本。尤其对于大型模具的快速低成本制造，将成为快速模具迅速发展 的重要突破方向。
(2)目前快速模具制造都是采用传统模具材料，由于快速制模是一种 新工艺，针对其特点开发新型模具材料和成型工艺将成为一个重要的研究方向， 其中包括新型合金材料、梯度功能材料、复合材料等。
(3)与高速铣削相比，快速模具制造在表面带精细复杂形状的金属模 具，难以省去电火花加工工序(即用RT代替电火花加工)的金属模具制造方面将会 占有优势，模具表面精细复杂花纹直(下转第65页)(上接第26页)接成形将是RT技 术的未来发展方向。
(4)金属壳体+树脂或者陶瓷背衬等间接快速模具的使用范围和性能 受到限制，以材质选择灵活度高的铸造方法制造全金属材质的注射、冲压和压铸 等主导模具将得到迅速发展，占据快速模具间接制造的主要份额。将快速成型、 特种铸造、喷涂或者化学镀等表面处理方法结合起来制造高性能快速模具将具有 极大的优势。
(5)直接快速模具制造方法由于不需中间工序、工艺流程短，在表面 和尺寸精度、力学性能和模具种类等得到改善以后，将得到更广泛的应用，以低 成本且适于精细加工及多种材料成型的堆积和去除成型技术的集成技术，将得到 快速发展。但是在材质和成本方面的制约使得间接法仍将是快速模具制造的主要 工艺。
(6)间接快速制造法控制精度难度大，应着力开发短流程的快速制造 工艺、精度损失小的成型方法，实现工作环境的稳定以提高间接法制造精度。
(7)为了有效地改善快速模具的性能，将进一步采用计算机辅助工程 (CAE)与虚拟制造技术，使模具材料的选择与组合、模具的结构设计等趋于优化， 产品的品质与生产率更高。
4.结语 随着市场的需求与生活水平的提高，对产品快速开发和制造的的要求 越来越迫切，快速模具制造技术将会得到更加广泛的应用。由于我国在快速模具 制造方面的研究与应用刚起步，与国外先进水平比较还有一定的差距，相关机构要加快快速制模技术研究，促进我国制造业与国际制造水平相接轨。
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