阐释微机快速成型技术及其在微机械制造中运用如何

论文导读：
【摘要】速成型技术它全方位的提供了一种可测量，可触摸的手段，是设计者，制造者与用户之间的新媒体，在集成制造及微机制造中应用广泛，大大缩短了新产品制造以及成本的费用，受到国内外的广泛关注。本文概述了快速成型技术的基本原理以及在集成制造：产品设计、制模、铸造等方面的应用及其快速成型技术在微机制造中的应用。
【关键字】快速成型技术，微机制造，应用
一．前言
快速成形技术又称快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术。快速成形技术与虚拟制造技术一起，被称为未来制造行业的两大支柱制造技术，它全方位的提供了一种可测量，可触摸的手段，是设计者、制造者与用户之间的新媒体，其核心是基于数字化得新形成型制造技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件。快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型，被称为是近20年来制造技术领域的一次重大突破。
二．快速成型的基本工作原理
快速成型能根据零件的形状，将制作成的一个个微小厚度和特定形状的截面逐层粘结起来，然后得到了所需制造的立体的零件。与传统的成型加工方法不同，利用RPMM加工零件，可以不需要刀具和模具，利用光热电等方式，通过物理作用，完成从液粉末态到实体状态的过程，当然，如果成形材料不一样，RPMM系统的工作原理也会有些不同，但基本原理都是一样的，那就是“分层制造、逐层叠加”。这种工艺可以形象地叫做“增长法”或“加法”。每个截面数据相当于医学上的一张CT像片；整个制造过程可以比喻为一个“积分”的过程（见图1）。
图1 快速成型系统工作原理分析图
快速成形制造技术综合采用CAD技术，数控技术，激光加工技术和材料技术实现从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术，它采用软件离散，材料堆积的原理实现零件的成形，具体制造过程为；构造三维实体模型；近似处理三维模型生成；选择成形方向；处理切片；三维产品样件；表面处理。快速成形技术基于离散堆积的原理，在计算机的控制下，采取不同的方法堆积材料来完成各种零件的成形和制造。从零件的成形角度来看，可以分为“点”、“面”，根据一定的规则将点面堆积，就可以形成零件。从零件的制造角度来看，它是按照CAD造型来生成信息，控制多维系统，通过一定的方法堆积材料，最终形成零件。快速成形系统相当于一台“立体打印机”。具体如图所示：（图2）
图2 快速成型技术体系
三．快速成型技术步骤及特点
1.不同于传统的去除成形技术，快速成型技术是一种离散堆积的成形过程，可以分成数据处理(离散)和物理实现(堆积) 两个加工过程。在数据处理中，沿一定方向将三维形体的CAD模型分解，得到一系列截面数据，然后根据不同工艺的具体要求，获得控制成形头运动的轨迹；在物理实现中，成形头在运动轨迹的控制下，加工出层片，并堆积、连接各个层片，重复上述两个个过程就可以加工出零件。当前所有的RPMM的成形方法大体上都是按照下面的步骤进行的：
（一）利用三维建模设计软件（如：Pro/E, Solid Works, Unigraphics，AutoCAD等）设计和构建3D CAD模型，然后输出为STL格式的文件。（如图3-4所示为建模技术先后模型）

(二)RPM设备的处理软件对。STL文件进行分层处理；

（三）RPM设备对分层处理好的数据模型进行实体制造，加工生成了第一个物理层后，模型降低一个层高以便生成另一层，循环往复，直到生成整个模型；（四）模型和支撑材料取出后，按照要求进行适当的表面处理，包括去除支撑材料，清洁，打磨，喷漆等。
图3 CAD模型图4 STL模型

2.快速成型技术的特点。快速成型技术具有以下几个主要特点：

加工的周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般制造费用比较低；可实现高度的技术集成及设计制造一体化；制造原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用。

四、快速成形摘自：本科生毕业论文www.7ctime.com

技术的应用
快速成型技术在工业和高端制造业明显优势，得到了广泛的应用。如：模具制造论文导读：型一体化的快速成型方法，将为开发复合结构成型提供新途径，在微机械、电子元器件、电子封装、传感器等领域有着广泛的应用前景。我们研制的微机械快速成型系统，初步实现了快速成型与微机械制造两种高新技术的结合。微机械快速成型系统主要由建模切片软件子系统、控制子系统、机械传动子系统、光学子系统等组成。其工作原理等同
，将快速成型制造技术与传统的模具制造技术相结合，可以缩短模具制造的时间，提高生产效率。在医学领域，人们可以利用医学影像数据结合快速成型技术制作模型。在文化领域的应用，快速成形制造技术可以用于数字雕塑、文物复制等。在航空航天领域，利用快速成形技术，根据CAD模型，完成空气动力学地面模拟实验。在国内的家电行业上快速成形系统也应用较为普及，如：美的、小天鹅、海尔等，都先后采用快速成形系统来开发新产品，收到了很好的效果。
五．快速成型技术在微机械制造中的应用
RPM正逐步朝着复合成型的方向快速发展，也就是不用装配就能一次制造出具有很多种材料、形状复杂的零件。这种把材料制备和结构成型一体化的快速成型方法，将为开发复合结构成型提供新途径，在微机械、电子元器件、电子封装、传感器等领域有着广泛的应用前景。我们研制的微机械快速成型系统，初步实现了快速成型与微机械制造两种高新技术的结合。微机械快速成型系统主要由建模切片软件子系统、控制子系统、机械传动子系统、光学子系统等组成。其工作原理等同一般快速成型技术。微机械快速成型系统的特点主要有:

1.采用约束液面式的加工方法。

固化层片堆积的方向是向下，而不是向上。图6a为一般光造型技术采用的自由液面式，图6b为约束液面式。约束液面式不需使用刮平树脂液面的机构就可以提高制作零件的精度，同时也使制作时间大大的缩短。因为窗板与树脂固化物分离性小，所以窗板表面需要进行一定的处理。在进行了关于表面处理的分离性评价实验的基础上，考虑到透明性、强度以及耐热性的要求，选择了含有氟树脂的材料涂覆在窗板表面上。

图6 光造型技术两种加工方式

2.采用CAD直接法

CAD模型建造完以后，不必转化为STL文件格式，可以直接在CAD系统内对该模型进行切片。这一方法可以避免所有小三角形平面逼近而产生的逼近误差，非常适合于微机械制造。
3.小固化单元，高加工分辨率。本系统采用光谱极窄（0.1nm）、发散角极小的氮分子激光器，激光经光学子系统调制后得到极微细的光束，该光束随着工作台的运动而逐点、逐线、逐面地固化液态光敏树脂。这种树脂的固化颗粒小，从而保证了高加工分辨率应具有小固化单元的要求。
六．结束语
快速成型从诞生到现在，获得了迅速的发展，但任何新产品都有一个逐渐完善与发展的过程，因此RPM技术必将在现在的基础上，不断研发出新工艺、新材料及其他的相关技术，朝着精密化、低成本、标准化方向发展，并应以能直接生产半功能性、功能性零件为目标。如今快速成形已经成熟的应用于集成制造领域，随着快速成形技术的发展与完善，它将会在微机制造领域得到更多的应用。
参考文献：
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