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推进原型制造:前沿快速生产技术深度剖析

Rudgley M定义快速制造为:「利用增材制造方法生产最终实用产品的制造技术」,即用原型制造技术生产生产所需产品。快速制造是快速原型技术发展方向,仍有大幅提升空间。

SLA、SLS、FDM是原型制造主流技术,共同特征是将零件离散为独立层并逐层制造。

复杂几何自由度

快速原型产品最诱人特性是几何形态几乎无限制。可生产倒凹、悬垂、自由形面及各类基础几何形状。如SLS无需支架,零件可任意放置于加工位置无需夹持,提供近乎无限几何可能。

从微观到大尺寸产品均可制造,尺寸取决于工艺选择:SLS、SLA、FDM常用于中型件(受工艺执行、经济成本、大型件性能限制),大尺寸产品受限。

聚合物快速原型无需类似传统加工的模具,客户定制产品显著更经济。此特性结合复杂几何能力,指引快速原型走向医疗领域。几何高灵活性也使RP与传统加工结合成为RP技术发展方向之一。如薄壁长窄件过去仅靠EDM(电火花)工艺,现RP也能提供完整解决方案。

DLM与逆向工程

快速原型工艺可轻松制造常规加工难以或无法加工的特征件(凹槽、内尖角、长薄壁等)。设计师须重新思考零件设计方式,彰显自由设计特性。

上述自由设计问题需专业RP CAD软件进一步发展。设计工具改进与设计理念变革结合,可挖掘RP技术潜力。

除直接设计所需产品模型,工程师常依据现有实物设计,即逆向工程。快速检测与三维CAD重构技术提供从实物直接获取CAD模型的途径。

速度优势

RP技术因生产周期短于传统加工而得名「快速」。RP对设计敏感度低,即生产灵活度高,制造时几乎不考虑产品形状问题,大幅节省时间。许多企业用RP制造测试件,快速掌握产品性能参数。

经济性与其他制约

虽各RP工艺生产率提升,仍未满足RP生产率要求。极不均等的RP工艺导致设备材料损耗显著夸大。目前RP在产品原型与试制有巨大优势,但设备高价、材料损耗、与传统工艺生产率差距限制大规模制造。经济性只是RP鲜用于长寿命零件的原因之一,产品强度、材料、工艺重复性等也是主要因素。

原型制造技术发展趋势

就RP技术发展而言,制品在表面粗糙度、精度、重复性、质量上与传统制造仍有差距。现有RP工艺与工艺链须经发展期,达成满足工艺要求精度质量的可靠安全技术。上述RP工艺精度近似(0.1-0.2mm/100mm)、粗糙度相近(Ra 5-20μm)、重复性较低。应从机械设计侧改进,通过技术反馈系统实现。预见将出现融合RP与传统工艺的复合工艺设备。

从设备材料视角,研究方向聚焦加工方法、设备、激光发生器、材料,旨在提升产品强度、耐久性、精度与周期。这些研究将为快速原型向快速制造转型提供强大动力。

零件领域,3D打印可快速生产复杂产品。传统汽车制造中,零件开发需长周期研发验证,从研发到测试需制模,周期长成本高,修改结构同理。3D打印可快速制造复杂零件,测试出问题修改3D文件重打即可测试,使未来零件开发更廉价高效。

数控机床

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