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激光快速成型技术应用详解

2009-05-14 10:28
小鱼时代
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        快速成型(Rapid Prototyping, RP)中采用的技术和材料,正如其辅助设计的新产品一样,发展可谓日新月异。从环氧树脂到生物兼容的钴铬合金材料都能进行激光烧结,而且速度、定制化和精密程度都使得成型技术在传统和新市场的应用范围大大拓宽了。

        通常被称为激光加层制造(Additive Layer Manufacturing, ALM)的激光烧结为产品开发和制造增加了柔性,这主要得益于其能够创造出到目前为止还不可能或者因成本过高而无法制造出的几何体。早期的ALM技术使用者遍布许多行业,包括航空航天、汽车、医疗,以及牙科;体育和娱乐产品的制造;以及一系列的塑料和金属产品供应商。

        采用激光烧结技术的主要原因包括来自定制化产品的需求,创造复杂形体的需求,缩减生产时间,以及因产量过少无法通过传统工艺实现成本效率。
        
        捷豹 (Jaguar) 汽车

        捷豹汽车正在其Whitley工程中心不断增加使用这种最新技术,以加快其新车型的开发,主要用于直接从CAD模型中导出塑料零件,免去了模具的成本。

        激光烧结系统扮演着重要的角色,能通过逐层熔化尼龙粉末(聚酰胺PA2200)后得到相应的外形,从而制造出外型部件甚至引擎部件。

        最后得到的部件,例如进气管、车门内饰件、仪表盘、车内通风口、外车灯罩等,都具有足够的强度经受实际行驶中的测试,使得更多的数据能在开发过程的早期就能被搜集到。与此相反,其他使用环氧树脂和ABS材料的快速成型技术得到的零件都易碎,只能用于视觉的观察。
       

        举一个例子,把该V8进气管的原型用于一台新上市的捷豹汽车;在过去,大笔的金钱花费在制造该部件的工装上。而且每一个设计的改动将花费数千英镑/美元,用以更换工具,而且整个流程耗费数周才能完成。如果是重大的改动,则需要完全更换新的工装。

        使用激光烧结快速成型技术,制作出两个进气管的设计模型,之后使用尼龙粉末生产17个,每个成本低于1000英镑,生产效率为每件产品1.5天。这仅仅对汽车零件开发来说就节省了巨大的财务开支,并将进一步开发所需的时间减半——从一年缩短到了六个月。
        
        Whitley的快速成型部门

        Whitley中心的快速成型部门是作为PAG汽车集团的盈利中心进行运转的。它通常以STL文件格式接受来自集团内部各个方面的工作,主要有设计、空气动力、车身、底盘、电气、动力总成,以及捷豹和路虎工程部门。

        工程中心于1997年开始通过快速成型方式和源自CAD模型的STL文件,一层层建造零件。在这些生产出的零件中,有完整的汽车外饰件的可视化小模型,以及用于进行风洞试验的仿真尺寸大小的结构件。

        然而到了2000年,对更多快速成型技术的需求越来越明显——这种技术能制造出经受严苛的功能测试而且坚固的零件,而这正是激光烧结技术之所以能风行的原因。这家公司安装了两台EOSINT P360s之后升级到P380,该机型配备了新的软硬件使得最终产品的质量更佳,且节省成型时间高达30%。

        在这台机器上运行的第一项任务是一个车门的集成件模型,用于XJ saloon车型。它被作为一种强大开发辅助工具,能使车门的保护安全罩能在零件实际生产之前就被开发出来。该原型能完全胜任该任务,而通过立体光刻技术(Stereo Lithography)生产出的部件,则非常易碎。

        接下来制造的用于同款车型的激光烧结零件是一个体积更大的保险杠部件,它由两个部件组成,用于可视化重要零件的组装,例如排气管和挂钩孔。因此在进行实际加工之前,汽车这些部件的美观程度就能够得以评估。
       
图3、EOS的直接金属激光烧结工艺使得牙科供应商能在同一批次生产出数以百计的牙套和支架。

        EOSINT P380在Whitley产品开发中心每天运行24小时,每周七天,在这个340×340×620mm的空间内生产出无数的PAG零件,这些零件的STL 文件都被保存在数据库中,按时间分类。零件通过使用Magics软件定位来实现生产量的最佳调节。

        捷豹的经验显示出激光烧结零件的产量超过了其他的快速成型工艺,因为其全部的产品能够和其他工艺生产的产品相兼容,而对于其他的工艺来说,生产零件可能只与同一平台相兼容。

        EOSINT P380s嵌套的灵活性使其能够在每个成型周期中完成数十个零件。因为这项技术使得单个或者批量生产零件变得迅速、有效,且成本降低,工具、模具和功能件都同样能通过其制造出来。

        有一个有趣的部件通常被附加在其他零件的周围,但该部件根本就不是快速成型件。通过这个复杂的塑料装配辅助件,操作工能够在XK coup 和敞篷车型的生产过程中定位车窗升降装置(见图1)。



        制造工厂需要一组3000个零件,一旦安装完成,该些组装辅助件仍将在整个制造流程中保留在车身内。所有的这些零件都在P380s上生产出来,而无需投资于昂贵的塑料注塑模。

        对于将来的发展,捷豹期望能看到快速成型技术发展成为快速制造流程,这样就能满足一些零星的生产要求。在更远的未来,很可能今天的快速成型流程就是下一代批量生产技术的始祖,届时,今天流程中所存在的设计限制、工装以及库存成本等都将被消除。
        随着XK车窗工具项目获得成功,可以确定的是捷豹将继续生产用于成型和缝隙应用的塑料件,正如之前生产的车窗升降装配辅助件一样。
        
        从汽车到医疗


        快速制造工艺带来的机遇同样出现在医疗市场中。例如,一家提供牙科服务的集团接洽EOS公司,希望在一天内实现激光烧结两批次共 200件独立定制的牙套和支架。而该公司宣布能够满足并超出这些要求,而实现这些假牙订单的新方法是一种相比传统技术有效得多的手段。
        
        Sirona牙科系统

        该技术在一家德国公司 Sirona牙科系统公司和EOS公司的合作下被开发出来,后者提供直接金属激光烧结(DMLS)设备以及消耗的金属粉末,包括特别为这项应用提供的具有生物兼容性的钴铑合金。

        仅在德国每年就需要1200万假牙,而产量可能在未来几年中大量增加。该工艺以对患者牙齿进行扫描记录,然后将数据传送到 Sirona实验室的牙科医生那里,制造出塑料模型。一种非接触式的扫描仪创造出牙齿的数字模型,所要求的框架通过CAD/CAM软件得到设计。



        结构数据通过因特网传送到Sirona,通过这些文件,DMLS中的激光熔化一层极薄的钴铬粉末,直至这些粉末形成制造假牙所需的实体形态显现出来。

        实验室中繁重的手工建模以及铸造将不再被需要,这极大地提高了效率。一般,一名牙科技师每天能加工大约十副牙冠,数百个框架能同时在DMLS中生产出来。订单的完成时间从接到结构数据开始计,大约需要三天时间。

        “通过DMLS进行牙齿框架的工业化生产不仅仅节约了成本,而且提供了稳定的高质量,”Sirona公司infiniDent部门的Saliger博士评论道。

        这一应用显示:对于医疗环境中制造个性化产品厂家来说,该技术具备可持续发展的能力。激光烧结技术在患者定制植入部件的生产上同样有着较高的潜力。

        激光烧结将在一个更广泛的材料范围内得到应用,包括在各个工业行业应用的柔性和软体塑料,以及新的彩色塑料领域。EOS预测该行业的增长在未来几年将非常可观。
        
        
        本文作者Stuart Jackson是EOS Electro Optical Systems公司在英国Warwick地区的区域经理。

 

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