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基于激光烧结快速成型的零件快速制造技术可行性分析报告         ★★★
基于激光烧结快速成型的零件快速制造技术可行性分析报告
作者:孔祥浩 文章来源:南京航空航天大学 点击数: 更新时间:2010-3-5 9:21:07

 

一、研究内容

    本项目的主要研究内容为激光烧结快速成型系统的研制、激光烧结快速成型工艺研究(包括树脂材料、陶瓷材料、金属等粉末材料激光烧结的工艺研究)、原型零件制造的研究、金属零件直接烧结技术的研究、后续工艺技术的研究(包括软模制作、中间模制作、硬模制作等模具制造工艺的研究)、反求工程研究(包括真实零件的数字化、数据重构技术等的研究)。

二、该项目国内外现状

 1、开发研究情况

    快速成型技术自80年代末在全世界范围内开展以来,在近十年的时间里,在制造领域逐渐发展成为一种崭新的制造技术,为制造领域带来一个全新的制造概念。利用该技术,可以从CAD直接获得零件的原形,从而大量地节省产品的研制开发周期和制造成本。对于新产品开发、单件小批量生产有着重大的经济效益。激光快速成型技术是快速成型技术的一种,由于其加工材料广泛,无需支撑,而且能够直接制造金属零件因此其发展较其它快速成型方法更快,应用范围也更为广泛。

    80年代初美国3M公司提出快速原型制造的概念以来,短短20年以内,在全球从事该项技术的开发研究的机构已经达到数百家,即使在中国,目前与快速成型技术有关的研究、开发以及用户单位已达数十家,显示出蓬勃的生命力。随着快速成型技术在实验室的研制成功,相关设备的开发研制也逐步成熟,自从1987年美国3D System公司推出快速成型设备以来,世界各国的快速成型设备每年几乎以几何级数递增。据不完全统计,至1998年底,世界各国的RP设备拥有量已达4000台套,中国大陆地区的设备拥有量也达到110套左右。据统计,1998年美国的相关产值已达10亿美元。

    快速成型技术自其诞生之日至今,先后经历了三个发展过程,即零件的原型制造、快速工模具制造以及金属零件的间接快速制造。随着该项技术的发展,金属零件的直接制造已经凸现到人们的面前。金属零件的直接制造技术可以大大缩短零部件的制造周期,节约昂贵的高性能材料。其潜在用途还能用来进行零件的合金化,甚至将不同材料做成一个零件,以满足零部件不同部位不同性能的设计要求。据英国《国际飞行》周刊19993月报道已开始用激光直接制造法生产钛材料样件。力学性能试验表明,用该方法得到的零件材料性能可满足工业ASTM规范,并且生产周期减少50—70%。材料利用率达80%以上。该技术用于生产昂贵的金属材料时很合算,并且有可能用来生产大型、整体结构,还可用来修理有损伤及故障的零件。当然,该技术中使用到的激光功率必须足够大。

 2、产品应用领域

    快速成型技术的应用范围极其广泛,与快速成型技术的三个发展阶段相对应,其应用也基本上分三个方面:

原型实体应用

    由快速成型技术得到的零件原型可以将CAD系统中的零件设计概念在极短时间内变成原型实体,供设计人员审定、参考,将可能出现的问题解决在设计阶段,避免了生产中工时、材料和投产时间的损失。也可以直接将原型实体提交客户和市场,进行市场调研和客户信息咨询,能够在尽可能短的时间内制造出满足市场需求的产品。在军事和建筑领域存在着大量的原型制作需求,如部队指挥作战的沙盘模型、地形地貌模型等,建筑设计中建筑物的模型,甚至是城市规划模型都可以通过快速成型技术真实地反映到原型实体上。

    由快速成型系统得到的原型实体可以直接或间接用于模具制造。通过对原型进行适当的后处理,可以用于制作模具,可以是石膏模、橡胶模,也可以是金属模具。通过这种途径可以大幅度降低模具制造的生产成本和生产周期。特别是在铸造工业,激光烧结快速成型技术可以直接制备铸造用型壳和型芯,大幅度降低铸造成本,缩短生产周期,并且在最大程度上变革了传统铸造恶劣的生产环境,为铸造业提供了一条技术革新之路。

快速制造应用

    直接制造零部件是快速成型技术的最终应用目标,也是其最终的发展方向。目前快速成型的研究重点已经转移到快速制造上。由于该技术从根本上变革了传统制造思想,可以说,它将最终应用于整个制造领域。尤其是对于各种难加工材料零部件单件小批生产,具有巨大的经济效益。

反求工程应用

通过对已有零件的数字化处理,如工业CT扫描、断层扫描、激光测量的手段,获得零件的数字信息,通过CAD重构,获得零件的CAD模型,进行零件的复制是快速成型技术的另一方面应用。特别是在医疗领域,它可以快速制造人体的骨骼(假肢或具有生物活性的骨骼替代品等),将对人类健康和医疗手段产生重大影响。目前在该领域已经有不锈钢假肢制作的案例。

 3、相关企业状况

    快速成型技术最先应用于国防、军事领域,并且该项目最初发展的资助单位都是来自军方以及国防部门。随着技术发展逐步走向成熟,逐步受到国家有关单位的重视,在一般工业领域的应用也越来越广泛。以中国为例,从90年代初期起,国家将快速成型技术列入国防“九五”计划,通过国防基金和国家自然科学基金进行了重点资助。1997年起,国家科委、地方政府、生产力促进中心等部门都对该技术进行了重点扶持。并成立了全国性的快速成型服务中心。依托高校提供的技术,相继成立了一些专门提供快速成型技术的公司。他们不仅提供设备,各地生产力促进中心也相继成立了快速成型专门机构,从事该技术的推广和应用。

    目前来看,占领国内市场的主要是国外的设备,正如上面所提到的,其用户在多为超级大型企业主要是因为快速成型设备作为一种先进的制造技术,其前期投入非常巨大,以其现有的价格,绝大多数中小型企业无力负担如此昂贵的费用。再加上该技术在国内的宣传和推广不够,大多数人员远远没有意识到该项技术所能带给他们的经济利益。当然,研究单位自身研究水平落后于国外也是制约快速成型发展的一个重要原因。因此,在全国范围内大力推广快速成型技术,并且降低设备以及服务费用,努力提高自身研究水平是目前快速成型技术在我国的首要任务。

三、技术经济分析

 1、设备投入

    本项目分两大部分:激光烧结快速成型设备的研制以及快速成型技术服务。设备制造采用自行设计、外协加工的形成,技术服务需要有100平方米左右的厂房,大功率激光器一台,电炉加热设备一套,钳工设备一套,金属熔渗装置一套,真空设备一套,气氛保护装置一套,工作站两台套,大型工程应用软件Pro/EUG/2各一套。微机4台。

 2、产品成本(原材料来源、加工难易等)

    快速成型设备普及型成本30万元,高功率型(金属零件直接烧结)成本200万元。对外技术服务的成本按100/小时,加工工艺简单,原材料来源充足,价格低廉。

 3、产品标准、质量保证体系

    参照激光加工机标准

 4、环保要求

    在加工过程中会产生一些无毒废气,对环境不会造成影响。

 5、工艺路线

    快速成型烧结设备的制造。

    CAD造型快速成型系统烧结原型后处理:原型,模具,零件。

 6、资金需求

    投入400万元,可形成一定的生产规模。

 7、人员构成(技术、生产、管理、财务)

    技术人员包括计算机编辑人员1人、CAD设计人员2人、电子电器人员2人,设备操作技术人员1人。

    生产人员包括设备安装调试人员4人,钳工4人,其他设备操作人员8人。

    管理人员2人。

    财务人员2人。

 8、经济分析

    投资回收期:2

    快速成型设备:20/年,销售收入800万元/年,效益200万元/

    技术服务:原型200/小时,每年300天×8小时×2班,年收入100万元,效益50万元

    模具:1万元/件套,40/年,年收入40万元,效益20万元

    零件快速制造:100/年,5000—10000/件,年收入50—100万元,效益20—50万元

    扣除财务成本后利润200万元/

四、合作方式

技术入股、技术服务。

五、联系方式

南京航空航天大学    孔祥浩    科技开发办公室主任

电话:025-84892757      手机:13851550745       邮箱:std01@nuaa.edu.cn

 

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