快速成型制造工藝II學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1快速成型制造快速成型制造(zhzo)工藝工藝II第一頁，共33頁。模具工程技術(shù)研究(ynji)中心 METRC由計算機、材料存儲及送進機構(gòu)、熱粘壓機構(gòu)、激光切割系統(tǒng)、可升降工作臺和數(shù)控系統(tǒng)和機架等組成。首先在工作臺上制作基底，工作臺下降(xijing)，送紙滾筒送進一個步距的紙材，工作臺回升，熱壓滾筒滾壓背面涂有熱熔膠的紙材，將當(dāng)前迭層與原來制作好的迭層或基底粘貼在一起，切片軟件(run jin)根據(jù)模型當(dāng)前層面的輪廓控制激光器進行層面切割，逐層制作，當(dāng)全部迭層制作完畢后，再將多余廢料去除。一、基本原理和特點基本原理和特點 基本原理:2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝第1頁/共32頁

2、第二頁，共33頁。模具(mj)工程技術(shù)研究中心 METRC每層材料(cilio)切割后的情況2 快速成型快速成型(chngxng)制造制造工藝工藝第2頁/共32頁第三頁，共33頁。模具工程技術(shù)研究(ynji)中心 METRC在這種快速成形機上，截面輪廓被切割和疊合后所成的制品 如圖所示。其中，所需的工件被廢料小方格包圍(bowi)，剔除這些小 方格之后，便可得到三維工件。 截面輪廓被切割(qig)和疊合后所成的制件 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝第3頁/共32頁第四頁，共33頁。疊層實體制造疊層實體制造(zhzo)技術(shù)的特點技術(shù)的特點: 原型原型(yunxng)精精度高度高 有較高的硬度

3、和較好的機械性能，可進行各有較高的硬度和較好的機械性能，可進行各種種( zhn)切削加工切削加工 無須后固化處理 無須設(shè)計和制作支撐結(jié)構(gòu) 廢料易剝離 制件尺寸大 原材料價格便宜，原型制作成本低 設(shè)備可靠性高，壽命長 不能直接制作塑料工件 工件的抗拉強度和彈性不夠好 工件易吸濕膨脹 工件表面有臺階紋 迭層實體制造方法與其他快速原型制造技術(shù)相比，具有制作效率高、速度快、成本低等優(yōu)點，在我國具有廣闊的應(yīng)用前景。 缺缺 點點優(yōu)優(yōu) 點點模具工程技術(shù)研究中心 METRC2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝第4頁/共32頁第五頁，共33頁。模具(mj)工程技術(shù)研究中心 METRCHRP-III LOM 激光

4、激光(jgung)快速快速成型機成型機HRP-III LOM 激光快速(kui s)成型機是華中理工大學(xué)快速(kui s)制造中心與武漢濱湖機電技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司生產(chǎn)的用于快速(kui s)原型制造的商品化設(shè)備，該設(shè)備可在無人看管下運行，其主要技術(shù)指標(biāo)可與國際上同類產(chǎn)品媲美。2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝第5頁/共32頁第六頁，共33頁。模具工程技術(shù)研究(ynji)中心 METRCLOM原型(yunxng) 2 快速成型制造快速成型制造(zhzo)工藝工藝第6頁/共32頁第七頁，共33頁。 分分層層疊疊加加前前處處理理后后處處理理STL文件文件(wnjin) 切片切片(qi pin)處理處

5、理 設(shè)置設(shè)置(shzh)工藝參數(shù)工藝參數(shù) 基底制作基底制作 原型制作原型制作 余料去除余料去除 表面質(zhì)量處理表面質(zhì)量處理 提高強硬度處理提高強硬度處理 激光切割速度加熱輥溫度 切片軟件精度 切碎網(wǎng)格尺寸 模具工程技術(shù)研究中心 METRC二、疊層實體制造工藝過程二、疊層實體制造工藝過程 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝第7頁/共32頁第八頁，共33頁。(1) 疊層(di cn)實體原型制作誤差分析 弦差弦差CAD模型STL文件輸出(shch)造成的誤差切片軟件(run jin)STL文件輸入設(shè)置造成的誤差設(shè)備精度誤差不一致的約束 成型功率控制不當(dāng) 切碎網(wǎng)格尺寸 工藝參數(shù)不穩(wěn)定 成型之后環(huán)境變

6、化引起誤差 熱變形 濕變形 模具工程技術(shù)研究中心 METRC三、三、提高疊層實體原型制作質(zhì)量措施提高疊層實體原型制作質(zhì)量措施 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝第8頁/共32頁第九頁，共33頁。 在進行STL轉(zhuǎn)換時，可以根據(jù)零件形狀的不同復(fù)雜程度來定。在保證成形件形狀完整平滑(pnghu)的前提下，盡量避免過高的精度。不同的CAD軟件所用的精度范圍也不一樣，例如Pro/E所選用的范圍是0.010.05mm，UG所選用的范圍是0.020.08mm，如果零件細小結(jié)構(gòu)較多可將轉(zhuǎn)換精度設(shè)高一些。 (2) 提高疊層(di cn)實體原型制作精度的措施 1 STL文件輸出精度的取值應(yīng)與相對應(yīng)的原型制作設(shè)

7、備上切片軟件(run jin)的精度相匹配。過大會使切割速度嚴(yán)重減慢，過小會引起輪廓切割的嚴(yán)重失真。2CADSTL 精度：0.08切片軟件精度：0.08 CADSTL 精度：0.08切片軟件精度：0.01 CADSTL 精度：0.08切片軟件精度：2 .00 模具工程技術(shù)研究中心 METRC2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝第9頁/共32頁第十頁，共33頁。 模型的成型方向?qū)ぜ焚|(zhì)（尺寸精度、表面粗糙度、強度等）、材料成本和制作時間產(chǎn)生很大的影響。一般而言，無論哪種快速成形方法(fngf)，由于不易控制工件Z方向的翹曲變形等原因，工件的X-Y方向的尺寸精度比Z方向的更易保證，應(yīng)該將精度要求

8、較高的輪廓盡可能放置在X-Y平面。 3 切碎網(wǎng)格的尺寸有多種設(shè)定方法。當(dāng)原型形狀比較簡單時，可以將網(wǎng)格尺寸設(shè)大一些(yxi)，提高成型效率；當(dāng)形狀復(fù)雜或零件內(nèi)部有廢料時，可以采用變網(wǎng)格尺寸的方法進行設(shè)定，即在零件外部采用大網(wǎng)格劃分，零件內(nèi)部采用小網(wǎng)格劃分。 4 處理濕脹變形的一般方法是涂漆。為考察原型的吸濕性及涂漆的防濕效果，選取尺寸相同的通過快速(kui s)成型機成型的長方形疊層塊經(jīng)過不同處理后，置入水中10min進行實驗，其尺寸和重量的變化情況如下表所示。5模具工程技術(shù)研究中心 METRC2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝第10頁/共32頁第十一頁，共33頁。 從此表可以看出，未經(jīng)任何

9、處理(chl)的疊層塊對水分十分敏感，在水中浸泡10min，疊層方向便漲高45mm，增長41%，而且水平方向的尺寸也略有增長，吸入水分的重量達164g，說明未經(jīng)處理(chl)的LOM原型是無法在水中進行使用，或者在潮濕環(huán)境中不宜存放太久。為此，將疊層塊涂上薄層油漆進行防濕處理(chl)。從實驗結(jié)果看，涂漆起到了明顯的防濕效果。在相同浸水時間內(nèi)，疊層方向僅增長3mm，吸水重量僅4g。當(dāng)涂刷兩層漆后，原型尺寸已得到穩(wěn)定控制，防濕效果已十分理想。 模具工程技術(shù)研究(ynji)中心 METRC2 快速成型快速成型(chngxng)制造工制造工藝藝第11頁/共32頁第十二頁，共33頁。模具(mj)工程技

10、術(shù)研究中心 METRC LOM原型經(jīng)過余料去除后，為了(wi le)提高原型的性能和便于表面打磨，經(jīng)常需要對原型進行表面涂覆處理，表面涂覆的好處有：（1）提高強度；（2）提高耐熱性；（3）改進抗?jié)裥?；?）延長原型的壽命；（5）易于表面打磨等處理； （6）經(jīng)涂覆處理后，原型可更好地用于裝配和功能檢驗。 四、疊層實體制造工藝后置處理(chl)中的表面涂覆 紙材的最顯著缺點是對濕度極其敏感，LOM原型吸濕后疊層方向尺寸增長，嚴(yán)重時疊層會相互之間脫離。為避免因吸濕而引起的這些后果，在原型剝離后短期內(nèi)應(yīng)迅速進行密封處理。表面涂覆可以實現(xiàn)良好的密封，而且同時可以提高原型的強度和抗熱抗?jié)裥?。（一）表面涂?/p>

11、的必要性2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝第12頁/共32頁第十三頁，共33頁。模具工程技術(shù)研究(ynji)中心 METRC原型(yunxng)表面涂覆的示意圖 2 快速成型制造快速成型制造(zhzo)工藝工藝第13頁/共32頁第十四頁，共33頁。模具工程技術(shù)研究(ynji)中心 METRC 表面涂覆使用的材料一般為雙組分的環(huán)氧樹脂，如TCC630和TCC115N硬化劑等。原型通過表面涂覆處理(chl)后，尺寸穩(wěn)定而且壽命也得到了提高。（1）將剝離后的原型表面用砂紙(shzh)輕輕打磨，如圖所示： （二）表面涂覆的工藝過程2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝第14頁/共32頁第十五頁，共33

12、頁。模具(mj)工程技術(shù)研究中心 METRC（2）按規(guī)定比例配備環(huán)氧樹脂(hun yn sh zh)（重量比：100份TCC-630配20份TCC-115N），并混合均勻； （3）在原型上涂刷一薄層混合后的材料，因材料的粘度較低，材料會很容易(rngy)浸入紙基的原型中，浸入的深度可以達到1.21.5mm；（4）再次涂覆同樣的混合后的環(huán)氧樹脂材料以填充表面的溝痕并長時間固化，如圖所示： 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝第15頁/共32頁第十六頁，共33頁。模具(mj)工程技術(shù)研究中心 METRC（5）對表面已經(jīng)(y jing)涂覆了堅硬的環(huán)氧樹脂材料的原型再次用砂紙進行打磨，打磨之前和打磨

13、過程中應(yīng)注意測量原型的尺寸，以確保原型尺寸在要求的公差范圍之內(nèi)； （6）對原型表面進行拋光，達到無劃痕的表面質(zhì)量之后進行透明(tumng)涂層的噴涂，以增加表面的外觀效果，如圖所示。 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝第16頁/共32頁第十七頁，共33頁。模具工程技術(shù)研究(ynji)中心 METRC 通過上述表面涂覆處理后，原型的強度和耐熱防濕性能得到了顯著提高(t go)，將處理完畢的原型浸入水中，進行尺寸穩(wěn)定性的檢測，實驗結(jié)果如圖所示：2 快速成型制造快速成型制造(zhzo)工藝工藝第17頁/共32頁第十八頁，共33頁。模具工程技術(shù)研究(ynji)中心 METRC2 快速成型制造快速成型

14、制造(zhzo)工工藝藝 疊層實體快速成型工藝方法采用薄層材料整體粘接后，根據(jù)當(dāng)前疊層的實體輪廓進行切割，逐層累積完成原型的制作，制作后需要(xyo)去除余料。后處理中余料去除的工作量是比較繁重和費時的，尤其是對于內(nèi)孔結(jié)構(gòu)和內(nèi)部型腔結(jié)構(gòu)，其余料的去除是超常的困難，有時甚至是難以實現(xiàn)。針對這種狀況，提出了采用雙層薄材的新型疊層實體制造工藝方法并進行了研究和嘗試。 五、五、 新型疊層實體快速成型工藝方法新型疊層實體快速成型工藝方法 Ennex公司提出了一種新型疊層實體快速成型工藝方法，稱為“Offset Fabrication”方法。該方法使用的薄層材料為雙層結(jié)構(gòu)，如圖a所示。上面一層為制作原型的

15、疊層材料，下面的薄層材料是襯材。雙層薄材在疊層之前進行輪廓切割，將疊層材料層按照當(dāng)前疊層的輪廓進行切割，然后進行粘接堆積，如圖b所示。粘接后，襯層材料與疊層材料分離，帶走當(dāng)前疊層的余料。但是這種疊層方法只能適用于當(dāng)前疊層需要去除余料的面積小于疊層實體面積的情況，否則，余料就會依然全部粘接在前一疊層上。第18頁/共32頁第十九頁，共33頁。模具工程技術(shù)研究(ynji)中心 METRC2 快速成型快速成型(chngxng)制造工藝制造工藝Offset Fabrication 疊層實體(sht)快速成型工藝方法原理第19頁/共32頁第二十頁，共33頁。模具(mj)工程技術(shù)研究中心 METRC2 快速

16、成型制造快速成型制造(zhzo)工藝工藝 比如，成型圖a所示的原型中灰色的疊層，進行了圖b輪廓切割，然后按照圖c粘接在一起，當(dāng)襯層材料移開時，卻未能像預(yù)期(yq)的如圖d所示的情況帶走余料，而是像如圖e一樣，所有的疊層材料全部粘結(jié)在前一疊層上了。 Offset Fabrication 疊層實體快速成型工藝存在的問題第20頁/共32頁第二十一頁，共33頁。模具(mj)工程技術(shù)研究中心 METRC2 快速快速(kui s)成型制造工藝成型制造工藝針對“Offset Fabrication”方法存在的上述問題，Inhaeng Cho提出了另外一種新的疊層實體快速原型工藝(gngy)方法。Inhaen

17、g Cho提出的新工藝(gngy)仍然采用雙層薄材，只是襯層材料只起粘結(jié)作用，而疊層材料被切割兩次。首先切割內(nèi)孔或內(nèi)腔的內(nèi)輪廓，之后，內(nèi)孔或內(nèi)腔的余料在襯層與疊層分離時被襯層粘結(jié)帶走，然后被去除內(nèi)孔或內(nèi)腔余料的疊層材料繼續(xù)送進進行與原來制作好的疊層實現(xiàn)粘結(jié)，之后，進行第二次切割，切割其余輪廓。該方法建造過程的原理如圖所示。整個過程分為如下6步：新工藝方法中疊層建造步驟第21頁/共32頁第二十二頁，共33頁。模具(mj)工程技術(shù)研究中心 METRC隨著汽車制造業(yè)的迅猛發(fā)展，車型更新?lián)Q代的周期不斷縮短，導(dǎo)致對與整車配套的各主要部件的設(shè)計也提出了更高要求。其中，汽車車燈組件的設(shè)計，要求在內(nèi)部結(jié)構(gòu)滿足

18、裝配和使用要求外，其外觀的設(shè)計也必須達到與車體外形的完美統(tǒng)一。車燈設(shè)計與生產(chǎn)的專業(yè)廠家傳統(tǒng)的開發(fā)手段受到了嚴(yán)重(ynzhng)的挑戰(zhàn)。快速成型技術(shù)的出現(xiàn)，較好地迎合了車燈結(jié)構(gòu)與外觀開發(fā)的需求。下面為某車燈配件公司為國內(nèi)某大型汽車制造廠開發(fā)的某型號轎車車燈LOM原型，通過與整車的裝配檢驗和評估，顯著提高了該組車燈的開發(fā)效率和成功率。 六、疊層實體(sht)制造工藝的應(yīng)用示例 1、汽車車燈 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝第22頁/共32頁第二十三頁，共33頁。模具(mj)工程技術(shù)研究中心 METRC隨著汽車制造業(yè)的迅猛發(fā)展，車型更新?lián)Q代的周期不斷縮短，導(dǎo)致對與整車配套的各主要部件的設(shè)計也提出

19、了更高要求。其中，汽車車燈組件的設(shè)計，要求在內(nèi)部結(jié)構(gòu)(jigu)滿足裝配和使用要求外，其外觀的設(shè)計也必須達到與車體外形的完美統(tǒng)一。車燈設(shè)計與生產(chǎn)的專業(yè)廠家傳統(tǒng)的開發(fā)手段受到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)?？焖俪尚图夹g(shù)的出現(xiàn)，較好地迎合了車燈結(jié)構(gòu)(jigu)與外觀開發(fā)的需求。下面為某車燈配件公司為國內(nèi)某大型汽車制造廠開發(fā)的某型號轎車車燈LOM原型，通過與整車的裝配檢驗和評估，顯著提高了該組車燈的開發(fā)效率和成功率。 六、疊層實體制造(zhzo)工藝的應(yīng)用示例 1、汽車車燈 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝第23頁/共32頁第二十四頁，共33頁。轎車前照燈轎車后組合燈 根據(jù)魯?shù)秘惞咎岢?t ch)的轎車系列車燈

20、產(chǎn)品開發(fā)要求，利用HRP-III 型LOM 激光快速成型機按三維計算機模型進行各種車燈的快速原型制造，上圖為本轎車前照燈和后組合車燈產(chǎn)品的LOM原型。模具(mj)工程技術(shù)研究中心 METRC2 快速成型制造快速成型制造(zhzo)工工藝藝第24頁/共32頁第二十五頁，共33頁。 根據(jù)魯?shù)秘惞咎岢龅囊黄讲窈蠼M合(zh)燈產(chǎn)品開發(fā)要求，利用HRP-III 型LOM 激光快速成型機按三維計算機模型進行該組各種車燈的快速原型制造，本組圖片為該系列燈型產(chǎn)品的LOM原型。模具工程技術(shù)研究(ynji)中心 METRC2 快速成型快速成型(chngxng)制造工制造工藝藝第25頁/共32頁第二十六頁，共

21、33頁。模具(mj)工程技術(shù)研究中心 METRC某機床操作手柄為鑄鐵件，人工方式制作砂型鑄造用的木模十分費時困難，而且精度得不到保證。隨著CADCAM技術(shù)的發(fā)展和普及，具有復(fù)雜曲面形狀的手柄的設(shè)計直接在CAD/CAM軟件平臺上完成，借助快速成型技術(shù)尤其是疊層實體(sht)制造技術(shù)，可以直接由CAD模型高精度地快速制作砂型鑄造的木模，克服了人工制作的局限和困難，極大地縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)的周期并提高了產(chǎn)品的精度和質(zhì)量。下圖為鑄鐵手柄的CAD模型和LOM原型。 2、鑄鐵(zhti)手柄 CAD模型LOM原型2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝第26頁/共32頁第二十七頁，共33頁。模具工程技術(shù)研究(yn

22、ji)中心 METRC當(dāng)前國際上制鞋業(yè)的競爭日益激烈，而美國Wolverine World Wide 公司無論在國際還是美國國內(nèi)市場都一直(yzh)保持著旺盛的銷售勢頭，該公司鞋類產(chǎn)品的款式一直(yzh)保持著快速的更新，時時能夠為顧客提供高質(zhì)量的產(chǎn)品，而使用PowerSHAPE軟件和Helysis公司的LOM快速原型加工技術(shù)是Wolverine World Wide 公司成功的關(guān)鍵。 3、LOM原型(yunxng)在制鞋業(yè)中的應(yīng)用 Wolverine 的設(shè)計師們首先設(shè)計鞋底和鞋跟的模型或圖形，從不同角度用各種材料產(chǎn)生三維光照模型顯示，這種高質(zhì)的圖像顯示使得在開發(fā)過程中能及早地排除任何看起來不

23、好的裝飾和設(shè)計。 即使前期的設(shè)計已經(jīng)排除了許多不理想的地方，但是投入加工之前，Wolverine公司仍然需要有實物模型。鞋底和鞋跟的LOM模型非常精巧，但其外觀是木質(zhì)的，為使模型看起來更真實，可在LOM表面噴涂產(chǎn)生不同材質(zhì)效果。 每一種鞋底配上適當(dāng)?shù)男婧笊a(chǎn)若干雙樣品，放到主要的零售店展示，以收集顧客的意見。根據(jù)顧客所反饋的意見，計算機能快速地修改模型，根據(jù)需要，可再產(chǎn)生相應(yīng)的LOM模型和式樣。 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝第27頁/共32頁第二十八頁，共33頁。 根據(jù)山東長通通訊公司提出的探測儀產(chǎn)品開發(fā)要求，利用HRP-III 型LOM 激光快速成型機按三維計算機模型進行各零部件快速原型(yunxng)制造，上圖為本產(chǎn)品的各零件的LOM原型(yunxng)。2 快速成型制造快速成型制造(zhzo)工藝工藝第28頁/共32頁第二十九頁，共33頁。模具工程技術(shù)研究(ynji)中心 METRC上上 蓋蓋底底 座座 根據(jù)山東長通通訊公司提出的信號發(fā)生器產(chǎn)品開發(fā)要求，利用HRP-III