快速制造技術(shù)及其應(yīng)用

1、快速制造技術(shù)及其應(yīng)用快速制造技術(shù)及其應(yīng)用 三峽大學(xué)三峽大學(xué) 吳海華吳海華 副教授副教授 博士后博士后EmailEmail：TelTel：1587260409915872604099一、引言 隨著全球市場一體化的形成，制造業(yè)的競爭從過去的單純質(zhì)量競爭，發(fā)展到要求在全生命周期內(nèi)的全方位競爭-T（及時快速）、Q（高質(zhì)量）、C（低成本）、S（優(yōu)質(zhì)售后服務(wù)）缺一不可。 產(chǎn)品的開發(fā)制造速度日益成為競爭的主要矛盾，同時制造業(yè)既需要滿足日益變化的用戶需要，又要求制造技術(shù)有較強(qiáng)的靈活性，所以能夠以小批量甚至單件生產(chǎn)而不增加產(chǎn)品成本的制造技術(shù)變得十分關(guān)鍵。 快速制造技術(shù)是一項共性制造技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域廣，其在美國、歐

2、洲、日本已廣泛應(yīng)用于汽車、模具、電子電器、航空航天、造船、醫(yī)療衛(wèi)生等工業(yè)領(lǐng)域，并對這些行業(yè)起到了顯著的推動作用。 在快速制造技術(shù)的支持下，國外機(jī)電產(chǎn)品已實現(xiàn)“三個三”，即三個星期完成設(shè)計、三個月上市、市場壽命為三年。 而我國機(jī)電產(chǎn)品的平均開發(fā)周期為1224個月，大大落后于國外產(chǎn)品，我國必須大力發(fā)展快速制造技術(shù)才能提高國家核心競爭力。 快速制造技術(shù)已成為一個爭訂單、搶市場的利器，成為降低產(chǎn)品開發(fā)市場風(fēng)險的有效手段。 快速制造技術(shù)最明顯的優(yōu)勢是保證質(zhì)量的情況下，成本低、周期短。新產(chǎn)品開發(fā)中的設(shè)計制造問題，可成熟地通過快速制造技術(shù)解決，在縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和節(jié)省大量開發(fā)費用的同時，避免了產(chǎn)品投放市場初

3、期出現(xiàn)質(zhì)量問題而影響新產(chǎn)品聲譽(yù)的情況，這就可使企業(yè)集中力量于產(chǎn)品的環(huán)保、節(jié)能和安全等現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計主題研究。 有大量應(yīng)用案例表明，快速開發(fā)制造系統(tǒng)技術(shù)將產(chǎn)品開發(fā)周期降為傳統(tǒng)方法的 1/51/10，開發(fā)費用降為 1/31/5，它是產(chǎn)品快速開發(fā)的利器。二、快速制造技術(shù)(RM) （1）RM技術(shù)概念 快速制造(RM-Rapid Manufacturing) 是基于離散-堆積成形原理的先進(jìn)制造技術(shù)的總稱。 基本定義為：由產(chǎn)品的三維CAD 模型數(shù)據(jù)直接驅(qū)動，組裝(堆積) 材料單元而制造出任意復(fù)雜且具有使用功能的零件的科學(xué)技術(shù)。 （2）RM技術(shù)分類 間接快速制造 通過RP 完成工、模具制造，再采用工、模具進(jìn)行

4、批量生產(chǎn) 直接快速制造 通過RM直接完成功能零件 （3）RM技術(shù)主要特點： 產(chǎn)品三維CAD 設(shè)計是RM的前提； 無需任何專用工具，產(chǎn)品的設(shè)計數(shù)據(jù)直接驅(qū)動RM設(shè)備堆積材料而進(jìn)行成形制造過程； 所完成的是具有使用功能的零件 ； 所完成的功能零件的結(jié)構(gòu)與形狀無限制，可以是具有材料梯度、結(jié)構(gòu)梯度和特殊孔隙的復(fù)雜形狀。三、快速原型技術(shù) 快速原型技術(shù)是快速制造大家族中最先產(chǎn)生的制造技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，又出現(xiàn)了快速鑄造(RC)、快速模具(RT)和快速生物支架制造等。 1.快速成形原理 快速成型 ( Rapid Prototyping RP ) 技術(shù)是上世紀(jì)八十年代后期發(fā)展起來的直接根據(jù)CAD模型快速生產(chǎn)樣件或

5、零件的成套技術(shù)總稱，它集成了CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等現(xiàn)代科技成果，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。被認(rèn)為是近20年來制造領(lǐng)域的一次重大突破。 傳統(tǒng)加工 切削加工（車、銑、刨、磨） M0（材料去除） 熱成型加工（鑄造、鍛壓）M0（等量材料） 快速成形 M0（材料累加） 2.快速成型工藝過程 3.快速成型技術(shù)的特點 直接由CAD 數(shù)據(jù)制成三維實體 無要傳統(tǒng)的刀具、夾具 不受零件結(jié)構(gòu)與形狀復(fù)雜程度的限制 高度柔性，高度集成化 可進(jìn)行快速模具制造 成本為傳統(tǒng)加工的1/31/5 周期縮短為1/51/10 4. 快速成型（RP）已發(fā)展了十幾中工藝方法，其中比較成熟并已商品化的方法主要有：

6、光固法（SLStereolithography） 疊層法（LOMLaminated Object Manufacturing） 激光選區(qū)燒結(jié)法（SLSSelective Laser Sintering） 熔融沉積法（FDMFused Deposition Modeling） 三維印刷法（3DPThree Dimensional Printing） 冰模法（rapid freeze prototyping ） 噴粒法（BPMBallistic Particle Manufacturing） 掩模固化法（SGCSolid Ground Curing）光固法（ SLStereolithography

7、） 西安交通大學(xué)SPS系列光固化快速成型機(jī) 掃描速度：8m/s, 制件精度：0.1mm快速成型（RP）的數(shù)據(jù)處理軟件數(shù)據(jù)處理軟件主要完成STL文件接口輸入、STL 文件可視化及編輯、STL文件缺陷修復(fù)、模型分層以及加支撐等五大功能。 設(shè)備控制軟件設(shè)備控制軟件用以完成設(shè)備的操作和控制，進(jìn)行成型件的制作。 疊層法（LOMLaminated Object Manufacturing）Z 軸激 光 束激光選區(qū)燒結(jié)法（SLSSelective Laser Sintering ）刮 平 輥 子掃 描 鏡零件鋪粉裝置激 光 器升降臺透 鏡Titanium alloy nozzle made by selec

8、tive laser and capacitor dielectrics.119,120 sintering (SLS) showing sharpness of grooves and surface finish熔融沉積法（FDMFused Deposition Modeling）Z 向 進(jìn) 給絲 材電焊槍成型件- 驅(qū) 動三維印刷法 Schematic diagram of three-dimensional printing (3DP) method冰模法Fabricated ice patterns 5.中國RP技術(shù)研究及商業(yè)化概況 在RP樣機(jī)（87年）商品化6年后，國內(nèi)西安交大(SL

9、A)、清華大學(xué)(FDM)、華中理工大學(xué)(LOM)及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)（93年）開始RP技術(shù)的研究 國內(nèi)各種類型的RP設(shè)備商業(yè)化： 西安交大推出了基于SLA工藝的系列機(jī)型 清華大學(xué)推出了基于FDM工藝的系列機(jī)型 北京隆源公司推出了基于SLS的系列機(jī)型 華中理工推出了基于LOM的系列機(jī)型 中國RP技術(shù)研究 包括了RP設(shè)備（激光器、掃描振鏡、控制軟件、支撐軟件等關(guān)鍵技術(shù)）、材料及應(yīng)用領(lǐng)域的諸多方面國內(nèi)市場占用率國內(nèi)市場占用率 四、基于SL原型快速鑄造技術(shù)（RC） 快速鑄造技術(shù)：快速鑄造技術(shù)：將快速成型與鑄造工藝的結(jié)合稱為快速鑄造工藝(RC)。 在制造業(yè)特別是航空、航天、國防、汽車等重點行業(yè)，其基礎(chǔ)的核心部

10、件一般均為金屬零件，而且相當(dāng)多的金屬零件是非對稱性的、有不規(guī)則曲面或結(jié)構(gòu)復(fù)雜而內(nèi)部又含有精細(xì)結(jié)構(gòu)的零件。這些零件的生產(chǎn)常采用鑄造成型。 在鑄造生產(chǎn)中，模板、芯盒、壓蠟型、壓鑄模的制造往往是用機(jī)加工的方法來完成的，有時還需要鉗工進(jìn)行修整，不僅周期長、耗資大，而且從模具設(shè)計到加工制造是一個多環(huán)節(jié)的復(fù)雜過程，稍有失誤就會導(dǎo)致全部返工。 特別是對一些形狀復(fù)雜的鑄件，如葉片、葉輪、發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋等，模具的制造是一個難度更大的問題，即使使用數(shù)控加工中心等昂貴的設(shè)備，在加工技術(shù)與工藝可行性方面仍有很大困難。可以設(shè)想，如果遇到此類零件的試制或小批量生產(chǎn)，其制造周期、成本及風(fēng)險是相當(dāng)大的。 激光快速成型技術(shù)已

11、被證明是解決小批量復(fù)雜零件制造的非常有效的手段，用快速成型方法制出木模、砂模和熔模木模、砂模和熔模，原有的鑄造原有的鑄造設(shè)備無需改造，工藝變動小設(shè)備無需改造，工藝變動小。迄今為止，己通過激光快速成型成功地生產(chǎn)了各種金屬材質(zhì)（包括鋁合金、鑄鐵、鎳基高溫合金、不銹鋼 等）各種形狀（葉片、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子、泵體、發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋等）的鑄造件。 快速鑄造過程無須開模具，因而大大節(jié)省了制造周期和費用。 激光快速原型和砂型鑄造理想地配合，代替木模代替木模，快速和低成本地生產(chǎn)金屬鑄件。SL原型工程應(yīng)用1 用于傳統(tǒng)的砂型鑄造砂箱鑄件鋁合金鑄件SL芯盒砂芯砂芯 激光快速原型和砂型鑄造理想地配合，代替芯盒，快速制芯代替

12、芯盒，快速制芯，快速和低成本地生產(chǎn)金屬鑄件。快速砂鑄實例（北航無人機(jī)活塞雙缸發(fā)動機(jī)） 基于基于SLSL的快速砂鑄工藝流程的快速砂鑄工藝流程定位銷釘定位臺階工程應(yīng)用2 消失法砂型鑄造（保證制造精度）鋁合金鑄件燒蝕及清灰SL原型砂箱造型工程應(yīng)用3 蠟型模具的快速制造代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蠟型，保證制造精度，無需開發(fā)金屬模具，節(jié)約生產(chǎn)成本和制造周期。代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蠟型，保證制造精度，無需開發(fā)金屬模具，節(jié)約生產(chǎn)成本和制造周期。關(guān)鍵技術(shù)：蜂窩結(jié)構(gòu) 快速制殼技術(shù)工程應(yīng)用4 快速精密鑄造（Rapid investment casting）快速精密鑄造主要工藝流程快速精密鑄造主要工藝流程1. 快速制造“熔?！?. 組樹3.

13、多次掛漿制殼4. 干燥5.脫蠟（蒸汽脫蠟-電熱一體脫蠟釜）6.焙燒7.金屬液澆注8.后處理快速精密鑄造主要工藝流程快速精密鑄造主要工藝流程實例1 基于RC轎車變速箱殼體精密鋁合金鑄件StemoStemo Tec GmbH ( Tec GmbH (德國大眾德國大眾) )實例實例2實例3 飛機(jī)操作手柄實例實例4 首飾、眼鏡首飾、眼鏡實例5 導(dǎo)向器五、快速模具制造技術(shù) 基本概念 以快速成形技術(shù)（Rapid Prototyping -RP）為核心，由快速成形技術(shù)發(fā)展而來的一類快速制造模具的新方法、新工藝。目標(biāo)是服務(wù)于新產(chǎn)品開發(fā)和試制，以及產(chǎn)品小批量生產(chǎn)。 分類 直接制模法 主要有燒結(jié)浸滲法、薄鋼板層疊

14、法等，受成形材料和工藝的限制 直接制模法還基本處于實驗室研究階段，只能用來制造體積較小的試驗?zāi)＞?間接制模法 以RP原型為模型，與傳統(tǒng)模具制造工藝相結(jié)合，通過翻型、噴涂、電鍍、電加工等間接工藝制造模具的方法。 比較靈活、應(yīng)用范圍廣，可制造多種材料的模具，是目前實現(xiàn)RT的主要途徑 按模具材料分為三大類，即非金屬模具、半金屬模具和金屬模具 兩種快速模具制造技術(shù) 基于RP的快速模具制造一般有軟模法和硬模法兩種 軟模法（真空澆注軟硅膠模）硅橡膠模具是最典型的軟模方法，它利用RP零件作母模，采用硅橡膠澆注，直接制作硅橡膠模具。由于硅橡膠模具有良好的柔性和彈性，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，花紋精細(xì)，無拔模斜度或具有倒拔

15、模斜度以及具有深凹槽的零件來說，制件澆注完成后均可直接取出。因此硅橡膠模具在軟模法中工藝最成熟，市場份額占有最大。 硬模法（金屬電弧噴涂制模） 硬模法中，“金屬電弧噴涂成型快速制模技術(shù)”在模具成本、壽命、制造周期、精度等方面具有綜合比較優(yōu)勢，并且模具工作表面具有較好的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，模具表面摩擦學(xué)特性更接近于鋼質(zhì)模具，是一種較為理想的快速制模方法。 真空澆注軟硅膠模以SL模型或?qū)嶓w作為母模用于翻模。生產(chǎn)小批量的類似工程塑料、聚氨酯等產(chǎn)件。真空澆注成形機(jī) ZK500 ZK550防毒面具（橡膠件）采用傳統(tǒng)方法需1-2周，采用真空注型機(jī)翻硅膠軟模制出類橡膠產(chǎn)品，用時3天。 澆注件小批量生產(chǎn) 金屬

16、電弧噴涂制模技術(shù)工作原理 金屬電弧噴涂快速制模技術(shù)是一種基于“復(fù)制”的制模技術(shù)。它以一個實物模型(或稱為原型) 作為母模，以電弧為熱源（溫度高達(dá)6000C） ，通過高速氣流將熔融狀態(tài)的金屬材料霧化，并使其噴射、沉積在母模表面上，形成一定厚度的致密金屬涂層，即模具型殼。模具型殼精確拷貝了原型的形狀，獲得了所需的模具型腔，在完成補(bǔ)強(qiáng)、脫模、拋光等后處理工藝后，即可完成模具的快速制造。 母模可以是快速原型或過渡模型，以及產(chǎn)品實物或通過高速數(shù)控加工得到的木材、石膏等非金屬模型。關(guān)鍵設(shè)備金屬電弧噴涂機(jī)器人 技術(shù)特色 噴涂材料 目前西安交通大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)研究所在利用鋅、鋁、或者鋅鋁合金等低熔點材料制作大

17、尺度、大厚度模具型殼方面的工藝已經(jīng)成熟，已經(jīng)成功應(yīng)用于板料沖壓模具和塑料模具的制造。 模具結(jié)構(gòu)金屬型殼+復(fù)合材料背襯 金屬電弧噴涂制模技術(shù)技術(shù)指標(biāo)： 制造周期：相當(dāng)于數(shù)控加工制造相同零件模具時間的1/3至1/10 制造成本：制造費用與數(shù)控加工制造相同模具相比，節(jié)約達(dá)到 35%以上。 模具尺寸：3500mm1800mm 模具精度：0.3mm，200m以內(nèi)精度為0.1mm。 模具壽命：鋅鋁合金模具表面硬度為HB130?？箟簭?qiáng)度80MPa,一般沖壓件可達(dá)到數(shù)千件。 金屬電弧噴涂制模技術(shù)特點： 噴涂效率高、耗能少，成本低，工藝靈活，涂層質(zhì)量好；涂層與基體材料廣泛，基體可以使用陶瓷、石膏、塑料、木材等。

18、基體材料受熱程度低，且可控制。 農(nóng)用車模具-為洛陽一拖農(nóng)用車所制造的金屬噴涂拉延模具已經(jīng)在生產(chǎn)線上生產(chǎn)了約3500件合格的沖壓件 應(yīng)用應(yīng)用實例實例1 1、應(yīng)用實例應(yīng)用實例2 2長安汽車轎車內(nèi)覆蓋件和結(jié)構(gòu)件試制模具-2006年為長安汽車公司某車型3個零件制作樣車快速樣件，CM5車型樣車樣件快速制造，時間1個月。 2004年利用金屬噴涂快速制模技術(shù)為國內(nèi)某企業(yè)在90個工作日內(nèi)成功完成兩個車型AM08/AM06兩款三廂、兩廂轎車）40副樣車試制模具的制作，如圖4所示，成本低、速度快，為服務(wù)企業(yè)節(jié)約樣車模具制作經(jīng)費近1000萬元人民幣，獲得了服務(wù)企業(yè)的高度稱贊。應(yīng)用實例應(yīng)用實例3 3、上海新車型樣車樣件快速制造、上海新車型樣車樣件快速制造六、SL技術(shù)在臨床和生物制造中的應(yīng)用人骨模型快速成型的實體模型STL格式圖形人骨股頭模型鈦合金人工骨制作流