快速制造技術及其應用

1、快速制造技術及其應用快速制造技術及其應用 三峽大學三峽大學 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量競爭，發(fā)展到要求在全生命周期內的全方位競爭-T（及時快速）、Q（高質量）、C（低成本）、S（優(yōu)質售后服務）缺一不可。 產品的開發(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，又要求制造技術有較強的靈活性，所以能夠以小批量甚至單件生產而不增加產品成本的制造技術變得十分關鍵。 快速制造技術是一項共性制造技術，應用領域廣，其在美國、歐

2、洲、日本已廣泛應用于汽車、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。 在快速制造技術的支持下，國外機電產品已實現(xiàn)“三個三”，即三個星期完成設計、三個月上市、市場壽命為三年。 而我國機電產品的平均開發(fā)周期為1224個月，大大落后于國外產品，我國必須大力發(fā)展快速制造技術才能提高國家核心競爭力。 快速制造技術已成為一個爭訂單、搶市場的利器，成為降低產品開發(fā)市場風險的有效手段。 快速制造技術最明顯的優(yōu)勢是保證質量的情況下，成本低、周期短。新產品開發(fā)中的設計制造問題，可成熟地通過快速制造技術解決，在縮短產品開發(fā)周期和節(jié)省大量開發(fā)費用的同時，避免了產品投放市場初

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

4、批量生產 直接快速制造 通過RM直接完成功能零件 （3）RM技術主要特點： 產品三維CAD 設計是RM的前提； 無需任何專用工具，產品的設計數(shù)據(jù)直接驅動RM設備堆積材料而進行成形制造過程； 所完成的是具有使用功能的零件 ； 所完成的功能零件的結構與形狀無限制，可以是具有材料梯度、結構梯度和特殊孔隙的復雜形狀。三、快速原型技術 快速原型技術是快速制造大家族中最先產生的制造技術，在此基礎上，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 ) 技術是上世紀八十年代后期發(fā)展起來的直接根據(jù)CAD模型快速生產樣件或

5、零件的成套技術總稱，它集成了CAD技術、數(shù)控技術、激光技術和材料技術等現(xiàn)代科技成果，是先進制造技術的重要組成部分。被認為是近20年來制造領域的一次重大突破。 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 不受零件結構與形狀復雜程度的限制 高度柔性，高度集成化 可進行快速模具制造 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SPS系列光固化快速成型機 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、模型分層以及加支撐等五大功能。 設備控制軟件設備控制軟件用以完成設備的操作和控制，進行成型件的制作。 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 給絲 材電焊槍成型件- 驅 動三維印刷法 Schematic diagram of three-dimensional printing (3DP) method冰模法Fabricated ice patterns 5.中國RP技術研究及商業(yè)化概況 在RP樣機（87年）商品化6年后，國內西安交大(SL

9、A)、清華大學(FDM)、華中理工大學(LOM)及相關研究機構（93年）開始RP技術的研究 國內各種類型的RP設備商業(yè)化： 西安交大推出了基于SLA工藝的系列機型 清華大學推出了基于FDM工藝的系列機型 北京隆源公司推出了基于SLS的系列機型 華中理工推出了基于LOM的系列機型 中國RP技術研究 包括了RP設備（激光器、掃描振鏡、控制軟件、支撐軟件等關鍵技術）、材料及應用領域的諸多方面國內市場占用率國內市場占用率 四、基于SL原型快速鑄造技術（RC） 快速鑄造技術：快速鑄造技術：將快速成型與鑄造工藝的結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)，其基礎的核心部

10、件一般均為金屬零件，而且相當多的金屬零件是非對稱性的、有不規(guī)則曲面或結構復雜而內部又含有精細結構的零件。這些零件的生產常采用鑄造成型。 在鑄造生產中，模板、芯盒、壓蠟型、壓鑄模的制造往往是用機加工的方法來完成的，有時還需要鉗工進行修整，不僅周期長、耗資大，而且從模具設計到加工制造是一個多環(huán)節(jié)的復雜過程，稍有失誤就會導致全部返工。 特別是對一些形狀復雜的鑄件，如葉片、葉輪、發(fā)動機缸體、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備，在加工技術與工藝可行性方面仍有很大困難?？梢栽O想，如果遇到此類零件的試制或小批量生產，其制造周期、成本及風險是相當大的。 激光快速成型技術已

11、被證明是解決小批量復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備無需改造，工藝變動小設備無需改造，工藝變動小。迄今為止，己通過激光快速成型成功地生產了各種金屬材質（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)動機轉子、泵體、發(fā)動機缸體、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金屬鑄件。SL原型工程應用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金屬鑄件?？焖偕拌T實例（北航無人機活塞雙缸發(fā)動機） 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)約生產成本和制造周期。關鍵技術：蜂窩結構 快速制殼技術工程應用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 快速制造“熔?！?組樹 多次掛漿制殼

13、 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Stemo Tec GmbH (Stemo Tec GmbH (德國大眾德國大眾) )實例實例2實例3 飛機操作手柄實例實例4 首飾、眼鏡首飾、眼鏡實例5 導向器五、快速模具制造技術 基本概念 以快速成形技術（Rapid Prototyping -RP）為核心，由快速成形技術發(fā)展而來的一類快速制造模具的新方法、新工藝。目標是服務于新產品開發(fā)和試制，以及產品小批量生產。 分類 直接制模法 主要有燒結浸滲法、薄鋼板層疊法等，受成形材料

14、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模具 間接制模法 以RP原型為模型，與傳統(tǒng)模具制造工藝相結合，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 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，對于結構復雜，花紋精細，無拔模斜度或具有倒拔模斜度以及具有深

15、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”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度、硬度和耐磨性，模具表面摩擦學特性更接近于鋼質模具，是一種較為理想的快速制模方法。 真空澆注軟硅膠模以SL模型或實體作為母模用于翻模。生產小批量的類似工程塑料、聚氨酯等產件。真空澆注成形機 ZK500 ZK550防毒面具（橡膠件）采用傳統(tǒng)方法需1-2周，采用真空注型機翻硅膠軟模制出類橡膠產品，用時3天。 澆注件小批量生產 金屬電弧噴涂制模技術

16、工作原理 金屬電弧噴涂快速制模技術是一種基于“復制”的制模技術。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，在完成補強、脫模、拋光等后處理工藝后，即可完成模具的快速制造。 母?？梢允强焖僭突蜻^渡模型，以及產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。關鍵設備金屬電弧噴涂機器人 技術特色 噴涂材料 目前西安交通大學先進制造技術研究所在利用鋅、鋁、或者鋅鋁合金等低熔點材料制作大尺度、大厚度模具

17、型殼方面的工藝已經成熟，已經成功應用于板料沖壓模具和塑料模具的制造。 模具結構金屬型殼+復合材料背襯 金屬電弧噴涂制模技術技術指標： 制造周期：相當于數(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)約達到 35%以上。 模具尺寸：3500mm1800mm 模具精度：0.3mm，200m以內精度為0.1mm。 模具壽命：鋅鋁合金模具表面硬度為HB130?？箟簭姸?0MPa,一般沖壓件可達到數(shù)千件。 金屬電弧噴涂制模技術特點： 噴涂效率高、耗能少，成本低，工藝靈活，涂層質量好；涂層與基體材料廣泛，基體可以使用陶瓷、石膏、塑料、木材等。基體材料受熱程度

18、低，且可控制。 農用車模具-為洛陽一拖農用車所制造的金屬噴涂拉延模具已經在生產線上生產了約3500件合格的沖壓件 應用應用實例實例1 1、應用實例應用實例2 2長安汽車轎車內覆蓋件和結構件試制模具-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為國內某企業(yè)在90個工作日內成功完成兩個車型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，為服務企業(yè)節(jié)約樣車模具制作經費近1000萬元人民幣，獲得了服務企業(yè)的高度稱贊。應用實例應用實例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技術在臨床和生物制造中的應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程