快速成形技術(shù)課件

1、 快速成形制造技術(shù)（Rapid Prototype Manufacturing）本章主要內(nèi)容：快速成形制造的基本過程快速成形制造的主要方法 快速成形技術(shù)的主要特征對快速成形技術(shù)的理解 快速成形制造技術(shù)的基本概念快速成形制造技術(shù)的應(yīng)用與快速成形制造相關(guān)的技術(shù)8/9/20221快速成形制造的基本過程CAD建模 分層層面信息處理層面加工與粘接層層堆積 后處理 根據(jù)每層輪廓信息，進行工藝規(guī)劃，選擇加工參數(shù)，自動生成數(shù)控代碼清理零件表面，去除輔助支撐結(jié)構(gòu)由CAD軟件設(shè)計出所需零件的計算機三維曲面或?qū)嶓w模型將三維模型沿一定方向（通常為Z向）離散成一系列有序的二維層片（習(xí)慣稱為分層）成形機制造一系列層片并自

2、動將它們聯(lián)接起來，得到三維物理實體8/9/20222快速成形制造的主要方法 選擇性層片粘接（LOM）選擇性激光燒結(jié)（SLS）熔融沉積成形（FDM）選擇性液體固化（SLA）8/9/20223選擇性液體固化的基本原理 基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理。將激光聚集到液態(tài)光固化材料（如光固化樹脂）表面逐點掃描，令其有規(guī)律地固化，由點到線到面，完成一個層面的建造。而后升降移動一個層片厚度的距離，重新覆蓋一層液態(tài)材料，進行第二層掃描，再建造一個層面，第二層就牢固地粘貼到第一層上，由此層層迭加成為一個三維實體。8/9/20224選擇性液體固化工藝 SLA立體光刻（SLA Stereo Lithography A

3、pparatus)，又稱立體印刷，光成形 光固化立體造型 (Stereo Lithography),激光光印刷 （Laser Photolithography), SLA工藝于1984年獲美國專利，1988年美國3D System公司推出的商品化樣機SLA1，是世界上第一臺快速原型技術(shù)成形機。目前，SLA各型成形機占據(jù)著RP設(shè)備市場的較大份額。這種方法的代表還有日本DMET公司的SOUP系列、D-MEC公司的SCS系列和Teijin Seiki公司的Mark1000,德國EOS公司的STEREOS系列。8/9/20225立體光刻(SLA)工藝成形的產(chǎn)品特點 SLA方法是目前快速成形技術(shù)領(lǐng)域中研

4、究得最多的方法，也是技術(shù)上最為成熟的方法。特點：SLA 工藝成形的零件精度較高，能達到0.1mm；產(chǎn)品透明美觀，可直接做力學(xué)實驗。但這種方法也有自身的局限性，比如需要支撐、樹脂收縮導(dǎo)致精度下降、光固化樹脂價格昂貴，有一定的毒性；且產(chǎn)品不能溶解，不利于環(huán)保 。鼠標外殼激 光樹脂原型照相機激光樹脂原型8/9/20226選擇性層片粘接的基本原理 采用激光或刀具對片材進行切割。首先切割出工藝邊框和原型的邊緣輪廓線，而后將不屬于原型的材料切割成網(wǎng)格狀。片材表面事先涂覆上一層熱熔膠。通過升降平臺的移動和箔材的送給,并利用熱壓輥輾壓將后鋪的箔材與先前的層片粘接在一起，再切割出新的層片。這樣層層迭加后得到下一

5、個塊狀物，最后將不屬于原型的材料小塊剝除，就獲得所需的三維實體。 8/9/20227選擇性層片粘接工藝 LOM分層實體制造（LOM ） (Laminated Object Manufacturing)，又稱固體切片制造（SSM）(Solid Slicing Manufacturing) LOM工藝由美國Helisys公司于1986年研制成功。 這種方法的代表是美國Helisys公司的LOM-1050和LOM-2030成形機，日本Kira公司的KSC-50成形機。 8/9/20228由于LOM工藝只須在片材上切割出零件截面的輪廓，而不用掃描整個截面，因此工藝簡單，成型速度快，易于制造大型零件；工

6、藝過程中不存在材料相變，因此不易引起翹曲變形，零件的精度較高，激光切割為0.1mm，刀具切割為0.15mm；工件外框與截面輪廓之間的多余材料在加工中起到了支撐作用，所以LOM工藝無需加支撐；材料廣泛，成本低，用紙制原料還有利于環(huán)保；力學(xué)性能差，只適合做外形檢查。分層實體制造（LOM）產(chǎn)品的特點8/9/20229選擇性激光燒結(jié)的基本原理 SLS工藝是利用粉末狀材料成形的。先在工作臺上鋪上一層有很好密實度和平整度的粉末，用高強度的CO2激光器在上面掃描出零件截面，有選擇地將粉末熔化或粘接，形成一個層面，利用滾子鋪粉壓實，再熔結(jié)或粘接成另一個層面并與原層面熔結(jié)或粘接，如此層層疊加為一個三維實體。8/

7、9/202210選擇性激光燒結(jié)工藝 SLS選擇性激光燒結(jié)（SLS) (Selective Laser Sintering），又稱激光熔結(jié)（LF) (Laser Fusion）。 選擇性激光燒結(jié)工藝由美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校于1989年研制成功，已被美國DTM公司商品化，推出SLS Model125成形機。德國EOS公司和我國的北京隆源自動成形系統(tǒng)有限公司也分別推出了各自的SLS工藝成形機。 8/9/202211選擇性激光燒結(jié)（SLS）的產(chǎn)品特點1. 材料適應(yīng)面廣，不僅能制造塑料零件，還能制造陶瓷、蠟等材料的零件。特別是可以制造出能直接使用的金屬零件。這使SLS工藝頗具吸引力。2. SLS工藝

8、不需加支撐，因為沒有燒結(jié)的粉末起到了支撐的作用。3. 精度不高。平均精度為0.150.2mm，表面粗糙度不好，不宜做薄壁件；8/9/202212熔融沉積成形的基本原理 將熱熔性材料（ABS、尼龍或蠟）通過噴頭加熱器熔化；噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出；材料迅速凝固冷卻后，與周圍的材料凝結(jié)形成一個層面；然后將第二個層面用同樣的方法建造出來，并與前一個層面熔結(jié)在一起，如此層層堆積而獲得一個三維實體。（不需激光系統(tǒng)） 8/9/202213熔融沉積成形工藝 FDM熔融沉積成形 (FDM)(Fused Deposition Modeling) 又稱熔融擠壓成形 (MEM)(Mel

9、ted Extrusion Modeling) 熔融沉積成形工藝于1988年研制成功，后由美國Stratasys公司推出商品化的3D Modeler 1000和FDM1600等規(guī)格的系列產(chǎn)品。最新產(chǎn)品是制造大型ABS原型的FDM8000、Quantum等型號的產(chǎn)品。8/9/202214熔融沉積成形(FDM)的產(chǎn)品特點FDM工藝不用激光器件，因此使用、維護簡單，成本較低。精度可達0.12mm，適合做薄壁件。污染小，材料可以回收。 用蠟成形的零件原型，可以直接用于失蠟鑄造。用ABS制造的原型因具有較高強度而在產(chǎn)品設(shè)計、測試與評估等方面得到廣泛應(yīng)用。由于以FDM工藝為代表的熔融材料堆積成形工藝具有一

10、些顯著優(yōu)點，該類工藝發(fā)展極為迅速。8/9/202215快速成形技術(shù)的主要特征 它與NC機床的主要區(qū)別在于高度柔性。無論是數(shù)控機床還是加工中心，都是針對某一類型零件而設(shè)計的。如車削加工中心，銑削加工中心等。對于不同的零件需要不同的裝夾，用不同的工具。雖然它們的柔性非常高，可以生產(chǎn)批量只有幾十件、甚至幾件的零件，而不增加附加成本。但它們不能單獨使用，需要先將材料制成毛坯。而RP技術(shù)具有最高的柔性，對于任何尺寸不超過成形范圍的零件，無需任何專用工具就可以快速方便的制造出它的模型(原型)。從制造模型的角度，RP具有NC機床無法比擬的優(yōu)點，即快速方便、高度柔性。8/9/202216快速成形技術(shù)的主要特征

11、 CAD模型直接驅(qū)動，設(shè)計制造高度一體化； 成形過程無需專用夾具或工具； 無需人員干預(yù)或較少干預(yù)，是一種自動化的成形過程； 成形全過程的快速性，適合現(xiàn)代激烈的產(chǎn)品市場。高度柔性，可以制造任意復(fù)雜形狀的三維實體；8/9/202217對快速成形技術(shù)的理解 在快速成形技術(shù)的發(fā)展過程中，各個研究機構(gòu)和人員均按照自己的理解賦予其不同的稱謂，這些不同稱謂即反映了快速成形技術(shù)不同方面的重要特征。離散堆積制造實體自由成形制造材料添加制造即時制造分層制造直接CAD制造 離散堆積制造是現(xiàn)代成形學(xué)理論中在對成形技術(shù)發(fā)展進行總結(jié)的基礎(chǔ)上提出的，表明了模型信息處理過程的離散性，強調(diào)了成形物理過程的材料堆積性，體現(xiàn)了快速

12、成形技術(shù)的基本成形原理，具有較強的概括性和適應(yīng)性。 實體自由成形制造(Solid Freeform Fabrication)表明快速成形技術(shù)無需專用的模腔或夾具，零件的形狀和結(jié)構(gòu)也相應(yīng)不受任何約束。RP工藝是用逐層變化的截面來制造三維形體，在制造每一層片時都和前一層自動實現(xiàn)聯(lián)接，不需要專用夾具或工具，使制造成本完全與批量無關(guān)，既增加了成形工藝的柔性，又節(jié)省了制造工裝和專用工具的大量成本。 材料添加制造(Material Increase Manufacturing)將材料單元采用一定方式堆積、疊加成形，有別于車削等基于材料去除原理的傳統(tǒng)加工工藝。 即時制造(Instant Manufactur

13、ing)反映該類技術(shù)的快速響應(yīng)性。由于無需針對特定零件制定工藝操作規(guī)程，也無需準備專用夾具和工具，快速成形技術(shù)制造一個零件的全過程遠遠短于傳統(tǒng)工藝相應(yīng)過程，使得快速成形技術(shù)尤其適合于新產(chǎn)品的開發(fā)，顯示了其適合現(xiàn)代科技和社會發(fā)展的快速反應(yīng)的特征和時代要求。 分層制造 (Layered Manufacturing)將復(fù)雜的三維加工分解成一系列二維層片的加工，著重強調(diào)層作為制造單元的特點，每層可采取更低維單元進行累加或高維單元進行加工得到。 直接CAD制造(Direct CAD Manufacturing)反映了快速成形是CAD模型直接驅(qū)動，實現(xiàn)了設(shè)計與制造一體化，計算機中的CAD模型通過接口軟件直

14、接驅(qū)動快速成形設(shè)備，接口軟件完成CAD數(shù)據(jù)向設(shè)備數(shù)控指令的轉(zhuǎn)化和成形過程的工藝規(guī)劃，成形設(shè)備則象打印機一樣“打印”零件，完成三維輸出。 快速成形由于采用了離散/堆積的加工工藝，CAD和CAM能夠很順利地結(jié)合在一起，快速成形的工藝規(guī)劃主要作用是對成形過程進行優(yōu)化以提高造型精度、速度和質(zhì)量，所以快速成形可容易地實現(xiàn)設(shè)計制造一體化。8/9/202218快速成形制造技術(shù)的基本概念快速成形（RP Rapid Prototyping ）技術(shù)是一種基于離散堆積成形思想的新型成形技術(shù)，是集成計算機、數(shù)控、激光和新材料等最新技術(shù)而發(fā)展起來的先進的產(chǎn)品研究與開發(fā)技術(shù)?？焖俪尚沃圃?RPM Rapid Protot

15、yping Manufacturing） 技術(shù)是使用RP技術(shù)，由CAD模型直接驅(qū)動的快速完成任意復(fù)雜形狀三維實體零件的技術(shù)的總稱。8/9/202219快速成形制造技術(shù)的應(yīng)用全球RP設(shè)備裝機量醫(yī)學(xué)實驗分析模型快速模具快速鑄造新產(chǎn)品快速開發(fā)制造8/9/202220快速成形制造在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 根據(jù)CT掃描信息，應(yīng)用熔融擠壓快速成形的方法可以快速制造人體的骨骼（如顱骨、牙齒）和軟組織（如腎）等模型，并且不同部位采用不同顏色的材料成形，病變組織可以用醒目顏色，可以進行手術(shù)模擬、人體骨關(guān)節(jié)的配制，顱骨修復(fù)。 在康復(fù)工程上，采用熔融擠壓快速成形的方法制造人體假肢具有最快的成形速度，假肢和肌體的結(jié)合部位能夠做

16、到最大程度的吻合，減輕了假肢使用者的痛苦。8/9/202221快速成形制造應(yīng)用在實驗分析模型上 利用加工的樣品，找出新產(chǎn)品外觀&結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷，完善設(shè)計。 利用加工出的樣品可以進行裝配和功能驗證。 利用新產(chǎn)品樣件可先進行市場調(diào)研，投標、招標。 8/9/202222快速成形制造在快速模具上的應(yīng)用下一頁8/9/202223快速成形制造在快速鑄造上的應(yīng)用點擊看鑄件8/9/202224新產(chǎn)品快速開發(fā)制造系統(tǒng)8/9/202225與快速成形制造相關(guān)的技術(shù)RPM是多種技術(shù)的交叉結(jié)合，主要的相關(guān)技術(shù)有：計算機輔助設(shè)計(CAD)反求工程數(shù)控技術(shù)(NC)材料技術(shù)8/9/202226計算機輔助設(shè)計(CAD)與RPM

17、利用三維實體產(chǎn)品模型，設(shè)計者在設(shè)計產(chǎn)品時，不需要將三維物體進行投影，想象各種角度的視圖，用多個剖面表示內(nèi)容結(jié)構(gòu)，用多個視圖解釋投影的二義性。而可以直接在計算機上構(gòu)造三維物體，并賦以質(zhì)量、顏色等特性，并從任意角度觀察物體。隨著參數(shù)化特征造型技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計人員還可以在零件上構(gòu)造具有加工工藝特性的特征結(jié)構(gòu)，修改原先設(shè)計的尺寸，使零件的形態(tài)按要求進行變化。新的設(shè)計手段大大方便了設(shè)計人員。一方面他們可以構(gòu)造任意復(fù)雜的零件表面形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而無需考慮如何表達它們的二維投影；另一方面他們可以把頭腦中的設(shè)計靈感直接映射到計算機構(gòu)成的三維空間中，而無需經(jīng)過二維平面手段作為媒介。 產(chǎn)品模型發(fā)展到實體模型，能較

18、完整的表示一個三維物體。這為RP技術(shù)的產(chǎn)生準備了條件，同時也提出了需求。因為如果沒有能表示三維物體的數(shù)據(jù)模型，而只是一些圖紙，想要用RP的原理制造出實體模型就需要手工計算出各個截面，編制每個截面的加工代碼。計算勞動量太大，以致無法實現(xiàn)。8/9/202227衛(wèi)星遙感地表高程數(shù)據(jù)重構(gòu)的地球三維快速原型反求工程與RPM8/9/202228數(shù)控技術(shù)(NC)與RPM RP技術(shù)就是數(shù)控技術(shù)最新應(yīng)用的領(lǐng)域之一。RP技術(shù)要求將材料精確地堆積，并長時間保持較高的定位精度，防止錯層。如果沒有高可靠性、高精度的數(shù)控系統(tǒng)是無法實現(xiàn)的。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用，是RP技術(shù)能夠產(chǎn)生并發(fā)展成熟必不可少的條件。8/9/202229材料技術(shù)與RPM 成型材料是RPM技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它影響原型的成型速度、精度和物理、化學(xué)性能，直接影響到原型的二次應(yīng)用和用戶對成型工藝設(shè)備的選擇。 與RPM制造的四個目標（概念型、測試型，模具型，功能零件）相適應(yīng)，對成型材料的要求也不同。1. 概念型對材料成型精度和物理化學(xué)特性要求不高，主要要求成型速度快。如對光固化樹脂，要