先進(jìn)制造技術(shù)3

快速原型制造技術(shù)

1、快速原型制造技術(shù)概述

2、典型的RPM技術(shù)

3、應(yīng)用快速原型制造技術(shù)的意義目錄

4、快速原型制造技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景1.1快速原型制造技術(shù)產(chǎn)生的背景1.2快速原型制造技術(shù)的概念1.3快速原型制造技術(shù)的原理及特點(diǎn)1、快速成型技術(shù)概述快速原型制造技術(shù)市場(chǎng)變化1.1快速原型制造技術(shù)產(chǎn)生的背景材料科學(xué)能源科學(xué)CAD/CAM計(jì)算機(jī)技術(shù)客戶要求1.1快速原型制造技術(shù)產(chǎn)生的背景

全球一體化市場(chǎng)、制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度成為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的主要矛盾。從技術(shù)發(fā)展角度，計(jì)算機(jī)、CAD/CAM、材料、激光等技術(shù)的發(fā)展和普及為新的制造技術(shù)的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)?？焖僭椭圃煊?0世紀(jì)80年代后期產(chǎn)生于美國(guó)，并很快擴(kuò)展到日本及歐洲，于20世紀(jì)90年代初引入我國(guó)，是近20年來(lái)制造技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破。1.2快速原型制造技術(shù)的概念快速原型制造技術(shù)（RPM---RapidPrototypingManufacturing）是一種借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，或用實(shí)體反求方法采集得到有關(guān)原型或零件的幾何形狀、結(jié)構(gòu)和材料的組合信息，從而獲得目標(biāo)原型的概念并以此建立數(shù)字化描述模型，之后將這些信息輸出到計(jì)算機(jī)控制的機(jī)電集成制造系統(tǒng)，通過(guò)逐點(diǎn)、逐面進(jìn)行材料的“二維堆砌”成型（添加成型又稱堆積成型，是通過(guò)逐步連接原材料顆粒、絲桿、層板等，或者是通過(guò)流體、熔體、液體或氣體在指定位置凝固定形達(dá)到目的，其最大特點(diǎn)是不受成型零件發(fā)雜程度的限制），再經(jīng)過(guò)必要的處理，使其在外觀、強(qiáng)度和性能等方面達(dá)到設(shè)計(jì)要求，達(dá)到快速、準(zhǔn)確地制造原型或?qū)嶋H零件、部件的現(xiàn)代化方法。1.2快速原型制造技術(shù)的概念

RPM工藝極大地依賴于材料本身的特性，所處理的材料既要首先能夠滿足離散/堆積成形的特殊要求，又要能進(jìn)行后處理和成形后具有必要功能，因此RPM工藝所擅長(zhǎng)處理的材料目前只限于樹(shù)脂、蠟、某些工程塑料和紙等幾類，與制造領(lǐng)域廣泛使用的金屬等高強(qiáng)度材料尚有距離，故以往多用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程制造物理原型件，也就是說(shuō)RPM最初是作為復(fù)雜形狀構(gòu)件原型的成形方法出現(xiàn)的，故稱之為“快速原型制造”。1.3快速原型制造技術(shù)的原理及特點(diǎn)快速原型制造技術(shù)的原理：RPM是由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)的快速制造任意復(fù)雜形狀三維實(shí)體的技術(shù)總稱。其基本過(guò)程是：首先由CAD軟件設(shè)計(jì)出所需要的計(jì)算機(jī)三維曲面或?qū)嶓w模型，即數(shù)字模型或稱電子模型；然后根據(jù)工藝要求，按照一定的規(guī)劃將該模型離散為一系列有序的單元，通常在z向?qū)⑵浒匆欢ê穸冗M(jìn)行離散（習(xí)慣稱為分層），把原來(lái)的三維電子模型變成一系列的二維層片；再根據(jù)每個(gè)層片的輪廓信息，進(jìn)行工藝規(guī)劃，選擇合理的加工參數(shù)，自動(dòng)生成數(shù)控代碼；最后由成形機(jī)接受控制指令制造一系列層片并自動(dòng)將它們聯(lián)接起來(lái)，得到一個(gè)三維實(shí)體。這樣就將一個(gè)物理實(shí)體的復(fù)1.3快速原型制造技術(shù)的原理及特點(diǎn)

雜的三維加工離散成一系列層片的加工，大大降低了加工難度，并且成形過(guò)程的難度與待成形的物理實(shí)體形狀和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度無(wú)關(guān)。1.3快速原型制造技術(shù)的原理及特點(diǎn)原理示意圖：1.3快速原原型制制造技技術(shù)的的原理理及特特點(diǎn)RPM工作流流程大大致分分為三三個(gè)階階段：：1.前處理理。這個(gè)階階段除除通過(guò)過(guò)造型型軟件件或反反求工工程構(gòu)構(gòu)造三三維CAD模型外外，通通常還還需對(duì)對(duì)三維維模型型進(jìn)行行近似似處理理。常常用的的近似似處理理方法法是用用一系系列的的小三三角形形平面面來(lái)逼逼近自自由曲曲面，，生成成所謂謂STL格式文文件。。2.在RPM設(shè)備上上快速速成形形。首先用用配置置在RPM設(shè)備上上的切切片軟軟件沿沿成形形制件件的高高度方方向每每隔一一定距距離（（多為為0.1mm）從CAD模型上上依次次截取取平面面輪廓廓信息息，隨隨后RPM設(shè)備上上的激激光頭頭或噴噴射頭頭在數(shù)數(shù)控裝裝置的的控制制下按按截面面輪廓廓信息息相對(duì)對(duì)于X-Y平面工工作臺(tái)臺(tái)運(yùn)動(dòng)動(dòng)，進(jìn)進(jìn)行選選擇性性激光光掃描描（實(shí)實(shí)現(xiàn)固固化、、切割割或燒燒結(jié)））或者者進(jìn)行行選擇擇性噴噴射（（噴射射熱熔熔材料料或粘粘結(jié)劑劑），，以物物理或或化學(xué)學(xué)方法法逐層層成1.3快速原原型制制造技技術(shù)的的原理理及特特點(diǎn)CAD模型Z向離散散化（（分層層）層面信信息處處理層面制制造與與連接接加工完完成后處理理YN分解過(guò)過(guò)程組合過(guò)過(guò)程計(jì)算機(jī)機(jī)信息息處理理過(guò)程程成形機(jī)機(jī)成型型過(guò)程程形并相相互粘粘結(jié)（（每成成形一一層工工作臺(tái)臺(tái)便下下移一一個(gè)切切片厚厚度）），這這樣一一層層層堆積積便構(gòu)構(gòu)成三三維實(shí)實(shí)體制制件。。3.后處理理。為改善善制件件的性性能，，往往往需要要進(jìn)行行后處處理，，比如如在紙紙質(zhì)制制件的的表面面涂覆覆一層層金屬屬、陶陶瓷或或高分分子材材料，，以提提高制制件表表面的的機(jī)械械強(qiáng)度度、耐耐磨性性和防防潮性性等。。1.3快速原原型制制造技技術(shù)的的原理理及特特點(diǎn)RPM與傳統(tǒng)統(tǒng)制造造技術(shù)術(shù)相比比具有有的特特點(diǎn)：：（1）產(chǎn)品品的單單價(jià)幾幾乎與與產(chǎn)品品批量量無(wú)關(guān)關(guān),特別適適合新新產(chǎn)品品的開(kāi)開(kāi)發(fā)和和單件件小批批量生生產(chǎn)。。（2）產(chǎn)品品的造造價(jià)幾幾乎與與產(chǎn)品品的復(fù)復(fù)雜程程度無(wú)無(wú)關(guān),這是傳傳統(tǒng)的的制造造方法法無(wú)法法比擬擬的。。（3）高度度的柔柔性制制造過(guò)過(guò)程和和完全全數(shù)字字化。。（4）高度度的集集成化化。RPM技術(shù)可可與傳傳統(tǒng)制制造技技術(shù)集集合,實(shí)現(xiàn)了了CAD/CAPP/CAM的集成成。（5）生成成的零零件可可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)少或或無(wú)切切屑加加工。。（6）無(wú)需需專用用模具具、夾夾具具等專專用工工裝即即可獲獲得零零件。。(1)立體印印刷技技術(shù)（（SLA）(2)選擇性性激光光燒結(jié)結(jié)（SLS）(3)熔融沉沉積成成型（（FDM）2.典型的的PRM技術(shù)(4)層合實(shí)實(shí)體制制造技技術(shù)（（LOM）(5)三維印印刷（（3DP）(6)彈道微微粒制制造技技術(shù)（（BPM）(7)三維焊焊接工工藝（（3DW）2.典型的的RPM技術(shù)(8)其他成成型方方法與與技術(shù)術(shù)2.典型的的RPM技術(shù)（1）立體體印刷刷技術(shù)術(shù)（SLA）SLA（StereolithographyApparatus）法，，其工工作原原理是是：SLA立體印印刷又又稱立立體光光刻、、光造造型，，液槽槽中盛盛滿液液態(tài)光光固化化樹(shù)脂脂，在在一定定劑量量的紫紫外線線激光光照射射下會(huì)會(huì)在一一定區(qū)區(qū)域內(nèi)內(nèi)固化化。成成型開(kāi)開(kāi)始時(shí)時(shí)，工工作平平臺(tái)在在液面面下，，聚焦焦后的的激光光光電電在液液面上上按計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)的指指令逐逐點(diǎn)掃掃描，，在同同一層層內(nèi)側(cè)側(cè)逐點(diǎn)點(diǎn)固化化。當(dāng)當(dāng)一層層掃描描完成成后被被照射射的地地方就就固化化，未未被照照射的的地方方仍然然是液液態(tài)樹(shù)樹(shù)脂。。然后后升降降架帶帶動(dòng)平平臺(tái)再再下降降一層層高度度，上上面又又布滿滿一層層樹(shù)脂脂，以以便進(jìn)進(jìn)行第第二層層的掃掃描，，新固固化的的一層層牢固固的粘粘在前前一層層上，，如此此重復(fù)復(fù)直到到三維維零件件制作作完成成。2.典型的的RPM技術(shù)2.典型的的RPM技術(shù)（2）選擇擇性激激光燒燒結(jié)（（SLS）SLS（Selectivelasersintering)，其基基本原原理如如下圖圖。整整個(gè)工工藝裝裝置由由粉末末缸和和模型型缸組組成，，工作作時(shí)粉粉末缸缸活塞塞上升升，由由鋪粉粉輥將將粉末末在模模型缸缸活塞塞上均均勻鋪鋪上一一層，，計(jì)算算機(jī)根根據(jù)原原型的的切片片模型型控制制激光光束的的二維維掃描描軌跡跡，有有選擇擇地?zé)裏Y(jié)固固體粉粉末材材料以以形成成零件件的一一個(gè)層層面。。在燒燒結(jié)之之前，，整個(gè)個(gè)工作作臺(tái)被被加熱熱至稍稍低于于粉末末熔化化溫度度，以以減少少熱變變形，，并利利于與與前一一層面面的結(jié)結(jié)合。。粉末末完成成一層層后，，工作作活塞塞下降降一個(gè)個(gè)層厚厚，鋪鋪粉系系統(tǒng)鋪鋪設(shè)新新粉，，控制制激光光束掃掃描燒燒結(jié)新新層。。如此此循環(huán)環(huán)往復(fù)復(fù)，層層層疊疊加，，就得得到三三維零零件。。2.典型的的RPM技術(shù)圖：：選擇擇性激激光燒燒結(jié)工工作原原理2.典型的的RPM技術(shù)（3）熔融融沉積積成型型（FDM）FDM（FusedDepositionModeling)又稱熔熔化堆堆積法法。熔熔融擠擠出成成模。。其基基本原原理為為采用用熱熔熔噴頭頭，使使半流流動(dòng)狀狀態(tài)的的材料料按CAD分層數(shù)數(shù)據(jù)控控制的的路徑徑擠壓壓并沉沉積在在指定定的位位置置凝固固成型型，逐逐層沉沉積、、凝固固后形形成整整個(gè)原原型或或零件件。FDM工藝關(guān)關(guān)鍵是是保持持熔融融的成成型材材料剛剛好在在凝固固點(diǎn)之之上，，通常?？刂浦圃诒缺饶坦厅c(diǎn)高高1左右。。目前前，最最常用用的熔熔絲線線材主主要是是ABS、人造造橡膠膠、鑄鑄蠟和和聚酯酯熱塑塑性塑塑料等等。2.典型的的RPM技術(shù)如圖所所示，，快速速成型型機(jī)的的加熱熱噴頭頭受計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)控制制，根根據(jù)水水平分分層數(shù)數(shù)據(jù)作作x-y平面運(yùn)運(yùn)動(dòng)。。絲材材由運(yùn)運(yùn)絲機(jī)機(jī)構(gòu)送送至噴噴頭，，經(jīng)過(guò)過(guò)加熱熱、熔熔化，，從噴噴頭擠擠出粘粘結(jié)到到工作作臺(tái)面面，然然后快快速冷冷卻并并凝固固。每每一層層截面面完成成后，，工作作臺(tái)下下降一一層的的高度度，再再繼續(xù)續(xù)進(jìn)行行下一一層的的造型型。如如此反反復(fù)，，直至至完成成整個(gè)個(gè)實(shí)體體的造造型。。每層層的厚厚度根根據(jù)噴噴頭擠擠絲的的直徑徑大小小確定定。2.典型的的RPM技術(shù)（4）層合合實(shí)體體制造造技術(shù)術(shù)（LOM）層合實(shí)實(shí)體制制造（（LaminatedObjectManufacturing)，又稱稱分層層實(shí)體體制造造、分分層物物件制制造等等。其其基本本原理理是將將單面面涂有有熱熔熔膠的的薄膜膜材料料或其其他材材料的的箔帶帶切割割成欲欲制原原型在在該層層平面面的內(nèi)內(nèi)外輪輪廓，，再通通過(guò)加加熱輥輥加熱熱，使使剛剛剛切好好的一一層與與下面面的已已切割割層粘粘接在在一起起，通通過(guò)逐逐層切切割、、粘合合，最最后將將不需需要的的材料料剝離離，得得到欲欲求的的原型型。2.典型的RPM技術(shù)XY掃描頭模型上表面面堆積中的模模型工作臺(tái)激光器熱軋輥材料供應(yīng)輥輥材料卷取輥激光2.典型的RPM技術(shù)（5）三維印刷刷（ThreeDimensionPrinting,3DP）它是指將固固體材料熔熔融，采用用噴墨打印印原理將其其有序的噴噴出，一個(gè)個(gè)層面一個(gè)個(gè)層面的堆堆積建造而而形成一個(gè)個(gè)三維實(shí)體體。其工藝藝原理：首首先鋪粉或或鋪基底薄薄層，利用用噴嘴按指指定路徑將將液態(tài)粘結(jié)結(jié)劑噴在預(yù)預(yù)先鋪好的的粉層或薄薄層上特定定區(qū)域，逐逐層粘結(jié)后后去除多余余底料便得得到所需形形狀制件。。也可以直直接逐層噴噴涂陶瓷或或其他材料料粉漿，硬硬化后得到到所需形狀狀的制件。。2.典型的RPM技術(shù)（6）彈道微粒粒制造工藝藝（BallisticParticleManufacturing,BPM）它是一個(gè)壓壓電噴射（（頭）系統(tǒng)統(tǒng)來(lái)沉積熔熔化了的熱熱塑性材料料的微小顆顆粒。BPM的噴頭安裝裝在一個(gè)五五軸的運(yùn)動(dòng)動(dòng)構(gòu)件上，，對(duì)于零件件中的懸臂臂部分，可可以不加支支撐，而““不聯(lián)通””的部分還還要加支撐撐。2.典型的RPM技術(shù)(7)三維焊接工工藝（ThreeDimensionalWelding,3DW）三維焊接工工藝，采用用現(xiàn)有各種種成熟的焊焊接技術(shù)、、焊接設(shè)備備及工藝方方法，用逐逐層堆焊的的方法制造造出全部由由焊縫金屬屬組成的零零件，也稱稱熔化成型型或全焊縫縫金屬零件件制造技術(shù)術(shù)。(8)其他成型方方法與技術(shù)術(shù)冰成型方法法基于液滴在在電場(chǎng)中平平行飛行軌軌跡控制的的液滴成型型（UniformDropletSpray）實(shí)體基礎(chǔ)固固化（SolidGroundCuring,SGC）基于電磁偏偏轉(zhuǎn)軌跡控控制的拋射射成型等3、應(yīng)應(yīng)用用快快速速原原型型制制造造技技術(shù)術(shù)的的意意義義（1）大大大大縮縮短短新新產(chǎn)產(chǎn)品品研研制制周周期期，，確確保保新新產(chǎn)產(chǎn)品品上上市市時(shí)時(shí)間間---使模模型型或或模模具具的的制制造造時(shí)時(shí)間間縮縮短短數(shù)數(shù)倍倍甚甚至至數(shù)數(shù)十十倍倍。。（2）提提高高了了制制造造復(fù)復(fù)雜雜零零件件的的能能力力---使復(fù)復(fù)雜雜模模型型的的直直接接制制造造成成為為可可能能。。（3）顯顯著著提提高高新新產(chǎn)產(chǎn)品品投投產(chǎn)產(chǎn)的的一一次次成成功功率率---可以以及及時(shí)時(shí)發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)產(chǎn)產(chǎn)品品設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)的的錯(cuò)錯(cuò)誤誤，，做做到到早早找找錯(cuò)錯(cuò)、、早早修修改改，，避避免免更更改改后后續(xù)續(xù)工工序序所所造造成成的的大大量量損損失失。。（4）支支持持同同步步（（并并行行））工工程程的的實(shí)實(shí)施施---使設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)、、交交流流和和評(píng)評(píng)估估更更加加形形象象化化，，使使新新產(chǎn)產(chǎn)品品設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)、、樣樣品品制制造造、、市市場(chǎng)場(chǎng)定定貸貸、、生生產(chǎn)產(chǎn)準(zhǔn)準(zhǔn)備備等等工工作作能能并并行行進(jìn)進(jìn)行行。。（5）支支持持技技術(shù)術(shù)創(chuàng)創(chuàng)新新、、改改進(jìn)進(jìn)產(chǎn)產(chǎn)品品外外觀觀設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)---有利利于于優(yōu)優(yōu)化化產(chǎn)產(chǎn)品品設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)，，這這對(duì)對(duì)工工業(yè)業(yè)外外觀觀設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)尤尤為為重重要要。。3、應(yīng)應(yīng)用用快快速速原原型型制制造造技技術(shù)術(shù)的的意意義義（6）成成倍倍降降低低新新產(chǎn)產(chǎn)品品研研發(fā)發(fā)成成本本---節(jié)省省了了大大量量的的開(kāi)開(kāi)模模費(fèi)費(fèi)用用。?？焖偎倌Ｄ＞呔咧浦圃煸炜煽裳秆杆偎賹?shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)單單件件及及小小批批量量生生產(chǎn)產(chǎn)，，使使新新產(chǎn)產(chǎn)品品上上市市時(shí)時(shí)間間大大大大提提前前，，迅迅速速占占領(lǐng)領(lǐng)市市場(chǎng)場(chǎng)。。4、快快速速原原型型制制造造技技術(shù)術(shù)的的現(xiàn)現(xiàn)狀狀及及發(fā)發(fā)展展前前景景快速速原原型型制制造造技技術(shù)術(shù)現(xiàn)現(xiàn)狀狀：：我國(guó)國(guó)RPM方面面的的研研究究始始于于20世紀(jì)紀(jì)90年代代初初，，最最早早是是清清華華大大學(xué)學(xué)1992年開(kāi)開(kāi)始始首首次次從從事事RPM技術(shù)術(shù)的的研研究究工工作作。。目目前前華華中中理理工工大大學(xué)學(xué)、、西西安安交交通通大大學(xué)學(xué)、、北北京京隆隆源源自自動(dòng)動(dòng)成成形形有有限限公公司司和和清清華華大大學(xué)學(xué)等等單單位位在在RPM工藝藝原原理理研研究究、、成成形形設(shè)設(shè)備備開(kāi)開(kāi)發(fā)發(fā)、、材材料料和和工工藝藝參參數(shù)數(shù)優(yōu)優(yōu)化化研研究究等等方方面面做做了了大大量量卓卓有有成成效效的的工工作作，，有有些些單單位位開(kāi)開(kāi)發(fā)發(fā)的的RPM設(shè)備備已已接接近近或或達(dá)達(dá)到到商商品品化化機(jī)機(jī)器器的的水水平平。?？?/p>