快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用

快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用機(jī)械工業(yè)出版社（第三版）第一章概論快速成型技術(shù)產(chǎn)生的背景—全球制造戰(zhàn)略的變遷

全球制造業(yè)企業(yè)的整體發(fā)展戰(zhàn)略已經(jīng)從上世紀(jì)60年代“如何做的更多”、70年代“如何做的更便宜”、80年代“如何做的更好”發(fā)展到90年代的“如何做的更快”。第一章概論第一章概論快速成型系統(tǒng)的組成快速成型系統(tǒng)是下面若干先進(jìn)技術(shù)集成的。（1）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)（2）計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)（3）計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC)（4）激光（5）精密伺服驅(qū)動(dòng)（6）新材料快速成型技術(shù)概念第一章概論快速成型（也稱快速原型）制造技術(shù)(RapidPrototyping&Manufacturing，RP&M或RP)，是由CAD數(shù)字模型驅(qū)動(dòng)的通過特定材料采用逐層累積方式制作三維物理模型的先進(jìn)制造技術(shù)。傳統(tǒng)打印機(jī)—2D產(chǎn)品造型產(chǎn)品原型快速成型快速成型技術(shù)—3D第一章概論

與傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)上述用途的方法相比，其顯著優(yōu)勢是：制造周期大大縮短（由幾周、幾個(gè)月縮短為若干個(gè)小時(shí)），成本大大降低。尤其是衍生出來的后續(xù)的基于快速原型的快速模具制造技術(shù)進(jìn)一步發(fā)揮了快速成型制造技術(shù)的優(yōu)越性，可在短期內(nèi)迅速推出滿足用戶需求的一定批量的產(chǎn)品，大幅度降低了新產(chǎn)品開發(fā)研制的成本和投資風(fēng)險(xiǎn)，縮短了新產(chǎn)品研制和投放市場的周期，在小批量、多品種、改型快的現(xiàn)代制造模式下具有強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭。快速原型的優(yōu)勢快速原型的用途

快速成型技術(shù)制作的原型（模型）可用于新產(chǎn)品的外觀評(píng)估、裝配檢驗(yàn)及功能檢驗(yàn)等，作為樣件可直接替代機(jī)加工或者其他成形工藝制造的單件或小批量的產(chǎn)品，也可用于硅橡膠模具的母?；蛉勰ｈT造的消失型等，從而批量地翻制塑料及金屬零件。第一章概論快速成型的制作過程CAD模型切片離散單層制作逐層累積由傳統(tǒng)的“去除”加工法—部分去除大于工件的毛坯上的材料來得到工件而改變?yōu)槿碌摹霸鲩L”加工法—用一層層的小毛坯逐步疊加成大工件，將復(fù)雜的三維加工分解成簡單的二維加工的組合?？焖俪尚图夹g(shù)的主要方法及分類快速成型技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)越性快速成型技術(shù)的早期發(fā)展123第一章概論快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢41892年，J.E.Blanther在其美國專利中曾建議用疊層的方法來制作地圖模型。該方法指出將地形圖的輪廓線壓印在一系列的蠟片上并沿輪廓線切割蠟片，然后堆疊系列蠟片產(chǎn)生三維地貌圖。1902年，CarloBaese在他的美國專利(#774549)中，提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理，這是現(xiàn)代第一種快速成形技術(shù)—“立體平板印刷術(shù)”(StereoLithography)的初始設(shè)想。1940年，Perera提出了在硬紙板上切割輪廓線，然后將這些紙板粘結(jié)成三維地形圖的方法。1964年，E.E.Zang進(jìn)一步細(xì)化了該方法，建議用透明紙板，且每一塊均帶有詳細(xì)的地貌形態(tài)標(biāo)記，制作地貌圖。第一節(jié)快速成型技術(shù)的早期發(fā)展快速成型技術(shù)的基本原理是基于離散的增長方式成型原型或制品。歷史上這種“增長”制造方式由來已久，其發(fā)展根源可以追朔到早期的地形學(xué)工藝領(lǐng)域。第一節(jié)快速成型技術(shù)的早期發(fā)展1972年，K.Matsubara提出在上述方法中使用光固化材料，將光敏聚合樹脂涂覆到耐火顆粒上形成板層，光線有選擇地投射或掃射到這個(gè)板層，將規(guī)定的部分硬化，沒有掃描或沒有硬化的部分被某種溶劑溶化，用這種方法形成的薄板層隨后不斷地堆積在一起形成模型。1976年，P.L.DiMatteo進(jìn)一步明確地提出，這種堆積技術(shù)能夠用來制造用普通機(jī)加工設(shè)備難以加工的曲面，如螺旋槳、三維凸輪和型腔模具等。在具體實(shí)踐中，通過銑床加工成形沿高度標(biāo)識(shí)的金屬層片，然后通過粘接成疊層狀，采用螺栓和帶錐度的銷釘進(jìn)行連接加固，制作了型腔模，如圖所示。由DiMatteo制作的型腔模疊層模型第一節(jié)快速成型技術(shù)的早期發(fā)展1977年，W.K.Swainson在他的美國專利中提出，通過選擇性的三維光敏聚合物體激光照射直接制造塑料模型工藝，同時(shí)Battelle實(shí)驗(yàn)室的R.E.Schwerzel也進(jìn)行了類似的工作。1979年，日本東京大學(xué)T.Nakagawa教授等開始用薄板技術(shù)制造出實(shí)用的工具，如落料模、成形模和注射模等。其中特別值得一提的是，T.Nakagawa教授提出了注射模中復(fù)雜冷卻通道的制作可以通過這種方式來得以實(shí)現(xiàn)。1981年，H.Kodama首先提出了一套功能感光聚合物快速成型系統(tǒng)，應(yīng)用了三種不同的方法制作疊層。第一節(jié)快速成型技術(shù)的早期發(fā)展第一節(jié)快速成型技術(shù)的早期發(fā)展第一節(jié)快速成型技術(shù)的早期發(fā)展第一節(jié)快速成型技術(shù)的早期發(fā)展快速成型系統(tǒng)的開發(fā)商（國外）美國在RP&M系統(tǒng)(設(shè)備)研制、生產(chǎn)、銷售方面占全球主導(dǎo)地位，生產(chǎn)RP&M設(shè)備系統(tǒng)的公司主要有：

3DSystems公司(光固化快速成型設(shè)備)

Stratasys公司(熔融沉積快速成型設(shè)備)

Helisys公司(疊層實(shí)體快速成型設(shè)備)

DTM公司（粉末激光燒結(jié)快速成型設(shè)備）歐洲和日本等國家也不甘落后，紛紛進(jìn)行RP&M技術(shù)、設(shè)備研制等方面的研究工作，如德國的EOS公司、以色列的Cubital公司以及日本的CMET公司等。第一節(jié)快速成型技術(shù)的早期發(fā)展快速成型技術(shù)研究及系統(tǒng)開發(fā)（國內(nèi)）我國從上世紀(jì)90年代初由清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)等高校及其他科研院所在國家及地方政府資金支持下啟動(dòng)快速成型技術(shù)的研究工作。幾所高校及部分研究機(jī)構(gòu)在早期的快速成型設(shè)備及相應(yīng)的材料開發(fā)中各有側(cè)重，于90年代中后期陸續(xù)推出各自具有代表性的快速成型設(shè)備。應(yīng)用較多的為：陜西恒通智能機(jī)器有限公司（西安交通大學(xué)）：光固化快速成型設(shè)備（SLA）武漢濱湖機(jī)電有限公司（華中科技大學(xué)）：疊層實(shí)體快速成型設(shè)備（LOM）、

粉末激光燒結(jié)快速成型設(shè)備（SLS）等北京隆源自動(dòng)成型系統(tǒng)有限公司：粉末激光燒結(jié)快速成型設(shè)備（SLS）上海聯(lián)泰科技有限公司：光固化快速成型設(shè)備（SLA）清華大學(xué)：疊層實(shí)體快速成型設(shè)備、熔融沉積快速成型設(shè)備此外，香港大學(xué)、香港中文大學(xué)、香港科技大學(xué)、香港理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)、中北大學(xué)等也開展了有關(guān)設(shè)備、材料和工藝的研究；香港快速原型科技中心、深圳生產(chǎn)力促進(jìn)中心、天津生產(chǎn)力促進(jìn)中心等為普及和推廣快速成型技術(shù)進(jìn)行了卓有成效的工作?？焖俪尚图夹g(shù)的主要方法及分類快速成型技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)越性快速成型技術(shù)的早期發(fā)展123第一章概論快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢4快速成型過程快速成型技術(shù)的制造方式是基于離散堆積原理的累加式成型，從成型原理上提出了一種全新的思維模式，即將計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)的零件三維模型，通過特定的數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換并由專用軟件對(duì)其進(jìn)行分層處理，得到各層截面的二維輪廓信息，按照這些輪廓信息自動(dòng)生成加工路徑，在控制系統(tǒng)的控制下，選擇性地固化光敏樹脂或燒結(jié)粉狀材料或切割一層層的成型材料，形成各個(gè)截面輪廓薄片，并逐步順序疊加成三維實(shí)體，然后進(jìn)行實(shí)體的后處理，形成原型或零件，如圖所示?？焖俪尚碗x散和疊加過程第二節(jié)快速成型技術(shù)的主要方法及分類快速成型主要工藝方法根據(jù)所使用的材料和建造技術(shù)的不同，目前應(yīng)用比較廣泛的方法有如下四種：光固化成型法（StereolithographyApparatus，SLA）采用光敏樹脂材料通過

激光照射逐層固化而成型疊層實(shí)體制造法（LaminatedObjectManufacturing，LOM）

采用紙材等薄層材料通過逐層粘結(jié)和激光切割而成型選擇性激光燒結(jié)法（SelectiveLaserSintering，SLS）采用粉狀材料通過激光選擇性燒結(jié)逐層固化而成型熔融沉積制造法（FusedDepositionManufacturing，F(xiàn)DM）

采用熔融材料加熱熔化擠壓噴射冷卻而成型第二節(jié)快速成型技術(shù)的主要方法及分類快速成型工藝方法分類快速原型技術(shù)從廣義上講可以分成兩類：材料累積和材料去除。但目前人們談及的快速成型制造方法通常指的是累積式的成型方法，而累積式的快速原型制造方法通常是依據(jù)原型使用的材料及其構(gòu)建技術(shù)進(jìn)行分類的，如右圖所示?？焖俪尚凸に嚪椒ǖ姆诸惖诙?jié)快速成型技術(shù)的主要方法及分類快速成型技術(shù)的主要方法及分類快速成型技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)越性快速成型技術(shù)的早期發(fā)展123第一章概論快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢4快速原型技術(shù)的出現(xiàn)，開辟了不用刀具、模具而制作原型和各類零部件的新途徑，也改變了傳統(tǒng)的機(jī)械加工去除式的加工方式，而采用逐層累積式的加工方式，帶來了制造方式的變革。從理論上講，添加成形方式可以制造任意復(fù)雜形狀的零部件，材料利用率可達(dá)100％。和其他先進(jìn)制造技術(shù)相比，快速原型技術(shù)具有如下特點(diǎn)：快速成型技術(shù)特點(diǎn)◎自由成型制造◎制造過程快速◎添加式和數(shù)字化驅(qū)動(dòng)成型方式◎技術(shù)高度集成◎突出的經(jīng)濟(jì)效益◎廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域第三節(jié)快速成型技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)越性◎設(shè)計(jì)者受益快速成型技術(shù)的優(yōu)越性第三節(jié)快速成型技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)越性采用快速成型技術(shù)之后，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)的最初階段，就能拿到實(shí)在的產(chǎn)品樣品，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)和優(yōu)化，并可在不同階段快速地修改、重做樣品，甚至做出試制用工模具及少量的產(chǎn)品。設(shè)計(jì)者無需多次反復(fù)思考、修改，即可盡快得到優(yōu)化結(jié)果，從而能顯著地縮短設(shè)計(jì)周期和降低成本?！蛑圃煺呤芤嬷圃煺咴诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)的最初階段也能拿到實(shí)在的產(chǎn)品樣品，甚至試制用的工模具及少量產(chǎn)品，這使得他們能及早地對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出意見，做好原材料、標(biāo)準(zhǔn)件、外協(xié)加工件、加工工藝和批量生產(chǎn)用工模具等的準(zhǔn)備工作，最大限度地減少失誤和返工，大大節(jié)省工時(shí)、降低成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量。◎推銷者受益推銷者在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最初階段也能拿到實(shí)在的產(chǎn)品樣品甚至少量產(chǎn)品，這使得他們能據(jù)此及早、實(shí)在地向用戶宣傳和征求意見，以及進(jìn)行比較準(zhǔn)確的市場需求預(yù)測，而不是僅憑抽象的產(chǎn)品描述或圖紙、樣本來推銷。所以，快速成型技術(shù)可顯著降低新產(chǎn)品的銷售風(fēng)險(xiǎn)和成本，大大縮短其投放市場的時(shí)間和提高競爭能力。◎用戶受益快速成型技術(shù)的優(yōu)越性第三節(jié)快速成型技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)越性用戶在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最初階段，也能見到產(chǎn)品樣品甚至少量產(chǎn)品，這使得用戶能及早、深刻地認(rèn)識(shí)產(chǎn)品，進(jìn)行必要的測試，并及時(shí)提出意見，從而可以在盡可能短的時(shí)間內(nèi)，以最合理的價(jià)格得到性能最符合要求的產(chǎn)品。快速成型技術(shù)的主要方法及分類快速成型技術(shù)的特點(diǎn)及優(yōu)越性快速成型技術(shù)的早期發(fā)展123第一章概論快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢4快速成型技術(shù)的局限第四節(jié)快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢快速成型技術(shù)發(fā)展到目前階段，主要存在兩大局限：（1）由于成型材料種類和成本的限制，原型多為模型而非實(shí)際需要的工作零件；（2）因數(shù)據(jù)處理及制作工藝等限制，快速成型系統(tǒng)制作的原型很難達(dá)到與CAD設(shè)

計(jì)相同的尺寸精度和實(shí)際使用要求的表面質(zhì)量?？焖俪尚图夹g(shù)的發(fā)展趨勢◎金屬零件的直接快速成型◎概念創(chuàng)新與工藝改進(jìn)◎數(shù)據(jù)優(yōu)化處理及分層方式的演變◎快速成型設(shè)備的專用化和大型化◎開發(fā)性能優(yōu)越的成型材◎成型材料系列化、標(biāo)準(zhǔn)化◎噴射成型技術(shù)的廣泛應(yīng)◎梯度功能材料的應(yīng)用◎組織工程材料快速成型◎開發(fā)新的成型能源◎拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域◎集