先進制造技術(shù)022課件

1、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）快速成形制造技術(shù)選擇性液體固化的基本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。選擇性液體固化工藝(SLA)

SLA工藝于1984年獲美國專利，1988年美國3DSystem公司推出的商品化樣機SLA—1，是世界上第一臺快速原型技術(shù)成形機。立體光刻（SLA—StereoLithographyApparatus)又稱立體印刷光成形激光印刷光固化立體造型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，再切割出的層片。這樣層層迭加后得到下一個塊狀物，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。選擇性層片粘接（LOM）分層實體制造(LaminatedObjectManufacturing--LOM)

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。

選擇性層片粘接工藝由于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。LOM產(chǎn)品的特點選擇性層片粘接（LOM）返回選擇性激光燒結(jié)（SLS）選擇性激光燒結(jié)(SLS)SelectiveLaserSintering激光熔結(jié)（LF）LaserFusion

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SLSModel125成形機。影片材料適應(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。2.SLS工藝不需加支撐，因為沒有燒結(jié)的粉末起到了支撐的作用。SLS的產(chǎn)品特點3.

精度不高。平均精度為±0.15~±0.2mm，表面粗糙度不好，不宜做薄壁件。選擇性激光燒結(jié)（SLS）返回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。1.FDM工藝不用激光器件，因此使用、維護簡單，成本較低。2.精度可達±0.12mm，適合做薄壁件。3.污染小，材料可以回收。FDM的產(chǎn)品特點熔融沉積成型(FDM)3.5.2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(SolidFreeformFabrication)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(MaterialIncreaseManufacturing)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(InstantManufacturing)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(LayeredManufacturing)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(DirectCADManufacturing)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。快速成形制造技術(shù)的基本概念快速成形（RP—RapidPrototyping

）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

—RapidPrototypingManufacturing）

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。CAD系統(tǒng)與RP系統(tǒng)之間的接口標準一般用于快速成形的CAD模型可以是實體模型、曲面模型和線框模型，通常的應(yīng)用以實體模型為主。在CAD系統(tǒng)中完成三維造型后，就要把數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化成快速原型系統(tǒng)能夠識別的文件格式，常用的有面片模型文件(如STL、CFL文件等)或?qū)悠Ｐ臀募?如HPGL、LEAF、CLI文件等)。1.STL(StereoLithographyinterfacespecification)格式STL最初是用于美國30Systems公司生產(chǎn)的SLA快速原型系統(tǒng)的一種文件格式，目前是快速原型系統(tǒng)與CAD系統(tǒng)之間的準行業(yè)數(shù)據(jù)交換標準。一個STL模型如圖8一1所示。STL文件格式中每一個三角面片由四個數(shù)據(jù)項表示，即三個頂點坐標和面片的法矢，而STL文件就是所有三角面片的集合.STL文件格式有ASCll碼和二進制碼兩種輸出形式.二進制碼輸出形式所占用的文件空間比ASCll碼輸出形式的小得多，但是ASCll碼輸出形式直觀明了、便于檢查從STL數(shù)據(jù)模型可以看出，它擬合實體表面的三角平面信息是散亂、無序存儲的，平面片與平面片之間沒有體現(xiàn)幾何拓撲關(guān)系的信息，因此就不能保證實體模型的有效性、封閉性。在每一個三角平面的信息中都給出組成三角面片的3個頂點坐標值。在相鄰的三角面片的信息中，這些頂點的坐標值被重復(fù)給出，如果一個頂點為多個三角面片所共有，則同樣的頂點坐標值將在每個三角面片中重復(fù)給出造成了大量的冗余數(shù)據(jù)。2.STL文件格式的規(guī)則STL文件格式的規(guī)則如下：1)共頂點規(guī)則每一個小三角面片必須與每個相鄰的小三角面片共用兩個頂點，也就是說，一個小三角面片的頂點不能落在相鄰的任何一個三角面片的邊上，否則不能順利進行切片處理。2)取向規(guī)則對于每一個小三角面片，其法矢必須向外，3個頂點連成的矢量方向按右手法則確定，而且，對于相鄰的小三角面片，不能出現(xiàn)取向矛盾。3)取值規(guī)則每個小三角面片的頂點坐標值必須是正數(shù)，零和負數(shù)是錯誤的。4)充滿規(guī)則在模型的所有表面上，必須布滿小三角面片，不得有任何遺漏。基于IGES的切片算法復(fù)雜。不支持網(wǎng)格模型包含大量冗余信息缺點提供全面的實體信息來精確描述3D模型。支持廣泛優(yōu)點的特點IGES息交換標準(美國國家標準)。許多MIM系統(tǒng)都接受IGES文件。IGES(initialgraphicsexchangeinterface)是用于商業(yè)CAD系統(tǒng)的圖形信3.現(xiàn)有各類中間文件格式的運用第二章加工域活動中的先進工藝①IGESSTEP所包含的信息對于從CAD到RP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是足夠充分的。STEP為國際標準將會被所有CDA系統(tǒng)支持;CAD與RP之間的數(shù)據(jù)接。其原由是:程產(chǎn)品交換標準(ISO10303)。其發(fā)展趨勢是今后所有RP系統(tǒng)都應(yīng)把STEP作為STEP(StandardfortheExchangeofProductModelData)是一個新的工③STEP第二章加工域活動中的先進工藝RP系統(tǒng)STL、IGES、STEP……STLCT或MRI供了人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高分辨率影像。這些數(shù)據(jù)可轉(zhuǎn)換為RP系統(tǒng)所識別的格式。CT(computerizedtomography)和MRI（magneticresonanceimaging）提④CT和MRICAD第二章加工域活動中的先進工藝成形薄層強度低,不同方向組織均勻性差。薄層成形時收縮大,易翹曲變形;數(shù)據(jù)存儲量小。方式簡單,計算方便;缺點X優(yōu)點YSLA和SLS中普遍采用的是長線掃描方式。材料固化或燒結(jié),生成薄層。薄層制造是通過掃描路徑的規(guī)劃和控制來實現(xiàn)的。激光按一定的掃描模式使三、原型制作時的掃描路徑第二章加工域活動中的先進工藝描方向能夠自由收縮。所以零件內(nèi)部應(yīng)力較小,變形也小。分形掃描路徑都是小折線,掃描方向在不斷改變,使得剛剛燒過的部分沿掃結(jié)構(gòu),具有遞歸性,易于計算機處理。當分形曲線的維數(shù)為2時,曲線可充滿平面?生成非自交、簡單且自相似的這種掃描法的掃描路線為分形曲線,故又稱為分形掃描路徑。3.STAR-WEAVE掃描法第二章加工域活動中的先進工藝將沉浸后的模型提供給客戶或潛在用戶市場模型用模型來驗證設(shè)計概念是否可行。概念的證明用實物模型達到設(shè)計的可視化。設(shè)計可視化用實物來驗證設(shè)計的合理性。CAD模型驗證從生長型制造技術(shù)的特點看?其典型應(yīng)用包括以下幾個方面?四、MIM的典型應(yīng)用第二章加工域活動中的先進工藝◆實例1：手機外殼橡膠模◆實例2：拐頭樹脂型復(fù)合?！魧嵗?：電子產(chǎn)品注射模生產(chǎn)，就需要利用樣件實物重建CAD模型。在只有樣件，沒有相應(yīng)圖紙文檔的情況下，對樣件進行修改、改進設(shè)計、②重建CAD文檔重新生成，即可實現(xiàn)所謂的三維傳真。逆向工程與RP技術(shù)結(jié)合，可將三維實體抄數(shù)后，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，并在異地①三維傳真改，生成三維實體數(shù)模，進而可生成其數(shù)控程序或RP加工文件。（樣品或模型），利用三維數(shù)字化測量設(shè)備獲得測量數(shù)據(jù)，進行建模、編輯、修逆向工程（reverseengineering,RE）也稱為反求工程，是對現(xiàn)有三維實體2.面向RP技術(shù)的逆向工程（RE和RP結(jié)合）第二章加工域活動中的先進工藝第二章加工域活動中的先進工藝型、假肢或人工關(guān)節(jié)等。利用CT及MRI設(shè)備采集人體器官、骨骼等數(shù)據(jù)，利用RP技術(shù)可制造教學(xué)模⑦醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)和逆向工程應(yīng)用于模具制造，可使制造成本和周期減少約1/2。在模具的設(shè)計、制造過程中，樣件的設(shè)計和加工是重要的環(huán)節(jié)之一。將RP④實現(xiàn)快速模具制造要先制作手工模型，然后運用逆向工程將實物模型轉(zhuǎn)化為CAD模型。具有復(fù)雜曲面的實體，利用CAD軟件直接建立其CAD模型十分困難。常常③構(gòu)建復(fù)雜實體的CAD模型第二章加工域活動中的先進工藝虛擬漫游。目前已經(jīng)建立了標準化的數(shù)字人體?？梢岳脭?shù)字化人體，進行人體內(nèi)的換等。醫(yī)學(xué)斷層成像的應(yīng)用包括：二維斷層圖像、三維模型重建及向RP文件的轉(zhuǎn)CT或MRI掃描的斷層信息建立三維醫(yī)學(xué)模型，并利用RP技術(shù)制作醫(yī)學(xué)模型。早期的人體骨骼模型大多用手工制作。隨著斷層成像技術(shù)的成熟，能夠按1.醫(yī)學(xué)斷層成像技術(shù)與RP技術(shù)五、RPM在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用第二章加工域活動中的先進工藝一標準的頒布與實施為異地專家會診和遠程實時診斷奠定了基礎(chǔ)。成為ACR-NEMADICOM（digitsimagingandcommunicationinmedicine）。這上述標準沒有制定設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的連接標準，所以對其進行了補充和修改，間能相互交換數(shù)據(jù)及相互利用硬件。成為國際通用標準ACR-NEMA300-1988。其目的是可以使不同的醫(yī)學(xué)成像設(shè)備之ManufacturersAssociation）組織提出了ACR-NEMA標準?經(jīng)多次修改于1988年美國ACR（AmericanCollegeofRadiologist）和NEMA（TheNationalElectrical由于各CT廠的CT和MRI文件格式不統(tǒng)一，不便于診斷信息的共享。1983年2.醫(yī)學(xué)斷層的數(shù)據(jù)交換標準第二章加工域活動中的先進工藝生產(chǎn)方法的研究產(chǎn)品、數(shù)字藝術(shù)化、新的設(shè)計方法與研究比較活躍的領(lǐng)域有醫(yī)學(xué)、定制新的應(yīng)用領(lǐng)域的研究功能性材料、功能梯度技術(shù)。新材料的研究體現(xiàn)在性能改善、盡可能降低RP成形的成本。新材料的研究經(jīng)濟型RP系統(tǒng)的研制RP成形機的速度。在不犧牲精度的前提下?提高快速系統(tǒng)的研制RP技術(shù)的發(fā)展十分迅速，其發(fā)展趨勢大體有以下幾個方面：六、RPM技術(shù)的發(fā)展趨勢第二章加工域活動中的先進工藝充分考慮了能源、材料、環(huán)境等諸多因素。這一定義嚴格地將再制造的維修技術(shù)與傳統(tǒng)的修復(fù)操作與回收利用劃分開具有或者高于原來的零部件。的零部件通過再制造技術(shù)進行修復(fù)，使得修復(fù)以后的零部件的性能與壽命期望值義：在工廠里，通過一系列的工業(yè)過程將決定退役的產(chǎn)品進行拆卸，不能使用早在1983年美國的Lund等人就對再制造（Remanufacture）過程進行了定一、再造技術(shù)用的材料與產(chǎn)品的可重新利用。制造所帶來的環(huán)境污染與資源浪費的方法很多，但是基礎(chǔ)方法是對用于制造與使可持續(xù)制造是一種環(huán)境友好、潔凈的、節(jié)省資源的制造制造技術(shù)。減少由于第二節(jié)可持續(xù)制造技術(shù)tOE-反相同步發(fā)生信號誤差原理其它機構(gòu)t輸出OE0CNC系統(tǒng)運動合成tO?被補償對象?現(xiàn)有系統(tǒng)E+源差誤至提高其精度。足使用要求，但設(shè)備結(jié)構(gòu)仍然完整并能穩(wěn)定運行。采用誤差補償技術(shù)可恢復(fù)甚當一臺機床，特別是高精度機床經(jīng)長期使用后會因其精度下降而不能滿1.誤差補償技術(shù)第二章加工域活動中的先進工藝◆誤差信號發(fā)生裝置產(chǎn)生出被補償對象固有誤差的誤差圖，作為補償系統(tǒng)中附加誤差的依據(jù)；◆信號同步反向裝置保證附加的誤差輸入與補償對象的固有誤差同步反向，即在任一時刻，這兩個誤差在理論上大小相等而相位相差180度?！暨\動合成裝置實現(xiàn)附加誤差運動與系統(tǒng)固有誤差運動的合成，而輸出為兩個誤差抵消后的結(jié)果。實例第二章加工域活動中的先進工藝驗收自動換刀裝置調(diào)試進給系統(tǒng)改造機床操作面板改造主軸改造電器系統(tǒng)改造CNC系統(tǒng)選擇費用可比購置新機節(jié)約60%至80%。床的機械性能，改善其控制及加工精度，從而實現(xiàn)裝備的精確化和智能化加工。采用先進的數(shù)控化改造技術(shù)對廢舊機床進行改造利用，可有效地恢復(fù)舊機機床CNC改造的主要內(nèi)容：2.機床的CNC再造第二章加工域活動中的先進工藝第二章加工域活動中的先進工藝第二章加工域活動中的先進工藝遍的工藝之一。造工程中應(yīng)用的最為普藝等。其中熱噴涂是再入、焊接及納米噴涂工熱噴涂、涂層、離子注典型的表面工程有電鍍、或提高零件的使用功能。表面工程可有效地恢復(fù)從其表面開始的，應(yīng)用零件的失效往往是3.表面工程第二章加工域活動中的先進工藝◆熱噴涂技術(shù)所謂熱噴涂技術(shù)，就是利用某種熱源將粉狀或絲狀之類的工程材料加熱大溶融或軟化狀態(tài)，以高速噴射到工件表面易堆積成形的方法。熱噴涂原理如圖3-所示。當被噴涂的材料經(jīng)噴嘴以粒子流形式高速噴射到基體表面而涂敷到表面上，顆粒間的結(jié)合大部分是機械結(jié)合，存在一定數(shù)量的孔隙。

圖3-熱噴涂原理改善熱噴涂涂層質(zhì)量的途徑：◆