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文檔簡介
快速成形制造RPM
-------Rapid
Prototyping
Manufacturing
產(chǎn)生的背景
技術原理(要求掌握)分類(要求掌握)
應用場合快速成型技術全球市場一體化,制造業(yè)競爭激烈,使得產(chǎn)品更新?lián)Q代日益加快。1.產(chǎn)生背景
企業(yè)的競爭力將主要體現(xiàn)在根據(jù)市場要求,不斷地推出新產(chǎn)品。 傳統(tǒng)制造方法的瓶頸機床設備和工模具,費時又費錢。有些企業(yè)往往由于缺乏產(chǎn)品成形制造能力而造成產(chǎn)品設計不盡合理或上市太慢,錯過大好的市場機遇。
RapidPrototyping-RP快速成型技術RP技術是20世紀80年代后期發(fā)展起來的一項高科技成果。
RP技術對制造業(yè)的影響可以和20世紀50~60年代發(fā)展起來的數(shù)控技術相媲美。
RP技術是基于離散(discrete)和堆積(deposit)原理,將零件的CAD模型按一定方式離散,成為可加工的離散面、離散線和離散點,而后采用物理或化學手段,將這些離散的面、線段和點堆積而形成零件的整體形狀。增材制造AdditiveManuf.2.技術原理SLA–光固化立體造型法,三維光刻法,SLS-激光粉末燒結法;LOM-薄片疊層法;FDM-熔絲堆積法;3.RP工藝方法的分類
SL-Stereo(鉛版,立體照片)Lithogra-phy(平版印刷術)ApparatusSL法最成熟,也是市場的最大占有者。美國3DSystems公司1988年制造第一臺原型機(SLA-1)發(fā)明人CharlesHul,1984年獲美國專利3.1
三維光刻法
基于液態(tài)光敏(photosensitive)樹脂(resin)的光聚合(
polymerize)原理。
光敏樹脂在一定波長和功率的紫外激光的照射下能夠迅速發(fā)生光聚合反應,分子量急劇增大,材料也能從液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)。三維光刻法的工作原理*13一層掃描完成后,除該層及之前成型部分,其余仍是液態(tài)樹脂。升降臺帶動工作臺下降一層高度,成型面上又布滿一層樹脂。刮平器刮平樹脂液面,再進行下一層的掃描;新固化的一層牢固地粘在前一層上。如此重復直到整個零件制造完畢,即得到一個三維實體模型。刮平器升降臺工作臺三維光刻工藝的工作原理*14原理演示*15SLA成型機產(chǎn)品——LPS系列氣體激光型(He-Cd50mw):LPS250型(A,B,C配置)LPS350型(A,B,C配置)LPS600型(A,B,C配置)激光器壽命>2000小時配用材料:XH-1,420元/公斤精度高、表面質量好(精度在0.1mm國內SLA精度在0.1—0.3mm之間,并且存在很大的波動性);;原材料利用率接近100%;制造出來的原型件,可以制造各種模具。成形速度較快、系統(tǒng)工作相對穩(wěn)定能制造形狀特別復雜(如空心零件)、特別精細(如首飾、工藝品等)的零件;三維光刻法的工藝特點*18SLA快速成型技術缺點1、需要專用的實驗室環(huán)境,成型件需要后處理,比如:二次固化,防潮處理等工序。2、尺寸穩(wěn)定性差,隨著時間推移,樹脂會吸收空氣中的水分,導致軟薄部分的翹曲變形,進而極大地影響成型件的整體尺寸精度(圓會不像圓是SLA最大的缺陷,豎向)
;3、氦-鎘激光管的壽命僅3000小時,價格較昂貴,由于需對整個截面進行掃描固化,成型時間較長,因此制作成本相對較高。4、可選擇的材料種類有限,必須是光敏樹脂。由這類樹脂制成的工件在大多數(shù)情況下都不能進行耐久性和熱性能試驗,且光敏樹脂對環(huán)境有污染,使皮膚過敏。5、需要設計工件的支撐結構,以便確保在成型過程中制作的每一個結構部位都能可靠定位,支撐結構需在未完全固化時手工去除,容易破壞成型件。
SLS-Selective(選擇性的)Laser(激光)Sintering(燒結)
美國C.R.Dechard1989年發(fā)明3.2選擇性激光粉末燒結法SLS工藝的工作過程粉末平鋪(工作臺)工作平臺下降(約0.1mm)粉末燒結(激光束掃描)輥子刮平層與層燒結三維實體原型SLS工藝的工作過程*23原理演示材料適應面廣塑料材料陶瓷、石蠟等材料直接制造金屬零件無需加支撐沒被燒結的粉末起支撐作用
可燒結制造空心、多層鏤空的復雜零件。零件的構建時間較短,可達到1in/h高度
SLS的工藝特點*26SLS快速原型技術缺點
1、需要專門實驗室環(huán)境,維護費用高昂。2、在加工前,要花近2小時的時間將粉末加熱到熔點以下,當零件構建之后,還要花5-10小時冷卻,然后才能將零件從粉末缸中取出。3、成形件強度和表面質量較差,精度低。表面的粗糙度受粉末顆粒大小及激光光斑的限制,一般不適宜做比較小的部件。4、零件的表面多孔性,為了使表面光滑必須進行滲蠟等后處理。在后處理中難于保證制件尺寸精度,后處理工藝復雜,樣件變型大,無法裝配。5、需要對加工室不斷充氮氣以確保燒結過程的安全性,加工的成本高。6、該工藝產(chǎn)生有毒氣體,污染環(huán)境。*29原理演示*30實物演示LOM工藝只需要在片材(如紙、塑料薄膜等)上切割出零件截面的輪廓,而不用掃描整個截面。因此易于制造大型、實體零件。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,故無需支撐。零件的精度較高(<0.15mm)。薄片分層疊加成形法的工藝特點*32Lom快速原型技術的缺點
1、需要專門實驗室環(huán)境,維護費用高昂。2、可實際應用的原材料種類較少,盡管可選用若干原材料,例如紙、塑料、陶土以及合成材料,但目前常用的只是紙,其他箔材商在研制開發(fā)中。3、表面比較粗糙,工件表面有明顯的臺階紋,成型后要進行打磨;且紙制零件很容易吸潮,必須立即進行后處理、上漆。4、難以構建精細形狀的零件,即僅限于結構簡單的零件。5、由于難以(雖然并非不可能)去除里面的廢料,該工藝不宜構建內部結構復雜的零件。6、當加工室的溫度過高時常有火災發(fā)生。因此,工作過程中需要專職人員職守。
FDM(Fused(熔絲的)
Deposition(沉積)Manufacturing)美國學者Dr.ScottCrump提出1988年美國Stratasys推出商業(yè)化機器3.4熔絲堆積法
FDM工藝是利用熱塑性材料的熱熔性、粘接性,在計算機控制下層層堆積成型。FDM工藝的工作原理抽絲(熱塑性材料)工作臺下降噴頭運動(沿零件截面輪廓和填充軌跡)加熱熔化(噴頭內)三維實體原型熔絲擠出,固化FDM工藝的工作過程*36實物演示FDM工藝不需要激光工藝干凈、簡單、易于材作且不產(chǎn)生垃圾,使用、維護簡單,制造系統(tǒng)可用于辦公環(huán)境,沒有毒氣或化學物質的危險。成本較低,原材料費用低,一般零件均低于20美元;原材料以卷軸絲的形式提供,易于搬運和快速更換??煽焖贅嫿ㄆ繝罨蛑锌樟慵?蛇x用多種材料,如可染色的ABS和醫(yī)用ABS、澆鑄用蠟和人造橡膠。FDM工藝特點*38FDM快速原型技術的缺點1、精度較低,難以構建結構復雜的零件。2、垂直方向強度小。3、速度較慢,不適合構建大型零件
TDP,3DP(ThreedimensionPrinting)麻省理工學院的EmanualSachs等提出3.5三維打印TDP工藝與SLS工藝類似,采用粉末材料成形,如陶瓷粉末、金屬粉末、甚至淀粉和石膏粉末等。所不同的是材料粉末不是通過燒結連接起來的,而是通過噴頭用粘接劑(如硅膠)將零件的截面“印刷”在材料粉末上面。a.TDP工藝的工作原理b.TDP工藝的工作過程*423DP快速成形技術的優(yōu)點1)3DP快速成形機類似打印機,易于操作,工藝過程較為清潔,可作為計算機的外圍設備用于辦公環(huán)境。2)可使用多種原材料,如淀粉加粘合劑、液態(tài)蠟,熔融塑料或光敏樹脂等。3)3DP快速成形機的價格較為便宜。4)成形速度較快,Z406型TDP快速成形機單色每分鐘可打印6層(0.6mm厚)。*433DP快速成形技術的缺點1)精度和表面粗糙度不夠理想,主要用于制作概念模型,不適合構建結構復雜和細節(jié)較多的原型。2)由于材料從噴嘴中噴出,以微粒堆砌成為三維原型,微粒粘合力有限,原型的強度較小。*44總結:
快速成形的基本流程CAD前處理快速造型后處理三維模型生成STL文件建立支撐切片造型除去支撐清理表面穩(wěn)定處理成品*45基于快速成形工藝的金屬加工比較*46快速成形技術的性能和價格比較成形工藝光敏樹脂固化薄材疊層制造激光粉末燒結三維打印主要供應商
3DSystems
CubicTechnologies
EOS
Z—Corporation設備型號
SLA5000
LOM2030H
EOSintM250
Z6lO最大成行尺寸(mm)
508×508×584
8l2x560x508
250×250×200
203×254×203成形速度中等快中等很快成形精度很高一般高一般光潔度很高一般一般一般主要優(yōu)點原型形狀精確原型尺寸大原型較精確成形速度快設備類型較多材料便宜材料多樣化彩色原型主要缺點需要支撐結后處理費事設備價格高原型強度低構和后處理原型精度低表面光潔度低表面光潔度低堆砌材料片狀、粒狀、液體堆砌技術膠粘劑粘結、光誘導粘結、激光熔合、高分子樹脂固化、熔融材料固化RP工藝方法我國于20世紀90年代初研究。
研究機構:華中科技大學快速制造中心陜西省激光快速成形與模具制造工程研究中心西安交通大學先進制造技術研究所(盧秉恒)北京清華大學殷華實業(yè)有限公司(顏永年)3.5快速成型技術的發(fā)展快速成型技術的應用非常廣泛(制造領域的各個行業(yè)、醫(yī)療、人體工程、文物保護等)。4.快速成型技術的應用新產(chǎn)品驗證(設計,功能,可制造性、可裝配性檢驗,市場驗證)快速制模技術;反求工程與快速成型;醫(yī)療手術模擬;使用快速成型技術快速制作產(chǎn)品的物理模型,以驗證設計人員的構思,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設計中存在的問題。使用傳統(tǒng)方法制作原型意味著從繪圖到工裝模具設計和制造,一般至少歷時數(shù)月,經(jīng)過多次返工和修改。采用快速成型技術則可節(jié)省大量時間和費用。4.1新產(chǎn)品設計驗證
使用快速成型技術制作的原型可直接進行裝配檢驗、干涉檢查和模擬產(chǎn)品真實工作情況的一些功能試驗,如運動分析、應力分析、流體和空氣動力學分析等,從而迅速完善產(chǎn)品的結構和性能、相應的工藝及所需工模具的設計。4.2新品功能驗證
快速成型技術是一種面向裝配和制造設計的配套技術,對開發(fā)結構復雜的新產(chǎn)品(如汽車、飛機、衛(wèi)星、導彈等),事先驗證零件的可制造性、零件之間的相互關系以及部件的可裝配性尤為重要。4.3可制造性、可裝配性檢驗
在新產(chǎn)品正式投產(chǎn)之前或按照定單制造時,需要制作產(chǎn)品的展覽樣品或攝制產(chǎn)品樣本照片,采用快速成型是理想的方法。當客戶詢問產(chǎn)品情況時,能夠提供物理原型無疑會加深客戶對產(chǎn)品的印象。4.4新品市場驗證
根據(jù)CT掃描信息,快速制作出實物模型,可以進行手術模擬、人體骨關節(jié)的配制,顱骨修復。
4.5醫(yī)療手術模擬
在許多情況下,人們希望快速成得到的零件與最終零件具有相同的物理機械特性。因此,需要用各種轉換技術將快速成型轉換為最終零件。
利用硅膠模、環(huán)氧樹脂與精密鑄造等工藝結合制造模具。經(jīng)過一次或多次轉換后制造最終產(chǎn)品,或者將快速成型得到的工件直接用作產(chǎn)品的試制模具,或者將此工件當作母模,制作生產(chǎn)用的模具,加快模具的制作過程。4.6快速制模技術
首先對原模型進行掃描測量,然后用快速成型作出鑄造用的蠟模,經(jīng)過精密鑄造就得到金屬零件。4.7反求工程與快速成型SLS工藝成形的葉輪原型
北京殷華公司為四川空分(集團)有限公司制造了復雜型面葉輪原形型共三個,輪廓清晰,表面質量好,尺寸穩(wěn)定,達到驗收標準。CAD造型4.8復雜型面葉輪成形件的尺寸大小5.快速成形方法的選擇
每種型號的成形機有自己的規(guī)格大小,原則上工件不能超過其上限值;
采用LOM成形的紙基工件粘結性能較好,因此,可分割成“塊”做,然后粘結成“整體
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