快速成形制造技術(shù)課件

快速成形與制造技術(shù)

（RPT）

RapidPrototypingTechnology一、快速成形技術(shù)的產(chǎn)生

快速原型（RapidPrototyping，RP）技術(shù)，又稱快速成形技術(shù)，是20世紀80年代后期首先在美國產(chǎn)生并商品化，90年代在全球迅速發(fā)展起來的制造新技術(shù)。快速原型是繼60年代NC技術(shù)之后制造領(lǐng)域的又一重大突破，是先進制造技術(shù)群中的重要組成部分。技術(shù)背景

20世紀80年代以來，計算機技術(shù)、材料科學、CAD/CAM、精密傳動技術(shù)、激光技術(shù)以及結(jié)構(gòu)科學等的飛速發(fā)展與交叉滲透，為快速原型技術(shù)（RPT）的發(fā)生和發(fā)展奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。市場背景

由于全球市場一體化的形成，制造業(yè)的競爭劇烈，產(chǎn)品開發(fā)周期的長短影響到一個企業(yè)的生死存亡。因此，客觀上需要一種可以直接地將設(shè)計數(shù)據(jù)快速地轉(zhuǎn)化為三維實體的技術(shù)。這樣，不但可以快速直觀地驗證設(shè)計的正確性，而且可以向客戶、甚至僅僅是有意向的潛在客戶提供未來產(chǎn)品的實體模型，從而達到迅速占領(lǐng)市場的目的。早期發(fā)展美國3M公司的AlanJ.Hebert(1978)日本的小玉秀男(1980)美國UVP公司的CharlesW.Hull(1982)日本的丸谷洋二(1983)在不同的地點各自獨立地提出了RP的概念，即用分層制造產(chǎn)生三維實體的思想。

CharlesW.Hull在UVP的繼續(xù)支持下，完成了一個能自動建造零件的稱之為StereolithographyApparatus(SLA)的完整系統(tǒng)SLA-1，1986年該系統(tǒng)獲得專利，這是RP發(fā)展的一個里程碑。同年，CharlesW.Hull和UVP的股東們一起建立了3DSystem公司。與此同時，其它的成形原理及相應(yīng)成形系統(tǒng)也相繼開發(fā)成功。1984年MichaelFeygin提出了薄材疊層（LaminatedObjectManufacturing，以下簡稱LOM）的方法，并于1985年組建Helisys公司，1992年推出第一臺商業(yè)成形系統(tǒng)LOM-1015。1986年，美國Texas大學的研究生C.Deckard提出了選擇性激光燒結(jié)(SelectiveLaserSintering，簡稱SLS)的思想，稍后組建了DTM公司，于1992年開發(fā)了基于SLS的商業(yè)成形系統(tǒng)Sinterstation。ScottCrump在1988年提出了熔融成形(FusedDepositionModeling，簡稱FDM)的思想，1992年開發(fā)了第一臺商業(yè)機型3D-Modeler。美國的3DSystems公司于1988年生產(chǎn)出了世界上第一臺現(xiàn)代快速成型機——SLA-250(液態(tài)光敏樹脂選擇性固化成型機），開創(chuàng)了快速成型技術(shù)發(fā)展的新紀元。國內(nèi)快速原型技術(shù)發(fā)展概況

我國RP研究工作起步于90年代初。1994年以來，我國已有20幾家企業(yè)或機構(gòu)從國外引進RP機器。但由于引進價格昂貴，如美國3Dsystem公司生產(chǎn)的及SLA250系統(tǒng)售價20萬美元，SLA500價格高達40萬美元，加之材料也依靠進口，使生產(chǎn)成本過高，往往是國內(nèi)企業(yè)無法承受的。

為了解決中國制造業(yè)對RP的迫切需求，1991年以來，在中國政府資助和支持下，一些高等院校和研究機構(gòu)積極開展RP研究，并取得較大的進展。

清華大學、西安交通大學、南京航天大學、華中理工大學、上海交通大學、華北工學院等在成形理論、工藝方法、設(shè)備、材料、軟件等方面做了大量的研究、開發(fā)工作。有些單位已開發(fā)出商品化、能做出復雜原型的RP系統(tǒng)。例如北京隆源公司開發(fā)的AFS300激光快速成形機（選擇性激光燒結(jié)系統(tǒng)）、華中的HRP系統(tǒng)、清華大學研制的多功能快速造型系統(tǒng)MRPMS和基于FDM的熔融擠出成形系統(tǒng)（MEM250）等。此外，國內(nèi)的家電行業(yè)在快速成形系統(tǒng)的應(yīng)用上，走在了國內(nèi)前列。如廣東的美的、華寶、科龍、江蘇的春蘭、小天鵝，青島的海爾等，都先后采用快速成形系統(tǒng)來開發(fā)新產(chǎn)品，收到了很好的效果。

目前，國內(nèi)由政府資助，正在深圳、天津等地建立一批向企業(yè)提供快速成形技術(shù)的服務(wù)機構(gòu)，推動快速成形技術(shù)在我國的廣泛應(yīng)用。在模具制造業(yè)，可以利用快速成形技術(shù)制得的快速原型，結(jié)合硅膠模、金屬冷噴涂、精密鑄造、電鑄、離心鑄造等方法生產(chǎn)模具；快速成形件也可以直接或間接制得EDM電極，用于電火花加生產(chǎn)模具；快速成形技術(shù)制得的快速原型也可以直接作為模具。

本課程主要介紹了快速成形技術(shù)的定義、特征和幾種典型的快速成形工藝，四種快速成形設(shè)備的結(jié)構(gòu)、特點、工藝操作過程等.

二、快速成形技術(shù)原理快速成形的基本工藝過程CAD建模STL轉(zhuǎn)換生成片層NC代碼實體加工零件原型后處理切片處理前處理快速成型系統(tǒng)工作后處理用Pro/E設(shè)計的零件模型STL面片化的零件模型快速原型設(shè)備的處理過程材料輸入輸出零件離散堆積設(shè)備作為一種先進制造技術(shù)，快速成形技術(shù)自問世以來得到了迅速發(fā)展，并在工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)打破了傳統(tǒng)的制造模式，無需任何工、模具，由CAD模型直接驅(qū)動，利用離散/堆積的原理，快速完成任意復雜形狀的原型和零件，從而大大縮短了新產(chǎn)品開發(fā)的周期，極大增強了企業(yè)的市場競爭力。三、典型快速原型制造工藝快速成型的主要工藝方法光固化成型法（StereoLithographyApparatus--SLA）疊層實體制造法（LaminatedObjectManufacturing--LOM）選擇性激光燒結(jié)法（SelectedLaserSintering---SLS）熔融沉積制造法（FusedDepositionModeling--FDM）三維打?。═hree-DimensionalPrinting---3D-P）固基光敏液相法（SolidGroundCuring---SGC）近年涌現(xiàn)了幾十種快速成型工藝

光固化成型法（SLA）

疊層實體制造法（LOM）

選擇性激光燒結(jié)法（SLS）

熔融沉積制造法（FDM）

1、光固化成型法-SLAStereoLithographyApparatus1984年由CharlesHul發(fā)明并獲美國專利，1988年美國3DSystems公司推出商品化樣機SLA-1，是世界上第一臺快速原型成形機SLA是最早出現(xiàn)且技術(shù)上最為成熟的RPT，也稱液態(tài)光敏樹脂選擇性固化光固化成型法

第一個投入商業(yè)應(yīng)用的RP技術(shù)。這種方法的特點是精度高、表面質(zhì)量好。原材料利用率將近100％，能制造形狀特別復雜（如空心零件）、特別精細（如手飾、工藝品等）的零件。SLA工藝演示光固化成型法的工藝原理

以光敏樹脂為原料，將計算機控制下的紫外激光按預(yù)定零件各分層截面的輪廓為跡對液態(tài)樹脂逐點掃描，使被掃描區(qū)的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)，從而形成零件的一個薄層截面。當一層固化完畢，移動工作臺，在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂以便進行下一層掃描固化。新固化的一層牢固地粘合在前一層上，如此重復直到整個零件原型制造完畢.SLA

的工藝特點成型材料自由基光固化樹脂陽離子光固化樹脂混雜型光固化樹脂SLA的特點成型方法簡單，能直接生產(chǎn)塑料件；表面粗糙度較低，尺寸精度較高成型中有相的變化，翹曲變形較大。需要支撐結(jié)構(gòu)成型速度較低，原材料有污染、氣味很大成本高（樹脂和激光器價格昂貴、壽命短）SLA方法制作的實物模型SLA-700，3DSystems2、疊層實體制造-LOMLaminatedObjectManufacturing由MichaelFeygin于1986年研制成功，美國Helisys公司推出商品化機器LOM是采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等，在材料表面事先涂覆上一層熱熔膠，加工時用CO2激光器或刀具在計算機控制下進行切割，然后通過熱壓輥壓，使當前層與下面已成型的工件粘接，從而堆積成型.疊層實體制造工藝特點成型材料薄材：如紙、塑料薄膜熱熔膠涂布工藝LOM工藝的特點LOM工藝只需在片材上切割出零件截面的輪廓，而不用掃描整個截面，因此適合大、中型零件的加工零件尺寸精度較高，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，所以翹曲變形小，成型時無需加支撐。但是，材料浪費大，且清除廢料困難SSM-1600成形設(shè)備目前世界上成形空間最大的快速成形設(shè)備(最大成型尺寸要案1600X800X750MM)3D300C，LOM工藝，以色列采用刀切塑料薄膜，不加熱僅用粘結(jié)劑粘結(jié)層片，因而變形非常小。機器重量僅為31kg該設(shè)備以疊層實體制造模式工作，生產(chǎn)用于快速工模具制造的原型疊層實體制造疊層實體制造方法制作的實物模型3、選擇性激光燒結(jié)-SLSSelectiveLaserSintering由美國德州Austin分校C.R.Dechard于1989年研制成功，后被美國DTM公司商品化，推出商品化機器SLS工藝是利用粉末材料（金屬或非金屬粉末）在激光照射下燒結(jié)的原理，在計算機控制下層層堆積成形選擇性激光燒結(jié)工藝原理CO2激光器激光束/鏡組/掃描鏡推平滾子粉末缸成型腔粉末面成型腔尺寸：381*330*457mm選擇性激光燒結(jié)工藝特點成型材料蠟粉、聚苯乙烯（PS)、工程塑料（ABS）、聚碳酸酯（PC)、尼龍（PA)、金屬粉末、覆膜砂、覆膜陶瓷粉，近年來更多的采用復合粉末，粉粒直徑為50～125μm工藝特點材料適應(yīng)面廣，不僅能制造塑料制件，還能制造蠟?zāi)?、陶瓷和金屬零件成型精度一般、能直接制造制件和裝配件（軸承整體）制件翹曲變形相對較小，但對于容易發(fā)生變形的地方應(yīng)設(shè)計有支撐結(jié)構(gòu)實心零件成型時間較長，適合中小零件的生產(chǎn)。HiQ-SLS，3DSystems選擇性激光燒結(jié)方法制作的實物模型激光直接燒結(jié)金屬粉末得到的復雜金屬零件4、熔融沉積成形-FDMFusedDepositionModeling由美國學者Dr.ScottCrump于1988年研制成功。并由美國Stratasys

公司推出商品化的設(shè)備，F(xiàn)DM1600、FDM1650、FDM8000、QuantumFDM工藝采用熱塑性材料，如ABS、蠟、尼龍等，一般以絲狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化后，從小孔擠出堆積成形FDM（FusedDepositionModeling）

熔融沉積制造工藝

MEM（MeltedExtrusionManufacturing）

熔融擠壓成型工藝FDM工藝原理FDM工藝演示FDM工藝的特點FDM不用激光，使用、維護簡單，成本低。用蠟成形的零件原型可直接用于石蠟鑄造；用ABS工程塑料制造的原型則具有較高強度，在產(chǎn)品設(shè)計、測試與評估等方面得到廣泛應(yīng)用。由于FDM工藝一般在80~120oC進行，材料的收縮率必然會引起尺寸誤差，同時會產(chǎn)生熱應(yīng)力，導致制件的翹曲變形，因此需要設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)。FDM工藝適合成型小塑料件，最高精度0.127mm。

由于是填充式掃描，因此成型時間較長，為克服這一缺點，可采用多個熱噴頭同時進行涂覆，提高成型效率。FDM方法制作的實物模型MEM-300-II熔融擠壓快速成形設(shè)備MEM-200-D熔融擠壓快速成形設(shè)備M-RPMS設(shè)備以MEM模式工作，生產(chǎn)用于新產(chǎn)品的原型熔融擠壓制造幾種常見RPT特點比較低較復雜小截面較慢大截面較快LOM高幾乎無費料簡單小截面較快大截面較慢FDM較高較復雜小截面較快大截面較慢SLS較高較復雜小截面較快大截面較慢SLA材料利用率制件后處理成形速度四、快速成形技術(shù)的應(yīng)用快速成形技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

產(chǎn)品快速設(shè)計/制造

設(shè)計：新產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)制造：快速工/模具制造、快速鑄造

分析：試驗分析模型

生物制造：

生物醫(yī)學和組織工程

工藝品：與美學有關(guān)的各工程領(lǐng)域快速成型技術(shù)的主要應(yīng)用狀況◆汽車、摩托車:外形及內(nèi)飾件的設(shè)計、改型、裝配試驗，發(fā)動機、汽缸頭試制?！艏译?各種家電產(chǎn)品的外形與結(jié)構(gòu)設(shè)計，裝配試驗與功能驗證，市場宣傳，模具制造。◆通訊產(chǎn)品:產(chǎn)品外形與結(jié)構(gòu)設(shè)計，裝配試驗，功能驗證，模具制造?！艉娇?、航天:特殊零件的直接制造，葉輪、渦輪、葉片的試制，發(fā)動機的試制、裝配試驗?！糨p工業(yè):各種產(chǎn)品的設(shè)計、驗證、裝配，市場宣傳，玩具、鞋類模具的快速制造?！翎t(yī)療:醫(yī)療器械的設(shè)計、試產(chǎn)、試用，CT掃描信息的實物化，手術(shù)模擬，人體骨關(guān)節(jié)的配制?！魢?各種武器零部件的設(shè)計、裝配、試制，特殊零件的直接制作，遙感信息的模型制作。1、在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用

目前主要是應(yīng)用于新產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)計驗證和模擬樣品的試制上。

開發(fā)過程概念設(shè)計→造型設(shè)計→結(jié)構(gòu)設(shè)計→基本功能評估→模擬樣件試制。

對某些以塑料結(jié)構(gòu)為主的產(chǎn)品還可以進行小批量試制，或進行一些物理方面的功能測試、裝配驗證、實際外觀效果審視，甚至將產(chǎn)品小批量組裝先行投放市場，達到投石問路的目的。

用于新產(chǎn)品的設(shè)計評估RP原型可直接用于模擬性能測試、模擬裝配實驗和生產(chǎn)可行性評估采用RPT進行新產(chǎn)品開發(fā)，可減少產(chǎn)品開發(fā)成本30~70%，減少開發(fā)時間。

手機殼－手板摩托車發(fā)動機智能卡系統(tǒng)部件噴漆設(shè)備的噴頭戰(zhàn)斗機上的頭盔系統(tǒng)頭盔外殼模型復雜型面葉輪的CAD模型

和SSM工藝制作的原型空間曲面葉片2、快速模具制造技術(shù)快速模具制造技術(shù)

RapidTooling

采用模具生產(chǎn)零件是現(xiàn)代工業(yè)的主要生產(chǎn)工藝和手段.傳統(tǒng)模具制造生產(chǎn)過程復雜、周期長，模具需反復調(diào)試，制造成本高.往往成為設(shè)計和制造的瓶頸.

快速模具制造可節(jié)約成本3/4，縮短生產(chǎn)周期約2/3.因此應(yīng)用RP技術(shù)制造快速經(jīng)濟模具成為RP技術(shù)發(fā)展的主要推動力之一。

從RP到RT是快速成型技術(shù)發(fā)展的第二次飛躍。

傳統(tǒng)金屬冷作模具制造流程下料鍛造調(diào)試模具設(shè)計球化退火機械加工修配熱處理投產(chǎn)快速原型和模具制造技術(shù)示意圖

快速模具制造的分類直接模具制造用LOM系統(tǒng)制做的制件經(jīng)表面處理，其強度比一般木材還要高，可直接用作鑄造木模；用SLS等方法則可直接制造熔模鑄造用的蠟?zāi)Ｒ约霸煨突驂毫庸び媒饘倌?。間接模具制造用快速原型制件作母模可復制出蠟?zāi)?、硅橡膠模、環(huán)氧樹脂模或聚氨脂模等軟模具；據(jù)此軟模具又可澆鑄出環(huán)氧樹脂、石膏、陶瓷、低熔點金屬、金屬基復合材料等硬模具。這些簡易模具可用作各種鑄造模、注塑模、蠟?zāi)５某尚湍Ｒ约袄炷５?，實現(xiàn)塑料件或金屬件的小批量生產(chǎn)。用快速原型制件作母模，通過金屬噴涂等方法可快速制造電脈沖機床用電極?？焖俟つ＞咧圃炜焖倌＞呒夹g(shù)的發(fā)展方向提高模具制造精度開發(fā)新材料新工藝直接制造高強度金屬模具3、快速鑄造技術(shù)快速鑄造技術(shù)

RapidCasting

（RC）概念利用快速成型技術(shù)直接或間接制造鑄造用模樣、模板、型芯或型殼等，再結(jié)合傳統(tǒng)鑄造技術(shù)，快速制造鑄件的工藝方法。目前主要利用RP技術(shù)快速制取鑄造模樣4、快速成形技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域中的應(yīng)用：

生物制造技術(shù)生物制造的定義

生物制造是生物科學與制造科學交叉的邊緣學科，其目標是運用現(xiàn)代成形學的原理和方法，從制造科學的角度，采用現(xiàn)代成形技術(shù)、數(shù)據(jù)重構(gòu)技術(shù)、模擬仿真技術(shù)等與分子生物學和細胞學相結(jié)合，以尋求新的組織和器官的假體與活體的制造原理和方法，以及新的制造工藝。生物制造的主要應(yīng)用制作生物體模型生物假體制造生物相容不降解永久植入體制造生物相容降解植入體制造制作生物體模型頭骨模型生物假體制造人體解剖學數(shù)據(jù)三維重構(gòu)快速成形體外治療、診斷、康復等輔助模型非生物活性材料

修復病變盆骨材料：納米羥基磷灰石/膠原復合材料具有與人骨材料微觀結(jié)構(gòu)高度相似的納米片層結(jié)構(gòu)的納米羥基磷灰石/膠原復合材料5、與美學有關(guān)的各工程領(lǐng)域及工藝品制作與美學有關(guān)的各工程領(lǐng)域RPT對一切有美學需求的設(shè)計，如轎車、橋梁、雕塑等是一種重要工具，它可以將設(shè)計者的構(gòu)思迅速表達成三維實體，便于設(shè)計修改和再創(chuàng)作。此外，RPT在文物、藝術(shù)品復制或復原等方面具有相當?shù)膬?yōu)勢和應(yīng)用前景?？兹赶銧t雙象瓶RPT在藝術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用實例

仿文物工藝品6、反向工程（RE）

（ReverseEngineering）RP與RE（ReverseEngineering）五、快速成形技術(shù)的

現(xiàn)狀及發(fā)展中的問題一、材料方面的限制

離散/堆積成形的過程伴隨著材料的變化

殘余應(yīng)力難以消除

翹曲和變形

二、價格問題

RP是機械、材料、自動化、信息等技術(shù)的集成，制造高技術(shù)成本高，一旦工藝成熟，開發(fā)商使用專利來保護自己，這就給RP設(shè)備生產(chǎn)和技術(shù)服務(wù)帶來經(jīng)濟上的代價。3DSystem2001.3推出的ViperSi2的SLA設(shè)備，18萬美元；1994年的SLA700080萬美元

RP材料價格偏高（由于改性需求等）限制了其應(yīng)用。美國3DSystemsSLA設(shè)備專用樹脂200~250美元/公斤美國Stratasys公司ABS等絲材在2000~4000美元/公斤三、成形精度與成形速度的矛盾材料的離散/堆積過程均需單元化處理，導致精度下降。

臺階效應(yīng)——成形原理性誤差STL轉(zhuǎn)換切片處理STL轉(zhuǎn)換切片處理

對實體分層切片策略起著非常重要的作用，其結(jié)果直接影響到制造過程的精度，表面質(zhì)量和成形效率．等層厚切片，算法簡單，但不能兼顧加工效率與加工精度．自適應(yīng)切片（變層厚切片），根據(jù)零件形狀的變化規(guī)律自動調(diào)整合適的分層厚度，解決效率和精度的矛盾．常見的有曲率計算法和面積計算法四、后處理帶來的問題RP技術(shù)的快速性歸根到底還是其柔性決定的，但材料單元在堆積過程中伴隨著的物理化學變化使后處理成為必須，使其柔性下降