快速成型制造技術課件

4.4快速制造金屬原型零件一、簡介在新產(chǎn)品的開發(fā)過程中，總是需要對所設計的零件或整個系統(tǒng)在投入大量資金組織加工或裝配之前加工一個簡單的例子或原型。在準備制造和銷售一個復雜的產(chǎn)品系統(tǒng)之前，工作原型可以對產(chǎn)品設計進行評價、修改和功能驗證。一個產(chǎn)品的典型開發(fā)過程是從前一代的原型中發(fā)現(xiàn)錯誤或從進一步研究中發(fā)現(xiàn)更有效和更好的設計方案，而一件原型的生產(chǎn)極其費時，模具的準備需要幾個月，一個復雜的零件用傳統(tǒng)方法加工非常困難。與傳統(tǒng)制造方法不同，快速成型從零件的CAD幾何模型出發(fā)，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，用激光束或其他方法將材料堆積而形成實體零件。由于它把復雜的三維制造轉化為一系列二維制造的疊加，因而可以在不用模具和工具的條件下生成幾乎任意復雜的零部件，極大地提高了生產(chǎn)效率和制造柔性。1.快速原型作為一種使設計概念可視化的重要手段，計算機輔助設計的零件的實物模型可以在很短時間內被加工出來，從而可以很快對加工能力和設計結果進行評估。2.由于它是將復雜的三維型體轉化為兩維截面來解決，因此，它能制造任意復雜型體的高精度零件，而無須任何工裝模具。二、快速成型的根本原理

基于材料累加原理的快速成型的操作過程實際上是一層一層地離散制造零件?？焖俪尚陀泻芏喾N工藝方法，但所有的快速成型工藝方法都是一層一層地制造零件，區(qū)別是制造每一層的方法和材料不同而已。快速成型的一般工藝過程快速成型的一般工藝過程原理如下：1.三維模型的構造。在三維CAD設計軟件〔如Pro/E、UG、SolidWorks、SolidEdge等〕中獲得描述該零件的CAD文件。圖7-2快速成型原理圖快速成型的一般工藝過程目前一般快速成型支持的文件輸出格式為STL模型，即對實體曲面近似處理,即所謂面型化(Tessallation)處理,是用平面三角面片近似模型外表。這樣處理的優(yōu)點是大大地簡化了CAD模型的數(shù)據(jù)格式,從而便于后續(xù)的分層處理?？焖俪尚偷囊话愎に囘^程在三維CAD設計軟件對CAD模型進行面型化處理時,一般軟件系統(tǒng)中有輸出精度控制參數(shù)，通過控制該參數(shù)，可減小曲面近似處理誤差。如Pro/E軟件是通過選定弦高值(ch-chordheight)作為逼近的精度參數(shù)，如圖7-1為一球體,給定的兩種ch值所轉化的情況?？焖俪尚偷囊话愎に囘^程圖7-1不同ch值時的效果(a)ch=0.05

(b)ch=0.2快速成型的一般工藝過程2.三維模型的離散處理。通過專用的分層程序將三維實體模型分層〔圖7-2b〕，通過一簇平行平面沿制作方向與CAD模型相截,所得到的截面交線就是薄層的輪廓信息,而實體信息是通過一些判別準那么來獲取的。快速成型的一般工藝過程圖7-2快速成型原理圖(a)零件的三維模型(b)零件被分層離散(c)支撐材料(d)采用熔積法對圖(c)A-A截面加工的擠壓路徑快速成型的一般工藝過程

分層切片是在選定了制作(堆積)方向后,需對CAD模型進行一維離散,獲取每一薄層片截面輪廓及實體信息。平行平面之間的距離就是分層的厚度,也就是成型時堆積的單層厚度。

輪廓是由求交后的一系列交點順序連成的折線段構成?？焖俪尚偷囊话愎に囘^程

由于分層，破壞了切片方向CAD模型外表的連續(xù)性,不可防止地喪失了模型的一些信息,導致零件尺寸及形狀誤差的產(chǎn)生。切片層的厚度直接影響零件的外表粗糙度和整個零件的型面精度。分層后所得到的模型輪廓是近似的,而層層之間的輪廓信息已經(jīng)喪失,層厚大,喪失的信息多,導致在成型過程中產(chǎn)生了型面誤差。為提高零件精度,應該考慮更小的切片層厚度。

快速成型的一般工藝過程3.層截面的制造與累加在計算機控制下，快速成型系統(tǒng)中的成型頭在X-Y平面內自動按截面輪廓進行層制造，得到一層層截面。每層截面成型后，下一層材料被送至已成型的層面上，進行后一層的成型，并與前一層相粘接，從而一層層的截面累加疊合在一起，形成三維零件?？焖俪尚偷母驹砣⒖焖俪尚偷墓に嚪椒壳翱焖俪尚椭饕に嚪椒捌浞诸愐后w材料SLALTPBISHISRP工藝方法及其分類粉狀材料BMP3DWFDMSDMSLSGPD3DPTSFSF片狀材料LOMSFPSGCES圖目前快速成型主要工藝方法及其分類液體樹脂固化熔融材料固化激光熔合材料粘結劑粘結材料粘性片材的粘結UV粘結片狀材料SLA2.光固化法〔Stereolithographyapparatus〕光固化法是目前應用最為廣泛的一種快速原型制造工藝。原理如下圖

圖7-6光固化成型原理圖SLA又稱立體印刷、立體光刻、光造型。液槽中盛滿液態(tài)光固化樹脂，它在一定劑量的紫外激光照射下就會在一定區(qū)域內固化。成形開始時，工作平臺在液面下，聚焦后的激光光點在液面上按計算機的指令逐點掃描，在同一層內那么逐點固化。當一層掃描完成后被照射的地方就固化，未被照射的地方仍然是液態(tài)樹脂。然后升降架帶動平臺再下降一層高度，上面又布滿一層樹脂，以便進行第二層掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復直到三維零件制作完成。SLA光固化采用的是將液態(tài)光敏樹脂固化到特定形狀的原理。以光敏樹脂為原料，在計算機控制下的紫外激光按預定零件各分層截面的輪廓為軌跡對液態(tài)樹脂逐點掃描，使被掃描區(qū)的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反響，從而形成零件的一個薄層截面。光固化成形所能到達的最小公差取決于激光的聚焦程度；通常是0.0125mm。

SLASL工藝優(yōu)點是精度較高，一般尺寸精度控制在±0.1mm；外表質量好；原材料的利用率接近100％；能制造形狀特別復雜、特別精細的零件；設備的市場占有率很高。

缺點是需要設計支撐；可以選擇的材料種類有限；容易發(fā)生翹曲變形；材料價格較貴。該工藝適合比較復雜的中小件。SLA設備SLA制作原型材料：光敏樹脂F(xiàn)DM1.熔積成型法〔FusedDepositionModeling〕在熔積成型法〔FDM〕的過程中〔圖7-4〕龍門架式的機械控制噴頭可以在工作臺的兩個主要方向移動，工作臺可以根據(jù)需要向上或向下移動。熱塑性塑料或蠟制的熔絲從加熱小口處擠出。最初的一層是按照預定的軌跡以固定的速率將熔絲擠出在泡沫塑料基體上形成的。當?shù)谝粚油瓿珊螅ぷ髋_下降一個層厚并開始迭加制造一層。

FDM(b)熔積成型5000，熔積成型設備。(a)熔積法成型的示意圖圖7-4熔積成型法原理圖FDMFDM制作復雜的零件時，必須添加工藝支撐。如圖7-5〔a〕所示(b)在快速原型機器中常用的支撐結構有一個突出截面需要支撐材料的零件圖7-5快速原型支撐結構圖FDM的優(yōu)點FDM工藝關鍵是保護半流動成形材料剛好在凝固溫度點，通?？刂圃诒饶虦囟雀?℃左右。缺點是精度低；結構復雜的零件不易制造；外表質量差；成型效率低，不適合制造大型零件。該工藝適合于產(chǎn)品的概念建模以及它的形狀和功能測試，中等復雜程度的中小原型。FDM制作生成的原型適合工業(yè)上各種各樣的應用，如概念成形、原型開發(fā)、精鑄蠟模和噴鍍制模等。FDM設備FDM制造原型SLS3.激光選區(qū)燒結〔SelectiveLaserSinering〕激光選區(qū)燒結〔簡稱SLS〕是一種將非金屬〔或普通金屬〕粉末有選擇地燒結成單獨物體的工藝。此工藝中的一些根本原理如圖7-7所示。該法采用CO2激光器作為能源，目前使用的造型材料多為各種粉末材料。SLS

圖7-7激光選區(qū)燒結工藝路線圖SLS先在工作臺上鋪上一層粉末，用激光束在計算機控制下有選擇地進行燒結(零件的空心局部不燒結，仍為粉末材料)，被燒結局部便固化在一起構成零件的實心局部。一層完成后再進行下一層，新一層與其上一層被牢牢地燒結在一起。全部燒結完成后，去除多余的粉末，便得到燒結成的零件。常采用的材料為尼龍、塑料、陶瓷和金屬粉末。SIS制作精度目前可到達±0.1mm左右。該方法的優(yōu)點是由于粉末具有自支撐作用，不需要另外文撐，另外材料廣泛，不僅能生產(chǎn)塑料材料，還可能直接生產(chǎn)金屬和陶瓷零件。SLSSLS工藝特別適合制作功能測試零件?？捎糜谥苯又圃旖饘倌＞?。由于該工藝能夠直接燒結蠟粉，與熔模鑄造工藝相接特別適合進行小批量比較復雜的中小零件的生產(chǎn)。SLS設備材料：尼龍12分層實體制造(LOM—Laminatedobjectmanufacturing),根據(jù)零件分層幾何信息切割箔材和紙等，將所獲得的層片粘接成三維實體。首先鋪上一層箔材，然后用C02激光在計算機控制下切出本層輪廓，非零件局部全部切碎以便于去除。當本層完成后，再鋪上一層箔材，用滾子輾壓并加熱，以固化粘結劑，使新鋪上的一層牢固地粘接在已成形體上，再切割該層的輪廓，如此反復直到加工完畢。最后去除切碎局部以得到完整的零件。LOMLOMb)由疊層制造法制造的機軸零件圖圖7-8疊層制造法原理圖a)疊層制造工藝原理圖LOMLOM工藝優(yōu)點是無須設計和構建支撐；激光束只是沿著物體的輪廓掃描，無需填充掃描，成型效率高；成型件的內應力和翹曲變形?。恢圃毂惧X低。缺點是材料利用率低；外表質量差；后處理難度大，尤其是中空零件的內部剩余廢料不易去除；可以選擇的材料種類有限，目前常用的主要是紙；對環(huán)境有一定的污染。LOMLOM工藝適合制作大中型原型件，翹曲變形小和形狀簡單的實體類零件。通常用于產(chǎn)品設計的概念建模和功能測試零件，且由于制成的零件具有木質屬性，特別適用于直接制作砂型鑄造模。LOM設備工程應用概念模型視覺造型組裝驗證與最正確化功能測試小批量製造快速模具科學應用古生物學模型生物模型考古研究模型醫(yī)學應用人工骨頭製作手術規(guī)劃齒模製作義耳製作RPSystemDistribution快速成型案例展示快速成型案例展示快速成型案例展示自從美國的3DSystems公司推出它的第一代商用快速原型制造系統(tǒng)SLA-1以來的十幾年間，RPM得到異乎尋常的迅猛開展。目前全球范圍有超過30種系統(tǒng)，RPM設備總計達千臺以上，可以制造各種材料與尺寸的原型和零件。1995年RPM的市場增長率為49％，年銷售額為已達2.95億美元，1998年到達約10億美元。(3)快速成形方法和工藝的改進和創(chuàng)新。目前比較成熟的SLA、LOM、SLS、FDM方法在不斷改進，各種RP方法各具特點，沒有一種方法能滿足所有的要求，同時各自也在不斷改進。目前圍繞提高快速成形件的精度、減少制作時間、探索直接制作最終用途零件的工藝，有多種新的快速成形方法或工藝正在實驗室中研究。(4)快速模具制造〔RT-RapidTooling〕的應用?？焖僦颇？煞譃樵赗P系統(tǒng)上直接制模和利用RP原型間接制模，目前主要是快速制造鑄模和注塑模。RP十RT的開展是近年來最重要熱點，也是最具經(jīng)濟效益前景的一個領域，目前工業(yè)界較關心的RT方法有：——當件數(shù)較少時(20~50件)，一般可采用硅橡膠模鑄造法；——100~1000件時，多采用環(huán)氧樹脂模，為延長模具壽命，通常要在環(huán)氧樹脂中添加各種添加劑s制造金屬模具；——RP和熔模鑄造等結合實現(xiàn)精密鑄造；——直接制造高強度的陶瓷和金屬件等。(5)開發(fā)性能更好的快速成形材料。材料性能要滿足：——利于快速精確地加工原型；——用RP系統(tǒng)直接制造功能件的材料要接近制件最終用途對強度、剛度、耐潮性、熱穩(wěn)定性等的要求；——利于快速制模的后續(xù)處理。選擇性激光燒結〔SLS〕的材料選擇范圍最廣，如石蠟、聚碳酸脂、尼龍、填有玻璃的尼龍(具有極好的剛度和熱阻性)，DTM專有的型芯材料，用于熔模鑄造和制作小批量生產(chǎn)的軟模具。

國內RP研究起步約在1991年，目前北京隆源快速成形公司、清華大學、西安交通大學、華中理工大學、南京航空航天大學等單位在RP設備的硬軟件及材料方面做了大量的研究工作，有些單位已經(jīng)或接近開發(fā)出商品化的RP系統(tǒng)并開始少量銷售。隆源公司研制出選擇性激光燒結系統(tǒng)(RPS)并配備了三維數(shù)字化儀，能做出復雜的原型。(2)CAD數(shù)據(jù)處理軟件。開發(fā)了STL文件缺陷的自動診斷及修復軟件，對STL文件的自動切片及支撐結構設計軟件，探索了基于CSG文件的直接切片。(4)

材料。RP設備開發(fā)單位都對成形材料進行了研究，目前尚無專門的RP材料制造商。(5)

反求與RP的結合。目前這方面研究工作的開發(fā)時間還不長，已有單位開發(fā)成功激光三維掃描系統(tǒng)，少數(shù)單位正在研制斷層掃描方法。先進制造工藝－作業(yè)目前RPM的快速制模主要是注塑模、沖壓模、鑄模等，制模方式分為用RP原型間接制模和RP系統(tǒng)直接制模。4.3.1間接制模方法

與數(shù)控加工方式相比，將RP原型的樣件用于傳統(tǒng)的模具制造工藝，一般可使模具制造本錢和周期減少1／2，明顯提高生產(chǎn)效率。間接制模工藝依據(jù)零件生產(chǎn)批量大小、模具材料和生產(chǎn)本錢主要有以下四種方法：〔1〕硅橡膠模(批量50件以下)；〔2〕環(huán)氧樹脂模(數(shù)百件以下)；〔3〕金屬冷噴涂模(3000個以下)；〔4〕快速制作EDM電極加工鋼模(5000以上)。4.3.2RP系統(tǒng)直接制模法4.4快速制造金屬原型零件

(2)

基于LOM原型快速制造零件。將LOM原型制成所需零件的凹模，經(jīng)硅橡膠模過渡轉換制得石膏型或陶瓷型，再由石膏型或陶瓷型澆注金屬零件，當零件具有一定的撥模斜度或LOM原型模外表經(jīng)過特殊處理后，可將LOM原型制成零件原型代替木模使用，直接制造石膏型或陶瓷型，此方法適于簡單或中等復雜程度的金屬模具、中大型金屬件。(3)基于SLS原型生產(chǎn)金屬零件。采用陶瓷材料作為SLS的粉末材料，直接燒結鑄造用(陶瓷等材料)殼型來生產(chǎn)各類鑄件，甚至是復雜的金屬零件，此方法適于中小型復雜鑄件?！?〕基于FDM原型生產(chǎn)金屬零件。采用石蠟和塑料等低熔點材料的FDM原型，以FDM原型代替熔模精密鑄造中的蠟模，用于制造金屬零件的方法與用SLA原型生產(chǎn)金屬零件的方法相同，此方法適用于中等復雜程度的中小型鑄件。2.直接制造金屬容件的RPM新工藝2.直接制造金屬容件的RPM新工藝〔續(xù)〕(2)三維焊接成形此方法是英國Nottingham大學的提出的一種基于三維焊接成形的方法，它利用焊接機器人制造金屬零件，改變過去制造零件時由于固液態(tài)金屬的外表張力和流動性、層與層之間連接不牢固會出現(xiàn)裂縫，從而影響物理、力學性能的缺陷，而提出用凸凹結合的方法進行連接，以提高層之間粘接強度，這是一種機械連接方法，可提高金屬零件的強度。2.直接制造金屬容件的RPM新工藝〔續(xù)〕(3)

SDM形狀沉積制造工藝美國Stanford大學的RP實驗室研究的SDM工藝，是將離散／維積法和材料去除法結合在一起來快速成形金屬原型件，其成形過程是根據(jù)成形零件的分層信息先噴射堆積一層材料，零件和支撐件都是逐層同步生成，且新增加的材料都是液態(tài)金屬，在每一層形成后都要在計算機控制下對其進行形狀切削加工和應力消除處理，如此重復直到生成整個零件，最后通過酸蝕等手段將支撐體去除。2.直接制造金屬容件的RPM新工藝〔續(xù)〕(4)

多相組織的沉積制造方法(SDMHS)SDMHS是美國CarnegieMellon大學的L.E.Weiss和Stanford大學R.Merz提出的用多個噴頭熔積不同材料來制造微機械的方法。其原理是：利用等離子放電來加熱金屬絲材料，熔化的材料熔積到工件逐漸成形。制作一個多種材料的工件時需要多個噴頭，各噴頭可分別噴出不同材料。2.直接制造金屬容件的RPM新工藝〔續(xù)〕2.直接制造金屬容件的RPM新工藝〔續(xù)〕2.直接制造金屬容件的RPM新工藝〔續(xù)〕RTRT適用于產(chǎn)品開發(fā)過程中的小批量試制，以及小批量生產(chǎn)的、結構較簡單的覆蓋件生產(chǎn)。按模具制造方式來分，可分為直接制模法和間接制模法。硅橡膠模具利用硅橡膠模具進行真空注型生產(chǎn)出成品DT1.直接制模法(DirectTooling—DT)直接制模法是指將模具CAD的結果由RP系統(tǒng)直接制造成型。即在RP系統(tǒng)上直接制造出模具供生產(chǎn)使用。這種方法不需要RP原型作樣件，也不依賴傳統(tǒng)的模具制造工藝，對金屬模具的制造尤其快捷，是一種有開發(fā)前景的快速模具制造方法。DT間接制模法間接制模法間接RT法已日臻成熟。其方法那么根據(jù)零件的生產(chǎn)批量的大小而不同。常用的有：⑴用RP原型制作簡易模具1)用快速成型件作母模，制作硅橡膠模當制造的零件件數(shù)較少〔批量在20～50件〕時，一般采用這種硅橡膠模。間接制模法工藝過程為：以RP原型作樣件，采用室溫硫化的有機硅橡膠澆注制作硅橡膠模。獨特之處：由于硅橡膠良好的柔性和彈性，對于結構復雜、花紋精細、無拔模斜度以及具有深凹槽的零件來說，制件澆注完成后均可直接取出。制作周期為1周左右。間接制模法2)以快速成型件作母模，進行樹脂型復合制模以液態(tài)的環(huán)氧樹脂與有機或無機材料復合為基體材料，以RP原型為基準澆鑄模具的一種制模方法。制造的模具壽命為100～1000件。為延長模具壽命，通常在環(huán)氧樹脂中添加各種添加劑。EDM石墨電極轉化法原形的制造研具的制造EDM石墨電極的制造原形的制造根據(jù)電極制造中的誤差補償原理設計原形SLA法制造原形研具的制造研具材料的選擇配方的研制研具的制造研具的檢驗EDM石墨電極的制造EDM石墨電極的制造方法⑴機械加工法EDM電極傳統(tǒng)的制造方法是機械加工法〔如車、銑、刨、磨等〕，但對電極形狀及結構復雜特別對由許多曲面組成而精度要求較高的電極來說，用這些方法加工時，加工難度很大，有時必須把電極分成幾個或幾局部，等加工后組合使用或拼裝起來使用，對曲面的加工可能還需專用加工設備，這樣不僅效率低、本錢高、生產(chǎn)周期長，而且不易保證精度，尤其對石墨電極加工來說，由于其材料脆，易損傷，加上加工時粉塵大，所以用傳統(tǒng)的機械加工方法加工石墨電極難度更大。EDM石墨電極的制造方法⑵材料轉移法①用金屬噴涂法制作EDM電極⑵材料轉移法

②銅電鑄法⑵材料轉移法③凈形鑄造法凈形鑄造是一種直接把銅鑄