《特種加工技術(shù)》課件 項目十 快速成形加工

項目十快速成形加工項目十快速成形加工學習任務(wù)一認識快速成形技術(shù)學習任務(wù)二快速成形形技術(shù)工藝及應(yīng)用知識目標1.掌握掌握快速成形技術(shù)的原理2.理解快速成形技術(shù)的特點3.掌握光固化快速成形的基本原理4.掌握激光選區(qū)燒結(jié)快速成形的基本原理5.掌握疊層實體制造的基本原理6.掌握熔融沉積制造的基本原理7.掌握三維打印快速成形的基本原理能力目標素質(zhì)目標1.能夠初步分析快速成形原理2.能夠根據(jù)零件特點合理選擇成形技術(shù)1.培養(yǎng)安全規(guī)范生產(chǎn)意識2.培養(yǎng)嚴謹認真的工作作風3.培養(yǎng)分析問題解決問題的能力項目十快速成形加工

在這個時代里，一些神奇的事物將橫空出世。你只需要擁有一臺打印機，就可以使用塑料、金屬、等各種材料來打印出你想要的任何東西，如模具、個性化產(chǎn)品、飛機零部件甚至是人體器官。人們漸漸被這種神奇的機器所吸引。這就是快速成形技術(shù)。任務(wù)導入掌握快速成形技術(shù)的原理理解快速成形技術(shù)的特點

知識能力1

技能能力2

素質(zhì)能力3培養(yǎng)分析問題解決問題的能力能夠初步分析快速成形原理任務(wù)目標

快速成形制造技術(shù)（RapidPrototyping&Manufacturing）是20世紀80年代問世并迅速發(fā)展起來的一項嶄新的制造技術(shù)，是由CAD模形直接驅(qū)動的快速制造任意復(fù)雜形狀三維實體技術(shù)的總稱。它由產(chǎn)品三維模形數(shù)據(jù)直接驅(qū)動，組裝（堆積）材料單元而完成任意復(fù)雜三維實體（不具使用功能）的科學技術(shù)總稱。知識鏈接一、快速成形技術(shù)的概念和原理快速成形技術(shù)原理圖

首先完成被加工件的計算機三維模形（數(shù)字模形、CAD模形），然后根據(jù)工藝要求，按照一定的規(guī)律將該摸形離散為一系列有序的單元，通常在Z方向?qū)⑵浒匆欢ê穸冗M行離散（分層、切片)，把原CAD三維摸形變成一系列層片的有序疊加；再根據(jù)每個層片的輪廓信息，輸入加工參數(shù)，自動生成數(shù)控代碼；最后由成形機完成一系列層片制造并實時自動將它們連接起來，得到一個三維物理實體。二、快速成形技術(shù)的特點02040301由CAD模形直接驅(qū)動快速成形設(shè)備是無需專用夾具或工具的通用機器成形過程中無需人工干預(yù)或較少干預(yù)可以制造具有任意復(fù)雜形狀的三維實體05快速成形使用的材料具有多樣性任務(wù)拓展

快速成形技術(shù)的概念大約出現(xiàn)在20世紀70代末，而實際上采用分層制造原理堆積三維實體的思維雛形最早可追溯到19世紀。早在1892年，美國的J.E.Blanther在其申請的專利中就提出采用分層制造法構(gòu)成地形圖。1902年，CarloBease在其申請的專利中提到采用光敏聚合物制造塑料件的原理，這是光固化快速成形技術(shù)的初始設(shè)想。而PaL.Dimatteo在其1976年的美國專利中明確提出，先用輪廓跟蹤器將三維物體轉(zhuǎn)化為二維輪廓薄片，然后用激光切割使這些薄片成形，再用螺釘、銷釘將一系列薄片連接成三維物體。1979年，日本的Nakagawa教授開始采用分層制造技術(shù)制作實際的模具。20世紀70年代末到80年代初，美國的AlanJ.Hebert、日本的小玉秀、美國UVP公司CharelesW.Hull等人相繼獨立地提出了快速原形概念?？焖俪尚渭夹g(shù)的發(fā)展歷程任務(wù)拓展

20世紀80年代，激光技術(shù)得到了高速的發(fā)展，高質(zhì)量的激光束為材料快速固化提供了先決條件，第一個快速成型工藝就是利用當時先進的激光技術(shù)來實現(xiàn)光固化樹脂的逐點、逐層膠連固化而成型。激光選區(qū)燒結(jié)(SelectiveLaserSintering,SLS)是由美國德克薩斯州大學奧斯汀分校的CarlR.Deckard于1986年提出的，采用激光束燒結(jié)粉末而成型，并獲得了專利。疊層實體制造（LaminatedObjectManufacturing，LOM）是快速原型技術(shù)中早期發(fā)展的技術(shù)之一。該工藝由美國的MichaelFeygin首先提出，即用激光束切割簿材（如紙材）而層層粘接成型，于1985年獲得了專利；直接將材料（如塑料、蠟等）熔化并擠壓噴出堆積成型，稱為熔融沉積成型（FusedDepositionModeling，F(xiàn)DM）工藝，是眾多快速成型工藝中發(fā)展速度最快的工藝之一，1992年美國的S.ScottCrump獲得了FDM工藝的第一個專利。任務(wù)拓展

美國麻省理工學院（MIT）的E.M.Sachs博士提出用噴射粘結(jié)劑微滴粘連鋪平粉層的粉末，實現(xiàn)局部的固結(jié)，逐層制造而獲得三維實體模型的三維打印工藝3DP（ThreeDimensionPrinting）。E.M.Sachs于1993年獲得專利。

我國于20世紀90年代初先后有武漢華中科技大學快速制造中心，陜西省激光快速成型與模具制造工程研究中心，西安交通大學先進制造技術(shù)研究所，北京隆源自動成型系統(tǒng)有限公司，北京清華大學殷華實業(yè)有限公司等在快速成型工藝研究、成型設(shè)備開發(fā)、數(shù)控處理及控制軟件、新材料的研發(fā)等方面做了大量卓有成效的工作，趕上了世界發(fā)展的步伐并有所創(chuàng)新，現(xiàn)已開發(fā)研制出系列化的快速成型商品化設(shè)備并可訂購，并定期舉辦快速成型技術(shù)培訓班。我國中國機械工程學會下屬的特種加工學會于2001年增設(shè)了快速成型專業(yè)委員會，開展快速成型技術(shù)的普及和提高工作。

快速成形技術(shù)（簡稱RP技術(shù)）是在現(xiàn)代CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)、計算機數(shù)控技術(shù)、精密伺服驅(qū)動技術(shù)以及新材料技術(shù)的基礎(chǔ)上集成發(fā)展起來的。不同種類的快速成型系統(tǒng)因所用成形材料不同，成形原理和系統(tǒng)特點也各有不同。但是，其基本原理都是一樣的，那就是“離散原型”、“分層制造”、“逐層疊加”，這種工藝可以形象地叫做“增長法”或“加法”，類似于數(shù)學上的積分過程，形象地講，快速成形系統(tǒng)就像是一臺“立體打印機”。任務(wù)導入掌握光固化快速成形的基本原理掌握激光選區(qū)燒結(jié)快速成形的基本原理掌握疊層實體制造的基本原理掌握熔融沉積制造的基本原理掌握三維打印快速成形的基本原理

知識能力1

技能能力2

素質(zhì)能力3培養(yǎng)分析問題解決問題的能力能夠根據(jù)零件特點合理選擇成形技術(shù)任務(wù)目標知識鏈接

自1986年第一臺快速成形設(shè)備出現(xiàn)至今，30年來，世界上已有大約二十多種不同的成形方法和工藝，而且新方法和工藝不斷地出現(xiàn)，各種方法均具有自身的特點和適用范圍。比較成熟的典型工藝有光固化快速成形（SLA）、激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）、疊層實體制造（LOW）、熔融沉積制造（FDM）、三維打印快速成形（3DP）等。一、光固化快速成形工藝1.光固化快速成形的基本原理

光固化快速成形（SLA），又稱為立體光刻，光成形等，是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長（λ=325nm）和功率（P=30mW）的紫外激的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，分子量急劇增大，材料從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。SLA工藝原理圖

1-掃描鏡2-Z軸升降臺3-樹脂槽

4-光敏樹脂5-托盤6-零件

液槽中盛滿液態(tài)光敏樹脂，激光束在偏轉(zhuǎn)鏡作用下，在液體表面上掃描，掃描的軌跡及激光的有無均由計算機控制，光點掃描到的地方，液體就固化。成形開始時，工作平臺托盤5在液面下一個確定的深度，液面始終處于激光的焦點平面內(nèi)，聚焦后的光斑在液面上按計算機的指令逐點掃描即逐點固化。當一層掃描完成后，未被照射的地方仍是液態(tài)樹脂。然后升降臺帶動托盤5平臺使其高度下降一層（約0.1mm），已成形的層面上又布滿一層液態(tài)樹脂，刮平器將黏度較大的樹脂液面刮平，然后再進行下一層的掃描，新的一層固體牢固地粘在前一層上，如此重復(fù)，直到整個零件制造完畢，得到一個三維實體原型，最后對零件進行打磨或者上漆，以提高其表面質(zhì)量一、光固化快速成形工藝2.光固化快速成形工藝的特點02040301成形精度高掃描質(zhì)量好成形件表面質(zhì)量好成形速度較快05成形過程中需要添加支撐06成形成本高二、激光選取燒結(jié)快速成形工藝1.激光選區(qū)燒結(jié)快速成形的基本原理

激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）工藝，又稱為選擇性激光燒結(jié)成形，它是采用紅外激光作為熱源來燒結(jié)

粉末材料，并以逐層堆積的方式成形三維零件的一種快速成形技術(shù)。SLS工藝原理圖1-零件2-掃描鏡3-激光器4-透鏡5-刮平輥子

此法采用CO2激光器作能源，目前使用的造型材料多為各種粉末材料。在工作臺上均勻鋪上一層很?。?.1~0.2mm）的粉末，激光束在計算機控制下按照零件分層輪廓有選擇性地進行燒結(jié)，一層完成后再進行下一層燒結(jié)，全部燒結(jié)完成后去掉多余的粉末，再進行打磨、燒干等處理便獲得零件。二、激光選取燒結(jié)快速成形工藝2.激光選區(qū)燒結(jié)快速成形的特點123456可以成形幾乎任意幾何形狀結(jié)構(gòu)的零件，尤其適于生產(chǎn)形狀復(fù)雜、壁薄、帶有雕刻表面和內(nèi)部帶有空腔結(jié)構(gòu)的零件。SLS工藝無需支撐SLS工藝可使用的成形材料范圍廣可快速獲得金屬零件未燒結(jié)的粉末可重復(fù)使用，材料浪費極小應(yīng)用面廣1.疊層實體制造快速成形的基本原理

LOM工藝采用薄片材料（如紙、塑料薄膜等）作為成形材料，片材表面事先涂覆上一層熱熔膠。加工時，用CO2激光器（或刀）在計算機控制下按照CAD分層模型軌跡切割片材，然后通過熱壓輥熱壓，使當前層與下面已成形的工件層黏結(jié)，從而堆積成形。三、疊層實體制造快速成形工藝

LOM工藝原理圖1-收料軸2-升降臺3-加工平面4-CO2激光器5-熱壓輥

6-控制計算機7-料帶8-供料軸

用CO2激光器在剛黏結(jié)的新層上切割出零件截面輪廓和工件外框，并在截面輪廓與外框之間多余的區(qū)域內(nèi)切割出上下對齊的網(wǎng)格；激光切割完成后，升降工作臺帶動已成形的工件下降，與帶狀片材（料帶）分離；供料機構(gòu)轉(zhuǎn)動收料軸和供料軸，帶動料帶移動，使新層移到加工區(qū)域;升降工作臺上升到加工平面，熱壓輥熱壓，工件的層數(shù)增加一層，高度增加升料厚，再在新層上切割截面輪廓。如此反復(fù)直至零件的所有截面切割、黏結(jié)完，所得到的是包含零件的方體。零件周圍的材料由于激光的網(wǎng)格式切割，而被分割成一些小的方塊條，能容易地從零件上分離，最后得到三維的實體零件。2.疊層實體制造快速成形的特點三、疊層實體制造快速成形工藝02040301LOM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。因此易于制造大型、實體零件制件的內(nèi)應(yīng)力和翹曲變形小，制造成本低材料利用率低，種類有限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工藝無需加支撐表面質(zhì)量差，內(nèi)部廢料不易去除，后處理難度大05

熔融沉積成形（FDM）工藝，是一種利用噴嘴熔融、擠出絲狀成形材料，并在控制系統(tǒng)的控制下，按一定掃描路徑逐層堆積成形的一種快速成形工藝。四、熔融沉積制造快速成形工藝1.熔融沉積制造快速成形的基本原理熔融沉積制造快速成形技術(shù)原理圖

材料先抽成絲狀，通過送絲機構(gòu)送進噴嘴，由噴嘴將絲狀的成形材料熔融、擠出，噴嘴在x-y掃描機構(gòu)的帶動下沿層面模型規(guī)定的路線進行掃描、堆積熔融的成形材料。一層掃描完畢后，底板下降或者噴嘴升高一個層厚高度，重新開始下一層的成形。依此逐層成形直至完成整個零件的成形。四、熔融沉積制造快速成形工藝2.熔融沉積制造快速成形的特點02040301成形設(shè)備簡單、價格低廉，可靠性高成形過程對環(huán)境無污染成形零件具有優(yōu)良的綜合性容易制成桌面化和工業(yè)化快速成形系統(tǒng)05成形材料廣泛五、三維打印快速成形工藝1.三維打印快速成形的基本原理

三維打?。═hreeDimensionPrinting，3DP）快速成形工藝是美國麻省理工學院E.M.Sachs教授等學者開發(fā)的一種快速成形工藝，與選區(qū)激光燒結(jié)工藝一樣，該工藝的成形材料也需要制備成粉末狀，所不同的是，3DP是采用噴射粘結(jié)劑粘結(jié)粉末的方法來完成成形過程的。3DP工藝流程圖

首先，底板上鋪一層具有一定厚度的粉末；接著用微滴噴射裝置在已鋪好的粉末表面根據(jù)零件幾何形狀的要求在指定區(qū)域噴射粘接劑，完成對粉末的粘結(jié)；然后，工作平臺下降一定的高度（一般與一層粉末厚度相等），鋪粉裝置在已成形粉末上鋪設(shè)下一層粉末，噴射裝置繼續(xù)噴射以實現(xiàn)粘結(jié)；周而復(fù)始，直到零件制造完成。沒有被粘結(jié)的粉末在成形過程中起到了支撐的作用，使該工藝可以制造懸臂結(jié)構(gòu)和復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)而不需要再單獨設(shè)計添加支撐結(jié)構(gòu)。造型完成后清理掉未粘結(jié)的粉末就可以得到需要的零件.五、三維打印快速成形工藝2.三維打印快速成形的特點3DP工藝最大的特點是采用了數(shù)字微滴噴射技術(shù)。數(shù)字微滴噴射技術(shù)是指在數(shù)字信號的控制下，采用一定的物理或者化學手段，使工作腔內(nèi)的流體材料的一部分在短時間內(nèi)脫離母體，成為一個（組）微滴（droplets）或者一段連續(xù)絲線，以一定的響應(yīng)率和速度從噴嘴流出，并以一定的形態(tài)沉積到工作臺上的指定位置。數(shù)字微滴噴射技術(shù)示意圖

一次數(shù)字脈沖的激勵得到一個射流脈沖，射流脈沖的大小與激勵信號的脈寬有關(guān)，當這個激勵信號的脈寬極小的時候，射流（實際上已被離散為尺度為數(shù)十至數(shù)百微米大小的微滴）成為一個微單元（即一個微滴），可用數(shù)字技術(shù)中“位”的概念來描述，此時模型成為一種新的數(shù)字執(zhí)行器的原型，噴嘴的流量由數(shù)字激勵信號的頻率和脈寬來進行控制。當射流連續(xù)噴射時，可視為是激勵信號輸出全為“1”的特例。五、三維打印快速成形工藝2.三維打印快速成形的特點基于數(shù)字微滴噴射技術(shù)的3DP工藝其有如下特點：（1）成形效率高。由于可以采用多噴嘴陣列，因此能夠大大提高造型效率。（2）成本低，結(jié)構(gòu)簡單，易于小型化?；盏螄娚浼夹g(shù)無需使用激光器等高成本設(shè)備，故其成本相對較低，而且其結(jié)構(gòu)簡單，可以進一步結(jié)合微機械加工技術(shù)，使系統(tǒng)集成化、小型化，是實現(xiàn)辦公室桌面化系統(tǒng)的理想選擇。（3）可適用的材料非常廣泛。從原理上講，只要一種材料能夠被制備成粉末，就可能應(yīng)用到3DP工藝中。在所有快速成形工藝中，3DP工藝最早實現(xiàn)了陶瓷材料的快速成形。目前其成形材料已經(jīng)包括塑料、陶瓷和金屬材料等。任務(wù)拓展