第四章-快速原型技術(shù)

第四章快速(kuàisù)原型技術(shù)濟南大學(xué)(dàxué)機械加工新技術(shù)共一百一十九頁第4章快速原型(yuánxíng)技術(shù)4.1概述4.2快速(kuàisù)原型的軟件技術(shù)4.3SLA工藝4.4LOM工藝4.5SLS工藝4.6FDM工藝4.7RP技術(shù)的應(yīng)用4.8RP技術(shù)的發(fā)展趨勢共一百一十九頁4.1概述快速(kuàisù)原型技術(shù)RapidPrototypingRP技術(shù)(jìshù)快速成形技術(shù)共一百一十九頁4.1概述4.1.1快速原型(yuánxíng)技術(shù)的基本原理

4.1.2快速原型技術(shù)(jìshù)的典型方法

4.1.3快速原型技術(shù)的特點共一百一十九頁4.1.1快速原型(yuánxíng)技術(shù)的基本原理傳統(tǒng)(chuántǒng)的零件加工過程是先制造毛坯，然后經(jīng)切削加工，從毛坯上去除多余的材料得到零件的形狀和尺寸，這種方法統(tǒng)稱為材料去除制造。快速原型技術(shù)徹底擺脫了傳統(tǒng)的“去除”加工法，而基于“材料逐層堆積”的制造理念，將復(fù)雜的三維加工分解為簡單的材料二維添加的組合，它能在CAD模型的直接驅(qū)動下，快速制造任意復(fù)雜形狀的三維實體，是一種全新的制造技術(shù)。其成型過程為：逐層堆積制造建立零件的三維CAD模型模型Z向離散（分層）共一百一十九頁4.1.1快速原型(yuánxíng)技術(shù)的基本原理快速(kuàisù)原型工藝流程共一百一十九頁4.1.2快速原型技術(shù)的典型(diǎnxíng)方法1．光固化成形(chénɡxínɡ)工藝StereolithographyApparatus，簡稱SLA，也稱立體光刻使用材料：液態(tài)光敏樹脂共一百一十九頁4.1.2快速(kuàisù)原型技術(shù)的典型方法2．疊層實體制造(zhìzào)工藝LaminatedObjectManufacturing，簡稱LOM，也稱分層實體制造使用材料：片材，如紙、塑料薄膜等

共一百一十九頁4.1.2快速(kuàisù)原型技術(shù)的典型方法3．選擇性激光燒結(jié)(shāojié)工藝SelectiveLaserSintering，簡稱SLS

，也稱選區(qū)激光燒結(jié)使用材料：粉末狀材料共一百一十九頁4.1.2快速原型技術(shù)的典型(diǎnxíng)方法4．熔融(róngróng)沉積制造工藝FusedDepositionModeling，簡稱FDM使用材料：塑料絲共一百一十九頁4.1.2快速(kuàisù)原型技術(shù)的典型方法5．三維印刷(yìnshuā)工藝ThreeDimensionalPrinting，簡稱3DP其工作過程類似于噴墨打印機3DP工藝原理采用3DP工藝制作的結(jié)構(gòu)陶瓷制品共一百一十九頁4.1.3快速(kuàisù)原型技術(shù)的特點成型速度(sùdù)快，可迅速響應(yīng)市場；產(chǎn)品制造過程幾乎與零件的復(fù)雜程度無關(guān)；產(chǎn)品的單價幾乎與批量無關(guān)，特別適合于新產(chǎn)品開發(fā)和單件小批量生產(chǎn)；整個生產(chǎn)過程數(shù)字化、柔性化；無切割、噪聲和振動等，有利于環(huán)保；與傳統(tǒng)方法相結(jié)合，可實現(xiàn)快速鑄造、快速模具制造、小批量零件生產(chǎn)等功能，為傳統(tǒng)制造方法注入新的活力。共一百一十九頁4.2快速(kuàisù)原型的軟件系統(tǒng)快速(kuàisù)原型的軟件系統(tǒng)CAD造型軟件：分層處理軟件：成形控制軟件：進行零件的三維設(shè)計進行分層計算以獲取層片信息進行加工參數(shù)設(shè)定、生成數(shù)控代碼、控制實時加工共一百一十九頁4.2.1產(chǎn)品(chǎnpǐn)三維模型構(gòu)造及其近似處理1．產(chǎn)品的三維模型(móxíng)構(gòu)造根據(jù)產(chǎn)品的要求在CAD軟件平臺設(shè)計三維模型根據(jù)二維圖樣構(gòu)建三維模型采用逆向工程技術(shù)構(gòu)建三維模型共一百一十九頁4.2.1產(chǎn)品三維模型構(gòu)造(gòuzào)及其近似處理2．三維模型(móxíng)的近似處理用一系列小三角平面來逼近模型上的自由曲面，每一個小三角形由三個頂點和一個法矢量來表示，三角形的大小可以選擇，從而得到不同的曲面近似精度。經(jīng)近似處理的三維模型文件格式為STL，典型的商品化CAD系統(tǒng)都有STL文件輸出的數(shù)據(jù)接口共一百一十九頁4.2.1產(chǎn)品三維模型構(gòu)造及其近似(jìnsì)處理STL輸出(shūchū)的誤差在Pro/E中輸出STL文件共一百一十九頁4.2.2分層處理軟件由于快速原型是按一層層截面輪廓來進行成形(chénɡxínɡ)，因此，加工前必須從三維模型上，沿成形(chénɡxínɡ)的高度方向，每隔一定的間隔進行分層切片處理，以獲得截面的輪廓。分層間隔(jiàngé)選取的范圍為0.05mm～0.5mm，常用的是0.1mm左右。間隔愈小，精度愈高，但成形時間愈長。各種快速原型系統(tǒng)都帶有分層處理軟件，能將CAD模型以片層方式來描述，這樣，無論零件多么復(fù)雜，對于每一層來說，都是簡單的平面。共一百一十九頁4.2.3成型(chéngxíng)控制軟件成形控制軟件根據(jù)所選的數(shù)控系統(tǒng)將分層處理軟件生成的二維層片信息即輪廓與填充的路徑生成NC代碼，與工藝緊密相連，是一個工藝規(guī)劃(guīhuà)過程。快速原型掃描路徑規(guī)劃的主要內(nèi)容包括刀具尺寸補償和掃描路徑選擇，其核心算法包括二維輪廓偏置算法和填充網(wǎng)格生成算法。算法的要求是合理性、完善性和魯棒性，算法的好壞直接影響數(shù)據(jù)處理效率，生成結(jié)果則直接決定成形加工效率。共一百一十九頁4.3SLA工藝(gōngyì)SLA工藝于1984年由CharlesHull提出并獲美國專利。1988年美國3DSystems公司推出世界上第一臺商品化RP設(shè)備SLA-250。它以光敏樹脂為原料，通過計算機控制紫外激光(jīguāng)使其固化成形，自動制作出各種加工方法難以制作的復(fù)雜立體形狀，在制造領(lǐng)域具有劃時代的意義。目前SLA工藝已成為世界上研究最深入、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種快速原型方法。共一百一十九頁4.3SLA工藝(gōngyì)4.3.1SLA系統(tǒng)(xìtǒng)組成

4.3.2成形工藝過程

4.3.3SLA材料4.3.4SLA工藝特點4.3.5SLA工藝應(yīng)用案例共一百一十九頁4.3.1SLA系統(tǒng)(xìtǒng)組成CPS250B快速(kuàisù)原型機SLA工藝原理共一百一十九頁4.3.1SLA系統(tǒng)(xìtǒng)組成液槽控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)

紫外激光器氦-鎘激光器：輸出功率15mW～50mW，波長325nm氬激光器：輸出功率100mW～500mW，波長351nm～365nm激光束掃描裝置電流計驅(qū)動式的掃描鏡方式X-Y繪圖儀方式主要由工控機、分層處理軟件和控制軟件等組成共一百一十九頁4.3.2成形工藝(gōngyì)過程1.模型及支撐(zhīchēng)設(shè)計在成形中，未被激光束照射的部分材料仍為液態(tài)，它不能使制件上的孤立和懸臂輪廓定位。因此，必須設(shè)計和制作支撐結(jié)構(gòu)。工件底部也要加支撐，以使工件成形后順利從工作臺取下。成形完畢后應(yīng)小心除去支撐，從而得到最終所需的工件。共一百一十九頁4.3.2成形工藝(gōngyì)過程2.分層處理(chǔlǐ)采用分層軟件對CAD模型的STL格式文件進行分層處理，得到每一層截面圖形及其有關(guān)的網(wǎng)格矢量數(shù)據(jù)，用于控制激光束的掃描軌跡。分層處理還包括層厚、建立模式、固化深度、掃描速度、網(wǎng)格間距、線寬補償值、收縮補償因子的選擇與確定。3.原型制作液態(tài)光敏樹脂逐層固化而形成原型件。4.后處理原型制作完畢，需進行剝離，以便去除廢料和支撐結(jié)構(gòu)，有時還需進行后固化、修補、打磨、拋光、表面涂覆、表面強化處理等，這些工序統(tǒng)稱為后處理。共一百一十九頁4.3.3SLA材料(cáiliào)SLA原型材料是液態(tài)光敏樹脂(shùzhī)，如環(huán)氧樹脂(shùzhī)、乙烯酸樹脂(shùzhī)、丙烯酸樹脂(shùzhī)等。光敏樹脂材料中主要包括齊聚物、反應(yīng)性稀釋劑、光引發(fā)劑。由于樹脂固化過程中產(chǎn)生收縮，不可避免地會使模型材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，引起模型變形。開發(fā)收縮系數(shù)小、固化速度快或無需后固化、強度高的光敏樹脂材料是其發(fā)展趨勢。共一百一十九頁4.3.4SLA工藝(gōngyì)特點SLA工藝(gōngyì)優(yōu)點如下：尺寸精度高，可達±0.1mm，是RP技術(shù)中最高的；原型表面質(zhì)量優(yōu)良；可以制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜、細小的模型；系統(tǒng)非常穩(wěn)定，成形過程自動化程度高；可以直接制作面向熔模精密鑄造的具有中空結(jié)構(gòu)的消失型。共一百一十九頁4.3.4SLA工藝(gōngyì)特點SLA工藝(gōngyì)缺點：成形過程中伴隨著材料的物理和化學(xué)變化，產(chǎn)生收縮，并且會因材料內(nèi)部的應(yīng)力導(dǎo)致制件較易翹曲、變形；需要支撐；設(shè)備運轉(zhuǎn)及維護成本高；需要二次固化；液態(tài)樹脂固化后在性能上不如常用的工業(yè)塑料，一般較脆、易斷裂。共一百一十九頁4.3.5SLA工藝應(yīng)用(yìngyòng)案例SLA工藝自誕生以來，在概念設(shè)計的交流、單件小批量精密鑄造、產(chǎn)品模型、快速工模具及直接面向產(chǎn)品的模具等方面(fāngmiàn)廣泛應(yīng)用于汽車、航空、電子、消費品、娛樂以及醫(yī)療等行業(yè)。采用SLA工藝制作RP原型，然后翻制成硅橡膠模具，最后進行低壓注塑，得到所需的10件操作手柄。產(chǎn)品開發(fā)周期僅為傳統(tǒng)方式的1/10，費用僅為傳統(tǒng)方式1/3。共一百一十九頁4.3.5SLA工藝應(yīng)用(yìngyòng)案例共一百一十九頁4.3.5SLA工藝(gōngyì)應(yīng)用案例共一百一十九頁4.3.5SLA工藝(gōngyì)應(yīng)用案例共一百一十九頁4.4LOM工藝(gōngyì)LOM工藝方法和設(shè)備于1991年問世，由于該工藝大多使用紙為原料，材料成本低，而且激光只要切割(qiēgē)每一層片的輪廓，成形效率高，在制作中、大原型件時有較大優(yōu)勢，因此近年來發(fā)展迅速。共一百一十九頁4.4LOM工藝(gōngyì)4.4.1LOM系統(tǒng)(xìtǒng)組成

4.4.2成形工藝過程

4.4.3LOM材料4.4.4LOM工藝特點4.4.5SLA工藝應(yīng)用案例共一百一十九頁4.4.1LOM系統(tǒng)(xìtǒng)組成共一百一十九頁4.4.2成形(chénɡxínɡ)工藝過程1.制作(zhìzuò)基底2.原型制作3.去除余料4.后處理余料去除以后，為提高原型表面狀況和機械強度，保證其尺寸穩(wěn)定性、精度等方面的要求，需對原型進行后置處理，比如防水、防潮、加固和使其表面光滑等，通常采用的后置處理工藝包括修補、打磨、拋光、表面涂覆等。共一百一十九頁4.4.3LOM材料(cáiliào)LOM技術(shù)使用薄層材料，如紙、金屬箔、塑料薄膜、陶瓷膜等，除了可以制造(zhìzào)模型外，還可以直接制造(zhìzào)結(jié)構(gòu)件或功能件。目前LOM成形材料多采用紙。紙材在激光切割過程中一直保持固態(tài)，不發(fā)生狀態(tài)變化，因此翹曲變形小。所成形的制件經(jīng)過表面涂覆處理后不吸水，有良好的穩(wěn)定性且堅如硬木，表面光滑。LOM材料涉及到三方面的問題：薄層材料、粘結(jié)劑和涂布工藝。共一百一十九頁4.4.4LOM工藝(gōngyì)特點LOM工藝(gōngyì)優(yōu)點如下：生產(chǎn)效率比其它RP工藝高，非常適合于制作中、大型實心原型件；無需設(shè)計和制作支撐結(jié)構(gòu)；后處理工藝簡單，成形后廢料易于剝離，且不需后固化處理；原材料價格便宜，原型制作成本低；制件能承受高達200℃的高溫，有較高的硬度和較好的力學(xué)性能，可以進行各種切削加工。共一百一十九頁4.4.4LOM工藝(gōngyì)特點LOM工藝(gōngyì)缺點：工件（尤其是薄壁件）的抗拉強度和彈性不夠好；工件易吸濕膨脹，因此成形后應(yīng)盡快做表面防潮處理；不能直接制作塑料工件；工件表面有臺階，其高度等于材料厚度，因此，成形后需進行表面打磨。共一百一十九頁4.4.5LOM工藝(gōngyì)應(yīng)用案例LOM工藝雖然在精細產(chǎn)品和類塑料件制作方面不及SLA工藝，但是在比較厚重的結(jié)構(gòu)件模型、實物外觀模型、制鞋業(yè)、砂型鑄造、快速模具母模等方面的應(yīng)用(yìngyòng)有其獨特的優(yōu)越性。共一百一十九頁4.4.5LOM工藝(gōngyì)應(yīng)用案例奧迪轎車剎車(shāchē)鉗體精鑄母模的LOM原型奧迪轎車剎車鉗體精鑄件汽車工業(yè)中很多形狀復(fù)雜的零部件均由精鑄直接制得，如何高精度、高效率、低成本地制造這些精鑄母模是關(guān)鍵。采用傳統(tǒng)的木模工手工制作，對于曲面形狀復(fù)雜的母模，效率低、精度差；采用數(shù)控加工制作，則成本太高。采用LOM工藝制造汽車零部件精鑄母模，生產(chǎn)效率高，尺寸精度高。共一百一十九頁4.4.5LOM工藝應(yīng)用(yìngyòng)案例汽車(qìchē)發(fā)動機排氣管的精鑄母模共一百一十九頁4.5SLS工藝(gōngyì)SLS工藝由美國得克薩斯大學(xué)奧汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功，并首先由美國DTM公司商品化，它利用粉末狀材料（金屬粉末或非金屬粉末）在激光照射下燒結(jié)的原理，在計算機控制下層層堆積(duījī)成形。SLS的原理與SLA十分相象，主要區(qū)別在于所使用的材料及其狀態(tài)。SLA使用液態(tài)光敏樹脂，而SLS則使用各種粉末狀材料。共一百一十九頁4.5SLS工藝(gōngyì)4.5.1SLS系統(tǒng)(xìtǒng)組成

4.5.2成形工藝過程

4.5.3SLS材料4.5.4SLS工藝特點4.5.5SLS工藝應(yīng)用案例共一百一十九頁4.5.1SLS系統(tǒng)(xìtǒng)組成AFS-320成形(chénɡxínɡ)機基本性能參數(shù)激光器類型射頻CO2波長10.6μm最大功率50W光路及掃描系統(tǒng)焦平面光斑<0.4mm同光路指示670nm紅光成形室一次成形尺寸320×320×440mm分層厚度0.08～0.3mm成形材料精鑄模料、工程塑料、樹脂砂控制系統(tǒng)工控機即時主流配置控制軟件AFSWinv2.0共一百一十九頁4.5.2成形工藝(gōngyì)過程1.成形參數(shù)(cānshù)選擇2.原型制作分層參數(shù)：零件加工方向、分層厚度、掃描間距和掃描方式。成形燒結(jié)參數(shù)：掃描速度、激光功率、預(yù)熱溫度、鋪粉參數(shù)等。共一百一十九頁4.5.2成形工藝(gōngyì)過程3.后處理剛剛成形的樹脂原型密度和強度較低，需作強化處理，將液體可固化樹脂浸滲到燒結(jié)零件中，將其保溫(bǎowēn)、固化，得到增強的零件；對于陶瓷原型，需將其放在加熱爐中燒除粘接劑，燒結(jié)陶瓷粉；當(dāng)原型材料為金屬與粘結(jié)劑的混合粉時，成形需將制件置于加熱爐中，燒去其中的粘結(jié)劑，燒結(jié)金屬粉，然后進行滲銅處理，以得到高密度的金屬件。共一百一十九頁4.5.3SLS材料(cáiliào)SLS工藝使用粉末材料，它來源(láiyuán)較為廣泛，原則上講所有受熱能相互粘結(jié)的粉末材料或表面附有熱固（塑）性粘結(jié)劑的粉末都可用作SLS材料；用蠟可以制造精密鑄造用蠟?zāi)?，用熱塑性塑料可以制造消失模，用陶瓷可以制造鑄造殼型、型芯和陶瓷構(gòu)件，用金屬可以制造金屬結(jié)構(gòu)件和模具。目前SLS材料主要有塑料粉、蠟粉、金屬粉、表面附有粘結(jié)劑的覆膜陶瓷粉、覆膜金屬粉及覆膜砂等；共一百一十九頁4.5.4SLS工藝(gōngyì)特點SLS工藝(gōngyì)優(yōu)點如下：可以采用多種材料，特別是可以直接制造金屬零件，這使SLS工藝頗具吸引力；無需設(shè)計和制作支撐結(jié)構(gòu)；制件具有較好的機械性能，可直接用作功能測試或小批量使用的產(chǎn)品；材料利用率高，未燒結(jié)的粉末可以重復(fù)利用。材料價格便宜、成本低。共一百一十九頁4.5.4SLS工藝(gōngyì)特點SLS工藝(gōngyì)缺點：成形速度較慢；成形精度和表面質(zhì)量稍差，因此在成形要求精細結(jié)構(gòu)和清晰輪廓的制件時不及SLA工藝處理；成形過程能量消耗高。共一百一十九頁4.5.5SLS工藝(gōngyì)應(yīng)用案例采用SLS工藝，可以直接將CAD文件轉(zhuǎn)換成經(jīng)久耐用的、功能性的塑料或金屬零件或模具，所需時間只是傳統(tǒng)加工和制模時間的很少一部分。這樣就可以在很短時間（幾天）內(nèi)，快速制造小批量的塑料或金屬零件，而不需要制造模具，大大降低了成本，縮短了周期。對于(duìyú)大批量的零件生產(chǎn)，在一兩天內(nèi)就可以制造出復(fù)雜的金屬模具工作零件，具有更高的效益。共一百一十九頁4.5.5SLS工藝應(yīng)用(yìngyòng)案例采用SLS工藝(gōngyì)小批量生產(chǎn)航空、航天、軍工等行業(yè)的產(chǎn)品，既減少了投資，又贏得了時間。小批量戰(zhàn)斗機控制手柄共一百一十九頁4.5.5SLS工藝(gōngyì)應(yīng)用案例采用SLS工藝制作的高爾夫球(gāoěrfūqiú)頭模具及產(chǎn)品共一百一十九頁4.5.5SLS工藝應(yīng)用(yìngyòng)案例共一百一十九頁4.5.5SLS工藝(gōngyì)應(yīng)用案例共一百一十九頁4.5.5SLS工藝應(yīng)用(yìngyòng)案例共一百一十九頁4.6FDM工藝(gōngyì)FDM工藝由美國學(xué)者ScottCrump博士于1988年研制成功，并于1991年由美國的Stratasys公司率先推出商品化設(shè)備。FDM工藝利用熱塑性材料(cáiliào)的熱熔性、粘結(jié)性，在計算機控制下層層堆積成形。由于該工藝無需激光系統(tǒng)，因此使用、維護簡單，成本低，近年來得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，是RP技術(shù)領(lǐng)域的后起之秀。共一百一十九頁4.6FDM工藝(gōngyì)4.6.1FDM系統(tǒng)(xìtǒng)組成

4.6.2成形工藝過程

4.6.3FDM材料4.6.4FDM工藝特點4.6.5FDM工藝應(yīng)用案例共一百一十九頁4.6.1FDM系統(tǒng)(xìtǒng)組成MEM-300快速(kuàisù)原型機共一百一十九頁4.6.1FDM系統(tǒng)(xìtǒng)組成MEM-300主要工藝(gōngyì)參數(shù)材料ABS塑料成形溫度220℃～230℃分層厚度0.15mm掃描速度0～80mm/s成形空間300mm（長）×260mm（寬）×300mm（高）精度±0.2mm/100mm主機尺寸820mm（長）×730mm（寬）×1220mm（高）共一百一十九頁4.6.1FDM系統(tǒng)(xìtǒng)組成1.噴頭(pēntóu)2.送絲機構(gòu)3.運動機構(gòu)單噴頭技術(shù)：零件和支撐采用同種材料，支撐去除麻煩；雙噴頭技術(shù)：一個用來噴模型材料制造零件，另一個用來噴支撐材料做支撐，兩種材料的特性不同，去除支撐容易。X-Y軸的聯(lián)動完成噴頭對截面輪廓的平面掃描，Z軸則帶動工作臺實現(xiàn)高度方向的進給。4.控制系統(tǒng)：運動控制、溫度控制5.軟件系統(tǒng)：分層處理軟件、成形控制軟件共一百一十九頁4.6.2成形工藝(gōngyì)過程1.三維模型設(shè)計(shèjì)及STL文件輸出2.分層處理1）啟動Daphne共一百一十九頁4.6.2成形(chénɡxínɡ)工藝過程2）確定加工(jiāgōng)方向及加工(jiāgōng)位置3）添加基底共一百一十九頁4.6.2成形工藝(gōngyì)過程4）添加(tiānjiā)支撐共一百一十九頁4.6.2成形(chénɡxínɡ)工藝過程5）分層計算(jìsuàn)共一百一十九頁4.6.2成形工藝(gōngyì)過程3.原型(yuánxíng)制作1）開機后，成形材料及成形室預(yù)熱零件2）啟動控制軟件，讀入分層后的加工模型

共一百一十九頁4.6.2成形工藝(gōngyì)過程3）數(shù)控初始化共一百一十九頁4.6.2成形(chénɡxínɡ)工藝過程4）擠出(jǐchū)舊絲及出絲檢測共一百一十九頁4.6.2成形工藝(gōngyì)過程5）工作臺對高共一百一十九頁4.6.2成形(chénɡxínɡ)工藝過程6）加工(jiāgōng)參數(shù)設(shè)置共一百一十九頁4.6.2成形(chénɡxínɡ)工藝過程7）成形(chénɡxínɡ)加工共一百一十九頁4.6.2成形工藝(gōngyì)過程3原型(yuánxíng)后處理加工完畢，零件保溫，之后用小鏟子小心取出原型小心去除支撐，用砂紙打磨臺階效應(yīng)較明顯處，用小刀處理多余部分，用填補液處理臺階效應(yīng)造成的缺陷，用上光液把原型表面上光FDM工藝需要有支撐，當(dāng)支撐與原型材料相同時，手工去除支撐需要一定的技巧，復(fù)雜、細小特征處的支撐剝離效果較差，影響原型件的精度和表面質(zhì)量采用雙噴頭和雙材料技術(shù)，成形時，一個噴頭用于擠噴模型材料，一個噴頭用于擠噴支撐材料，而支撐可以選擇水溶材料、低于模型材料熔點的熱熔材料等。成形之后，支撐很容易去掉，留下光滑、清潔、精確的原型件，沒有刮痕和擦傷，細小的特征會保留得完整無缺。共一百一十九頁4.6.3FDM材料(cáiliào)FDM工藝中使用的材料是線材，分為成形材料和支撐材料。對于成形材料，要求其熔融(róngróng)溫度低、粘度低、粘結(jié)性好、收縮率??；目前使用的材料主要包括ABS及醫(yī)學(xué)專用的ABSi、MABS、石蠟、聚烯烴樹脂、尼龍、聚酰胺、低熔點金屬和陶瓷等；對支撐材料的要求是能夠承受一定的高溫、與成形材料不浸潤、具有水溶性或酸溶性、具有較低的熔融溫度、流動性好等。共一百一十九頁4.6.4FDM工藝(gōngyì)特點FDM工藝(gōngyì)優(yōu)點如下：無需激光系統(tǒng)，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、運行安全、操作維護簡便，成本低，其設(shè)備成本為SLA設(shè)備的1/5；可以在辦公室環(huán)境下使用；原材料在成形過程中無化學(xué)變化，制件翹曲變形?。划?dāng)使用水溶性支撐材料時，支撐去除方便快捷，且效果極好。共一百一十九頁4.6.4FDM工藝(gōngyì)特點FDM工藝(gōngyì)缺點：成形精度較；也需要對整個截面進行掃描，成形時間較長；沿Z軸方向，制件強度較弱。共一百一十九頁4.6.4FDM工藝(gōngyì)特點指標(biāo)SLALOMSLSFDM成形速度較快快較慢較慢原型精度較高較高較低較低制造成本高較低較低低原型復(fù)雜程度復(fù)雜中等較復(fù)雜中等零件大小中小件大件中小件中小件四種工藝(gōngyì)的對比共一百一十九頁4.6.5FDM工藝應(yīng)用(yìngyòng)案例FDM工藝已廣泛應(yīng)用于汽車、機械、航空航天、家電、通信、電子、建筑、醫(yī)學(xué)、玩具等產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程，如產(chǎn)品外觀評估、方案選擇、裝配(zhuāngpèi)檢查、功能測試、用戶看樣訂貨、以及少量產(chǎn)品制造等。共一百一十九頁4.6.5FDM工藝應(yīng)用(yìngyòng)案例共一百一十九頁4.6.5FDM工藝(gōngyì)應(yīng)用案例使用FDM工藝制作醫(yī)學(xué)模型(móxíng)，有助于改善外科手術(shù)方案，并有效地進行醫(yī)學(xué)診斷，大大減少手術(shù)前、中和后的時間和費用采用FDM工藝制作的人體骨骼模型共一百一十九頁4.6.5FDM工藝應(yīng)用(yìngyòng)案例共一百一十九頁4.6.5FDM工藝(gōngyì)應(yīng)用案例共一百一十九頁4.6.5FDM工藝應(yīng)用(yìngyòng)案例共一百一十九頁4.7RP技術(shù)(jìshù)的應(yīng)用RP技術(shù)自出現(xiàn)以來，以其顯著的時間效益和經(jīng)濟效益受到制造業(yè)的廣泛關(guān)注(guānzhù)，并已在航空航天、汽車外形設(shè)計、玩具、電子儀表與家用電器塑料件制造、人體器官制造、建筑美工設(shè)計、工藝裝飾設(shè)計制造、模具設(shè)計制造等領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。051015202530軍事領(lǐng)域其他宇航業(yè)學(xué)術(shù)機構(gòu)醫(yī)療領(lǐng)域機械設(shè)備汽車行業(yè)日用消費品需求量（%）對RP原型需求的行業(yè)共一百一十九頁4.7RP技術(shù)(jìshù)的應(yīng)用對RP原型需求的目的模具制造可視化0510152025其他直接模具人體研究建議和討論模型金屬鑄造母?？焖倌＞吣改９こ淘O(shè)計可視化裝配檢驗功能模型需求目的和用途量（%）共一百一十九頁4.7RP技術(shù)(jìshù)的應(yīng)用4.7.1RP技術(shù)(jìshù)在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用4.7.2基于RP的快速模具技術(shù)4.7.3RP技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用材料4.7.4RP技術(shù)在鑄造領(lǐng)域中的應(yīng)用共一百一十九頁4.7.1RP技術(shù)(jìshù)在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用采用RP技術(shù)之后，從產(chǎn)品設(shè)計的最初階段開始，設(shè)計者、制造者、推銷者和用戶都能在第一時間拿到實實在在的樣品甚至小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，因而可以及早地、充分地進行評價、測試和反復(fù)修改，并且對制造工藝過程及其所需的工具、模具的設(shè)計進行校核，因此(yīncǐ)可以大大減少失誤和不必要的返工，從而能以最快的速度、最低的成本、最好的品質(zhì)和最低的風(fēng)險投入市場。共一百一十九頁4.7.1RP技術(shù)(jìshù)在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用RP系統(tǒng)相當(dāng)于一臺三維打印機，能迅速地將設(shè)計的CAD模型高精度地“打印”出來，為設(shè)計者和產(chǎn)品評審決策者提供直接、準(zhǔn)確(zhǔnquè)的模型，大大提高產(chǎn)品設(shè)計和決策的可靠性。1.設(shè)計模型可視化及設(shè)計評價在新產(chǎn)品設(shè)計中，利用RP技術(shù)制作產(chǎn)品樣件，一般只需傳統(tǒng)樣件制作工時的30%～50%和成本的20%～35%，而其精確性卻是傳統(tǒng)方法無法媲美的。RP樣件是產(chǎn)品從設(shè)計到商品化各個環(huán)節(jié)中進行交流的有效手段，可作為新產(chǎn)品展示，進行市場調(diào)研、市場宣傳和供貨詢價。共一百一十九頁4.7.1RP技術(shù)(jìshù)在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用進行裝配校核和干涉檢查對新產(chǎn)品開發(fā)，尤其是在有限空間內(nèi)的復(fù)雜、昂貴(ángguì)系統(tǒng)（如衛(wèi)星、導(dǎo)彈）的可制造性和可裝配性檢驗尤為重要。如果一個產(chǎn)品的零件多而且復(fù)雜就需要作總體裝配校核。在投產(chǎn)之前，先用RP技術(shù)制作出全部零件原型，進行試安裝，驗證設(shè)計的合理性和安裝工藝與裝配要求，若發(fā)現(xiàn)有缺陷，便可以迅速、方便地進行糾正，使所有問題在投產(chǎn)之前得到解決。2.裝配校核共一百一十九頁4.7.1RP技術(shù)(jìshù)在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用快速原型除了可以進行設(shè)計評價和裝配校核之外，還可以直接用于性能和功能參數(shù)試驗與相應(yīng)的研究，如機構(gòu)運動分析、流動分析、應(yīng)力分析、流體和空氣動力學(xué)分析等。采用RP技術(shù)可以嚴格地按照(ànzhào)設(shè)計將模型迅速制造出來進行實驗測試，對各種復(fù)雜的空間曲面更能體現(xiàn)RP技術(shù)的優(yōu)勢。如通過風(fēng)扇、鳳轂等設(shè)計的功能檢驗和性能參數(shù)確定，可獲得最佳扇葉曲面、最低噪聲的結(jié)構(gòu)。如果用傳統(tǒng)的方法制造原型，這種測試與比較幾乎是不可能的。3.功能驗證共一百一十九頁4.7.1RP技術(shù)(jìshù)在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用由于RP技術(shù)徹底摒棄了傳統(tǒng)的加工模式，其加工難易程度與產(chǎn)品復(fù)雜程度無關(guān)，其加工成本與批量無關(guān)，其加工過程與刀具、夾具、模具無關(guān)，從而使得原來過于復(fù)雜無法(wúfǎ)加工的結(jié)構(gòu)變得不存在加工難度，原來追求個性化而帶來的小批量、高成本的問題迎刃而解，原來不合理的設(shè)計結(jié)構(gòu)和裝配結(jié)構(gòu)變得合理。4.RP技術(shù)給產(chǎn)品設(shè)計帶來革命

共一百一十九頁4.7.1RP技術(shù)(jìshù)在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用RP技術(shù)將復(fù)雜的三維加工簡化為一系列二維加工的疊加，因此(yīncǐ)，原則上講，任意復(fù)雜程度的零件都可以成形，不再會因為零件復(fù)雜而增加加工難度；1）設(shè)計中可以不再考慮產(chǎn)品的復(fù)雜程度和批量RP技術(shù)類似于“三維打印”的加工模式帶來加工的極大柔性，加工成本對產(chǎn)品批量的敏感性幾乎為零，復(fù)雜產(chǎn)品的單件小批量生產(chǎn)是它的特長。這就為產(chǎn)品設(shè)計者追求設(shè)計獨創(chuàng)性和產(chǎn)品使用者追求個性化提供了有力的支持。共一百一十九頁4.7.1RP技術(shù)(jìshù)在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用2）加工(jiāgōng)工藝性概念的變革這一產(chǎn)品結(jié)構(gòu)雖不復(fù)雜，但采用傳統(tǒng)的加工方法是無法制作。采用RP技術(shù)的FDM工藝，通過合理設(shè)定分層參數(shù)和加工參數(shù)，成形時不用支撐，順利制作出該零件，得到的制件形狀完美，表面光潔，無需任何后續(xù)處理工序。共一百一十九頁4.7.1RP技術(shù)(jìshù)在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用3）裝配結(jié)構(gòu)的改變(gǎibiàn)簡化了設(shè)計和制造過程這是僅由一個零件組成的整體扳手設(shè)計過程得以簡化，設(shè)計中不再考慮傳統(tǒng)的加工工藝性問題；制造工藝得以簡化，避免了采用分體加工時諸多的加工工序以及后續(xù)的裝配過程；產(chǎn)品質(zhì)量得以改善，避免了由于裝配過程帶來的裝配誤差和裝配痕跡，從而提高產(chǎn)品精度和外觀質(zhì)量，增加局部強度，采用這一技術(shù)成形有密封要求的部位，可以做到絕對防滲漏。共一百一十九頁4.7.2基于RP的快速模具(mújù)技術(shù)采用基于RP的快速模具技術(shù)，從模具的概念設(shè)計到制造完畢僅為傳統(tǒng)加工方法所需時間的1/3左右，使模具制造在提高質(zhì)量、縮短研制周期、提高制造柔性(róuxìnɡ)等方面取得了明顯的效果。在RP技術(shù)領(lǐng)域中，目前發(fā)展最迅速，產(chǎn)值增長最明顯的應(yīng)屬快速模具技術(shù)。共一百一十九頁基于(jīyú)RP的快速模具技術(shù)共一百一十九頁4.7.2基于RP的快速(kuàisù)模具技術(shù)1.直接快速(kuàisù)模具制造SLS工藝制模AIM快速制模工藝形狀沉積制造(SDM)工藝三維打?。?DP）工藝直接制造金屬模具共一百一十九頁4.7.2基于RP的快速模具(mújù)技術(shù)2.間接(jiànjiē)快速模具制造噴涂模具中低熔點合金模具電鑄模硅膠模熔模鑄造法陶瓷型精鑄法共一百一十九頁4.7.2基于RP的快速模具(mújù)技術(shù)基于RP的陶瓷(táocí)型精鑄子午線輪胎活絡(luò)模共一百一十九頁4.7.2基于RP的快速模具(mújù)技術(shù)大型(dàxíng)汽車覆蓋件模具共一百一十九頁4.7.2基于(jīyú)RP的快速模具技術(shù)金屬噴涂快速模具(mújù)制造共一百一十九頁4.7.2基于RP的快速模具(mújù)技術(shù)共一百一十九頁4.7.2基于(jīyú)RP的快速模具技術(shù)冰箱(bīngxiāng)內(nèi)飾件的快速原型件、硅膠模具及塑料件共一百一十九頁4.7.3RP技術(shù)(jìshù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用人體骨骼和內(nèi)部(nèibù)器官結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，要真實地復(fù)制人體內(nèi)部(nèibù)的器官構(gòu)造，反應(yīng)病變特征，RP幾乎是唯一的方法。首先，RP原型可以作為硬拷貝數(shù)據(jù)提供視覺和觸覺的信息，作為診斷和治療的文件，它能夠促進醫(yī)生和醫(yī)生之間、醫(yī)生與病人之間的溝通；其次，RP原型可以作為外科手術(shù)模擬的模型，有助于快速制定復(fù)雜外科手術(shù)的計劃。第三，RP原型能夠直接制造成植入物，植入人體，基于RP制造的植入體具有相當(dāng)準(zhǔn)確的適配度，能夠提高美觀度、縮短手術(shù)時間、減少術(shù)后并發(fā)癥。共一百一十九頁4.7.3RP技術(shù)(jìshù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用根據(jù)(gēnjù)患者的人體CT數(shù)據(jù)制作的骨盆RP原型共一百一十九頁4.7.3RP技術(shù)在醫(yī)學(xué)(yīxué)領(lǐng)域的應(yīng)用手術(shù)(shǒushù)模型共一百一十九頁4.7.4RP技術(shù)(jìshù)在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用RP技術(shù)自出現(xiàn)以來，一直在鑄造領(lǐng)域有著比較活躍的應(yīng)用，在典型鑄造工藝和熔模鑄造中，為單件或小批量鑄件的生產(chǎn)帶來了顯著的經(jīng)濟效益。在制造業(yè)特別是航空、航天、國防、汽車等重點行業(yè)，其基礎(chǔ)的核心部件一般(yībān)均為結(jié)構(gòu)精細、復(fù)雜的金屬零件，其生產(chǎn)方式常為鑄造，鑄造環(huán)節(jié)復(fù)雜、周期長、耗資大，略有失誤有時甚至要全部返工，風(fēng)險很大。如果借助RP技術(shù)，使RP技術(shù)與傳統(tǒng)工藝相結(jié)合，揚長避短，可收到事半功倍的效果。共一百一十九頁4.7.4RP技術(shù)(jìshù)在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用采用(cǎiyòng)快速鑄造生產(chǎn)的四缸發(fā)動機蠟?zāi)＜傲慵惨话僖皇彭?.8RP技術(shù)(jìshù)的發(fā)展趨勢4.8.1RP產(chǎn)業(yè)(chǎnyè)面臨的困難4.8.2RP技術(shù)的發(fā)展趨勢4.8.3RP技術(shù)的未來共一百一十九頁4.8.1RP產(chǎn)業(yè)(chǎnyè)面臨的困難價格(jiàgé)偏高材料的限制成形精度有限成形速度方面的不足共一百一十九頁4.8.2RP技術(shù)(jìshù)的發(fā)展趨勢十余年來，RP技術(shù)已經(jīng)步入初成熟期，已經(jīng)從早期的原型制造發(fā)展出包含多種功能、多種材料、多種應(yīng)用的許多工藝，在概念上正在從RapidPrototyping轉(zhuǎn)變?yōu)镽apidManufacturing，在功能上從完成原型制造向批量(pīliànɡ)定制發(fā)展。基于這個基本趨勢，RP設(shè)備向概念型、生產(chǎn)型和專用成形設(shè)備分化。共一百一十九頁4.8.2RP技術(shù)(jìshù)的發(fā)展趨勢概念模型RP設(shè)備是指利用RP工藝制造用于產(chǎn)品設(shè)計、測試或者裝配等的原型。所成形的零件(línɡjiàn)主要在于形狀、色彩等外觀表達功能，對材料的性能要求較低。這種設(shè)備的當(dāng)前發(fā)展總的趨勢是：成形速度快；產(chǎn)品可具有連續(xù)變化的多彩色（多材料）；普通微機控制，通過標(biāo)準(zhǔn)接口進行通信；體積小，是一種桌面設(shè)備；價格低；綠色制造方式，無污染、無噪聲。共一百一十九頁4.8.2RP技術(shù)(jìshù)的發(fā)展趨勢生產(chǎn)型設(shè)備是指能生產(chǎn)最終零件的RP設(shè)備。與概念原型設(shè)備相比，這種設(shè)備一般對產(chǎn)品有較高的精度、性能(xìngnéng)和成形效率要求，設(shè)備和材料價格較昂貴。應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)制造領(lǐng)域的專用成