快速原型技术.ppt

3 1 6快速原型技术 先进制造技术 3 1 6快速原型技术 1概述 2快速原型的软件技术 3SLA工艺 4LOM工艺 5SLS工艺 6FDM工艺 7RP技术的应用 8RP技术的发展趋势 1概述 快速原型技术 RapidPrototyping RP技术 快速成形技术 1概述 1 1快速原型技术的基本原理 1 2快速原型技术的典型方法 1 3快速原型技术的特点 1 1快速原型技术的基本原理 传统的零件加工过程是先制造毛坯 然后经切削加工 从毛坯上去除多余的材料得到零件的形状和尺寸 这种方法统称为材料去除制造 快速原型技术彻底摆脱了传统的 去除 加工法 而基于 材料逐层堆积 的制造理念 将复杂的三维加工分解为简单的材料二维添加的组合 它能在CAD模型的直接驱动下 快速制造任意复杂形状的三维实体 是一种全新的制造技术 其成型过程为 逐层堆积制造 建立零件的三维CAD模型 模型Z向离散 分层 1 1快速原型技术的基本原理 快速原型工艺流程 1 2快速原型技术的典型方法 1 光固化成形工艺 StereolithographyApparatus 简称SLA 也称立体光刻 使用材料 液态光敏树脂 1 2快速原型技术的典型方法 2 叠层实体制造工艺 LaminatedObjectManufacturing 简称LOM 也称分层实体制造 使用材料 片材 如纸 塑料薄膜等 1 2快速原型技术的典型方法 3 选择性激光烧结工艺 SelectiveLaserSintering 简称SLS 也称选区激光烧结 使用材料 粉末状材料 1 2快速原型技术的典型方法 4 熔融沉积制造工艺 FusedDepositionModeling 简称FDM 使用材料 塑料丝 1 2快速原型技术的典型方法 5 三维印刷工艺 ThreeDimensionalPrinting 简称3DP 其工作过程类似于喷墨打印机 3DP工艺原理 采用3DP工艺制作的结构陶瓷制品 1 3快速原型技术的特点 成型速度快 可迅速响应市场 产品制造过程几乎与零件的复杂程度无关 产品的单价几乎与批量无关 特别适合于新产品开发和单件小批量生产 整个生产过程数字化 柔性化 无切割 噪声和振动等 有利于环保 与传统方法相结合 可实现快速铸造 快速模具制造 小批量零件生产等功能 为传统制造方法注入新的活力 2快速原型的软件系统 快速原型的软件系统 CAD造型软件 分层处理软件 成形控制软件 进行零件的三维设计 进行分层计算以获取层片信息 进行加工参数设定 生成数控代码 控制实时加工 3SLA工艺 SLA工艺于1984年由CharlesHull提出并获美国专利 1988年美国3DSystems公司推出世界上第一台商品化RP设备SLA 250 它以光敏树脂为原料 通过计算机控制紫外激光使其固化成形 自动制作出各种加工方法难以制作的复杂立体形状 在制造领域具有划时代的意义 目前SLA工艺已成为世界上研究最深入 技术最成熟 应用最广泛的一种快速原型方法 3SLA工艺 3 1SLA系统组成 3 2成形工艺过程 3 3SLA材料 3 4SLA工艺特点 3 5SLA工艺应用案例 3 1SLA系统组成 CPS250B快速原型机 SLA工艺原理 3 1SLA系统组成 液槽 控制系统 紫外激光器 氦 镉激光器 输出功率15mW 50mW 波长325nm 氩激光器 输出功率100mW 500mW 波长351nm 365nm 激光束扫描装置 电流计驱动式的扫描镜方式 X Y绘图仪方式 主要由工控机 分层处理软件和控制软件等组成 3 2成形工艺过程 1 模型及支撑设计 在成形中 未被激光束照射的部分材料仍为液态 它不能使制件上的孤立和悬臂轮廓定位 因此 必须设计和制作支撑结构 工件底部也要加支撑 以使工件成形后顺利从工作台取下 成形完毕后应小心除去支撑 从而得到最终所需的工件 3 2成形工艺过程 2 分层处理 采用分层软件对CAD模型的STL格式文件进行分层处理 得到每一层截面图形及其有关的网格矢量数据 用于控制激光束的扫描轨迹 分层处理还包括层厚 建立模式 固化深度 扫描速度 网格间距 线宽补偿值 收缩补偿因子的选择与确定 3 原型制作 液态光敏树脂逐层固化而形成原型件 4 后处理 原型制作完毕 需进行剥离 以便去除废料和支撑结构 有时还需进行后固化 修补 打磨 抛光 表面涂覆 表面强化处理等 这些工序统称为后处理 3 3SLA材料 SLA原型材料是液态光敏树脂 如环氧树脂 乙烯酸树脂 丙烯酸树脂等 光敏树脂材料中主要包括齐聚物 反应性稀释剂 光引发剂 由于树脂固化过程中产生收缩 不可避免地会使模型材料内部产生应力 引起模型变形 开发收缩系数小 固化速度快或无需后固化 强度高的光敏树脂材料是其发展趋势 3 4SLA工艺特点 SLA工艺优点如下 尺寸精度高 可达 0 1mm 是RP技术中最高的 原型表面质量优良 可以制作结构复杂 细小的模型 系统非常稳定 成形过程自动化程度高 可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失型 3 4SLA工艺特点 SLA工艺缺点 成形过程中伴随着材料的物理和化学变化 产生收缩 并且会因材料内部的应力导致制件较易翘曲 变形 需要支撑 设备运转及维护成本高 需要二次固化 液态树脂固化后在性能上不如常用的工业塑料 一般较脆 易断裂 3 5SLA工艺应用案例 SLA工艺自诞生以来 在概念设计的交流 单件小批量精密铸造 产品模型 快速工模具及直接面向产品的模具等方面广泛应用于汽车 航空 电子 消费品 娱乐以及医疗等行业 采用SLA工艺制作RP原型 然后翻制成硅橡胶模具 最后进行低压注塑 得到所需的10件操作手柄 产品开发周期仅为传统方式的1 10 费用仅为传统方式1 3 3 5SLA工艺应用案例 3 5SLA工艺应用案例 3 5SLA工艺应用案例 4LOM工艺 LOM工艺方法和设备于1991年问世 由于该工艺大多使用纸为原料 材料成本低 而且激光只要切割每一层片的轮廓 成形效率高 在制作中 大原型件时有较大优势 因此近年来发展迅速 4LOM工艺 4 1LOM系统组成 4 2成形工艺过程 4 3LOM材料 4 4LOM工艺特点 4 5SLA工艺应用案例 4 1LOM系统组成 4 2成形工艺过程 1 制作基底 2 原型制作 3 去除余料 4 后处理 余料去除以后 为提高原型表面状况和机械强度 保证其尺寸稳定性 精度等方面的要求 需对原型进行后置处理 比如防水 防潮 加固和使其表面光滑等 通常采用的后置处理工艺包括修补 打磨 抛光 表面涂覆等 4 3LOM材料 LOM技术使用薄层材料 如纸 金属箔 塑料薄膜 陶瓷膜等 除了可以制造模型外 还可以直接制造结构件或功能件 目前LOM成形材料多采用纸 纸材在激光切割过程中一直保持固态 不发生状态变化 因此翘曲变形小 所成形的制件经过表面涂覆处理后不吸水 有良好的稳定性且坚如硬木 表面光滑 LOM材料涉及到三方面的问题 薄层材料 粘结剂和涂布工艺 4 4LOM工艺特点 LOM工艺优点如下 生产效率比其它RP工艺高 非常适合于制作中 大型实心原型件 无需设计和制作支撑结构 后处理工艺简单 成形后废料易于剥离 且不需后固化处理 原材料价格便宜 原型制作成本低 制件能承受高达200 的高温 有较高的硬度和较好的力学性能 可以进行各种切削加工 4 4LOM工艺特点 LOM工艺缺点 工件 尤其是薄壁件 的抗拉强度和弹性不够好 工件易吸湿膨胀 因此成形后应尽快做表面防潮处理 不能直接制作塑料工件 工件表面有台阶 其高度等于材料厚度 因此 成形后需进行表面打磨 4 5LOM工艺应用案例 LOM工艺虽然在精细产品和类塑料件制作方面不及SLA工艺 但是在比较厚重的结构件模型 实物外观模型 制鞋业 砂型铸造 快速模具母模等方面的应用有其独特的优越性 4 5LOM工艺应用案例 奥迪轿车刹车钳体精铸母模的LOM原型 奥迪轿车刹车钳体精铸件 汽车工业中很多形状复杂的零部件均由精铸直接制得 如何高精度 高效率 低成本地制造这些精铸母模是关键 采用传统的木模工手工制作 对于曲面形状复杂的母模 效率低 精度差 采用数控加工制作 则成本太高 采用LOM工艺制造汽车零部件精铸母模 生产效率高 尺寸精度高 4 5LOM工艺应用案例 汽车发动机排气管的精铸母模 5SLS工艺 SLS工艺由美国得克萨斯大学奥汀分校的C R Dechard于1989年研制成功 并首先由美国DTM公司商品化 它利用粉末状材料 金属粉末或非金属粉末 在激光照射下烧结的原理 在计算机控制下层层堆积成形 SLS的原理与SLA十分相象 主要区别在于所使用的材料及其状态 SLA使用液态光敏树脂 而SLS则使用各种粉末状材料 5SLS工艺 5 1SLS系统组成 5 2成形工艺过程 5 3SLS材料 5 4SLS工艺特点 5 5SLS工艺应用案例 5 1SLS系统组成 AFS 320成形机基本性能参数 5 2成形工艺过程 1 成形参数选择 2 原型制作 分层参数 零件加工方向 分层厚度 扫描间距和扫描方式 成形烧结参数 扫描速度 激光功率 预热温度 铺粉参数等 5 2成形工艺过程 3 后处理 刚刚成形的树脂原型密度和强度较低 需作强化处理 将液体可固化树脂浸渗到烧结零件中 将其保温 固化 得到增强的零件 对于陶瓷原型 需将其放在加热炉中烧除粘接剂 烧结陶瓷粉 当原型材料为金属与粘结剂的混合粉时 成形需将制件置于加热炉中 烧去其中的粘结剂 烧结金属粉 然后进行渗铜处理 以得到高密度的金属件 5 3SLS材料 SLS工艺使用粉末材料 它来源较为广泛 原则上讲所有受热能相互粘结的粉末材料或表面附有热固 塑 性粘结剂的粉末都可用作SLS材料 用蜡可以制造精密铸造用蜡模 用热塑性塑料可以制造消失模 用陶瓷可以制造铸造壳型 型芯和陶瓷构件 用金属可以制造金属结构件和模具 目前SLS材料主要有塑料粉 蜡粉 金属粉 表面附有粘结剂的覆膜陶瓷粉 覆膜金属粉及覆膜砂等 5 4SLS工艺特点 SLS工艺优点如下 可以采用多种材料 特别是可以直接制造金属零件 这使SLS工艺颇具吸引力 无需设计和制作支撑结构 制件具有较好的机械性能 可直接用作功能测试或小批量使用的产品 材料利用率高 未烧结的粉末可以重复利用 材料价格便宜 成本低 5 4SLS工艺特点 SLS工艺缺点 成形速度较慢 成形精度和表面质量稍差 因此在成形要求精细结构和清晰轮廓的制件时不及SLA工艺处理 成形过程能量消耗高 5 5SLS工艺应用案例 采用SLS工艺 可以直接将CAD文件转换成经久耐用的 功能性的塑料或金属零件或模具 所需时间只是传统加工和制模时间的很少一部分 这样就可以在很短时间 几天 内 快速制造小批量的塑料或金属零件 而不需要制造模具 大大降低了成本 缩短了周期 对于大批量的零件生产 在一两天内就可以制造出复杂的金属模具工作零件 具有更高的效益 5 5SLS工艺应用案例 采用SLS工艺小批量生产航空 航天 军工等行业的产品 既减少了投资 又赢得了时间 小批量战斗机控制手柄 2020 3 17 47 可编辑 5 5SLS工艺应用案例 采用SLS工艺制作的高尔夫球头模具及产品 5 5SLS工艺应用案例 5 5SLS工艺应用案例 5 5SLS工艺应用案例 6FDM工艺 FDM工艺由美国学者ScottCrump博士于1988年研制成功 并于1991年由美国的Stratasys公司率先推出商品化设备 FDM工艺利用热塑性材料的热熔性 粘结性 在计算机控制下层层堆积成形 由于该工艺无需激光系统 因此使用 维护简单 成本低 近年来得到迅速发展和广泛应用 是RP技术领域的后起之秀 6FDM工艺 6 1FDM系统组成 6 2成形工艺过程 6 3FDM材料 6 4FDM工艺特点 6 5FDM工艺应用案例 6 1FDM系统组成 MEM 300快速原型机 6 1FDM系统组成 MEM 300主要工艺参数 6 1FDM系统组成 1 喷头 2 送丝机构 3 运动机构 单喷头技术 零件和支撑采用同种材料 支撑去除麻烦 双喷头技术 一个用来喷模型材料制造零件 另一个用来喷支撑材料做支撑 两种材料的特性不同 去除支撑容易 X Y轴的联动完成喷头对截面轮廓的平面扫描 Z轴则带动工作台实现高度方向的进给 4 控制系统 运动控制 温度控制 5 软件系统 分层处理软件 成形控制软件 6 2成形工艺过程 1 三维模型设计及STL文件输出 2 分层处理 1 启动Daphne 6 2成形工艺过程 2 确定加工方向及加工位置 3 添加基底 6 2成形工艺过程 4 添加支撑 6 2成形工艺过程 5 分层计算 6 2成形工艺过程 3 原型制作 1 开机后 成形材料及成形室预热零件 2 启动控制软件 读入分层后的加工模型 6 2成形工艺过程 中国农业大学 3 数控初始化 6 2成形工艺过程 4 挤出旧丝及出丝检测 6 2成形工艺过程 5 工作台对高 6 2成形工艺过程 6 加工参数设置 6 2成形工艺过程 7 成形加工 6 2成形工艺过程 3原型后处理 加工完毕 零件保温 之后用小铲子小心取出原型 小心去除支撑 用砂纸打磨台阶效应较明显处 用小刀处理多余部分 用填补液处理台阶效应造成的缺陷 用上光液把原型表面上光 FDM工艺需要有支撑 当支撑与原型材料相同时 手工去除支撑需要一定的技巧 复杂 细小特征处的支撑剥离效果较差 影响原型件的精度和表面质量 采用双喷头和双材料技术 成形时 一个喷头用于挤喷模型材料 一个喷头用于挤喷支撑材料 而支撑可以选择水溶材料 低于模型材料熔点的热熔材料等 成形之后 支撑很容易去掉 留下光滑 清洁 精确的原型件 没有刮痕和擦伤 细小的特征会保留得完整无缺 6 3FDM材料 FDM工艺中使用的材料是线材 分为成形材料和支撑材料 对于成形材料 要求其熔融温度低 粘度低 粘结性好 收缩率小 目前使用的材料主要包括ABS及医学专用的ABSi MABS 石蜡 聚烯烃树脂 尼龙 聚酰胺 低熔点金属和陶瓷等 对支撑材料的要求是能够承受一定的高温 与成形材料不浸润 具有水溶性或酸溶性 具有较低的熔融温度 流动性好等 6 4FDM工艺特点 FDM工艺优点如下 无需激光系统 设备结构简单 运行安全 操作维护简便 成本低 其设备成本为SLA设备的1 5 可以在办公室环境下使用 原材料在成形过程中无化学变化 制件翘曲变形小 当使用水溶性支撑材料时 支撑去除方便快捷 且效果极好 6 4FDM工艺特点 FDM工艺缺点 成形精度较低 也需要对整个截面进行扫描 成形时间较长 沿Z轴方向 制件强度较弱 6 4FDM工艺特点 四种工艺的对比 6 5FDM工艺应用案例 FDM工艺已广泛应用于汽车 机械 航空航天 家电 通信 电子 建筑 医学 玩具等产品的设计开发过程 如产品外观评估 方案选择 装配检查 功能测试 用户看样订货 以及少量产品制造等 6 5FDM工艺应用案例 6 5FDM工艺应用案例 6 5FDM工艺应用案例 7RP技术的应用 RP技术自出现以来 以其显著的时间效益和经济效益受到制造业的广泛关注 并已在航空航天 汽车外形设计 玩具 电子仪表与家用电器塑料件制造 人体器官制造 建筑美工设计 工艺装饰设计制造 模具设计制造等领域展现出良好的应用前景 对RP原型需求的行业 7RP技术的应用 7 1RP技术在新产品开发中的应用 RP系统相当于一台三维打印机 能迅速地将设计的CAD模型高精度地 打印 出来 为设计者和产品评审决策者提供直接 准确的模型 大大提高产品设计和决策的可靠性 1 设计模型可视化及设计评价 在新产品设计中 利用RP技术制作产品样件 一般只需传统样件制作工时的30 50 和成本的20 35 而其精确性却是传统方法无法媲美的 RP样件是产品从设计到商品化各个环节中进行交流的有效手段 可作为新产品展示 进行市场调研 市场宣传和供货询价 7 1RP技术在新产品开发中的应用 进行装配校核和干涉检查对新产品开发 尤其是在有限空间内的复杂 昂贵系统 如卫星 导弹 的可制造性和可装配性检验尤为重要 如果一个产品的零件多而且复杂就需要作总体装配校核 在投产之前 先用RP技术制作出全部零件原型 进行试安装 验证设计的合理性和安装工艺与装配要求 若发现有缺陷 便可以迅速 方便地进行纠正 使所有问题在投产之前得到解决 2 装配校核 7 1RP技术在新产品开发中的应用 快速原型除了可以进行设计评价和装配校核之外 还可以直接用于性能和功能参数试验与相应的研究 如机构运动分析 流动分析 应力分析 流体和空气动力学分析等 采用RP技术可以严格地按照设计将模型迅速制造出来进行实验测试 对各种复杂的空间曲面更能体现RP技术的优势 如通过风扇 凤毂等设计的功能检验和性能参数确定 可获得最佳扇叶曲面 最低噪声的结构 如果用传统的方法制造原型 这种测试与比较几乎是不可能的 3 功能验证 7 1RP技术在新产品开发中的应用 由于RP技术彻底摒弃了传统的加工模式 其加工难易程度与产品复杂程度无关 其加工成本与批量无关 其加工过程与刀具 夹具 模具无关 从而使得原来过于复杂无法加工的结构变得不存在加工难度 原来追求个性化而带来的小批量 高成本的问题迎刃而解 原来不合理的设计结构和装配结构变得合理 4 RP技术给产品设计带来革命 7 2基于RP的快速模具技术 采用基于RP的快速模具技术 从模具的概念设计到制造完毕仅为传统加工方法所需时间的1 3左右 使模具制造在提高质量 缩短研制周期 提高制造柔性等方面取得了明显的效果 在RP技术领域中 目前发展最迅速 产值增长最明显的应属快速模具技术 基于RP的快速模具技术 7 2基于RP的快速模具技术 基于RP的陶瓷型精铸子午线轮胎活络模 7 2基于RP的快速模具技术 大型汽车覆盖件模具 7 2基