先进制造技术(2)

快速原型制造技术,1、快速原型制造技术概述,2、典型的RPM技术,3、应用快速原型制造技术的意义,目录,1.1快速原型制造技术产生的背景1.2快速原型制造技术的概念1.3快速原型制造技术的原理及特点,1、快速成型技术概述,快速原型制造技术,市场变化,1.1快速原型制造技术产生的背景,材料科学,能源科学,CAD/CAM,计算机技术,客户要求,1.1快速原型制造技术产生的背景,全球一体化市场、制造业竞争激烈，产品的开发速度成为市场竞争的主要矛盾。从技术发展角度，计算机、CAD/CAM、材料、激光等技术的发展和普及为新的制造技术的产生奠定了基础。快速原型制造于20世纪80年代后期产生于美国，并很快扩展到日本及欧洲，于20世纪90年代初引入我国，是近20年来制造技术领域的一项重大突破。,1.2快速原型制造技术的概念,快速原型制造技术（RPM-RapidPrototypingManufacturing）是一种借助计算机辅助设计，或用实体反求方法采集得到有关原型或零件的几何形状、结构和材料的组合信息，从而获得目标原型的概念并以此建立数字化描述模型，之后将这些信息输出到计算机控制的机电集成制造系统，通过逐点、逐面进行材料的“二维堆砌”成型（添加成型又称堆积成型，是通过逐步连接原材料颗粒、丝杆、层板等，或者是通过流体、熔体、液体或气体在指定位置凝固定形达到目的，其最大特点是不受成型零件发杂程度的限制），再经过必要的处理，使其在外观、强度和性能等方面达到设计要求，达到快速、准确地制造原型或实际零件、部件的现代化方法。,1.2快速原型制造技术的概念,RPM工艺极大地依赖于材料本身的特性，所处理的材料既要首先能够满足离散/堆积成形的特殊要求，又要能进行后处理和成形后具有必要功能，因此RPM工艺所擅长处理的材料目前只限于树脂、蜡、某些工程塑料和纸等几类，与制造领域广泛使用的金属等高强度材料尚有距离，故以往多用于产品开发过程制造物理原型件，也就是说RPM最初是作为复杂形状构件原型的成形方法出现的，故称之为“快速原型制造”。,1.3快速原型制造技术的原理及特点,快速原型制造技术的原理：,RPM是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的技术总称。其基本过程是：首先由CAD软件设计出所需要的计算机三维曲面或实体模型，即数字模型或称电子模型；然后根据工艺要求，按照一定的规划将该模型离散为一系列有序的单元，通常在z向将其按一定厚度进行离散（习惯称为分层），把原来的三维电子模型变成一系列的二维层片；再根据每个层片的轮廓信息，进行工艺规划，选择合理的加工参数，自动生成数控代码；最后由成形机接受控制指令制造一系列层片并自动将它们联接起来，得到一个三维实体。这样就将一个物理实体的复,1.3快速原型制造技术的原理及特点,杂的三维加工离散成一系列层片的加工，大大降低了加工难度，并且成形过程的难度与待成形的物理实体形状和结构的复杂程度无关。,1.3快速原型制造技术的原理及特点,原理示意图：,1.3快速原型制造技术的原理及特点,RPM工作流程大致分为三个阶段：1.前处理。这个阶段除通过造型软件或反求工程构造三维CAD模型外，通常还需对三维模型进行近似处理。常用的近似处理方法是用一系列的小三角形平面来逼近自由曲面，生成所谓STL格式文件。2.在RPM设备上快速成形。首先用配置在RPM设备上的切片软件沿成形制件的高度方向每隔一定距离（多为0.1mm）从CAD模型上依次截取平面轮廓信息，随后RPM设备上的激光头或喷射头在数控装置的控制下按截面轮廓信息相对于X-Y平面工作台运动，进行选择性激光扫描（实现固化、切割或烧结）或者进行选择性喷射（喷射热熔材料或粘结剂），以物理或化学方法逐层成,1.3快速原型制造技术的原理及特点,CAD模型,Z向离散化（分层）,层面信息处理,层面制造与连接,加工完成,后处理,Y,N,分解过程,组合过程,计算机信息处理过程,成形机成型过程,形并相互粘结（每成形一层工作台便下移一个切片厚度），这样一层层堆积便构成三维实体制件。3.后处理。为改善制件的性能，往往需要进行后处理，比如在纸质制件的表面涂覆一层金属、陶瓷或高分子材料，以提高制件表面的机械强度、耐磨性和防潮性等。,1.3快速原型制造技术的原理及特点,RPM与传统制造技术相比具有的特点：（1）产品的单价几乎与产品批量无关,特别适合新产品的开发和单件小批量生产。（2）产品的造价几乎与产品的复杂程度无关,这是传统的制造方法无法比拟的。（3）高度的柔性制造过程和完全数字化。（4）高度的集成化。RPM技术可与传统制造技术集合,实现了CAD/CAPP/CAM的集成。（5）生成的零件可实现少或无切屑加工。（6）无需专用模具、夹具等专用工装即可获得零件。,(1)立体印刷技术（SLA）,(2)选择性激光烧结（SLS）,(3)熔融沉积成型（FDM）,2.典型的PRM技术,(4)层合实体制造技术（LOM）,(5)三维印刷（3DP）,(6)弹道微粒制造技术（BPM）,(7)三维焊接工艺（3DW）,2.典型的RPM技术,(8)其他成型方法与技术,2.典型的RPM技术,（1）立体印刷技术（SLA）SLA（StereolithographyApparatus）法，其工作原理是：SLA立体印刷又称立体光刻、光造型，液槽中盛满液态光固化树脂，在一定剂量的紫外线激光照射下会在一定区域内固化。成型开始时，工作平台在液面下，聚焦后的激光光电在液面上按计算机的指令逐点扫描，在同一层内侧逐点固化。当一层扫描完成后被照射的地方就固化，未被照射的地方仍然是液态树脂。然后升降架带动平台再下降一层高度，上面又布满一层树脂，以便进行第二层的扫描，新固化的一层牢固的粘在前一层上，如此重复直到三维零件制作完成。,2.典型的RPM技术,2.典型的RPM技术,（2）选择性激光烧结（SLS）SLS（Selectivelasersintering)，其基本原理如下图。整个工艺装置由粉末缸和模型缸组成，工作时粉末缸活塞上升，由铺粉辊将粉末在模型缸活塞上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。在烧结之前，整个工作台被加热至稍低于粉末熔化温度，以减少热变形，并利于与前一层面的结合。粉末完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺设新粉，控制激光束扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，就得到三维零件。,2.典型的RPM技术,图：选择性激光烧结工作原理,2.典型的RPM技术,（3）熔融沉积成型（FDM）FDM（FusedDepositionModeling)又称熔化堆积法。熔融挤出成模。其基本原理为采用热熔喷头，使半流动状态的材料按CAD分层数据控制的路径挤压并沉积在指定的位置凝固成型，逐层沉积、凝固后形成整个原型或零件。FDM工艺关键是保持熔融的成型材料刚好在凝固点之上，通常控制在比凝固点高1左右。目前，最常用的熔丝线材主要是ABS、人造橡胶、铸蜡和聚酯热塑性塑料等。,2.典型的RPM技术,如图所示，快速成型机的加热喷头受计算机控制，根据水平分层数据作x-y平面运动。丝材由运丝机构送至喷头，经过加热、熔化，从喷头挤出粘结到工作台面，然后快速冷却并凝固。每一层截面完成后，工作台下降一层的高度，再继续进行下一层的造型。如此反复，直至完成整个实体的造型。每层的厚度根据喷头挤丝的直径大小确定。,2.典型的RPM技术,（4）层合实体制造技术（LOM）层合实体制造（LaminatedObjectManufacturing)，又称分层实体制造、分层物件制造等。其基本原理是将单面涂有热熔胶的薄膜材料或其他材料的箔带切割成欲制原型在该层平面的内外轮廓，再通过加热辊加热，使刚刚切好的一层与下面的已切割层粘接在一起，通过逐层切割、粘合，最后将不需要的材料剥离，得到欲求的原型。,2.典型的RPM技术,XY扫描头,模型上表面,堆积中的模型,工作台,激光器,热轧辊,材料供应辊,材料,卷取辊,激光,2.典型的RPM技术,（5）三维印刷（ThreeDimensionPrinting,3DP）它是指将固体材料熔融，采用喷墨打印原理将其有序的喷出，一个层面一个层面的堆积建造而形成一个三维实体。其工艺原理：首先铺粉或铺基底薄层，利用喷嘴按指定路径将液态粘结剂喷在预先铺好的粉层或薄层上特定区域，逐层粘结后去除多余底料便得到所需形状制件。也可以直接逐层喷涂陶瓷或其他材料粉浆，硬化后得到所需形状的制件。,2.典型的RPM技术,（6）弹道微粒制造工艺（BallisticParticleManufacturing,BPM）它是一个压电喷射（头）系统来沉积熔化了的热塑性材料的微小颗粒。BPM的喷头安装在一个五轴的运动构件上，对于零件中的悬臂部分，可以不加支撑，而“不联通”的部分还要加支撑。,2.典型的RPM技术,(7)三维焊接工艺（ThreeDimensionalWelding,3DW）三维焊接工艺，采用现有各种成熟的焊接技术、焊接设备及工艺方法，用逐层堆焊的方法制造出全部由焊缝金属组成的零件，也称熔化成型或全焊缝金属零件制造技术。(8)其他成型方法与技术冰成型方法基于液滴在电场中平行飞行轨迹控制的液滴成型（UniformDropletSpray）实体基础固化（SolidGroundCuring,SGC）基于电磁偏转轨迹控制的抛射成型等,3、应用快速原型制造技术的意义,（1）大大缩短新产品研制周期，确保新产品上市时间-使模型或模具的制造时间缩短数倍甚至数十倍。（2）提高了制造复杂零件的能力-使复杂模型的直接制造成为可能。（3）显著提高新产品投产的一次成功率-可以及时发现产品设计的错误，做到早找错、早修改，避免更改后续工序所造成的大量损失。（4）支持同步（并行）工程的实施-使设计、交流和评估更加形象化，使新产品设计、样品制造、市场定贷、生产准备等工作能并行进行。（5）支持技术创新、改进产品外观设计-有利于优化产品设计，这对工业外观设计尤为重要。,3、应用快速原型制造技术的意义,（6）成倍降低新产品研发成本-节省了大量的开模费用。快速模具制造可迅速实现单件及小批量生产，使新产品上市时间大大提前，迅速占领市场。,4、快速原型制造技术的现状及发展前景,快速原型制造技术现状：我国RPM方面的研究始于20世纪90年代初，最早是清华大学1992年开始首次从事RPM技术的研究工作。目前华中理工大学、西安交通大学、北京隆源自动成形有限公司和清华大学等单位在RPM工艺原理研究、成形设备开发、材料和工艺参数优化研究等方面做了大量卓有成效的工作，有些单位开发的RPM设备已接近或达到商品化机器的水平。快速原型制造的发展前景：现代快速原型制造技术发展