快速成型制造 RPT讲解

1、快速成型技术 （Rapid Prototyping Technology ） 姓名：陶李洋 学号：2130709 主要内容 一、 RPT产生的背景 二、 RPT的概念和原理 三、 RPT几种常见方法 四、 RPT的应用 一、快速原型技术产生的背景 市场变化市场变化 客户要求客户要求 计算机技术计算机技术 材料科学材料科学 企业竞争企业竞争 全球化全球化 知识更新知识更新RP 二、 RPT的概念和原理 按加工后原材料体积变化与否分为： 按被加工材料的自然状态又可分为固 态成型法（锻造、冲剪、挤压、拉拔等）、液态成型法（铸造）和半液态成 型法（注塑）。 又可分为机械联接、粘接术和焊接三 种方式。材

2、料去除法则有人们所熟知的车、铣、刨、磨等工艺，是目前制造 业重要成型形式。 八十年代初一种全新的制造概念被提 了出来。通过添加材料来达到零件设计要求的成型方法，这种新型的零件生 产工艺就成为RP（快速成型）的主要实现手段。 利用生物术是人为系统中的生长成型 方式。 快速成型技术 是将计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助 制造(CAM)、计算机数字控制(CNC)、激光、精密伺服驱动和 新材料等先进技术集于一体,快速制造任意复杂形状三维物 理实体的技术 RPT技术的特征 （1）高度柔性 可以制造出任意复杂形状的零件 （2）技术的高度集成 是计算机技术、数控技术、激光技术与材料技术的综合集成。 （3

3、）设计制作一体化 (CAD/CAM一体化) 由于采用离散/堆积分层制作工艺，能够很好地将CAD/CAM结合 （4）快速性 这一特点适合于新产品的开发与管理。 1.光固化原型制造 SLA (Stereo Lithography Apparatus) 2.分层实体制造LOM (Laminated Object Manufacturing) 3.选择性激光烧结SLS (Selected Laser Sintering) 4.熔融沉积制造FDM (Fused Deposition Modeling) 三、三、RPTRPT几种常见方法几种常见方法 1.液态光敏聚合物选择性固化（SLA） 工艺原理是：采用

4、一定波长和强度的紫外 激光束有选择的照射液态光敏聚合物，被照射 的液态光敏聚合物迅速发生聚合反应，分子量 急剧增大发生相变，由液态变成固态 ，最终形 成三维实体。 三、三、RPTRPT几种常见方法几种常见方法 SLA成形系统的组成及各部分的作用 SLA成形系统由 激光器、XY运 动装置、光敏液 态聚合物、液槽、 升降台、刮刀和 控制软件组成。 因为树脂材料的高粘性，在每层固化之后，液面很难在短 时间内迅速流平，这将会影响实体的精度。采用刮板刮切后， 所需数量的树脂便会被十分均匀地凃敷在上一叠层上，这样经 过激光固化后可以得到较好的精度，使产品表面更加光滑和平 整。 光固化成型的后处理光固化成型

5、的后处理 在快速成型系统中原型叠层制作完毕后，需要进行剥离等 后续处理工作，以便去除废料和支撑结构等。对于光固化成型 方法成型的原型，还需要进行后固化处理等，下面以某一SLA 原型为例给出其后续处理的步骤和过程。 原型叠层制作结束后，工作 台升出液面，停留510min，以 晾干多余的树脂。 将原型和工作台一起斜放晾干后 浸入丙酮、酒精等清洗液体中，搅动 并刷掉残留的气泡。持续45min左右 后放入水池中清洗工作台约5min。 1 2 从外向内从工作台上取下原 型，并去除支撑结构。 再次清洗后置于紫外烘箱中 进行整体后固化。 3 4 SLA设备 产品 成型过程自动化程度高 （二）光固化成型技术的

6、特点光固化成型技术的特点 优点：优点： 尺寸精度高 SLA系统非常稳定，加工开始 后，成型过程可以完全自动化， 直至原型制作完成。 SLA原型的尺寸精度可以达到0.1mm。 优良的表面质量 虽然在每层固化时侧面及曲面可能出现台阶，但上表面 仍可得到玻璃状的效果。 可以制作结构十分复杂的模型 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 制件易变形 缺点：缺点： 设备运转及维护成本较高 液态树脂材料和激光器的价格较高 使用的材料较少 目前可用的材料主要为感光性的液态树脂材料 液态树脂有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止提前发 生聚合反应，选择时有局限性。 成型过程中材料发生物理和化学变化

7、 需要二次固化 经快速成型系统光固化后的原型树脂并未完 全被激光固化。 较脆，易断裂性能尚不如常用的工业塑料 2、分层实体制造LOM 采用激光或刀具对片材进行切割。片 材表面事先涂覆上一层热熔胶。成形开 始时热压辊对片材进行加热加压， 按 照分层CAD模型在新层上切割出轮廓线 ，而后将不属于原型的材料切割成网格 状。通过升降平台的移动和片材的送给 ,往复运动，获得所需的三维实体。 LOM工艺由美国工艺由美国Helisys于于1986年研制成功。主要零部件有：年研制成功。主要零部件有： 计算机、原材料存储及送进机构、计算机、原材料存储及送进机构、 工作平台、工作平台、CO2激光器、热激光器、热压

8、压 辊辊、升降台升降台等。等。 图图6、LOM原理图原理图 热压辊热压片材热压辊热压片材 激光器切割出激光器切割出 零件截面轮廓零件截面轮廓 和工件外框和工件外框 工作台下降工作台下降 滚筒转动滚筒转动 工作台上升工作台上升 LOM设备 产品 优缺点 1、由于LOM工艺只须在片材上切割出零件截面的 轮廓，而不用扫描整个截面，因此工艺简单，成 型速度快，易于制造大型零件； 2、工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起 翘曲变形，零件的精度较高，激光切割为0.1mm ，刀具切割为0.15mm； 3、工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工 中起到了支撑作用，所以LOM工艺无需加支撑； 材料广泛，成本低

9、，用纸制原料还有利于环保； 4、力学性能差，只适合做外形检查。 3.选择性激光烧结（SLS） SLS（Selective laser sintering)是 红外激光器作能源，使用粉末材料。首先将 粉末预热到稍低于其熔点的温度，将粉末铺 平,激光束在计算机控制下根据分层截面信息 进行有选择地烧结，重复，烧结完后去掉多 余的粉末，则就可以得到一烧结好的零件。 铺粉铺粉 激光器扫描激光器扫描 图图8、SLS工作原理图工作原理图 CO2激光器、光 学系统、粉料送 进及回收系统、 升降机构、工作 台等 SLS设备 优点优点 材料广泛，利用率高，工艺简单，无需支材料广泛，利用率高，工艺简单，无需支 撑撑

10、,成型的零件机械性能好成型的零件机械性能好,强度高。强度高。 缺点缺点 粉末比较松散粉末比较松散,烧结后精度不高烧结后精度不高,尤其是尤其是Z轴轴 方向的精度难以控制。方向的精度难以控制。 4.熔融沉积成型（FDM） FDM（Fused Deposition Modeling)，是一种不依 靠激光作为成型能源， 利用热塑性细丝在移动 头中进行熔化，熔化后 的材料在移动的过程中 被挤压出来堆积零件。 成形系统：工作台、送 丝机构、运动机构、加 热装置、喷头。 FDM工艺由美国工程师工艺由美国工程师ScottCrump于于1988年研制成功。年研制成功。FDM的材的材 料一般是热塑性材料，以丝状供

11、料。材料在喷头内被加热熔化，喷头沿料一般是热塑性材料，以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化，喷头沿 零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固， 并与周围的材料凝结。并与周围的材料凝结。 加热丝状材料加热丝状材料 喷头扫描并喷喷头扫描并喷 出半流动状材料出半流动状材料 材料固化材料固化 图图9、FDM原理图原理图 FDM设备 产品 优缺点 优点 1，不使用激光，操作简单，成本低 2，成形安全，工作中不会有有毒的化学成分析出 3，材料利用率高，可回收利用 缺点 1，成形精度低 2，受喷头移动的影响，成型件的表面有比

12、较明显的条纹 （1）SLA快速成形系统的成型原理： 成形材料：液态光敏树脂； 制件性能：相当于工程塑料或蜡模； 主要用途：高精度塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。 （2）SLS快速成形系统的成型原理： 成形材料：工程塑料粉末； 制件性能：相当于工程塑料、蜡模、砂型； 主要用途：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。 （3）LOM快速成形系统的成型原理： 成形材料：涂敷有热敏胶的纤维纸； 制件性能：相当于高级木材； 主要用途：快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。 （4）FDM快速成形系统的成型原理： 成形材料：固体丝状工程塑料； 制件性能：相当于工程塑料或蜡模； 主要用途：塑料件、铸造用蜡模、样件或模

13、型。 四、 RPT的应用 观感评价销售模型 功能测试 CAD数据检查 装配校核可制造性检查 （一）（一） 快快 速速 原原 型型 （二）（二） 模模 具具 制制 造造 注射模具 硅橡胶模 树脂型复合模 冲压模具 消失模 陶瓷型精铸模 快速成型技术Rapid Prototyping Technology 应用在铸造领域应用在铸造领域 间接间接RPRP铸型制造铸型制造 快速成型技术Rapid Prototyping Technology 生物医学工程生物医学工程 根据根据 CT（Computed Tomography） 扫描或扫描或 MRI（ Magnetic Resonance Imaging）

14、 核磁共振的数据，采用核磁共振的数据，采用 RP 技术可以快速制造人体骨骼和软组织的实体模型，这些技术可以快速制造人体骨骼和软组织的实体模型，这些 人体器官实体模型可帮助医生进行病情辅助诊断和复杂人体器官实体模型可帮助医生进行病情辅助诊断和复杂 手术确定治疗方案，甚至可以制作一种活性种植体植入手术确定治疗方案，甚至可以制作一种活性种植体植入 人体替代某些器官，具有巨大的临床价值和学术价值。人体替代某些器官，具有巨大的临床价值和学术价值。 快速成型技术Rapid Prototyping Technology MEMS (Micro Electromechanical System， 即微电子机械

15、系统即微电子机械系统)是指集微是指集微 型传感器、执行器以及信号型传感器、执行器以及信号 处理和控制电路、接口电路处理和控制电路、接口电路 、通信和电源于一体的微型、通信和电源于一体的微型 机电系统。机电系统。 一般采用光固化法、选择性一般采用光固化法、选择性 激光烧结法等，可以直接将激光烧结法等，可以直接将 高熔点金属的纳米颗粒烧结高熔点金属的纳米颗粒烧结 成型。成型。 MEMS微电子机械系统 快速成型技术Rapid Prototyping Technology 艺术品的制造艺术品的制造 艺术品和建筑装饰品是根据设计者的灵艺术品和建筑装饰品是根据设计者的灵 感，构思设计出来的，采用感，构思设

16、计出来的，采用 RP 可使艺术可使艺术 家的创作、制造一体化，为艺术家提供家的创作、制造一体化，为艺术家提供 最佳的设计环境和成型条件。最佳的设计环境和成型条件。 快速成型技术Rapid Prototyping Technology 汽车工业中的应用汽车工业中的应用 快速模具开发工艺路线选择 发动机罩零件CAD模型见图1，外廓形状较为简单，曲面平坦且特征较少， 拉延方向容易确定。由于曲面平缓且面积较大，模具设计时主要考虑防止拉延 不足问题。模具的开发采用如下步骤： 1）模具型面设计。 2）RP模型制作。 3）快速模具制造。 4）冲压试验及模具调整。 快速成型技术Rapid Prototypin

17、g Technology 航空航天中的应用航空航天中的应用 总后勤部军需装备研究所利用士兵人体模型进 行军队士兵着装设计与太空人服装开发。 传统的人体模型采用经验数据，利用玻璃钢材 料制作，与真实人体实际几何形状相差较大，西安 交通大学先进制造技术研究所采用RE/CAD/RP/RT 完整的产品开发技术路线，测量时采用了德国GOM 公司的ATOS测量仪，它使用可见光带。测量速度与 Krcon公司的激光测头类似，可以超过10000点/秒， 测量范围为500mm10m。 曲面重构过程中使用Delcam公司的系列产品 中的专用反求模块CopyCAD进行人体模型的曲面重 构，使用UG对曲面模型进行再设计，同时用PRO/E 进行关节的各零件设计