第九章超高速加工技术

1、超高速加工技术：超高速加工技术： 采用超硬材料的刀具和磨具，能可靠地实现高速运动的自采用超硬材料的刀具和磨具，能可靠地实现高速运动的自动化制造设备，极大地提高材料的切除率，并保证加工精度和动化制造设备，极大地提高材料的切除率，并保证加工精度和加工质量的现代制造加工技术。加工质量的现代制造加工技术。 超高速加工包括超高速加工包括超高速切削超高速切削和和超高速磨削超高速磨削。 超高速切削超高速切削（Super High-speed Cutting）:车削(Turing)：700-7000 m/min铣削(Milling)：300-6000 m/min钻削(Drilling)：200-1100 m/

2、min磨削(Grinding)：50-300 m/s镗削（Boring）：35-75m/min 1. 高速加工切削速度的范围高速加工切削速度的范围铝合金(Aluminum Alloy)：1000-7000 m/min铜(Cu)：900-5000 m/min钢(Steel)：500-2000 m/min灰铸铁(Gray cast iron)：800-3000 m/min钛(Ti)：100-1000m/min19291929年进行了超高速年进行了超高速模拟实验。模拟实验。2. 切削理论的提出切削理论的提出切削适应区 图1 Salomon切削温度与切削速度曲线软铝切削速度v/(m/min)切削不适应

3、区0 600 1200 1800 2400 3000青铜铸铁钢硬质合金980高速钢650碳素工具钢450Stelite合金8501600 1200800400切 削 温 度/切削适应区非铁金属图图2 切削速度变化和切削温度的关系切削速度变化和切削温度的关系切削力低切削力低 切削变形小，切屑流出速度加快，切削力 比常规降低30-90%，可高质量地加工出薄壁零件； 3. 3.高速加工的特点高速加工的特点 材料切除率高材料切除率高 单位时间内切除率可提高3-5倍；图 3 加工零件 高精度高精度 切削激振频率远高于机床系统固有频率， 加工平稳、振动小； 减少工序减少工序 工件加工可在一道工序中完成，称

4、为 “一次过”技术（One pass machining）。 A为高速切削加工时的热传导过程 B为传统加工的热传导过程 图图4 热传导对比图热传导对比图 热变形小热变形小 温升不超过3C，90%切削热被切屑带走； 图5 HSM600U型数控五轴高速加工中心型数控五轴高速加工中心生产厂家：瑞士生产厂家：瑞士Mikron 主轴转速：最高主轴转速：最高42000 rpm 主轴功率：主轴功率：13 KW 进给速度：最高进给速度：最高40 m / min 定位精度：定位精度：0.008 mm 重复定位精度：重复定位精度：0.005mm图图6 HSM 系列高速五轴联动小型立式加工中心系列高速五轴联动小型立

5、式加工中心图图9 HSM400加工极高表面光洁度的硬钢加工极高表面光洁度的硬钢HRC62、铝、铜、塑料工件、铝、铜、塑料工件图图7 HSM800图图8 HSM600（1）航空航天领域。）航空航天领域。 图10 铝合金整体零件：u 整体零件“掏空”， 切除量大u 零件有薄壁，要求小 切削力u 小直径刀具u 较长的刀具悬伸图11 高速铣削典型工件专用机床专用机床5轴轴4工序工序 = 20轴（轴（3万件万件/月）月）刚性（零件、孔数、孔径、孔型固刚性（零件、孔数、孔径、孔型固定不变）定不变）1234钻孔钻孔 表面倒棱表面倒棱 内侧倒棱内侧倒棱 铰孔铰孔表面和内侧倒棱表面和内侧倒棱高速钻孔高速钻孔高速

6、加工中心高速加工中心1台台1轴轴1工序（工序（3万件万件/月）月）柔性（零件、孔数、孔径、柔性（零件、孔数、孔径、孔型可变）孔型可变）图12 汽车轮毂螺栓孔高速加工实例（日产公司） 图13 采用高速加工缩短模具制作周期（日产汽车公司）与最终尺寸差值与最终尺寸差值/mm加工时间加工时间 100 %1010.10.010.001粗加工精加工手工精修传统加工方法高速切削高速切削少量手工精修少量手工精修b）高速模具加工的过程）高速模具加工的过程图14 两种模具加工过程比较1硬化毛坯硬化毛坯 2粗铣粗铣 3半精铣半精铣 4精铣精铣 5手工磨修手工磨修 a）传统模具加工的过程）传统模具加工的过程1毛坯毛坯

7、 2粗铣粗铣 3半精铣半精铣 4热处理热处理 5电火花加工电火花加工6精铣精铣 7手工磨修手工磨修 电极制造生产剃须刀的石墨电极生产剃须刀的石墨电极生产球形柄用的铜电极生产球形柄用的铜电极 图图15 高速切削加工电火花加工用工具电极高速切削加工电火花加工用工具电极 （4）难加工材料领域。）难加工材料领域。硬金属材料（HRC5562），可代替磨削，精度可达IT5IT6级，粗糙度可达0.21um。 （5）超精密微细切削加工领域。）超精密微细切削加工领域。粗铣整体铝板；粗铣整体铝板；精铣去口；精铣去口；钻钻680个直径为个直径为3mm的小孔。的小孔。 时间为时间为32min。图16 高速切削加工医用

8、药盒高速切削加工医用药盒 1. 高速主轴 高速化指标：dm n值，至少达到1106 电主轴：电主轴：交流伺服电动机内置式集成化结构。转子套装在机床的主轴上，定子安装在主轴单元的壳体中，采用水冷或油冷。精度高、振动小、噪声低、结构紧凑。 采用的轴承有：滚动轴承（陶瓷轴承）、磁浮轴承、气体静压轴承、液体静压轴承。陶瓷球轴承图17 陶瓷轴承高速主轴密封圈旋转变压器电主轴陶瓷球轴承冷却水出口冷却水入口q 陶瓷轴承高速主轴结构前辅助轴承电主轴双面轴向推力轴承前径向轴承后径向轴承后辅助轴承前径向传感器后径向传感器轴向传感器图18 磁浮轴承高速主轴q 磁浮轴承主轴结构磁浮轴承主轴结构 2.2.快速进给系统快

9、速进给系统伺服电动机伺服电动机+ +大导程高速精密滚珠丝杠副；大导程高速精密滚珠丝杠副；直流直线电机、交流永磁同步直线电动机、交流感应异步直直流直线电机、交流永磁同步直线电动机、交流感应异步直线电动机的进给系统。线电动机的进给系统。3 3 基座基座 4 4 磁性轨道磁性轨道 5 5 直线电机直线电机 6 6 直线导轨直线导轨7 7 直线光栅直线光栅 8 8 平台平台 9 9 接口电缆接口电缆 10 10 防护罩防护罩 图图20 20 结构图结构图 3.3.高性能的高性能的CNC控制系统控制系统图图21 六杆机床（六杆机床（并联机床结构）并联机床结构） 4.4.先进的机床结构先进的机床结构 超精

10、密加工是指被加工零件的尺寸精度为0.10.01m，加工表面粗糙度达Ra0.030.0051m数量级的加工技术。随着加工技术的发展，超精密加工的技术指标也在不断变化。 一般加工：精度10m左右，Ra0.30.8m； 精密加工：精度100.1m左右，Ra0.30.03m； 超精密加工：精度0.10.01m左右，Ra0.030.05m； 纳米加工：精度高于0.001m，Ra小于0.005m。超精密加工的主要方法有： 1）金刚石刀具超精密切削； 2）精密和镜面磨削； 3）精密研磨和抛光； 第第2节节 超精密加工技术超精密加工技术1.1.金刚石刀具超精密切削金刚石刀具超精密切削 金刚石刀具拥有很高的高温

11、强度和硬度，而且材质细密，经过精细研磨，切削刃可磨得极为锋利，表面粗糙度值很小，因此可进行镜面切削。 金刚石刀具超精密切削主要用于加工铜、铝等有色金属，如高密度硬磁盘的铝合金基片、激光器的反射镜、复印机的硒鼓、光学平面镜，凹凸镜、抛物面镜等。 2. 2.精密和镜面磨削精密和镜面磨削 磨削时尺寸精度和几何精度主要靠精密磨床保证，可达亚微米级精度（指精度为110-2m）。在某些超精密磨床上可磨出十纳米精度的工件。在精密磨床上使用细粒度磨粒砂轮可磨削出Ra=0.10.05m的表面。使用金属结合剂砂轮的在线电解修整砂轮的镜面磨削技术可得到 Ra0.010.002m的镜面。3. 3.精密研磨和抛光精密研

12、磨和抛光 精密研磨和抛光技术意指：使用超细粒度的自由磨料，在研具的作用和带动下加工表面，产生压痕和微裂纹，依次去除表面的微细突出处，加工出Ra0.010.02m的镜面。 超精密加工是以精密元件为加工对象。超精密加工必须具有稳定的加工环境，即必须在恒温、超净、防振等条件下进行。另外，精密测量是超精密加工的必要手段，否则无法判断加工精度。 纳米（Nanometer）,是一个长度单位，简写为nm。1nm=10-3m=10-9m。纳米技术是20世纪80年代末期诞生并在蓬勃发展的一种高新科学技术。纳米不仅是一个空间尺度上的概念，而且是一种新的思维方式，即生产过程越来越细，以至于在纳米尺度上直接由原子、分

13、子的排布制造的具有特定功能的产品。1.纳米技术的含义 纳米技术是指纳米级（0.1100nm）的材料、设计、制造、测量、控制和产品的技术。它将加工和测量精度从微米级提高到纳米级。2.纳米技术的主要内容 纳米技术是一门多学科交叉的高新技术，从基础研究角度来看，纳米技术包括：纳米生物学、纳米电子学、纳米化学、纳米材料和纳米机械学等新学科。4 4、纳米加工技术、纳米加工技术纳米级加工是指：加工精度高于10-3m，表面粗糙度 Ra小于0.005m，达到纳米级精度。包括纳米级 尺寸精度、纳米级几何形状精度和纳米级表面质量。纳米级加工方法包括：机械加工、化学腐蚀、能量束加 工、复合加工、扫描隧道显微加工等。

14、纳米级机械加工方法包括：单晶金刚石刀具的超精密磨 削；金刚石砂轮和立方氮化硼砂轮的超精密磨削及 镜面磨削；衍磨和砂带抛光等固定磨料工具的加工；衍磨、抛光等自由磨料的加工等。 在达到纳米层次后，决非几何上的在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小相似缩小”，而出现一系列新现象和规律。量子效应、波动特性、微而出现一系列新现象和规律。量子效应、波动特性、微观涨落等不可忽略，甚至成为主导因素。观涨落等不可忽略，甚至成为主导因素。波及工件内层，可获得高精度和好表面质量。机理、特点照像机塑料镜片、树脂隐形眼镜镜片等。镜片及光学元器件为主。镜片及光学元器件为主。应用应用实例棱镜加工棱镜加工光学玻璃加工光学玻

15、璃加工摄像头：要求下表面能够很好的反光成像摄像头：要求下表面能够很好的反光成像应用实例后视镜后视镜室外广角镜室外广角镜金刚石刀具金刚石刀具磨损的常见形式为机械磨损和破损。机械磨损机械摩擦、非常微小；破损本身裂纹、冲击和振动。刀具磨损直接影响到加工质量。（具体视加工材料而定）金刚石刀具只能安装在机床主轴转动非常平稳的高精度机床上使用。（不能有振动）。金刚石车床加工4.5mm陶瓷球图图 金刚石车床及其加工照片金刚石车床及其加工照片精密切削加工精密切削加工 精密加工：加工精度为0.11um，表面粗糙度为0.020.1um。3、增强互换性、促进自动化装配应用。提高加工精度的好处：1、提高产品的性能与质

16、量、稳定性和可靠性；2、促进产品的小型化；（集成线路、磁盘容量） 精密加工技术涉及内容广泛的综合性技术：精密机床设备和工具、稳定的加工环境、运用计算机技术的实时检测和反馈补偿等。精密加工的关键技术：1、精密加工机床2、金刚石刀具3、精密切削机理5、误差补偿4、稳定的加工环境6、精密测量技术精密加工机床精密加工机床 研究方向：提高机床主轴的回转精度、工作台的直线运动精度以及刀具的微量进给精度。（主轴轴承和导轨） 超精密级滚动轴承液体静压或空气静压轴承。金刚石刀具金刚石刀具 金刚石晶面选择、金刚石刀具刃口的圆弧半径。 先进国家达到纳米级，我国0.10.3um。精密切削机理精密切削机理 积屑瘤的形成

17、、毛刺的产生、切削参数及加工条件等。需深入研究以掌握其变化规律。稳定的加工环境稳定的加工环境 恒温（加工空间和机床本身）、防振、净化（高效过滤器）。误差补偿误差补偿 消除或抵消误差本身的影响。同时防止误差累计。（一直靠提高机床制造精度来提高工件精度会使成本大大增加）精密测量技术精密测量技术 高一个数量级、显微镜和激光干涉仪等。隧道显微镜分辨率达到0.1nm。 精密切削研究最早从金刚石车削开始金刚石铣削金刚石镗削，来加工型面和内孔。刀具材料从金刚石刀具材料立方氮化硼、复合陶瓷等。精密加工的经济性： 过去尤其其昂贵的价格、高要求的加工环境在一定程度上限制精密加工的应用范围。 现在由于科学技术发展和

18、生活水平的提高，精密加工深入到各个领域。机械制造业：加工工具、卡具、量具，发达国家已经开始零件的精密加工。第3节 快速成型技术一、一、RP技术概述技术概述1、RP技术的发展历史技术的发展历史 快速成型快速成型(Rapid Prototyping,简称简称RP)技术是技术是20世纪世纪80年代后期发展起来的年代后期发展起来的, 是由是由CAD模型直接驱动模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称。的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称。 1986年美国年美国3D Systems公司率先推出了称为公司率先推出了称为Stereolithography Apparatus （简称（

19、简称SLA）的激光快）的激光快速成型制造系统，引起工业界的广泛兴趣并且速成型制造系统，引起工业界的广泛兴趣并且RP得得到了异乎寻常的迅猛发展。到了异乎寻常的迅猛发展。 目前美国在目前美国在RP领域处于主导地位，德国、以色领域处于主导地位，德国、以色列、日本也处于国际领先水平。在列、日本也处于国际领先水平。在RP领域国内有清领域国内有清华大学、西安交通大学、南京航空航天大学、华中科华大学、西安交通大学、南京航空航天大学、华中科技大学，北京隆源公司等。技大学，北京隆源公司等。 2、RP技术原理和成型过程技术原理和成型过程 传统加工：去材法、变形法。传统加工：去材法、变形法。 RP加工：材料累加法。

20、加工：材料累加法。计算机科学计算机科学CAD/ CAM数控技术数控技术激光技术激光技术新材料新材料RP自动、快速、准确自动、快速、准确制品制品RP技术基本原理：离散技术基本原理：离散堆积（叠加）堆积（叠加） 三维模型构建：三维模型构建：Pro/E、UG、SolidWorks、激光扫描、激光扫描、CT断层扫描等断层扫描等 三维模型的近三维模型的近似处理似处理:三角形三角形平面来逼近原平面来逼近原来的模型来的模型（STL文件）文件） 三维模型的切三维模型的切片处理：加工片处理：加工方向（方向（Z方向）方向）进行分层进行分层成型加工：成型成型加工：成型头（激光头或头（激光头或喷头）按各截面喷头）按各

21、截面轮廓信息扫描轮廓信息扫描后处理：打磨、后处理：打磨、抛光、涂挂、抛光、涂挂、烧结烧结等等间隔一间隔一般取般取0.05m-0.5mm，常用常用0.1mm 图图3、 RP成型过程图成型过程图3、RP技术的特点和影响技术的特点和影响 新产品开发的一般过程：新产品开发的一般过程：设计设计试制试制试验试验征求用户意见征求用户意见市场推销市场推销生产生产修改定型修改定型RP：设计、：设计、成型，成型，时间，成本时间，成本模具：制模、模具：制模、试模、修模，试模、修模，时间，成本时间，成本RP技术的主要特点：技术的主要特点：（1）可以制造任意复杂的三维几何实体）可以制造任意复杂的三维几何实体（2）快速性

22、）快速性 :几个小时到几十个小时就可制造出零件几个小时到几十个小时就可制造出零件（3）高度柔性：无需任何专用夹具或工具）高度柔性：无需任何专用夹具或工具（4）产品结构与性能的及时快速优化）产品结构与性能的及时快速优化（5）进行小批量生产）进行小批量生产（6）RP技术有利于环保技术有利于环保二、二、RP技术加工方法和设备技术加工方法和设备 目前目前RP技术的快速成型工艺方法有十多种。现技术的快速成型工艺方法有十多种。现简要介绍四种比较成熟且常用的四种成型方法：光固简要介绍四种比较成熟且常用的四种成型方法：光固化成型（化成型（SLA）、分层实体制造（）、分层实体制造（LOM）、选择域）、选择域激光

23、粉末烧结成型（激光粉末烧结成型（SLS）、熔融沉积成型（）、熔融沉积成型（FDM）。）。 1、SLA 光固化法是第一个投入商业应用的光固化法是第一个投入商业应用的RP技术技术,它以它以美国美国3D Systems公司生产的公司生产的SLA系列成型机为代表。系列成型机为代表。SLA技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的，技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的，这种液态材料在一定波长和强度的紫外光照射下能迅这种液态材料在一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。态转变成固态。 SLA工作原理工作原理

24、图图4、SLA工作原理图工作原理图SLA优点：优点： (1)原材料的利用率将近原材料的利用率将近100% ； (2)尺寸精度高尺寸精度高( 0. 1 mm)； (3)表面质量优良；表面质量优良； (4)可以制作结构十分复杂的模型。可以制作结构十分复杂的模型。SLA缺点：缺点： (1)成型过程中伴随着物理和化学变化，所以制件较易成型过程中伴随着物理和化学变化，所以制件较易弯曲，需要支撑，如图弯曲，需要支撑，如图5； (2)可使用的材料种类较少；可使用的材料种类较少； (3)液态树脂具有气味和毒性，并且需要避光保护，以液态树脂具有气味和毒性，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

25、。防止提前发生聚合反应，选择时有局限性。图图5、SLA成型中加入支撑示意图成型中加入支撑示意图2、LOM LOM工艺由美国工艺由美国Helisys于于1986年研制成功。年研制成功。LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。其主要零部件有：工作表面事先涂覆上一层热熔胶。其主要零部件有：工作平台、平台、CO2激光器、加热辊、供料与收料辊等。激光器、加热辊、供料与收料辊等。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

26、工作台上升工作台上升图图7、多余网格部分的去除、多余网格部分的去除薄壳件薄壳件 头盖骨头盖骨 LOM 2030 H机器外观机器外观LOM优点：优点： （1）成型效率高，）成型效率高，LOM工艺只需在片材上切割出零工艺只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面，因此成型厚壁件截面的轮廓，而不用扫描整个截面，因此成型厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件；零件的速度较快，易于制造大型零件； （2）无翘曲变形，工艺过程中不存在材料相变，因）无翘曲变形，工艺过程中不存在材料相变，因此没有热应力、膨胀和收缩不易引起翘曲变形；此没有热应力、膨胀和收缩不易引起翘曲变形； （3）无需加支撑，工件外框与

27、截面轮廓之间的多余）无需加支撑，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，所以材料在加工中起到了支撑作用，所以LOM工艺无需工艺无需加支撑。加支撑。LOM缺点：材料浪费严重，表面质量差。缺点：材料浪费严重，表面质量差。3、SLS SLS工艺最初由美国德克萨斯大学奥斯汀分校工艺最初由美国德克萨斯大学奥斯汀分校(UIIiversity of Texas at Austin)的的Carl Deckard于于1989年在其硕士论文中提出，后由年在其硕士论文中提出，后由Texas大学组建的大学组建的DTM公司于公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备年推出了该工艺的商业化生产设备Sin

28、terstation。 该工艺实用高功率的激光加热，把粉末熔化在该工艺实用高功率的激光加热，把粉末熔化在一起形成零件，一起形成零件，SLS工艺的重要吸引力是可用于多种工艺的重要吸引力是可用于多种热塑性塑料的成型热塑性塑料的成型,如尼龙、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯如尼龙、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯类、聚苯乙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯等。类、聚苯乙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯等。SLS工作原工作原理：理：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 SLS方法中的工艺参数对粉末的熔融有很大影响，方法中的工艺参数对粉末的熔融有很大影响，如激光功率、光斑大小、扫描速度、扫描间距、单层如激光功率、光

29、斑大小、扫描速度、扫描间距、单层厚度、粉床温度等都会影响烧结件的性能。厚度、粉床温度等都会影响烧结件的性能。 激光功率激光功率较低时较低时,烧结件的拉伸强度和冲击强度烧结件的拉伸强度和冲击强度均随激光功率的增加而增加。激光功率过大时引起粉均随激光功率的增加而增加。激光功率过大时引起粉末的氧化降解末的氧化降解,从而降低了烧结件的强度。从而降低了烧结件的强度。 扫描速度扫描速度决定了激光束对粉末的加热时间决定了激光束对粉末的加热时间,在激在激光功率相同的情况下光功率相同的情况下,扫描速度越低扫描速度越低,激光对粉末的加激光对粉末的加热时间越长热时间越长,传输的热量多传输的热量多,粉末熔化较好粉末熔

30、化较好,烧结件的强烧结件的强度高。但过低的扫描速度导致粉末表面的温度过高度高。但过低的扫描速度导致粉末表面的温度过高,不仅不能提高烧结件的强度不仅不能提高烧结件的强度,还会影响成型速度。还会影响成型速度。 单层层厚单层层厚指铺粉厚度指铺粉厚度,即工作缸下降一层的高度。即工作缸下降一层的高度。对于某一制品对于某一制品,采用较大的单层厚度采用较大的单层厚度,所需制造的总层所需制造的总层数少数少,制造时间短。但由于激光在粉末中的透射强度制造时间短。但由于激光在粉末中的透射强度随厚度的增加而急剧下降随厚度的增加而急剧下降,单层厚度过大单层厚度过大,会导致层与会导致层与层之间黏结不好层之间黏结不好,甚至

31、出现分层甚至出现分层,严重影响成型件的强严重影响成型件的强度。度。 SLS的优点是无需支撑的优点是无需支撑,成型的零件机械性能好成型的零件机械性能好,强度高。缺点是粉末比较松散强度高。缺点是粉末比较松散,烧结后精度不高烧结后精度不高,尤其尤其是是Z轴方向的精度难以控制。轴方向的精度难以控制。4、FDM FDM工艺由美国工程师工艺由美国工程师ScottCrump于于1988年研年研制成功。制成功。FDM的材料一般是热塑性材料，以丝状供的材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

32、料迅速和填充轨迹运动，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。凝固，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 喷头是实现喷头是实现FDM工艺的关键部件，喷头结构设工艺的关键部件，喷头结构设计和控制方法是否合理，直接关系到成型过程能否顺计和控制方法是否合理，直接关系到成型过程能否顺利进行，并影响成型的质量利进行，并影响成型的质量 ，另一方面为了提高生，另一方面为了提高生产效率可以采用多喷头，美国产效率可以采用多喷头，美国3D公司推出的公司推出的Actua2100,其喷头数多达其喷头数

33、多达96个。个。 在成型有支撑制件时单喷头和双喷头的比较：在成型有支撑制件时单喷头和双喷头的比较：成型材料成型材料支撑材料支撑材料单喷头单喷头双喷头双喷头密实密实疏松疏松水溶性或低水溶性或低熔点材料熔点材料溶于水或加热溶于水或加热剥离剥离 目前，目前，FDM系统采用柱塞式喷头（如图系统采用柱塞式喷头（如图10）和）和螺杆式挤出喷头（如图螺杆式挤出喷头（如图11）。）。 图图10、柱塞式喷头、柱塞式喷头图图11、螺杆式喷头、螺杆式喷头FDM的优点：的优点：(1)由于热融挤压头系统构造原理和操作简单，维护成本由于热融挤压头系统构造原理和操作简单，维护成本低，系统运行安全；低，系统运行安全；(2)原

34、材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小；原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小；(3)原材料利用率高，且材料寿命长。原材料利用率高，且材料寿命长。FDM的缺点：的缺点：(1)成型件的表面有较明显的条纹；成型件的表面有较明显的条纹；(2)沿成型轴垂直方向的强度比较弱；沿成型轴垂直方向的强度比较弱；(3)需要设计与制作支撑结构，如图需要设计与制作支撑结构，如图12。图图12、FDM快出成型支撑结构图快出成型支撑结构图三、快速成型技术的应用三、快速成型技术的应用 快速成型技术的最初应用主要集中在产品开发快速成型技术的最初应用主要集中在产品开发中的设计评价、中的设计评价、 功能试验上。功

35、能试验上。 设计人员根据快速成设计人员根据快速成型得到的试件原型对产品的设计方案进行试验分析、型得到的试件原型对产品的设计方案进行试验分析、 性能评价性能评价 ,借此缩短产品的开发周期、借此缩短产品的开发周期、 降低设计费用。降低设计费用。经过十几来的发展经过十几来的发展 ,快速成型技术早已突破了其最初快速成型技术早已突破了其最初意义上的意义上的 “原型原型” 概念概念 ,向着快速零件、向着快速零件、 快速工具快速工具等方向发展。等方向发展。 目前目前RP技术已得到了工业界的普遍关注技术已得到了工业界的普遍关注, 尤其在尤其在家用电器、汽车、玩具、轻工业产品、建筑模型、医家用电器、汽车、玩具、

36、轻工业产品、建筑模型、医疗器械及人造器官模型、航天器、军事装备、考古、疗器械及人造器官模型、航天器、军事装备、考古、工业制造、雕刻、电影制作以及从事工业制造、雕刻、电影制作以及从事CAD 的部门都的部门都得到了良好的应用得到了良好的应用. 其用途主要体现在以下其用途主要体现在以下6个方面。个方面。1、新产品研制开发阶段的试验验证、新产品研制开发阶段的试验验证2、新产品投放市场前的调研和宣传、新产品投放市场前的调研和宣传3、基于快速成型技术的快速制模（、基于快速成型技术的快速制模（RT）技术）技术 由于由于RP方法对使用材料的限制，并不能够完全方法对使用材料的限制，并不能够完全替代最终的产品。在

37、新产品功能检验、投放市场试运替代最终的产品。在新产品功能检验、投放市场试运行和准确获得用户使用后的反馈信息等方面，仍需要行和准确获得用户使用后的反馈信息等方面，仍需要由实际材料制造的产品。因此，由实际材料制造的产品。因此， 需要利用需要利用RP原型作原型作母模来翻制模具，母模来翻制模具， 这便产生了基于这便产生了基于RP的快速模具制的快速模具制造技术（造技术（RT）。）。 RP+RT技术提供了一条从模具的技术提供了一条从模具的CAD模型直接模型直接制造模具的新概念和方法。它将模具的概念设计和加制造模具的新概念和方法。它将模具的概念设计和加工工艺集成在一个工工艺集成在一个CADCAM系统内，并行

38、工程的系统内，并行工程的应用，为信息流的畅通流动创造了良好的条件。应用，为信息流的畅通流动创造了良好的条件。 RT方法的分类：方法的分类： 按功能用途可分为：塑料模、铸按功能用途可分为：塑料模、铸(型型)模、冲压模、模、冲压模、锻造模及石墨电极研磨母模。锻造模及石墨电极研磨母模。 按制模材料可分为简易模按制模材料可分为简易模(也称作软模、经济模也称作软模、经济模或非钢制模或非钢制模)和钢制硬模。和钢制硬模。 根据不同的制模工艺方法，快速模具可分直接根据不同的制模工艺方法，快速模具可分直接快速模具和间接快速模具。快速模具和间接快速模具。 直接快速模具，亦即快速成型模具，以快速成直接快速模具，亦即

39、快速成型模具，以快速成型件直接作为成形模具。间接快速模具，亦即型腔复型件直接作为成形模具。间接快速模具，亦即型腔复制模具，以快速成型件为母模，通过型腔复制制作模制模具，以快速成型件为母模，通过型腔复制制作模具，包括硅橡胶复制、金属冷喷涂、精密铸造、树脂具，包括硅橡胶复制、金属冷喷涂、精密铸造、树脂材料型腔复制等。材料型腔复制等。 目前，基于目前，基于RP的的RT的方法多为间接制模法，依的方法多为间接制模法，依据材质不同，间接制模法生产出来的模具一般分为软据材质不同，间接制模法生产出来的模具一般分为软质模具和硬质模具两大类。质模具和硬质模具两大类。 软质模具制造方法主要有树脂浇注法、金属喷软质模

40、具制造方法主要有树脂浇注法、金属喷涂法、电镀法、硅橡胶浇铸法等。涂法、电镀法、硅橡胶浇铸法等。（1）硅橡胶浇注法）硅橡胶浇注法 制作过程为：制作过程为：原型的原型的表面处表面处理理涂刷脱模涂刷脱模剂，固定剂，固定原型并放原型并放置型框置型框 硅橡胶计硅橡胶计量、真空量、真空脱泡后进脱泡后进行混合行混合 浇注硅橡浇注硅橡胶混合体胶混合体 硅橡胶固硅橡胶固化后，刀化后，刀剖开模，剖开模，取出原型取出原型 以艺术品宝塔为原型制作硅橡胶模的过程：以艺术品宝塔为原型制作硅橡胶模的过程：宝宝塔塔的的三三维维模模型型 模型分层处理模型分层处理 宝宝塔塔实实物物模模型型 制作制作型框型框并固并固定原定原型型

41、硅硅橡橡胶胶的的浇浇注注 硅硅橡橡胶胶的的固固化化拆拆除除型型框框 原原型型去去除除 修修模模 （2）树脂浇注法）树脂浇注法 硅橡胶模具仅适用于制品数量较少的生产，若硅橡胶模具仅适用于制品数量较少的生产，若制品数量较大时，可用快速原型翻制环氧树脂模具。制品数量较大时，可用快速原型翻制环氧树脂模具。该方法是将液态的环氧树脂与有机或无机材料复合作该方法是将液态的环氧树脂与有机或无机材料复合作为基体材料，以原型为母模浇注模具的一种制模方法。为基体材料，以原型为母模浇注模具的一种制模方法。其工艺过程为：其工艺过程为：采用技术制作原型；采用技术制作原型；将原型进行将原型进行表面处理并涂刷脱模剂；表面处理

42、并涂刷脱模剂；设计制作模框；设计制作模框；选择和选择和设计分型面；设计分型面；浇注树脂；浇注树脂；开模并取出原型。开模并取出原型。 用树脂浇注法快速制作模具，工艺简单、成本用树脂浇注法快速制作模具，工艺简单、成本低廉。树脂型模具传热性能好、强度高且型面不需加低廉。树脂型模具传热性能好、强度高且型面不需加工，适用于注塑模、薄板拉伸模、吸塑模及聚氨酯发工，适用于注塑模、薄板拉伸模、吸塑模及聚氨酯发泡成形模等。泡成形模等。（3）金属喷涂法）金属喷涂法 金属喷涂法是以原型作基体样模，将低熔点金金属喷涂法是以原型作基体样模，将低熔点金属或合金喷涂到样模表面上形成金属薄壳，然后背衬属或合金喷涂到样模表面上

43、形成金属薄壳，然后背衬充填复合材料而制作模具的方法。充填复合材料而制作模具的方法。 金属喷涂法工艺简单、周期短，型腔及其表面精金属喷涂法工艺简单、周期短，型腔及其表面精细花纹可一次同时成形。模具耐磨性能好、尺寸精度细花纹可一次同时成形。模具耐磨性能好、尺寸精度高。制作过程中要注意的是解决好涂层与原型表面的高。制作过程中要注意的是解决好涂层与原型表面的贴合和脱离问题。贴合和脱离问题。（4）电成形制模法）电成形制模法 电成形制模法又称电铸制模法。其原理和制造过电成形制模法又称电铸制模法。其原理和制造过程与金属喷涂法比较类似，又称电铸制模法。它是采程与金属喷涂法比较类似，又称电铸制模法。它是采用电化

44、学原理，通过电解液使金属沉积在原型表面，用电化学原理，通过电解液使金属沉积在原型表面，然后背衬其他充填材料来制作模具的方法。然后背衬其他充填材料来制作模具的方法。 电成形法制作的模具复制性好且尺寸精度高，适电成形法制作的模具复制性好且尺寸精度高，适合于精度要求较高、形态均匀一致和形状、花纹不规合于精度要求较高、形态均匀一致和形状、花纹不规则的型腔模具，如人物造型模具、儿童玩具和鞋模等。则的型腔模具，如人物造型模具、儿童玩具和鞋模等。 软质模具的寿命一般为软质模具的寿命一般为50-5000件，对于上万件件，对于上万件乃至几十万件的产品，仍然需要传统的钢质模具，硬乃至几十万件的产品，仍然需要传统的

45、钢质模具，硬质模具指的就是钢质模具，利用质模具指的就是钢质模具，利用RP成型制作钢质模成型制作钢质模具的主要方法有熔模铸造法、电火花加工法、陶瓷型具的主要方法有熔模铸造法、电火花加工法、陶瓷型精密铸造法等。精密铸造法等。4、新材料的研、新材料的研究究 在开发在开发RP加工方法的过程中，需要使用一些特殊加工方法的过程中，需要使用一些特殊的材料，甚至是开发出适用于此方法的新材料，所以的材料，甚至是开发出适用于此方法的新材料，所以在研究在研究RP加工方法的过程中也研制了新的材料。同加工方法的过程中也研制了新的材料。同时对于新研究的材料，时对于新研究的材料，RP技术提供了检验此材料和技术提供了检验此材

46、料和其制品性能的一种方法。其制品性能的一种方法。5、修复医学上的应用、修复医学上的应用 快速成型技术在修复医学上的应用主要集中在快速成型技术在修复医学上的应用主要集中在人工假体、人工活性骨等方面。比如应用快速成型制人工假体、人工活性骨等方面。比如应用快速成型制作出假体的原型作出假体的原型,而后翻制金属假体，植入人体而后翻制金属假体，植入人体,取代取代受伤的器官而达到康复的目的。快速成型系统能够制受伤的器官而达到康复的目的。快速成型系统能够制作出多孔性结构作出多孔性结构,首先使用可降解材料制成内部多孔首先使用可降解材料制成内部多孔疏松的代用骨疏松的代用骨, 疏松孔中填以活性因子疏松孔中填以活性因

47、子, 置入人体置入人体, 即即可代替人体骨骼可代替人体骨骼,经过一段时间可降解材料被人体降经过一段时间可降解材料被人体降解、吸收、钙化形成新骨。解、吸收、钙化形成新骨。 6、小批量和特殊复杂零件的直接、小批量和特殊复杂零件的直接生产生产 对于复杂的或小批量生产的塑料、陶瓷、金对于复杂的或小批量生产的塑料、陶瓷、金属及其复合材料的零部件属及其复合材料的零部件, SLS方法可以直接快速方法可以直接快速成型。零件的直接快速成型对航空、航天及国防成型。零件的直接快速成型对航空、航天及国防工业有非常重要的应用价值。工业有非常重要的应用价值。四、快速成型技术中的问题四、快速成型技术中的问题 从结构上来说从结构上来说,快速成型技术可分为硬件、软件、快速成型技术可分为硬件、软件、材料以及成型工艺四大组成部分。在材料以及成型工艺四大组成部分。在RP技术中的问技术中的问题也是与这四个组成部分相关。题也是与这四个组成部分相关。 1、硬件方面、硬件方面 RP设备昂贵的价格严重制约了设备昂贵的价格严重制约了RP技术的推广和技术的推广和应用应用,尤其是对于那些资金实力不太雄厚的中小型企尤其是对于那些资金实力不太雄厚的中小型企业。这就使得各业。这就使得各RP设备的供应商和研究机