现代成型理论及应用

1、现代成形理论及应用读书报告课程名称： 现代成形理论及应用 学院： 机械工程学院 专业： 机械制造及其自动化 姓名： * * 学号： 年级： 2013级 任课教师： *老师 一、 前言在一件新产品的开发过程中，总是需要在投入大量资金进行加工或装配之前对所设计的零件或整个系统加工一个简单的原型。这样做主要是因为生产成本昂贵，而且模具的生产需要花费大量的时间准备，如果出错，损失的时间、人力、资金相当庞大。因此，在准备制造和销售一个复杂的产品系统之前，工作原型可以对产品设计进行评价、修改和功能验证。快速成型(Rapid Prototyping)技术是近年来发展起来的直接根据CAD模型快速生产样件或零件

2、的成组技术总称，它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其它方法将材料堆积而形成实体零件。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加。因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任何复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性，减少新产品开发所消耗的时间和资金，并且使设计者可以不拘束于现有的加工工艺，充分发挥想象力和创造力。二、 现代成型技术概述（一） 材料的分类1. 按照材料的化学组成可分为：金属材料、非金属材料、有机高分子材料。2. 按照

3、材料的性能特征可分为：结构材料（要求指标以力学性能为主）、功能材料（要求指标以物理化学特性为主）。（二） 材料成型的基本方法1. 去除成形法概念：借用物理或化学手段，将材料的多余部分去除而成形。特点：A. 成型精度高B. 成型件形状受到工艺限制C. 成型过程与材料制备过程无关2. 冲压成型法概念：材料在强的约束下成型特点：A. 成型需要模具B. 成型精度受到模具影响C. 成型过程与材料制备有一定的联系3. 生长成型法概念：通过对细胞的操作，将他们堆积成型特点：A. 材料制备过程与成型紧密联系在一起。可以按需求制造不同材料梯度的零件。4. 离散/堆积成型法概念：根据离散/堆积原理，在CAD模型直

4、接驱动下完成材料的有序堆积而成形，被称为快速原型。特点：A. 不需要模具B. 材料制备过程与成型紧密联系在一起。C. 拥有最高的成型柔性D. 可用来进行定制生产三、 快速成型技术（一） 定义：由CAD模型直接驱动快速成型机来制造任意形状的零部件的过程。又称作快速原型机（RP）。（二） 快速成型机的成型过程将被加工件的计算机三维模型发送到快速成型机，电脑自动按一定规律把模型离散为一系列单元，再由成型机一片一片地堆叠成型。（三） 快速成型技术的主要几种加工技术：A. SL (Stereolithography) 工艺称为光固化或立体光刻，是最早出现的一种RP工艺，它采用激光一点点照射光固化液态树脂

5、使之固化的方法成形，是当前应用最广泛的一种高精度成形工艺。B. LOM (Laminated Object Manufacturing)工艺称为分层实体制造，它采用激光切割箔材，箔材之间靠热熔胶在热压辊的压力和传热作用下熔化并实现粘接，一层层叠加制造原型。C. SLS (Selective Laser Sintering)工艺称为激光选区烧结，它采用激光逐点烧结粉末材料，使包覆于粉末材料外的固体粘接剂或粉末材料本身熔融粘连实现材料的成形。D. FDM (Fused Deposition Modeling)工艺称为熔融沉积成形，它采用丝状热塑性成形材料，连续地送入喷头后在其中加热熔融并挤出喷嘴，

6、逐步堆积成形。E. 3DP (Three Dimensional Printing)工艺称为三维印刷，它采用逐点喷射粘接剂来粘接粉末材料的方法制造原型，该工艺可以制造彩色模型，在概念型应用方面很有竞争力。F. PCM (Patternless Casting Manufacturing) 工艺称为无木模铸造，它采用逐点喷射粘接剂和催化剂即两次同路径扫描的方法来实现铸造用树酯砂粒间的粘接并完成砂型自动制造。该工艺由清华大学等多家单位联合研发成功。G. BPM (Ballistic Particle Manufacturing)工艺称为弹道粒子制造。它用一个压电喷射(头)系统来喷射并沉积熔化了的热

7、塑性塑料的微小颗粒单元。由于该系统价格昂贵，毫无竞争力，当前已在RP市场上消失。H. 3D Plotting (Three Dimentional Plotting)称为三维绘图工艺，它采用泵将一定温度熔融状材料通过极精密的喷嘴（直径为0.05mm）喷出而堆积成形。I. MJS (Multiple Jet Solidification)工艺称为多路喷射固化，该工艺采用活塞挤压熔融材料使其连续地挤出喷嘴的方法来堆积成形。J. SGC (Solid Ground Curing)工艺称为实体磨削固化，它采用掩膜版技术使一层光固化树脂整体一次成形，而不是SL设备那样，每一层树脂是逐点照射固化成形的，这

8、样就提高了原型制造速度。该工艺由以色列的Cubital公司开发成功并推出商品机器。K. 3D Printer工艺称为三维打印机，它采用块状固体热塑性成形材料，输入喷嘴后在其中加热并熔化，挤出喷嘴逐点堆积成形。L. CC (Contour Craft)工艺称为轮廓成形工艺，它采用堆积轮廓和浇铸熔融材料相结合的方法来成形，在堆积轮廓时采用了简单的刮刀，刮板式装置，形成原型的层片为准三维。M. RIPF（Rapid Ice Prototype Forming）称为低温冰型快速成形工艺，采用脉宽调制喷头高频喷射离散水滴，在低温下堆积冰原型。N. SIS（Seletine Inhibition Sint

9、ering）选择性抑制烧结，由美国南加州大学提出并进行研究。该工艺用喷墨喷头选择性地喷射抑制剂，然后用热辐射加热器对该层加热，使非抑制部分很快互相粘结而成形。其中,SLA,LOM,SLS和FDM四种技术,目前仍然是快速成型技术的主流。（四） 快速成型技术在国内的发展我国RP技术的研究始于1991年,近几年来,我国RP技术飞速发展,已研制出与国外SLA(立体光固化),LOM(分层实体制造),SLS(选择性激光烧结),FDM(熔积成型)等工艺方法相似的设备,并逐步实现了商品化,其性能达到了国际水平。清华大学最先引进了美国3D公司的SLA-250设备与技术并进行研究与开发,现已开发出“M-RPMS-

10、II”型多功能快速成型制造系统。该系统具有分层实体制造-SSM(LOM)和熔积成型-MEM(FDM)两种功能,这是我国自主知识产权的世界唯一拥有两种快速成型工艺的系统。此外,清华大学还开发出基于FDM法的熔丝沉积制造系统MEM-250和基于LOM法的分层实体制造系统SSM-500等。华中科技大学研制出以纸为成型材料的基于分层实体制造法(LOM)的HRP系统;西安交通大学开发了基于立体印刷法(SLA)的LPS和CPS系统;南京航空航天大学开发了基于选择性激光烧结法(SLS)的RAP系统;北京隆源公司推出了基于选择性激光烧结法(SLS)的AFS系统;在基于快速成型技术的快速制造模具方面,上海交通大

11、学开发了具有我国自主知识产权的铸造模样计算机辅助快速制造系统,为汽车行业制造了多种模具;隆源公司的RP服务中心也为企业制作了多种精密铸模;华中科技大学研究出了一种复膜技术快速制造铸模,翻制出了铝合金模具和铸铁模块。在模具制造业,可以利用快速成型技术制得的快速原型,结合硅胶模、金属冷喷涂、精密铸造、电铸、离心铸造等方法生产模具;快速成型技术制得的快速原型也可以直接作为模具。但总的说来,与工业化国家相比我国RP技术的研究和应用尚存在一定的差距。（五） 快速成型技术的应用领域A. 新产品的开发B. 试验分析模型C. 生物医学和组织工程D. 建筑、航空航天、君实、汽车、机械、电子、电器、玩具、工艺品等

12、许多领域（六） 快速成型技术发展趋势A. 降低研发成本B. RP系统的速度和可靠性提升C. 研发新的成型办法D. 通过对现有RP系统的改进和新材料的开发，进一步扩大应用范围四、 典型的快速成型工艺（一） 光固化快速成形工艺方法图4.1 立体光固化（SLA）成型原理图1. 利用波长10.6m 的红外激光切割箔材,如纸、塑料薄膜、陶瓷箔材，实现离散堆积原理的RP工艺为叠层实体制造，即分层实体制造。2. 利用325355 n m的紫外激光对光敏树脂的光固化作用，逐点固化光敏树脂构成一个层面，层层叠加以形成一个三维实体，实现离散堆积成形原理的RP工艺称为光成形工艺或光固化工艺。3. 应用红外激光，将粉

13、末材料烧结成一个层面，层层叠加构造一个三维实体之RP工艺称为选择性激光烧结。其中：直接将粉末材料熔化而烧结的工艺称为直接粉末烧结；若在粉末表层覆膜一层低熔点材料，激光通过熔化这层材料而将粉末粘结一体的工艺称为间接粉末激光烧结。(二) 叠层实体加工工艺LOM(叠层制造)工艺将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起，位于上方的激光器按照CAD分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓，然后新的一层纸再叠加在上面，通过热压装置和下面已切割层粘合在一起，激光束再次切判，这样反复逐层切割一粘合一切割，直到整个零件模型制作完成。该法只需切割轮廓，特别适合制造实心零件。一旦零件完成.多余的

14、材料必须手动去除，此过程可以通过用激光在三维零件周围切割一些方格形小孔而简单化。图4.2 LOM系统装置原理图L0M工艺优点是无须设计和构建支撑;激光束只是沿着物体的轮廓扫描，无需填充扫描，成型效率高;成型件的内应力和翘曲变形小;制造成本低。缺点是材料利用率低;表面质量差;后处理难度大，尤其是中空零件的内部残余废料不易去除;可以选择的材料种类有限，目前常用的主要是纸;对环境有一定的污染。LOM工艺适合制作大中型成型件，翘曲变形小和形状简单的实体类零件。通常用于产品设计的概念建模和功能测试零件，且由于制成的零件具有木质属性，特别适用于直接制作砂型铸造模。(三) 选择性激光烧结(SLS)研究SLS

15、的有DTM公司、EOS公司、北京隆源公司。该法采用CO2激光器作能源,目前使用的造型材料多为各种粉末材料。在工作台上均匀铺上一层很薄的粉末,激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结,一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结完后去掉多余的粉末,再进行打磨、烘干等处理便获得零件。目前,成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉,用金属粉或陶瓷粉进行粘接或烧结的工艺还正在实验研究阶段。该技术具有原材料选择广泛、多余材料易于清理、应用范围广等优点,适用于原型及功能零件的制造。在成形过程中,激光工作参数以及粉末的特性和烧结气氛是影响烧结成形质量的重要参数。图4.3 选择性激光烧结原理图(四) 熔积成型(FD

16、M)1. 将材料熔化/溶化，形成熔融态或液态，再从压力腔中挤出/喷射；2. 制造丝状或点状单元，经堆积形成层面；3. 成形工作台下降一个层面高度，层面迭加形成三维实体的快速成形工艺。4. 丝状材料通过供料机构供料。5. 需要设计支撑帮助Z向悬空部分的成形。图4.4 熔融沉积制造原理图五、 数据准备与处理(一) 三维模型构建方法1. 概念设计：产品的现代设计直接在三维造型软件平台上进行。2. 2D-3D转换设计：将已有产品的二维三视图转换成三维模型。3. 反求设计（逆向工程）：从实物样件获取产品数学模型进行设计。(二) 逆向工程1. 概念：逆向工程又称为反求设计，是将实物转变成CAD模型相关的数

17、字化技术，几何模型重构技术和产品制造技术的总称，是将已有产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，并在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的过程。2. 数字模型采集的主要办法：A. 坐标测量法B. 激光扫描法C. 零件断层扫描法D. 照相测量法E. CT法F. MRI法（三） STL文件STL文件是快速成型界提出的一种用于CAD模型与RP设备之间数据转换的文件格式标准，该文件是通过对CAD实体模型或曲面模型进行表面三角化离散得到的，相当于一种全由小三角形面片构成的多面体来逼近还原CAD实体模型。六、 生物制造（一） 生物制造的主要制造工艺有：1. 低温沉积制造工艺低温沉积制造（Low-t

18、emperature Deposition Manufacturing,LDM）是由清华大学提出的一种将材料的挤压/喷射过程和热致相分离过程集成起来的快速成形新工艺。相比其它快速成形工艺，LDM存在以下特点:（1） 是材料的挤压/喷射与热致相分离过程相集成的工艺，综合了两种工艺各自的优点，克服了各自的不足。在成形室中，通过一次成形，实现既包含大孔又包含微孔的分级结构。（2） 可以很好的保持材料的生物学性能，具有更广泛的材料适应性。在工艺过程中，材料始终在室温或低于室温的环境下处理，有利于保证材料原有的理化性能，生物学性能不受影响。（3） 可以成形复杂的非均质材料支架。通过多喷头技术，可以实现复

19、杂非均质材料的成分梯度;由于采用基于挤压/喷射的工艺原理，不需去除多余材料，可以实现复杂非均质材料的精细的孔隙结构梯度。2. 分层原位胶联工艺清华大学基于离散/堆积的成形思想,把细胞与基质材料的复合体作为操作对象,利用基质材料在喷射到指定位置之后特殊的胶联固化特性,实现细胞簇的组装成形。3. 细胞打印工艺（1） 喷墨细胞打印技术图6.1 喷墨细胞打印喷墨细胞打印是最早应用于打印细胞的技术,由传统的喷墨打印技术发展而来,不仅可用于细胞打印,在生物传感器、生物芯片、DNA分析、电子制造业等领域也有广泛的应用。其原理是利用热技术或者压电技术,促使液体通过受计算机控制的喷嘴产生液滴,按预先设定好的三维

20、结构喷射液滴。打印机中的墨水由细胞、细胞培养液或凝胶前驱体溶胶三者的混合体构成。（2） 喷射细胞打印技术图6.2 电喷射细胞打印又称为生物电喷射技术。该技术的原理是将由内外两个针管构成的液滴喷射装置置于高压电场中,内针管盛细胞悬浮液,外针管盛水凝胶前躯体(溶胶),当液滴出口处的电场强度超过一定阈值时,位于出口处的液体在电场力的作用下克服表面张力,形成带电液滴(即电喷射技术,或连续流体(即细胞纺织技术)。采用电喷射技术打印细胞时,含细胞溶液的粘度较低,利于液滴的形成,而采用细胞纺织技术时,溶液的粘度较高,易于形成连续流体。（3） 激光细胞打印技术图6.3 激光细胞打印利用激光对微量物质的光镊效应

21、和热冲击效应沉积含细胞的液滴的技术称为激光打印。利用激光束对细胞的作用力沉积细胞。当一束激光作用于细胞或含细胞的液滴时,可在平行于激光束和垂直于激光束的两个方向上产生分力,从而使细胞在水平和垂直方向上移动。激光束对细胞的作用力大于10pN,可使细胞在几十微米至几毫米的范围内移动,进而使细胞沉积于所选物体的表面。（4） 声控细胞打印图6.4 声控液滴发生器示意图利用声控的方法打印细胞,统称声控细胞打印,其技术平台主要由声控液滴发生器和三维移动的液滴接收平台两部分构成。声控液滴发生器由圆形的传感器组成,并周期性排列在压电基体上,组成二维阵列。细胞悬浮液覆盖在压电基体上,传感器发出的声波在液体表面聚

22、焦,当焦点处的声压超过液体表面张力时,即可产生液滴。在声控打印过程中,液滴的尺寸、初速度决定于传感器的尺寸和加载于传感器的能量(声波频率)。采用该技术,可获得尺寸在几微米到几百微米或体积在皮升量级的液滴,还可打印对热、压力和剪切应力敏感的细胞。目前已能成功打印出含单细胞的液滴,表明声控细胞打印是一种具有打印单细胞潜能的技术。4. 生物绘图工艺所使用的材料首先被存放在针管中，然后在气压的驱动下经过内径小至80微米的喷嘴，挤压进入到绘图媒介中。在后者的环境下，可以进行物理固化（通过降温或升温）或化学固化（通过化学反应），从而成形较为精细的支架结构。（二） 细胞组装工艺1. 微滴组装微滴组装是生物制

23、造的重要组成部分。根据形成微滴单元的材料的生物降解性和生物相容性可以分为非相容、相容不降解和相容并降解三个层次。（1） 非相容材料使用该材料的微滴组装技术大量用于组织和器官模型的制造，即使用器官的解剖学数据转换成物理模型，用来为医生制定手术方案、医生与患者的沟通提供直观的模型。（2） 相容不降解材料使用该材料的微滴组装技术是用于植入人体的人工假体设计与制造，使用相容不降解材料制造的人工假体在骨与软骨、骨盆颌关节缺损修复、介入治疗中已有成功的应用案例。（3） 相容可降解材料使用该材料的微滴组装技术是组织和器官诱导生长的核心技术之一。通过生物制造受控组装工艺制造出具有高孔隙率的结构框架，为细胞的培

24、养定型提供支架，诱导细胞组成所需要的形状。2. 细胞受控组装细胞受控三维组装的技术路线可分为间接受控三维组装和直接受控三维组装。（1） 细胞间接受控三维组装采用生物相容性好的可降解材料，根据所制造的组织的结构要求，来生成高孔隙率的三维结构，然后在该结构上种植细胞以及生长因子。细胞在支架上生长的过程中，支架降解，细胞取代了支架位置，生长成所需要的形状。（2） 细胞直接受控三维组装直接使用活体细胞或细胞团簇与仿生外基质材料组成的单元，目前常采用两种工艺路线A.细胞直写法采用特殊波长（如800nm）激光光压去捕获悬浮于培养液中的单个细胞并将它引导（推动）到建立于微动工作台上的平面结构中，重复平面组装

25、过程以构建一个三维结构。B.细胞喷射法采用各种微滴喷射技术和微流挤出技术将材料-细胞单元定向定点喷出（挤出）形成一个平面，如此重复迭加平面形成三维结构类组织前体。（三） 生物制造工程对成形学的重要意义从成形学的角度,生物制造工程是介于传统成形加工与生物生长成形之间的一种成形原理和方法,是朝着生物生长成形方向发展的成形模式。传统成形加工的对象是金属与非金属等无生命特征的材料。在生物的生长成形中,组织和器官是通过细胞的增殖、分化和自组装而形成的。在生物制造工程中,包含细胞的微滴单元(具有生命特征)取代了传统成形加工中的无生命材料,并通过单元的受控组装而非自组装的方式制造生命体。传统的成形加工系统中

26、,信息过程主要是用来控制加工的工艺参数,如工具运动、进给运动、压力和温度等。在生物制造工程中,生命体的制造过程同时受到成形设备、细胞外基质材料、生长因子和细胞内的基因控制。也就是说,通过生物制造工程制造生命体,不仅受到成形设备中类似于传统成形的信息过程的控制,还受到成形材料(包括细胞)内部的信息过程的控制。因此,生物制造实现了物理过程和信息过程的高度集成。七、 快速模具制造（一） 原理快速模具是基于离散-堆积成形原理的技术，以快速成型制作的实体模型,结合精铸、金属喷涂、电镀及电极研磨等技术进行后期处理，可以快速制造出模具。使用这种方法制作模具可以大大减少生产时间。它可以完成复杂内流道的直接制造

27、，可以制造具有材料梯度和功能梯度的更为优良的工具和模具。（二） 分类及制作工艺1. 直接快速模具制造（1） 直接金属激光液相烧结模简称DMLS模。是利用合金粉直接烧结而成的模具，不必进行后续处理。可用作注塑模、压铸模等。可铸造几百件金属件。烧结材料：A、铜-镍基混合粉。B、钢-青铜-镍基混合粉。（2） SLS直接烧结低碳钢-渗铜模简称Rapid Tool模。用SLS工艺直接烧结粘结剂包裹的低碳钢粉,再进行渗铜后处理而构成的模具。其制作过程：A、用SLS工艺烧结半成品（致密度不高）。B、在电炉中进行二次处理。包括：去除包裹的粘结剂，烧结钢粉和渗铜（获得致密度高的模具）。（3） 电铸镍壳-陶瓷背衬

28、模简称NCC模。是利用电铸在原模表面形成镍壳,再用化学粘结陶瓷作背衬而构成的模具。是一种正式批量生产用模具。电铸是利用金属的电解沉积原理来复制工件的一种传统加工方法，是电镀的特殊应用。其制作过程：A、快速成形制作原模。B、电铸在原模表面形成镍壳。C、浇铸陶瓷背衬。D、后固化陶瓷背衬。E、模具后处理与装配。（4） 三维打印渗铜模用三维打印方法粘结金属粉末，得到半成品，然后进行二次烧结与渗铜，形成含60%钢和40%铜的模具。特点：A、在半成品制作时，可置入共形冷却道，使模具的注射周期缩短35%。B、在半成品制作时，可设置支撑结构，以改善模具中的热量分布和减少模具重量。2. 间接快速模具制造（1）

29、硅橡胶制模技术用硅橡胶材料制造的快速软模。可用于制造快速过渡模和快速小批量生产模。硅橡胶的优点：A、制作周期短。几天内即可提供，缩短时间4/5。B、成本低。一般只有金属硬模费用的几分之一。C、弹性好，工件容易脱模。不需拔模斜度，模具简单。D、复印性能好。很好地保留母模上的细小特征和尺寸精度。E、可在室温下浇注高性能的聚氨酯塑料件。（2） 铝填充环氧树脂模简称CAFÉ模。是利用母模在室温下浇注铝基复合材料-铝充填的环氧树脂而构成的模具。其制作过程：A、制作母模与分型板。B、在母模表面涂覆一薄层脱模剂。C、置母模与分型板于型框中。D、置薄壁铜质冷却管于型箱中靠近母模处。E、配备必须数量的

30、CAFÉ材料。F、在摇晃与真空的状态下，将CAFÉ材料浇于母模的外面，让其固化。G、将母模与完全固化的CAFÉ模倒置，拆除分型板。H、重复上述过程，浇注另一半模。I、待固化后（12小时）合模并安装于标准模架中，即可浇注注塑件。（3） 低熔点合金模借助母模，用低熔点合金浇铸的模具。其制作过程：A、制作母模。B、制作负印模。C、取出母模，倒置负印模。D、用低熔点合金在浇铸框中浇铸母模形状，获得凸模。E、去除浇铸框，用预热的蜡片覆盖凸模的周边。F、用低熔点合金在浇铸压边圈。G、去除印模倒置凸模和压边圈，覆盖蜡片浇铸凹模。H、装配凸模、凹模、压边圈和模架，获得冲压模。（4） 电弧喷涂快速制模基本过程是将熔化的金属雾化，高速喷射沉积于基体上，所获制件的形状与基体相对应，是一种集材料制备与成形于一体的制造方法。其制作过程：A、模型准备(清理表面、刷脱模剂)。B、在模型上喷涂金属。C、制作模具框架。D、浇注模具的填充材料。E、