湖南大学工程材料与测试分析课件

1、快速原型制造技术及应用 20世纪世纪80年代以来，计算机技术、传感技术、材料科学、年代以来，计算机技术、传感技术、材料科学、CAD/CAM、CIMS、激光技术以及结构科学的飞速发展激光技术以及结构科学的飞速发展与交叉渗透，为快速原型技术（与交叉渗透，为快速原型技术（RPT）的发生和发展奠定的发生和发展奠定了坚实的技术基础。了坚实的技术基础。l美国的美国的3D Systems公司于公司于1988年生产出了世界上第一台现年生产出了世界上第一台现代快速成型机代快速成型机SLA-250(液态光敏树脂选择性固化成型液态光敏树脂选择性固化成型机），开创了快速成型技术发展的新纪元。机），开创了快速成型技术发

2、展的新纪元。l近十年涌现了几十种快速成型工艺：近十年涌现了几十种快速成型工艺：LOM、FDM、SLS、3DP等。等。 去除成形去除成形用分离的方法，把多余材料有序地从基体用分离的方法，把多余材料有序地从基体 上上分离出去而成形的方法。如机械加工、钳工、电火花加工、分离出去而成形的方法。如机械加工、钳工、电火花加工、激光加工等激光加工等受迫成形受迫成形利用材料的可成形性，使之在一定约束的条利用材料的可成形性，使之在一定约束的条件下（如温度、边界、外力等）成形。如铸造、锻造、粉件下（如温度、边界、外力等）成形。如铸造、锻造、粉末冶金等末冶金等堆积成形堆积成形运用合并与连接的方法，把材料（气、液、运

3、用合并与连接的方法，把材料（气、液、固态）有序地堆积起来的成形方法。如焊接、固态）有序地堆积起来的成形方法。如焊接、RP生长成形生长成形利用材料的活性进行成形的方法，如利用材料的活性进行成形的方法，如“克隆克隆”生物生物l离散堆积原理离散堆积原理CAD建模建模STL转换转换生成片层生成片层NC代码代码实体加工实体加工零件原型零件原型后处理后处理切片处理切片处理前处理前处理快速成型系统工作快速成型系统工作后处理后处理用Pro/E设计的零件模型STL面片化的零件模型CAD 3-D Design andSTL InterfacePost CuringFabricationSlicing & Part

4、PreparationOrient & Support材料输入材料输入输出零件输出零件离散堆积设备离散堆积设备M-RPMSM-RPMS设备设备以以MEMMEM模式工模式工作，生作，生产产用于新用于新产产品的原型品的原型M-RPMS设备以SSM模式工作，生产用于快速工模具制造的原型l CAD造型材料及制备快速原型制造工艺与装备其他信息来源 物理原型其他制造技术快速模具反求工程数控代码信息处理数据接口l信息：信息：l数字化信息：数字化信息：CAD三维数据模型；表面离子化模型；三维数据模型；表面离子化模型；分层后的层片文件；扫描矢量文件；数控代码文件分层后的层片文件；扫描矢量文件；数控代码文件l物理

5、形态信息：生成的原型；加工而成的零件；自然物理形态信息：生成的原型；加工而成的零件；自然形成的各种实物等形成的各种实物等l信息处理：信息处理： 数字形态信息数字形态信息物理形态信息物理形态信息l数据处理数据处理l将加工对象的三维实体模型离散化，得到层片文件；根据将加工对象的三维实体模型离散化，得到层片文件；根据不同工艺进行填充得到扫描矢量文件；与不同工艺进行填充得到扫描矢量文件；与CNC结合，进而结合，进而生成数控代码文件；生成数控代码文件；l信息物化信息物化l快速成型设备在数控代码的控制下，逐层加工堆积得到物快速成型设备在数控代码的控制下，逐层加工堆积得到物理原型；理原型；l物性转换物性转换

6、l不同物理实体间的转换不同物理实体间的转换l实物信化实物信化l将物理实体的几何信息数字化；将物理实体的几何信息数字化；l三维三维CAD造型造型l利用各种三维利用各种三维CAD软件进行几何造型，得到零件的三维软件进行几何造型，得到零件的三维CAD 数字模数字模型，获得初始信息的最常用方法；型，获得初始信息的最常用方法； l反求工程反求工程l将物理形态零件几何信息数字化，得到三维将物理形态零件几何信息数字化，得到三维CAD模型或层片模型；模型或层片模型；l数据转换数据转换l三维三维CAD造型或反求工程得到数据进行大量处理，才能用于控制造型或反求工程得到数据进行大量处理，才能用于控制RP成型设备制造

7、零件；成型设备制造零件；l原型制造原型制造l利用快速成型设备将原材料堆积成为三维物理实体；利用快速成型设备将原材料堆积成为三维物理实体；l物性转换物性转换l快速原型制造零件力学、物理性质不能直接满足工业需要，需要进一快速原型制造零件力学、物理性质不能直接满足工业需要，需要进一步处理，对其物理性质进行转换；步处理，对其物理性质进行转换；l虚拟集成虚拟集成技术体系的基本环节技术体系的基本环节A地造型C地反求工程B地数据转换F地物性转换InternetD地销售E地原型制造l立体印刷立体印刷（Stereo Lithography Apparatus-SLA）l分层实体制造分层实体制造（Laminate

8、d Object Manufacturing-LOM）l选择性激光烧结选择性激光烧结（Selected Laser Sintering-SLS）l熔融沉积成形熔融沉积成形（Fused Deposition Modeling-FDM）l三维打印三维打印（Three-Dimensional Printing-3D-P）l固基光敏液相法固基光敏液相法（Solid Ground Curing-SGC）lStereo Lithography Apparatusl1984年由年由Charles Hul发明并获美国专利，发明并获美国专利，1988年美国年美国3D Systems公司推出商品化样机公司推出商品

9、化样机SLA-1，是世界上第一台快是世界上第一台快速原型成形机速原型成形机lSLA是最早出现且技术上最为成熟的是最早出现且技术上最为成熟的RPT，也称液态光敏也称液态光敏树脂选择性固化树脂选择性固化lSLA是是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态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（材料在一定波长（=325nm）和功率（和功率（P=30mW）的紫外的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也从液态转变成固态也从液态转变成固态成型材料成型材料自由基光固化树脂自由基光固化树脂阳离子光固化树脂阳离子光固化树

10、脂混杂型光固化树脂混杂型光固化树脂lSLA的特点的特点成型方法简单，能直接生产塑料件；成型方法简单，能直接生产塑料件；表面粗糙度较低，尺寸精度较高表面粗糙度较低，尺寸精度较高成型中有相的变化，翘曲变形较大。需要支撑结构成型中有相的变化，翘曲变形较大。需要支撑结构成型速度较低，原材料有污染、气味很大成型速度较低，原材料有污染、气味很大成本高（树脂和激光器价格昂贵、寿命短）成本高（树脂和激光器价格昂贵、寿命短）lLaminated Object Manufacturingl由由Michael Feygin 于于1986年研制成功，美国年研制成功，美国Helisys 公司公司推出商品化机器推出商品化

11、机器lLOM是采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等，在材料表面是采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等，在材料表面事先涂覆上一层热熔胶，加工时用事先涂覆上一层热熔胶，加工时用CO2激光器或刀具在计激光器或刀具在计算机控制下进行切割，然后通过热压辊热压，使当前层与算机控制下进行切割，然后通过热压辊热压，使当前层与下面已成型的工件粘接，从而堆积成型下面已成型的工件粘接，从而堆积成型LOM工艺演示LOM工艺演示LOM工艺演示l成型材料成型材料薄材：如纸、塑料薄膜薄材：如纸、塑料薄膜热熔胶热熔胶涂布工艺涂布工艺lLOM工艺的特点工艺的特点LOM工艺只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而工艺只需在片材上切割出零件截面的

12、轮廓，而不用扫描整个截面，因此适合大、中型零件的加工不用扫描整个截面，因此适合大、中型零件的加工零件尺寸精度较高零件尺寸精度较高，工件外框与截面轮廓之间的多余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，所以翘曲变形小，成材料在加工中起到了支撑作用，所以翘曲变形小，成型时无需加支撑。但是，材料浪费大，且清除废料困型时无需加支撑。但是，材料浪费大，且清除废料困难难lSelective Laser Sintering l由美国德州由美国德州Austin 分校分校C.R.Dechard 于于1989年研制成功，年研制成功，后被美国后被美国DTM公司商品化，推出商品化机器公司商品化，推出商品

13、化机器lSLS工艺是利用粉末材料（金属或非金属粉末）在激光照工艺是利用粉末材料（金属或非金属粉末）在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成形射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成形激光器扫描镜激光束平整滚粉末SLS工艺演示SLS工艺演示SLS工艺演示CO2 激光器激光束/镜组/扫描镜推平滚子粉末缸成型腔粉末面成型腔尺寸：381*330*457 mml成型材料成型材料蜡粉、聚苯乙烯（蜡粉、聚苯乙烯（PS)、工程塑料（、工程塑料（ABS）、聚碳酸酯）、聚碳酸酯（PC)、尼龙（、尼龙（PA)、金属粉末金属粉末、覆膜砂、覆膜陶瓷粉，、覆膜砂、覆膜陶瓷粉，近年来更多的采用复合粉末，粉粒直径为近

14、年来更多的采用复合粉末，粉粒直径为50125ml工艺特点工艺特点材料适应面广，不仅能制造塑料制件，还能制造蜡模、材料适应面广，不仅能制造塑料制件，还能制造蜡模、陶瓷和金属零件陶瓷和金属零件成型精度一般、能直接制造制件和装配件（轴承整体）成型精度一般、能直接制造制件和装配件（轴承整体）制件翘曲变形相对较小，但对于容易发生变形的地方应制件翘曲变形相对较小，但对于容易发生变形的地方应设计有支撑结构设计有支撑结构实心零件成型时间较长，适合中小零件的生产。实心零件成型时间较长，适合中小零件的生产。lFused Deposition Modelingl由美国学者由美国学者Dr.Scott Crump 于于

15、1988年研制成功。并由美国年研制成功。并由美国Stratasys 公司推出商品化的设备，公司推出商品化的设备，FDM1600、 FDM1650、 FDM8000、QuantumlFDM工艺采用热塑性材料，如工艺采用热塑性材料，如ABS、蜡、尼龙等，一般、蜡、尼龙等，一般以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化后，从小孔挤出堆以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化后，从小孔挤出堆积成形积成形FDM工艺演示FDM工艺演示lFDM不用激光，使用、维护简单，成本低。用蜡成形的零不用激光，使用、维护简单，成本低。用蜡成形的零件原型可直接用于件原型可直接用于石蜡铸造；用石蜡铸造；用ABS工程塑料制造的原型则工程塑

16、料制造的原型则具有较高强度，在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应具有较高强度，在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。用。l由于由于FDM工艺一般在工艺一般在80120C进行，材料的收缩率必然会进行，材料的收缩率必然会引起尺寸误差，同时会产生热应力，导致制件的翘曲变形，引起尺寸误差，同时会产生热应力，导致制件的翘曲变形，因此需要设计支撑结构。因此需要设计支撑结构。lFDM工艺适合成型小塑料件，工艺适合成型小塑料件，最高精度最高精度0.127mm。 由于是由于是填充式扫描，因此成型时间较长，为克服这一缺点，可采用填充式扫描，因此成型时间较长，为克服这一缺点，可采用多个热喷头同时进行涂覆，提高

17、成型效率。多个热喷头同时进行涂覆，提高成型效率。低较复杂小截面较慢大截面较快LOM高几乎无费料简单小截面较快大截面较慢FDM较高较复杂小截面较快大截面较慢SLS较高较复杂小截面较快大截面较慢SLA材料利用率制件后处理成形速度 产品快速设计产品快速设计/制造制造 设计：新产品的设计与开发设计：新产品的设计与开发 制造：制造：快速快速工工/模具制造、快速铸造模具制造、快速铸造 分析：分析：试验分析模型试验分析模型 生物制造生物制造： 生物医学和组织工程生物医学和组织工程 工艺品工艺品：与美学有关的各工程与美学有关的各工程领域领域lRP原型可直接用于模拟性能测试、模拟装配实验和生原型可直接用于模拟性

18、能测试、模拟装配实验和生产可行性评估产可行性评估l采用采用RPT进行新产品开发，可减少产品开发成本进行新产品开发，可减少产品开发成本3070%，减少开发时间，减少开发时间50%。 采用模具生产零件是现代工业的主要生产工艺和手段采用模具生产零件是现代工业的主要生产工艺和手段l传统模具制造生产周期长，模具需反复调试，制造成传统模具制造生产周期长，模具需反复调试，制造成本高本高l快速模具制造可节约成本快速模具制造可节约成本3/4，缩短生产周期约，缩短生产周期约2/3下料锻造下料锻造调调 试试模具设计模具设计球化退火球化退火机械加工机械加工修修 配配热处理热处理投投 产产l直接模具制造直接模具制造用用

19、 LOM 系统制做的制件经表面处理，其强度比一般系统制做的制件经表面处理，其强度比一般木材还要高，可直接用作铸造木模；用木材还要高，可直接用作铸造木模；用 SLS 等方法则等方法则可直接制造熔模铸造用的蜡模以及造型或压力加工用可直接制造熔模铸造用的蜡模以及造型或压力加工用金属模。金属模。 l间接模具制造间接模具制造用快速原型制件作母模可复制出蜡模、硅橡胶模、环用快速原型制件作母模可复制出蜡模、硅橡胶模、环氧树脂模或聚氨脂模等软模具；据此软模具又可浇铸氧树脂模或聚氨脂模等软模具；据此软模具又可浇铸出环氧树脂、石膏、陶瓷、低熔点金属、金属基复合出环氧树脂、石膏、陶瓷、低熔点金属、金属基复合材料等硬

20、模具。这些简易模具可用作各种铸造模、注材料等硬模具。这些简易模具可用作各种铸造模、注塑模、蜡模的成型模以及拉伸模等，实现塑料件或金塑模、蜡模的成型模以及拉伸模等，实现塑料件或金属件的小批量生产。属件的小批量生产。用快速原型制件作母模，通过金属喷涂等方法可快速用快速原型制件作母模，通过金属喷涂等方法可快速制造电脉冲机床用电极。制造电脉冲机床用电极。 l提高模具制造精度提高模具制造精度l开发新材料新工艺开发新材料新工艺l直接制造高强度金属模具直接制造高强度金属模具l概念概念利用快速成型技术直接或间接制造铸造用模样、利用快速成型技术直接或间接制造铸造用模样、模板、型芯或型壳等，再结合传统铸造技术，模

21、板、型芯或型壳等，再结合传统铸造技术，快速制造铸件的工艺方法。快速制造铸件的工艺方法。目前主要利用目前主要利用RP技术快速制取铸造模样技术快速制取铸造模样l生物制造是生物科学与制造科学交叉的边缘学科，其目标生物制造是生物科学与制造科学交叉的边缘学科，其目标是运用现代成形学的原理和方法，从制造科学的角度，采是运用现代成形学的原理和方法，从制造科学的角度，采用现代成形技术、数据重构技术、模拟仿真技术等与分子用现代成形技术、数据重构技术、模拟仿真技术等与分子生物学和细胞学相结合，以寻求新的组织和器官的假体与生物学和细胞学相结合，以寻求新的组织和器官的假体与活体的制造原理和方法，以及新的制造工艺。活体

22、的制造原理和方法，以及新的制造工艺。l制作生物体模型制作生物体模型l生物假体制造生物假体制造l生物相容不降解永久植入体制造生物相容不降解永久植入体制造l生物相容降解植入体制造生物相容降解植入体制造人体解剖学数人体解剖学数据三维重构据三维重构快速快速成形成形体外体外治疗、治疗、诊断、诊断、康复等康复等辅助模型辅助模型非生物活性材料非生物活性材料人体解剖人体解剖学数据三学数据三维重构维重构快速快速成形成形生物相容性材料生物相容性材料（不可降解）（不可降解）植入体内植入体内永久存在永久存在康复、康复、美容、美容、治疗、治疗、药物载体药物载体l医用聚氨酯医用聚氨酯成形性能成形性能力学性能力学性能l足够

23、的强度和刚度，抵抗皮肤的牵拉，不产生永久变足够的强度和刚度，抵抗皮肤的牵拉，不产生永久变形形l足够的柔韧性，具有和天然耳朵相似的手感足够的柔韧性，具有和天然耳朵相似的手感l足够的抗疲劳性，使用寿命应该在数十年足够的抗疲劳性，使用寿命应该在数十年人体解剖人体解剖学数据三学数据三维重构维重构快速快速成形成形生物相容生物相容可降解材料可降解材料植入体内植入体内短期存在短期存在组织组织器官器官lRPT对一切有美学需求的设计，如轿车、桥梁、雕塑等是对一切有美学需求的设计，如轿车、桥梁、雕塑等是一种重要工具，它可以将设计者的构思迅速表达成三维实一种重要工具，它可以将设计者的构思迅速表达成三维实体，便于设计修改和体，便于设计修改和再再创作。此外，创作。此外，RPT在文物、艺术品在文物、艺术品复制或复原等方面具有相当的优势和应用前景。复制或复原等方面具有相当的优势和应用前景。lRPT在艺术领域应用实例在艺术领域应用实例一、材料方面的限制一、材料方面的限制l离散离散/ /堆积成形的堆积成形的堆积过程伴随着材料的相堆积过程伴随着材料的相变和温度变化变和温度变化残余应力难以消除残余应力难以消除翘曲和变形翘曲和变形lRPRP材料价格偏高（由于改性需求等）限制材料价格偏高（由于改性需求等）限制了其应用。如美国了其应用。如美国3D Systems SLA3D