快速制造技术及其应用

1、快速制造技术及其应用快速制造技术及其应用 三峡大学三峡大学 吴海华吴海华 副教授副教授 博士后博士后EmailEmail：TelTel：1587260409915872604099一、引言 随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争从过去的单纯质量竞争，发展到要求在全生命周期内的全方位竞争-T（及时快速）、Q（高质量）、C（低成本）、S（优质售后服务）缺一不可。 产品的开发制造速度日益成为竞争的主要矛盾，同时制造业既需要满足日益变化的用户需要，又要求制造技术有较强的灵活性，所以能够以小批量甚至单件生产而不增加产品成本的制造技术变得十分关键。 快速制造技术是一项共性制造技术，应用领域广，其在美国、欧

2、洲、日本已广泛应用于汽车、模具、电子电器、航空航天、造船、医疗卫生等工业领域，并对这些行业起到了显著的推动作用。 在快速制造技术的支持下，国外机电产品已实现“三个三”，即三个星期完成设计、三个月上市、市场寿命为三年。 而我国机电产品的平均开发周期为1224个月，大大落后于国外产品，我国必须大力发展快速制造技术才能提高国家核心竞争力。 快速制造技术已成为一个争订单、抢市场的利器，成为降低产品开发市场风险的有效手段。 快速制造技术最明显的优势是保证质量的情况下，成本低、周期短。新产品开发中的设计制造问题，可成熟地通过快速制造技术解决，在缩短产品开发周期和节省大量开发费用的同时，避免了产品投放市场初

3、期出现质量问题而影响新产品声誉的情况，这就可使企业集中力量于产品的环保、节能和安全等现代产品设计主题研究。 有大量应用案例表明，快速开发制造系统技术将产品开发周期降为传统方法的 1/51/10，开发费用降为 1/31/5，它是产品快速开发的利器。二、快速制造技术(RM) （1）RM技术概念 快速制造(RM-Rapid Manufacturing) 是基于离散-堆积成形原理的先进制造技术的总称。 基本定义为：由产品的三维CAD 模型数据直接驱动，组装(堆积) 材料单元而制造出任意复杂且具有使用功能的零件的科学技术。 （2）RM技术分类 间接快速制造 通过RP 完成工、模具制造，再采用工、模具进行

4、批量生产 直接快速制造 通过RM直接完成功能零件 （3）RM技术主要特点： 产品三维CAD 设计是RM的前提； 无需任何专用工具，产品的设计数据直接驱动RM设备堆积材料而进行成形制造过程； 所完成的是具有使用功能的零件 ； 所完成的功能零件的结构与形状无限制，可以是具有材料梯度、结构梯度和特殊孔隙的复杂形状。三、快速原型技术 快速原型技术是快速制造大家族中最先产生的制造技术，在此基础上，又出现了快速铸造(RC)、快速模具(RT)和快速生物支架制造等。 1.快速成形原理 快速成型 ( Rapid Prototyping RP ) 技术是上世纪八十年代后期发展起来的直接根据CAD模型快速生产样件或

5、零件的成套技术总称，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。被认为是近20年来制造领域的一次重大突破。 传统加工 切削加工（车、铣、刨、磨） M0（材料去除） 热成型加工（铸造、锻压）M0（等量材料） 快速成形 M0（材料累加） 2.快速成型工艺过程 3.快速成型技术的特点 直接由CAD 数据制成三维实体 无要传统的刀具、夹具 不受零件结构与形状复杂程度的限制 高度柔性，高度集成化 可进行快速模具制造 成本为传统加工的1/31/5 周期缩短为1/51/10 4. 快速成型（RP）已发展了十几中工艺方法，其中比较成熟并已商品化的方法主要有：

6、光固法（SLStereolithography） 叠层法（LOMLaminated Object Manufacturing） 激光选区烧结法（SLSSelective Laser Sintering） 熔融沉积法（FDMFused Deposition Modeling） 三维印刷法（3DPThree Dimensional Printing） 冰模法（rapid freeze prototyping ） 喷粒法（BPMBallistic Particle Manufacturing） 掩模固化法（SGCSolid Ground Curing）光固法（ SLStereolithography

7、） 西安交通大学SPS系列光固化快速成型机 扫描速度：8m/s, 制件精度：0.1mm快速成型（RP）的数据处理软件数据处理软件主要完成STL文件接口输入、STL 文件可视化及编辑、STL文件缺陷修复、模型分层以及加支撑等五大功能。 设备控制软件设备控制软件用以完成设备的操作和控制，进行成型件的制作。 叠层法（LOMLaminated Object Manufacturing）Z 轴激 光 束激光选区烧结法（SLSSelective Laser Sintering ）刮 平 辊 子扫 描 镜零件铺粉装置激 光 器升降台透 镜Titanium alloy nozzle made by selec

8、tive laser and capacitor dielectrics.119,120 sintering (SLS) showing sharpness of grooves and surface finish熔融沉积法（FDMFused Deposition Modeling）Z 向 进 给丝 材电焊枪成型件- 驱 动三维印刷法 Schematic diagram of three-dimensional printing (3DP) method冰模法Fabricated ice patterns 5.中国RP技术研究及商业化概况 在RP样机（87年）商品化6年后，国内西安交大(SL

9、A)、清华大学(FDM)、华中理工大学(LOM)及相关研究机构（93年）开始RP技术的研究 国内各种类型的RP设备商业化： 西安交大推出了基于SLA工艺的系列机型 清华大学推出了基于FDM工艺的系列机型 北京隆源公司推出了基于SLS的系列机型 华中理工推出了基于LOM的系列机型 中国RP技术研究 包括了RP设备（激光器、扫描振镜、控制软件、支撑软件等关键技术）、材料及应用领域的诸多方面国内市场占用率国内市场占用率 四、基于SL原型快速铸造技术（RC） 快速铸造技术：快速铸造技术：将快速成型与铸造工艺的结合称为快速铸造工艺(RC)。 在制造业特别是航空、航天、国防、汽车等重点行业，其基础的核心部

10、件一般均为金属零件，而且相当多的金属零件是非对称性的、有不规则曲面或结构复杂而内部又含有精细结构的零件。这些零件的生产常采用铸造成型。 在铸造生产中，模板、芯盒、压蜡型、压铸模的制造往往是用机加工的方法来完成的，有时还需要钳工进行修整，不仅周期长、耗资大，而且从模具设计到加工制造是一个多环节的复杂过程，稍有失误就会导致全部返工。 特别是对一些形状复杂的铸件，如叶片、叶轮、发动机缸体、缸盖等，模具的制造是一个难度更大的问题，即使使用数控加工中心等昂贵的设备，在加工技术与工艺可行性方面仍有很大困难。可以设想，如果遇到此类零件的试制或小批量生产，其制造周期、成本及风险是相当大的。 激光快速成型技术已

11、被证明是解决小批量复杂零件制造的非常有效的手段，用快速成型方法制出木模、砂模和熔模木模、砂模和熔模，原有的铸造原有的铸造设备无需改造，工艺变动小设备无需改造，工艺变动小。迄今为止，己通过激光快速成型成功地生产了各种金属材质（包括铝合金、铸铁、镍基高温合金、不锈钢 等）各种形状（叶片、发动机转子、泵体、发动机缸体、缸盖等）的铸造件。 快速铸造过程无须开模具，因而大大节省了制造周期和费用。 激光快速原型和砂型铸造理想地配合，代替木模代替木模，快速和低成本地生产金属铸件。SL原型工程应用1 用于传统的砂型铸造砂箱铸件铝合金铸件SL芯盒砂芯砂芯 激光快速原型和砂型铸造理想地配合，代替芯盒，快速制芯代替

12、芯盒，快速制芯，快速和低成本地生产金属铸件。快速砂铸实例（北航无人机活塞双缸发动机） 基于基于SLSL的快速砂铸工艺流程的快速砂铸工艺流程定位销钉定位台阶工程应用2 消失法砂型铸造（保证制造精度）铝合金铸件烧蚀及清灰SL原型砂箱造型工程应用3 蜡型模具的快速制造代替传统的蜡型，保证制造精度，无需开发金属模具，节约生产成本和制造周期。代替传统的蜡型，保证制造精度，无需开发金属模具，节约生产成本和制造周期。关键技术：蜂窝结构 快速制壳技术工程应用4 快速精密铸造（Rapid investment casting）快速精密铸造主要工艺流程快速精密铸造主要工艺流程 快速制造“熔模” 组树 多次挂浆制壳

13、 干燥5.脱蜡（蒸汽脱蜡-电热一体脱蜡釜）6.焙烧7.金属液浇注8.后处理快速精密铸造主要工艺流程快速精密铸造主要工艺流程实例1 基于RC轿车变速箱壳体精密铝合金铸件Stemo Tec GmbH (Stemo Tec GmbH (德国大众德国大众) )实例实例2实例3 飞机操作手柄实例实例4 首饰、眼镜首饰、眼镜实例5 导向器五、快速模具制造技术 基本概念 以快速成形技术（Rapid Prototyping -RP）为核心，由快速成形技术发展而来的一类快速制造模具的新方法、新工艺。目标是服务于新产品开发和试制，以及产品小批量生产。 分类 直接制模法 主要有烧结浸渗法、薄钢板层叠法等，受成形材料

14、和工艺的限制 直接制模法还基本处于实验室研究阶段，只能用来制造体积较小的试验模具 间接制模法 以RP原型为模型，与传统模具制造工艺相结合，通过翻型、喷涂、电镀、电加工等间接工艺制造模具的方法。 比较灵活、应用范围广，可制造多种材料的模具，是目前实现RT的主要途径 按模具材料分为三大类，即非金属模具、半金属模具和金属模具 两种快速模具制造技术 基于RP的快速模具制造一般有软模法和硬模法两种 软模法（真空浇注软硅胶模）硅橡胶模具是最典型的软模方法，它利用RP零件作母模，采用硅橡胶浇注，直接制作硅橡胶模具。由于硅橡胶模具有良好的柔性和弹性，对于结构复杂，花纹精细，无拔模斜度或具有倒拔模斜度以及具有深

15、凹槽的零件来说，制件浇注完成后均可直接取出。因此硅橡胶模具在软模法中工艺最成熟，市场份额占有最大。 硬模法（金属电弧喷涂制模） 硬模法中，“金属电弧喷涂成型快速制模技术”在模具成本、寿命、制造周期、精度等方面具有综合比较优势，并且模具工作表面具有较好的强度、硬度和耐磨性，模具表面摩擦学特性更接近于钢质模具，是一种较为理想的快速制模方法。 真空浇注软硅胶模以SL模型或实体作为母模用于翻模。生产小批量的类似工程塑料、聚氨酯等产件。真空浇注成形机 ZK500 ZK550防毒面具（橡胶件）采用传统方法需1-2周，采用真空注型机翻硅胶软模制出类橡胶产品，用时3天。 浇注件小批量生产 金属电弧喷涂制模技术

16、工作原理 金属电弧喷涂快速制模技术是一种基于“复制”的制模技术。它以一个实物模型(或称为原型) 作为母模，以电弧为热源（温度高达6000C） ，通过高速气流将熔融状态的金属材料雾化，并使其喷射、沉积在母模表面上，形成一定厚度的致密金属涂层，即模具型壳。模具型壳精确拷贝了原型的形状，获得了所需的模具型腔，在完成补强、脱模、抛光等后处理工艺后，即可完成模具的快速制造。 母模可以是快速原型或过渡模型，以及产品实物或通过高速数控加工得到的木材、石膏等非金属模型。关键设备金属电弧喷涂机器人 技术特色 喷涂材料 目前西安交通大学先进制造技术研究所在利用锌、铝、或者锌铝合金等低熔点材料制作大尺度、大厚度模具

17、型壳方面的工艺已经成熟，已经成功应用于板料冲压模具和塑料模具的制造。 模具结构金属型壳+复合材料背衬 金属电弧喷涂制模技术技术指标： 制造周期：相当于数控加工制造相同零件模具时间的1/3至1/10 制造成本：制造费用与数控加工制造相同模具相比，节约达到 35%以上。 模具尺寸：3500mm1800mm 模具精度：0.3mm，200m以内精度为0.1mm。 模具寿命：锌铝合金模具表面硬度为HB130。抗压强度80MPa,一般冲压件可达到数千件。 金属电弧喷涂制模技术特点： 喷涂效率高、耗能少，成本低，工艺灵活，涂层质量好；涂层与基体材料广泛，基体可以使用陶瓷、石膏、塑料、木材等。基体材料受热程度

18、低，且可控制。 农用车模具-为洛阳一拖农用车所制造的金属喷涂拉延模具已经在生产线上生产了约3500件合格的冲压件 应用应用实例实例1 1、应用实例应用实例2 2长安汽车轿车内覆盖件和结构件试制模具-2006年为长安汽车公司某车型3个零件制作样车快速样件，CM5车型样车样件快速制造，时间1个月。 2004年利用金属喷涂快速制模技术为国内某企业在90个工作日内成功完成两个车型AM08/AM06两款三厢、两厢轿车）40副样车试制模具的制作，如图4所示，成本低、速度快，为服务企业节约样车模具制作经费近1000万元人民币，获得了服务企业的高度称赞。应用实例应用实例3 3、上海新车型样车样件快速制造、上海新车型样车样件快速制造六、SL技术在临床和生物制造中的应用人骨模型快速成型的实体模型STL格式图形人骨股头模型钛合金人工骨制作流程