先进制造技术课件

1、课程编号：1050141100 学分：2学生班级： 2012级机制课程性质：专业大类课/选修课开课时间： 1-8周；周一 5-6节 ；周四1-2节 授课教室： 材料馆312室授课方式：课堂教学/参观实验室先进制造技术 主要参考书： 王润孝 主编 先进制造技术导论 科学出版社 刘忠伟 主编 先进制造技术 国防出版社 王细洋 编著 现代制造技术 国防出版社 查阅中英文（外文）纸质/电子版8-10篇，外文不少于5篇。课程基本要求 应用机械制造技术基础等课程基本知识； 了解先进制造技术的最新研究成果； 掌握1-2项先进制造技术方法； 开阔视野，培养创新意识/能力。 关键词：概念，思考；想象力，执行力第

2、一篇：先进加工技术（模块1）高能束流加工技术 （重点）精密与超精密加工技术超高速加工技术微机电系统（ MEMS）制造技术快速原型制造技术（ RPM ） （重点） 生物制造技术 （重点） 第二篇：制造自动化技术（模块2 ）计算机辅助设计/工艺规程编制/制造（CAD/CAPP/CAM）数字控制技术/计算机控制技术（NC/CNC）成组技术（GT） （重点）柔性制造系统（FMS）集成制造系统（CIMS） （重点）第三篇：先进制造模式（模块3 ）智能制造模式 （重点）精益制造模式敏捷制造模式并行工程模式虚拟制造模式绿色制造模式 （重点）网络化制造模式讨论机械（定义、理解）先进（理念、前沿）质量（制造、服

3、务）材料制备、成型、切削、加工、制造、生产课程-体系 零件-设计-加工； 扩展 产品-设计-制造； 延伸 单项技术-制造自动化-制造模式；整合 制造业发展科技问题研究：前言 制造业是国民经济的物质基础、国家安全的主要保障、国家竞争力的重要体现。必须依靠科技进步，开拓出一条资源消耗少、环境污染轻、技术含量高的制造业发展道路。走向制造强国。 - 引自国家中长期科学与技术发展规划战略研究机械制造系统组成： 机床，工具和制造工艺过程（工艺、检验、管理）。 （1）机床：为零件成形提供工具与工件之间的相对位置和相对运动，加工出满足图纸技术要求包扩形状、尺寸、几何精度和表面质量的零件。（2）工具：指切削刀具

4、和必要的夹具、模具，测量工具和辅助工具等。 （3）工件-零件-部件 第二节 先进制造技术概念与特点先进制造技术: 是制造业不断吸收机械、电子、信息（包括控制论,人工智能等）、能源及现代系统管理等方面成果，将其综合应用于产品设计，制造，检测，管理，销售，使用，服务以及回收的制造全过程，以实现优质，高效，低耗，清洁，灵活生产，提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。 传统制造技术特点：设计独立性强；生产连续稳定；准备、生产、装配周期长；生产结构刚性强。先进制造技术特点：协同设计；产品生产周期短、更新频繁；满足动态性；广泛性；快捷性；环保型等要求；生产结构柔性强。第三节 先进制

5、造技术发展趋势面临/适应挑战 （1）新技术革命的挑战 （2）信息时代的挑战 （3）有限资源与日益增长的环保压力的挑战 （4）制造全球化和贸易自由化的挑战 （5）消费观念变革的挑战发展趋势：柔性化、智能化、集成化、全球化、绿色制造第四节 先进制造工艺技术的发展趋势成型技术：精密铸造-凝固过程及其缺陷形成机理/铸件尺寸精度预测及其控制/新材料、新工艺基础理论；精确塑性成形-净成形/与计算机结合的生产系统。加工制造技术：精密与超精密加工技术；特种加工技术；超高速切削与磨削技术；微型机械加工技术；新一代制造装备技术及虚拟制造技术等。表面工程技术：物理/化学表面改性；高能束流直接作用/复合处理基础理论。

6、制造新技术：RP/RPM, 在并行工程，虚拟制造和MEMS发挥作用。计算机模拟仿真、并行工程及虚拟制造成为实现微观模拟与虚拟制造基础研究的前沿课题。第五节 先进制造技术的前沿（1）可重组制造技术：研究阶段内容：基础理论；建模于仿真；新的系统；控制与通信（2）无浪费工艺：无切削加工/废弃物可利用，低消耗工艺/室温代替高温环境（3）新材料工艺：指超物理性能的新材料，微型化产品，原子级/纳米制造，属于基因链接，生物工艺。（4）生物制造技术：包括：用设计酶、细胞组织和生物催化剂的元件制造，还包括用自组织系统和生物原料生产特殊材料的遗传工程。（5）企业建模和仿真：依靠通信与信息技术；建模工具。（6）信息

7、技术：把信息转化为知识，进而决策的技术。（7）增强型人-机界面：例如：语音输入。（8）新型劳动力培训：适应新技术环境，学习型模式（9）智能协作系统软件：满足专业不同/语言不同/文化不同的交流，实现联机和协作。以及不同背景企业间协作。第六节 国家制造业的发展战略 美国：立法（国家研究委员会）、政策（先进制造工程计划）和资金投入、教育、目标（国家安全、全民生活质量）。 日本：吸收经验、精益生产； 注重满足客户需求；培训。 欧共体：市场、标准、创新体系、基金、计划等。未来信息分析模拟技术 信息处理能力石墨烯科技 代替硅的基础材料纳米级传感器技术 不需要电源为传感器人脑工程技术 学习功能、联想功能、创

8、新功能医学信息技术 信息技术在医药领域的大规模应用伴侣型机器人 特别为小孩、老人提供无微不至服务欧盟六大前沿技术第一篇 先进加工技术高能束流加工和复合加工技术精密与超精密加工技术超高速加工技术微机电系统（ MEMS）制造技术快速原型制造技术（ RPM ）生物制造技术 第二节 激光加工技术 2.1 激光（laser）的产生与光束特点 产生条件：科学依据 - 受激发吸收，受激发辐射；（爱因斯坦理论） 技术依据 - 工作物质、激励、光放大-三要素（梅曼技术） 光束特点：单色性，方向性，相干性，高亮度等。能量在时间和空间上的高度集中。 1960年第一台激光器诞生；梅曼 1961年第一台激光器；王之江

9、2.2 激光加工基本原理与加工特点（动画示意图） 激光加工基本原理 ：吸收与反射、能量密度（106-109W/cm2）、温度控制，主要参数：能量/功率、时空输入/密度、材料（物理参数、几何尺寸）、相互作用（波长）等。 加工特点：加工任何材料；少量去除；效率高；能量可控范围大 激光加工特点（续）A、聚焦后，激光加工的功率密度可高达（1081010 W/cm2），光能转化为热能，几乎可以熔化、汽化任何材料。B、激光光斑大小可以聚焦到微米级，输出功率可以调节，因此可用于精密微细加工。 C、加工所用工具是激光束，是非接触加工，所以没有明显的机械力，没有工具损耗问题。加工速度快、热影响区小，容易实现加工

10、过程自动化。能在常温、常压下于空气中加工，还能通过透明体进行加工。D、激光可通过玻璃等透明材料进行加工。F、和电子束加工等比较起来，激光加工装置比较简单，不要求复杂的抽真空装置。G、激光加工是一种瞬时、局部熔化、汽化的热加工，影响因素很多。加工参数：能量/功率、时空输入/密度、材料（材质-几何尺寸）、相互作用（波长、吸收和传导）等。加工应用： 打孔、切割、焊接、改性、清洗、快速成型、直写等几种金属材料对三种常用激光器的吸收率（%）三种激光器加工金属材料的参数高功率光纤激光器与其他激光器的比较6、材料的吸收和反射特性（吸收特性-波长/温度/ 涂层；吸收率-金属/ 半导体/ 绝缘体；反射特性-散射

11、等）7、激光与固体材料的相互作用（加热过程-103相变 / 104 熔化/ 105气化；表面效应-Ra / 成分变化；内部效应-电子模型/ 晶格模型；非线性效应；表面等离子体）8、激光加工热源模型（热物理常数-各项同性/ 常系数/ 热传导微分方程；几种热源模型-打孔/ 焊接/切割/ 表面热处理；）新型超快激光微加工技术-皮秒/飞秒等；峰值功率密度1022W/cm2新型大功率光纤/半导体激光器及应用；平均功率20KW以上2.5 激光加工技术的应用 1、激光打孔应用举例 高涡叶片气膜孔激光（电火花加工） 小孔排号展开图Light brings life. Energy comes to the E

12、arth in the form of sunlight. This is what makes life on Earth possible. Light is also a tool. Focused light can melt metals. Energy laser process， and on the application of energy are all around us today on all sides. 第三节 电子束加工技术 3.1 电子束加工原理和特点 在真空条件下，利用电子枪产生的电子，经加速、聚焦后形成能量密度（106-109W/cm2）的电子束流，以极高

13、的速度轰击到工件的极小面积上，在极短时间（微妙级）内，产生电热效应（动能转变），其能量大部分转换为热能，导致该部位材料达到几千度高温，使局部材料熔化或气化，被真空系统排出，进行加工。能量/功率，特点 3.2 电子束加工装置 电子枪、线圈、真空室（泵）、室内工作台 3.3 电子束加工应用 打孔/型孔、切割、焊接、光刻、刻蚀、改性等第四节 离子束加工技术 4.1离子束加工原理、分类和特点 在真空条件下，将离子源产生的离子束，经加速、聚焦后形成能量密度（105-106W/cm2）的离子束流，以极高的速度轰击到工件的极小面积上，在极短时间（微妙级）内，产生撞击效应、溅射效应、注入效应，实现对工件的材料

14、去除、刻蚀、镀膜和注入等加工。 4.2 离子束加工装置 离子源、线圈、真空室（泵）、室内工作台 4.3 离子束加工应用 打孔、切割、焊接、刻蚀、镀膜、改性、注入等第五节 复合加工技术 以常规机械加工为主，辅助其他加工方法，应用机械、化学、光学、电力、磁力、流体力学和声波等多种能量进行综合加工的技术。 5.1 机械复合加工 机械与其它方法复合，超声、化学、热 5.2 电化学复合加工 电化学与其它方法复合，超声、EDM 5.3 电火花复合加工 电火花与其它方法复合，超声、ECM、磨削5.4 超声复合加工 应用：清洗、检测、硬脆材料拷贝成型5.5 磨料水射流加工（AWJ） 应用：石材、难加工金属材料

15、5.6 化学机械抛光（CMP） 应用：光学器件、硅片、宝石等I-APSAt Argonne National Lab前沿领域美国光源Energy ResearchBetter, cleaner fuel injectors; Improving natural gas turbines; Electronic car batteries; Renewable and electronics.Materials ResearchNext generation electronic materials; Cementing the structure; Designer nano-material

16、s and molecules; Alloy and composites; High-pressure and exotic materials.Heath and life Sciences ResearchAnswering key questions about the common cold; Fighting AIDS with X-ray research; The machinery of life; Environmental and Geological ResearchA key to drought resistant crops; Marine lifes impac

17、t on CO2; Carbon sequestration; 欧洲光源：ESRF（European Synchrotron Radiation Facility）是世界三大高能加速器之一，由注入器、增强器和储存环组成，被加速的电子束在储存环中经过磁结构谐振器的振荡，发出大量高精度的光束，电子束能量为60亿电子伏特。 注入器：直线加速器，电子束在真空环境的电场中逐渐加速，直至接近光速。增强器：周长为300米的同步加速器，内含加速腔和弯转磁铁。磁场效应将随着电子束能量的不断增大而增大，直到6GeV。储存环：周长844米，内配置64弯转磁铁。电子束团每秒钟围绕844米的储存环旋转30万圈。 ESR

18、F的束线分布图日本光源：日本Spring-8(8GeV)与美国阿贡国家实验室的先进光子源APS(7GeV)（Advanced Photon Source，Argone）、法国格勒诺布尔的欧洲同步辐射光源ESRF(6GeV)（Europe Synchrotron Radiation Facility，Grenoble）同为世界三大高能（电子束能量超过5GeV）大型同步辐射设施。SPring-8应用于诸多科学和医疗领域的研究，如： * 材料科学：研究先进材料的原子和电子结构、极端条件下的材料特性等；* 生命医学：解析蛋白质结构，研究生命机制、*设计和改进、利用相位衬度成像方法进行生物样品高分辨率成

19、像等； * 化学：催化作用下的动力学，原子和分子光谱，超微量元素及其化学性质； * 环境科学：分析环境的催化剂，生物样品中环境污染的痕量元素； * 地球和宇宙科学：分析地壳深层物质的结构和特性，陨石和宇宙层的结构； * 工业和核物理：运用光子能研究夸克核物理等。 SPring-8的加速器主要由四部分组成：* 注入器，直线加速器Linac，1GeV；* 增强器，Booster，8GeV；* 大储存环，Storage Ring，8GeV，用于高亮度X射线；* 小储存环，NewSUBARU，1.5GeV，用于中型短脉冲软X射线。1.注入器（Linac） 直线加速器段共配置了26个3米长的加速单元，加

20、速电子束能量到1GeV。下图中红色部件为一个四极磁铁，用于聚焦电子束。 2.增强器（Booster Synchrotron） 环形，周长396米。从直线加速器输出的1GeV电子束将在增强器中加速至8GeV。 下图蓝色为偏转磁铁，用于产生同步辐射光；黄色部件是六级磁铁，用于稳定电子束。 增强器隧道增强器分支点（左）电子束输运线SSBT（右） 俄罗斯光源 将在五年内研制出世界上功率最大的新一代激光器-2。该激光器将主要用于高能物理领域的基础研究，目前坐落于俄罗斯萨洛夫科技园，占地面积约两个足球场大小，有十层楼高，设计的发射能量为460万焦耳，而相比之下，美国和法国有类似的激光器，其能量都不超过20

21、0万焦耳。 俄罗斯试验物理研究所核研究中心主任卡斯久科夫表示，该激光器计划在2019年底到2020年初完成研制并投入使用，目前能够自主研制这种激光器的国家屈指可数，这是世界高科技大国的象征。上海光源：坐落上海张江高科技园区。 作为国家级大科学装置和多学科的实验平台，上海光源建设内容包括一台能量为150MeV的电子直线加速器，一台周长为180米、能量为3.5GeV的增强器，一台周长为432米、能量为3.5GeV的电子储存环，首批建设的7条光束线和实验站。从2004年12月25日正式破土动工，到2009年4月完成调试后向用户开放，这台投资超过12亿人民币的中能第三代同步辐射光源，能量仅次于世界上仅

22、有的3台高能光源。上海光源的重大科技创新和产业升级作用1、可能破解生物大分子三维结构，揭示蛋白质空间结构，从源头上促进中国医学、制药和生物技术产业的创业发展。2、利用该光源的X光显微成像，可直接获取亚细胞结构图像，提供全新的生命动态视野。3、利用该光源的高亮度X射线光束，揭示材料中原子的精确构造，以便设计出更丰富的新颖材料。4、利用该光源的双色减影心血管造影技术，为心血管疾患作快速清晰的早期诊断。5、利用该光源的X射线深度刻蚀技术，制造肉眼难以看清的微型马达、微型齿轮、微型传感器、微型泵阀，以及微型医用器件等。第三章 精密与超精密加工技术 第一节 概述 精密与超精密加工：应用机械技术发展最新成

23、果及现代电子技术、测量技术和计算机技术中的控制和测试手段等，使机械加工精度得到提高，使加工的极限精度朝着纳米和亚纳米精度发展。 制造成形方式：去除成形；受迫成形；堆积成形；生成成形。 精密加工工艺技术的发展现状： 1）加工精度不断提高 从第一台蒸汽机1mm，20世纪中的0.001mm级， 近年来达到10-8mm, 逐步进入原子级的加工。 2）加工速度不断提高 主轴转速：8000-10000rpm;快速进给40-60m/min 3）材料科学促进工艺变革 4）重大装备促进制作造技术发展 5）优质清洁表面工程不断发展 6）精密成型技术进展较大第二节 超精密加工范畴精度指标范围精密加工 1-0.1um

24、 Ra 0.1um 微米级超精密加工 0.1-0.01um Ra 0.05um 亚微米级纳米级加工 0.01-0.001um Ra 0.001um 纳米级原子级加工 0.1nm 应用需求：飞机、潜艇、导弹中的制导仪表用精密陀螺；激光核聚变用的反射镜；大型天文望远镜的透镜；大规模集成电路的各种基片；计算机磁盘基底和复印机磁鼓；高精度的光学元器件；各种硬盘及记忆体的衬底；相关模具等。超精密加工刀具 天然单晶金刚石 （刃磨质量：晶面选择，最小刃口半径）替代品PVC CBN 和 金刚石 （砂轮质量：磨料品级、粒度均匀、耐磨性、分布均匀、修整）第三节 超精密加工设备1）主轴及其驱动装置 圆度基准 圆度、

25、柱度 回转精度：0.01-0.1um 刚性高 温度恒定控制等 采用空气静压轴承，皮带卸载驱动、磁性联轴节驱动主轴系统2）导轨及进给驱动装置 直线性基准 直线度 直线精度： 0.02-0.2um/100mm 刚性 平稳 无间隙 移动灵敏 采用空气静压导轨、液体静压导轨，0.025um/100mm3）微量进给装置 分辨率/基准 尺寸精度 弹性变形微量进给装置、热变性微量进给装置、电致伸缩微量进给装置、磁致伸缩微量进给装置、流体膜变形微量进给装置第四节 超精密加工的工作环境 恒温、超净、防振等 恒温 范围：20+-0.06C 超净（环境要求） 生产256K芯片 1立方尺大于0.1的尘埃小于10个。

26、生产4M芯片 1立方尺大于0.01的尘埃小于10个。 防振 防振沟、隔振地基、隔振设备第五节 超精密加工精度的在线监测和检测 激光干涉仪、扫描隧道显微镜、原子力显微镜 误差预防原则 设备精度高/成本高 误差补偿原则 实时建模、动态分析/理论、技术 涉及的技术：微量去除/刀具的刃磨/测量与补偿/工作环境/操作者技能/设备部件性能，包括：精度/刚度/稳定性/抗振性/控制性。 超精密加工技术的关键技术：纳米加工-原子级去除；大型化方向；微型化方向；多功能、光机电、测控等一体化；复合工艺；作业环境。超精密切削加工：刀具主要用金刚石，切削对象为有色金属及其合金，光学玻璃，复合材料等，最典型零件是镜面零件

27、。 要求刀具刃口半径越小越好：日本大阪大学与美国的LLL实验室合作研究：超精密切削极限，用锋利刀具和性能最佳的机床，实现切削厚度为纳米级的稳定连续切削。 国内金刚石刀具刃口半径0.2-0.5x10-4mm, 最高水平0.1x10-4mm。超精密磨削和磨料加工：包括: 砂轮/砂带/ELID/研磨与抛光/磁流体抛光/复合抛光/精密特种加工（三束等） /硅片磨、抛、检测/创造性加工（三平板等） 超大规模集成电路光刻机第四章 超高速加工技术 4.1 概述 随着数控机床、加工中心和柔性制造系统在制造中的应用，使机械加工的辅助工时大大缩短，只有大幅度减少切削工时，即提高切削速度和进给速度，才能在提高生产率

28、方面出现一次飞跃。这是超高速加工技术得以迅速发展的理论与应用需求。Salomon-假说1931（萨洛蒙） 4.2 超高速加工技术与发展趋势 超高速加工采用材料刀具或磨具，利用能可靠实现高速运动的高精度、高自动化和高柔性制造设备，以提高切削速度来达到提高材料去除率、加工精度和加工质量的先进制造技术。超高速加工的机制(Salomon Curve)。 超高速切削/超高速磨削 4.3 超高速加工技术的优越性1. 由于高切削速度、进给速度和快速行程，单位时间内的材料切除率大大增加，机床生产率大幅度提高；2. 由于切削力的降低，尤其是径向切削力的降低，特别有利于薄壁细肋件等刚性差零件的精密加工；3. 由于

29、95%98%以上的切削热来不及传给工件而被切屑带走，故特别适合于加工容易热变形的零件；4. 高速切削时，机床的激振频率特别高，远离了工艺系统的固有频率，因而工作平稳，振动小，加工的零件表面质量高。5. 可以加工各种难加工材料，例如航空和动力部门大量采用的镍基合金和钛基合金。6. 加工成本降低。由于以下几个因素： 零件的单件加工时间缩短； 可以在同一台机床上，在一次装夹中完成零件所有的粗加工、半精加工和精加工，此即高速加工用于模具制造的“一次过”技术。 虽然高速机床的价格高于普通速度的机床，但综合上述因素，仍可大幅度降低加工成本。 超高速切削 不同加工工艺的切削速度范围加工工艺 速度范围/ m/

30、min车削 700-7000铣削 300-6000钻削 200-1100拉削 30-75铰削 20-500锯削 50-500磨削 5000-10000 超高速磨削 不同加工工艺的切削速度范围加工材料 速度范围/ m/min铝合金 2000-7500铜合金 900-5000钢 600-3000铸铁 800-3000耐热合金 500钛合金 150-1000纤维增强塑料 2000-9000 超高速加工技术 研发进展：德国的格林自动化公司1983第一台高效深切快进磨床：功率60KW; 转速：10000rpm; CBN砂轮300mm; 线速度：150m/s; 以磨代铣，理论预测1000m/s； 日本、美

31、国后来居上。东北大学：线速度: 400m/s； 国内实际应用：80m/s, 研究水平150m/s, 目标：250m/s。 应用领域：大批量生产/汽车工业；刚度不足零件/薄壁件；复杂曲面/模具、工具制造；难加工材料；超精密微细切削加工/FUNAC公司研制的超精密铣床：主轴转速达55000rpm; 生产率和精度超过光刻技术水平，实现自由曲面的微细加工。航天、汽车、模具、难加工材料等的超精密微细加工。超高速加工技术（续） 原理特点：与普通切削相比其切削原理发生变化：切削温度与切削力随切削速度的增大，由升高变为下降；脆性材料的切削变为塑性去除过程；切削质量大大提高，同时，加工效率大大提高。关键技术：高

32、速切削机理；大功率超高速主轴单元；高加减速直线进给电机；超硬耐磨刀具材料及结构；切削处理和冷却系统；安全装置和高性能CNC系统与测试技术。 4.5 超高速切削的相关技术 超高速切削的刀具技术（CBN、金刚石、PCD、陶瓷/结构、角度） 超高速切削机床（主轴、进给直线电机、夹具、支撑、并联结构） 超高速切削机床的数控技术 超高速切削的安全性 超高速切削的切削液及供液系统 高速切削的工件材料 以铣（车）代磨应用于硬材料精密切削中 4.6 超高速磨削的相关技术 超高速磨削的砂轮：砂轮质量：结构、磨料品级、粒度均匀、耐磨性、分布均匀、修整 超高速主轴和超高速轴承：材料与结构、平衡/精度 超高速磨削的砂

33、轮平衡技术与防护装置 超高速磨削的磨削液选择与使用4.7 超高速加工测试技术 刀具状态检测 CNC机床的位置检测 工件状态检测 机床工况监测第五章 微机械及其微细加工技术 5.1 概述 随着微/纳米科学技术发展，以本身形状尺寸微小操作或尺度极小为特征的微机械已成为人们在微观领域认识和改造客观世界的一种高新技术。美国国会已把微机械作为21世纪重点发展学科之一；日本通产生已启动为期10年投资2亿美元的微机械研究计划；欧共体也在尤里卡计划中将微机械作为重要研究内容；在我国，国防科工委、国家自然科学基金列其为重点发展项目。 名称：MEMS/NEMS; Micro-machine；Micro-syste

34、m MEMS (Micro electro mechanical system)；外廓尺寸：1-10mm, 1um-1mm, 1nm-1um 0.005mm镊子 夹起一个红血球；几厘米大小微型车床加工0.0015mm微轴；0.05mm的齿轮、齿轮泵；电子探针：原子力及原子去除；MEMS特点：体积小；性能稳定；能耗低/灵敏；多功能/智能化；适于批量生产MEMS优势：活动空间，操作对象，工作环境；高度智能化，功能多样化。5.2 微机械的研发内容 理论基础：与尺寸有关的惯性力，电磁力，等作用相对减小；而粘性力，弹性力，表面张力，静电力等作用增大；同时，表面积与体积之比增大，热传导、化学反应加速和表面

35、建摩擦力显著增大。 技术基础：微机械设计，微机械材料，微细加工，微装备与封装，集成技术，微测量，微能源，微系统控制。 应用研究：精密仪器，医疗卫生，生物工程，航空航天机载设备领域等；微静电/微电机问世，推动微致动器，微传感器，微控制器相继问世（表6.1-p164）。 国内与日本合作的微型机器人：位移范围0.05mm,精度0.0001mm5.3 微细加工技术 微细加工源于半导体制造工艺，指加工尺度约在微米级范围的加工技术。包括：微米级、亚微米级、毫微米级纳米级。微细加工技术对应为：微米级加工、亚微米级加工、毫微米级加工纳米级加工。涉及各种现代特种加工技术、高能束流加工技术。分离加工；接合加工；变

36、形加工；材料改性。以典型芯片制作工艺为例： 薄膜制备技术/168 光刻技术/169，掩模制作工艺（图6-3），曝光技术（表6.3），刻蚀技术（图6-4/6.5；表6.34）。 牺牲层技术/分离层技术 外延技术/生长的外延层保持与衬底相同的晶向，制得微型3维结构。 高能束刻蚀技术/离子束刻蚀（直接刻蚀，物化反应刻蚀），激光刻蚀（多数为激光化学反应刻蚀） 典型微机械的微细加工技术（体微细加工图6-7，表面微细加工图6-8 LIGA技术图6-9/10/11） 微机械装配与集成（堆装技术表6-5，MEMS技术/卢秉恒）LIGA技术的工艺过程：1）在金属衬底上涂覆一层PMMA光刻胶，厚度为几百微米。2）

37、制作光刻掩膜，固定在PMMA光刻胶的上面。3）深层同步辐射X射线通过掩膜，使PMMA光刻胶部分感光。4）对已受X射线照射的PMMA光刻胶进行显影，将曝光部分溶解，形成第一级结构。5）采用微电铸方法在第一级结构空隙里充满金属。6）将第一级结构清除，得到一个全金属第二级结构。7）将聚合物注入到第二级结构中进行模塑。8）从金属模具中取出模塑的聚合物形成所需的微结构构件。 微细加工技术：光刻技术/LIGA; IC; RPM; 微型机械测试技术：STM-AFM-SPM-LST分子/原子/纳米示例：典型微机械产品：硅压力传感器，微加速度传感器，螺旋状制动压力传感器和加速度传感器，智能传感器，卫星冷却器，微

38、型干涉仪，硅材油墨喷嘴，分离同位素微喷嘴，微型泵，微型阀，微型开关（密度12400个/cm2），微齿轮、微弹簧、微曲柄等，直径60um微电机（表6-1）示例2 不同形式的微细加工方法 分离加工：刻蚀类、熔化和气化类 接合加工：镀膜类、沉积类、扩散结合类、注入类 变形加工：摩擦加工类、流体加工类、塑形变形类 材料改性：热处理、混合沉积、化学反应。微感测器及微流道系统有机材料微流道微流体芯片及复杂气液流道5.4 典型微机电系统装置 集成机构（图6-12） 硅微加速度计（图6-13/14。表6-6）微型机械材料：硅体物质（单晶，多晶，氧化硅/碳化硅），石英，金刚石，压电陶瓷，记忆合金，稀贵金属等。第

39、六章 快速原型制造技术 -（ RP/RPM；3D打印；增材制造） 概述：快速原型制造是应用一种特殊设备来产生实体模型的技术，通过层层堆积的方法，制造零件的实体模型。使用计算机3维模中水平薄切片的数据来构造塑料、金属等零件。 基本原理: (软件-CAD)原型实体离散化/层层（材料-细微）叠加的原理制造零件。 RPM技术特点区别：去除/增材特点：任意形状、数字化、快捷发展趋势：生物制造、直接成型零件、复杂零件等。 是一种数字化制造，或称网络化制造-无物流，下载数据，数据软件，任意形状零件成型。增材制造术语：降维制造（多维-2维）堆积制造（组装控制）直接制造（一体化）快速制造（节省工序）3D打印技术

40、（制造+创意）几种典型RPM原理 SLA; LOM; SLS; FDM等SLA-光敏感光聚酯造型 LOM-层压体制造 SLS-选择性激光烧结 FDM-熔融沉积造型等1995年，麻省理工创造了“三维打印”一词，当时的毕业生Jim Bredt和Tim Anderson修改了喷墨打印机方案，变为把约束溶剂挤压到粉末床的解决方案，而不是把墨水挤压在纸张上的方案。3D打印-愿景：一部定制一切假设你需要一双新鞋，你不用去商店，而是上网用几美元买一个很酷的鞋的设计，或是下载一个免费 的设计，点击几下，使用手机应用程序来扫描你的脚，选择好颜色，并把设计上传给当地一家3D打印店制作。下次登录到一个流行的家具网站

41、，浏览一下，选择一个有趣的金属和塑料椅子，对尺寸做些调整。在去往健身房的路上，你访问3D打印店试穿你的新鞋，鞋子很合适。晚些时候新的3D打印椅子送到家门口。在上班路上，一架客机飞过头顶，其广告上，航空公司承诺，让你拥有比旧的飞行更快的速度和更低的碳排放。因为3D打印技术已经改变了航空航天产品的生产方式，飞机零件的强度和耐久性得到增强。喷气发动机模块有单块金属制成，内部结构质量减轻，但强度损失小。重要的是，这些3D打印部件使用更少的资源，几乎没有浪费。如果一位老人需要置换一个膝关节，医生可以扫描他的腿并3D打印出完全吻合的钛置换关节。甚至使用老人的细胞样品，生物打印出膝关节韧带。康复后，与他的孙

42、子打篮球。第七章 生物制造技术生物制造工程概念的提出国内外有关情况复杂器官制造的制造科学基础三维细胞间接和直接组装科学问题美国“制造业挑战展望委员会”*主席John. G. Billinger在“2020年制造业挑战的展望”一书(1997)中列举了本世纪十大战略技术领域：1. 可重组的、适应能力强的集成设备、工艺和系统2. 浪费最小、能耗最低的制造工艺3. 设计、制造新材料及零件的创新工艺4. 生物制造技术 10. 便于写作的智能系统软件生物制造工程概念的提出 “制造业挑战展望委员会”由“美国国家科学研究委员会工程技术委员会”、“制造与工程设计院”组成;研究范围：仿生结构、材料等生物作用过程进

43、行成形和装配设计型蛋白质、酶、组织体素和生物催化食品的生物装配计算和记忆功能的生物型装置J. G. Bollingger ，Oct.1995,在INCOM95 International Conference Beijing CHINA, 发表“Modern Shaping Science and RPM Technology”，已提出Growth Forming,即生长成形的科学概念。任露泉教授提出： 仿生学被认为是永恒的科技前沿，是原始科技创新的不竭动力和源泉，是发展高新科技的重要突破口之一。 生物制造的发展方向还受到生命科学和医学发展及现代科技成果的影响。新工程学科前沿方向在不断的学科交

44、叉中形成。 生物制造的提法逐步形成。人造器官：机械性人造器官，半机械性伴生物性人造器官，生物性人造器官。1机械性人造器官：指完全用人造材料仿造的器官，例如，假牙，假肢，目前用纳米技术制造的人造皮肤，血管；2半机械性伴生物性人造器官：是电子技术与生物技术结合形成的，例如人造肌肉，人工骨，人造器官，假肢等；3生物性人造器官：利用动物身体、基因技术，分化培养的人造器官；例如，动物体培育人体器官等。1-2 是本课程设计的内容。1-3共同面临问题：免疫排斥和病原微生物感染。1、生物医学制剂、装备和生物催化2、仿生、生物加工3、直接或间接加工生命组成单元，构造具有生理功能的组织或器官(生命科学与制造科学的

45、交叉)包括1-3这三个层次，为广义生物制造Bio-Manufacturing， BM仅包括第3层次，则为狭义生物制造即组织和器官制造 Organism Manufacturing，OM生物制造三个方向国内外有关情况国内十五期间国家自然科学基金会在人工骨、生物材料等方面进行了重要的资助1999年我国实施了“组织工程的基本科学问题” 973项目；十五期间“组织器官工程” 863项目。 这些项目为我国人体器官人工制造奠定了重要的基础。上述国家计划，获得可喜的成果，培养与锻炼了队伍，取得了一批关键技术。但本着有所为、有所不为的原则，十五国家计划主要集中在骨、软骨和肌腱等组织修复与再造，在内脏器官方面，

46、并未展开有重点的系统研究。国外情况：1、美国在骨、软骨、血管和神经组织工程方面所形成的产业年产值达60亿美元。2、美国心脏 Life计划、华盛顿大学、MIT、麻省总医院、匹兹堡组培养计划署等组成的团队执行。3、加拿大1亿加元，由多伦多大学牵头执行人造心脏研究。复杂器官制造的制造科学基础从制造科学的角度看阐述，人体器官是由细胞形成的复杂三维结构。因此，将细胞组装起来，形成三维结构，是人工制造人体器官必不可少的前提步骤。在玻璃器皿中生存的细胞群体，不可能达到器官的功能水平。这就是当前少数前沿的研究机构热衷于组装细胞的根本原因。人类能够按自己的意愿组装细胞，形成复杂的三维结构吗？这是对制造科学和技术

47、的巨大挑战生命科学和医学界逐渐达成 一种共识： 人体器官人工制造的前提是“完成细胞在空间的复杂排布”一定需要现代制造科学和技术的介入。它涉及到：解剖学数据的三维重构；微管系的建模（数字模型材料、几何属性）微滴和微流的微操作（捕获、输运、喷挤、沉积）微滴微流形态的检测与控制微管系的成形诱导细胞生长的高孔隙率支架还涉及到：生物材料和生命体单元的受控组装与自组装的关系；通过受控组装完成微米级的结构，再通过自组装完成更为精细的结构学科界线的模糊性。在血管系的制造中充分体现了这一点。生物解剖学的数据重构组织、器官的建模离散/堆积成形原理与技术光钳等微操控技术的发展，已经实现了对单个大分子或者单个细胞的操

48、作，将生物分子和细胞按照人们的规划设计排列起来，形成一定的细胞集合体，使之具有特定的生物学功能细胞簇的受控三维组装技术发展到一定的水平生物制造的制造技术基础 人们对生命奥秘认识深入； 从泛灵论机械观 分子、大分子、超分子的微观层次； 生物技术特别是分子生物学的发展使得对核酸、蛋白质、多糖生物膜等大分子的研究不断深入，人们可以对生物大分子进行合成与改性； 干细胞科学、细胞分离与大量扩增、基因的分割与重组； 对来源不同的细胞(植物细胞、动物细胞或细菌)或性质不同的细胞(如未分化的胚胎干细胞、成体干细胞、已分化的组织细胞、原代细胞、传代细胞、肿瘤细胞、各种细胞系等等)的培养已积累丰富经验； 具有特定

49、功能和形态的细胞的大规模培养技术/固定化培养/悬浮培养； 已高度分化的组织细胞； 未分化的干细胞(胚胎干细胞/成体干细胞)，使之按照要求分化成所需要的具有特定功能和形态的细胞。生物制造的生物学基础三维细胞间接和直接组装间接组装 种子细胞贴附支架表面并互相粘连，随着支架降解并取而代之，形成空间的合理分布，经体内外培养形成组织或器官人工骨应用-相容且降解 骨修复支架 PLA-TCP；孔隙率8590%大孔：100600mm小孔：150mm可控孔隙率8590%相容且降解 植入体内细胞直接组装在支架成形过程中，直接将细胞置入其内（而不是成形后沉积于其表面），这种含有活细胞的三维结构称为类组织前体（Ana

50、logy Tissue Precursor）或人造组织前体（Artificial Tissue Precursor）三维细胞直接组装。人造组织前体（Artificial Tissue Precursor）由细胞、外基质材料、生长因子和DNA等生命物质所组成的适于细胞间相互作用的、动态的复杂空间结构物，活的有生命特征的物体。美国NSF对类组织前体研究大力支持哈佛大学将神经细胞与外基质仿生材料共混三维成形，获150万美元资助。Drexel大学计算机辅助三维细胞组装，获100万美元资助。 美国 Clemson大学 Arizona大学 Missouri大学 细胞打印 Drexel大学 （Cell Pr

51、inting） Harvard大学德国 Freibury大学 生物绘图 Envisiontec公司 （Bio-Protting）中国清华大学 细胞受控组装 （Cell Controled Assembling）当前三维细胞组装研究细胞打印The Cell Printing process. Top right corner: Printed bagel-like ring that consists of several layers of deposited collagen type 1 gel.细胞打印The nozzles喷嘴结构生物打印技术The cell included hydr

52、ogel stored within a syringe is extruding into plotting medium by compression air, through a 80um nozzle. After the physics solidification (changing temperature) and/or (chemical solidification reaction), the fine 3D structure is formed. 细胞喷射系统Can accurately control the extrusive micrometeor, minimu

53、m drip,Take place of air pressure, directly drive,Enhance the Controllability greatlyBeyond Bio-Plotting processInstructionStepping MotorPrecise BarPistonCells-MaterialsAcicularNozzle细胞胶联系统The gravity drive the injection of the cross linker,The injection coming from the stable, stationary, individua

54、l HF electromagnetic nozzle ensure the real-time, precise, point to point cross linking.Gravity pressureCross linkerHF electromagnetic nozzleCross linkerdroplet 5mmMacroscopic Pore10103mm3 analogy liver tissue precursorThe above is top viewThe under is side viewTable 1 parameters of processingExtrus

55、ion cavity volume (ml)1Nozzle diameter (um)200Scanning speed (mm/s)20Extrusion frequency (Hz)79Material concentration (%)5Cross linker concentration (%)6Lattice size (mm)0.8 科学问题探寻并优化由细胞、材料和生命物质形成的空间分布（类组织前体）的形态和结构；研究在空间分布的环境下，细胞、材料和信号分子相互作用的机理以及经体内外培养最终形成组织和器官的条件和规律；并不是制造可植入体内的器官和组织的最终产品是一个暂时的、过渡性的

56、、动态的类组织前体；通过协调的连续的转化过程，包括细胞细胞、细胞基质材料以及细胞与信号之间互相作用的转化与时效过程；使组织成熟并重塑以导致正常性和功能性的组织结构的形成。第二篇 制造自动化技术计算机辅助设计/工艺规程编制/制造（CAD/CAPP/CAM）数字控制技术/计算机控制技术（NC/CNC）成组技术（GT）柔性制造系统（FMS）集成制造系统（CIMS）1900年 电液仿形机床 （意大利）1913年 流水装配线 （福特）1920年 机器人术语 （捷克）1924年 自动生产线 （英国）1925年 硬质合金刀具 （德国）1930年 数控机床专利 （美国）1947年 遥控机械手 （美国）1950

57、年 全自动锻压机 （福特）1950年 全自动活塞生产 （前苏联）1954年 工业机器人专利 （美国）1958年 加工中心 （美国）1960年 自适应控制铣床 （美国）1960年 FMS术语 （美国）1962年 二维CAD （美国）1968年 DNC系统 （美国）1969年 CAM （美国）1970年 IMS（焊接） （美国）1970年 FMS专利 （英国）1973年 CIMS概念 （哈林顿）1973年 三维实体CAD （英国 日本）1980年 CAE （美国）1989年 精益生产 （日本）1989年 CIMS专利 （A&T）1991年 智能制造（日本 美国 欧共体）1991年 全球制造（日本

58、美国 欧共体）1991年 敏捷制造（美国）1991年 虚拟制造（美国）1996年 绿色制造（美国）制造自动化技术发展过程制造自动化技术发展过程（续）1990-2000 制造模式信息化 （市场特征）2000-2010 网络化制造，3D打印，光制造，类人机器人（市场+竞争）2010-2025 工业4.0 ，云计算，大数据，互联网+ ，智能机器人 （市场+竞争+资源）产品： CA6140型普通车床主要组成部件有：主轴箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠丝杠和床身。主轴箱：又称床头箱，它的主要任务是将主电机传来的旋转运动经过一系列的变速机构使主轴得到所需的正反两种转向的不同转速，同时主轴箱分出部分动力

59、将运动传给进给箱。主轴箱中等主轴是车床的关键零件。主轴在轴承上运转的平稳性直接影响工件的加工质量，一旦主轴的旋转精度降低，则机床的 使用价值就会降低。进给箱：又称走刀箱，进给箱中装有进给运动的变速机构，调整其变速机构，可得到所需的进给量或螺距，通过光杠或丝杠将运动传至刀架以进行切削。丝杠与光杠：用以联接进给箱与溜板箱，并把进给箱的运动和动力传给溜板箱，使溜 板箱获得纵向直线运动。丝杠是专门用来车削各种螺纹而设置的，在进工件的其他表面车削时，只用光杠，不用丝杠。同学们要结合溜板箱的内容区分光杠与丝杠的区别。溜板箱：是车床进给运动的操纵箱，内装有将光杠和丝杠的旋转运动变成刀架直线运动的机构，通过光

60、杠传动实现刀架的纵向进给运动、横向进给运动和快速移动，通过丝杠带动刀架作纵向直线运动，以便车削螺纹。刀架、尾架和床身。第八章 计算机辅助设计、工艺规程 编制和制造制造自动化技术概述发展历程及现状, 发展趋势关键技术现代数控加工技术CNC机床系统组成和结构特点生产CNC系统的厂家及典型产品CAD/CAPP/CAMCAD计算机辅助设计CAD/CAPP/CAM的组成CAD/CAPP/CAM中的连接CAD/CAPP/CAM的应用情况和发展前景8.1 CAD概述 CAD被认为是当代最杰出的工程技术成就之一；CAD技术的发展和应用水平已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化的重要标志。发展概况50年代，由