快速成形讲稿

1、4、1-1快速成型的产生快速成型（RapidPrototypingRP）技术属于机械工程学科特种加工工艺的范畴，使用激光作为能源的快速成型技术（RPT）还可以贵人激光加工门类。快速成型技术于20世纪80年代后期兴起，起源于美国，后很快发展到日本、西欧和中国。它是一项多学科交叉多技术集成的先进制造技术，也是制造理论研究成果中具有代表性的成果之一。快速成型技术的产生与科学技术的迅速发展紧密相关，例如智能技术、传感技术、信息技术与结构科学的交叉正在产生智能结构科学；激光技术、计算机辅助设计等为快速成型的产生奠定了技术基础。另一方面，经济的发展和社会的进步提升了人们对新技术、新产品的期望和制造企业对市

2、场需求变化的反应能力。在这样的背景下快速成型技术应运而生。1-2快速成型技术的原理笼统地讲，RP属于堆积成形，严格地讲RP应该属于离散/堆积成形。它是由三维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，其基本过程是：首先设计出所需零件的计算机三维模型，然后根据工艺要求，按照一定的规律将该模型离散为一系列有序的单元，通常在Z向将其按一定厚度进行离散（习惯称为分层或切片），把原来的三维模型变成一系列的层片；再根据每个层片的轮廓信息，输入加工参数，自动生成数控代码；最后1由成形系统成形一系列层片并自动将它们联接起来，得到一个三维物理实体。如图所示。快速成形的工艺过程：1、三维模型构造。由

3、于快速成形系统只接受计算机构造的产品三维模型（立体图），然后才能进行分层处理，所以应先用CAD软件（Pro/E,I-DEAS,SolidWork,等），根据产品要求设计三维模型：或用扫描机对已有产品进行扫描，得到三维模型。2、三维模型的近似处理。由于产品上往往有一些不规则的自由曲面，加工前必须对其进行近似处理。最常用的方法是用一系列的小三角平面来逼近自由曲面，每个小三角平面用三个顶点坐标和一个法向量来描述。三角形的大小是可以选择的，从而得到不同的曲面近似度。经过上述近似处理的三维模型文件称为STL格式文件，它由一系列相连的空间三角形组成。典型的CAD软件都可以转换和输出STL格式文件。3、三维

4、模型的分层处理。由于快速成形工艺是按一层层截面轮廓来进行加工，因此加工前必须把三维模型沿成形高度方向每隔一定的间距进行分层处理，以便提取截面的轮廓。间隔的大小按精度和生产率要求选定，间隔越小，精度越高，但成形时间越长。间隔的范围一般为0.05mm0.5mm,常用0.1mm,能得到相当光滑的成形曲面。分层间隔选定后，成形时每层叠加的材料厚度应与其相适应。各种成形系统都带有分层处理软件，能自动提取模型的截面轮廓。截面加工。根据分层处理的截面轮廓，在计算机控制下RP系统中的成形头（如激光扫描头或喷头）在x-y平面内自动按截面轮廓进行扫描，切割纸（或固化液态树脂、烧结粉末材料、喷射粘结剂和热熔材料）得

5、到一层层截面。5、截面叠加。每层截面成形之后，工作团下降一层截面的高度，下一层材料被送至已成形的层面上，然后进行后一层截面的成形。后一层面与前一层面粘结，从而将一层层截面逐步叠加在一起，最终形成三维产品。6、后处理。产品成形后需要去支撑、打磨，或者在高温炉中烧结，以进一步提高其强度（如3D-P工艺）。对于SLS工艺，成形件放入高温炉烧结是为了使粘结剂挥发掉，以便进行渗金属（如渗铜）处理。RP工艺流程如图所示快速成形工艺流程1-3快速成形的特点及应用1、特点与传统材料加工技术相比,快速成型具有鲜明的特点：（1）、数字化制造。（2）、高度柔性和适应性。可以制造任意复杂形状的零件。由于采用离散堆积成

6、型的原理它将一个十分复杂的三维制造过程简化为二维过程的叠加，可实现对任意复杂形状零件的加工。越是复杂的零件越能显示出RP技术的优越性此外，RP技术特别适合于复杂型腔、复杂型面等传统方法难以制造甚至无法制造的零件。（3）、直接CAD模型驱动。如同使用打印机一样方便快捷。（4）、快速。快速成形工艺无需模具，CAD模型从设计到原型（或零件）加工完毕，只需几十分钟至几十小时。（5）、材料类型丰富多样，包括树脂、纸、工程蜡、工程塑料（ABS等）、陶瓷粉、金属粉、砂等，可以在航空，机械，家电，建筑，医疗等各个领域应用。6、与反求工程相结合，成为快速开发新产品的有力工具。2、快速成型技术的应用领域:目前RP

7、技术的发展水平而言，在国内主要是应用于新产品（包括产品的更新换代）开发的设计验证和模拟样品的试制上，即完成从产品的概念设计（或改型设计）-造型设计-结构设计-基本功能评估-模拟样件试制这段开发过程。对某些以塑料结构为主的产品还可以进行小批量试制，或进行一些物理方面的功能测试、装配验证、实际外观效果审视，甚至将产品小批量组装先行投放市场，达到投石问路的目的。快速成型的应用主要体现在以下几个方面:（1）新产品开发过程中的设计验证与功能验证。RP技术可快速地将产品设计的CAD模型转换成物理实物模型，这样可以方便地验证设计人员的设计思想和产品结构的合理性、可装配性、美观性，发现设计中的问题可及时修改。

8、如果用传统方法，需要完成绘图、工艺设计、工装模具制造等多个环节，周期长、费用高。如果不进行设计验证而直接投产，则一旦存在设计失误，将会造成极大的损失。（2）可制造性、可装配性检验和供货询价、市场宣传，对有限空间的复杂系统，如汽车、卫星、导弹的可制造性和可装配性用RP方法进行检验和设计，将大大降低此类系统的设计制造难度。对于难以确定的复杂零件，可以用RP,技术进行试生产以确定最佳的合理的工艺。此外，RP原型还是产品从设计到商品化各个环节中进行交流的有效手段。比如为客户提供产品样件，进行市场宣传等，快速成型技术已成为并行工程和敏捷制造的一种技术途径。（3）单件、小批量和特殊复杂零件的直接生产。对于

9、高分子材料的零部件，可用高强度的工程塑料直接快速成型，满足使用要求;对于复杂金属零件，可通过快速铸造或直接金属件成型获得。该项应用对航空、航天及国防工业有特殊意义。（4）快速模具制造。通过各种转换技术将RP原型转换成各种快速模具，如低熔点合金模、硅胶模、金属冷喷模、陶瓷模等，进行中小批量零件的生产，满足产品更新换代快、批量越来越小的发展趋势。快速成型应用的领域几乎包括了制造领域的各个行业，在医疗、人体工程、文物保护等行业也得到了越来越广泛的应用。快速成型技术的主要应用各行业的应用状况如下:汽车、摩托车：外形及内饰件的设计、改型、装配试验，发动机、汽缸头试制。家电：各种家电产品的外形与结构设计，

10、装配试验与功能验证，市场宣传，模具制造。通讯产品：产品外形与结构设计，装配试验，功能验证，模具制造。航空、航天：特殊零件的直接制造，叶轮、涡轮、叶片的试制，发动机的试制、装配试验。轻工业：各种产品的设计、验证、装配，市场宣传，玩具、鞋类模具的快速制造。医疗：医疗器械的设计、试产、试用，CT扫描信息的实物化，手术模拟，人体骨关节的配制。国防：各种武器零部件的设计、装配、试制，特殊零件的直接制作，遥感信息的模型制作。1-4快速成形的主要工艺方法目前，已有多种快速成形工艺，下面分别作一简要介绍。1、立体印刷（SLA）此种工艺方法也称液态光敏树脂选择性固化。这是最早出现的RPT工艺，设备主要由激光器、

11、光路系统、激光扫描头、液槽、可升降工作台等组成。其原理是先在液槽中盛满液体光敏树脂，它在紫外激光束的照射下快速固化。成形开始时，可升降工作台处于液面下一个层厚的地方。经过聚焦后的激光束在计算机的控制下按模型截面轮廓进行扫描，使扫描区域的液态光敏树脂固化，形成该层面的固化层。然后工作台下降一层的高度，其上覆盖另一层液体树脂，再进行第二层的光华扫描，与此同时新高后的一层牢固地粘结在前一层上，如此反复直到整个产品完成。这种方法适合成形小件，能直接得到塑料产品，表面粗糙度质量较好。缺点是需要设计支撑结构，且原料有污染。2、分层实体制造（LOM）此种工艺方法也称薄形材料选择性切割。是由送料机构转动储料轴

12、和收料轴把单面涂有热熔胶的薄形材料（如纸）从储料轴送至可升降工作台，C02激光束在计算机控制下沿模型的截面轮廓外缘进行切割得到一个层面。可升降工作台下降一个层厚的高度，后一层材料铺到前一层上后由加热辊加压黏合，再切割第二层。如此反复直到实体完成。此种方法适合成形大、中型零件，翘曲变形小，成形时间短，但尺寸精度不高，材料浪费大。3、选择性激光烧结（SLS）选择性激光烧结是使用CO2激光器烧结粉末材料。成形时先在工作台上铺一层粉末材料，激光束在计算机的控制下，按照模型的截面轮廓信息进行扫描，对轮廓内的粉末材料进行烧结。一层完成后，工作台下降一个层厚，再进行后一层的铺粉烧结。如此循环，最终形成三维实

13、体。这种方法适合成形中、小型零件，能直接制造蜡模或塑料、陶瓷和金属零件。制件变形小，但成形时间较长。烧结陶瓷粉末或金属粉末得到制件后，在加热炉中烧掉粘结剂可在孔隙中渗入铜等填充物。它的最大优点在于适用的材料很广，几乎所有的粉末材料都可以使用，所以其应用范围也最广。4、三维打印（3D-P）三维打印也称粉末材料选择性粘结。其原理是先在可升降工作台上铺好一层粉末材料，计算机控制喷头按照截面轮廓信息喷射粘结剂，使部分粉末材料粘结形成一个层面，一层完成后工作台下降一个层厚，再铺粉、喷粘结剂进行后一层的粘结。如此循环形成三维实体。粘结得到的制件要置于加热炉中，作进一步的固化或烧结，以提高粘结强度。5、熔丝

14、沉积成形（FDM）熔丝沉积成形工艺的材料一般是热塑性材料ABS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和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结。每一个层片都是在上一层上堆积而成，上一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当形状发生较大的变化时，上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用，这就需要设计一些辅助结构“支撑”，对后续层提供定位和支撑，以保证成形过程的顺利实现。这种工艺不用激光，使用、维护简单，成本较低，用ABS制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。近年来又开发出P

15、C,PC/ABS,PPSF等更高强度的成形材料，使得该工艺有可能直接制造功能性零件。由于这种工艺具有一些显著优点，该工艺发展极为迅速，目前FDM系统在全球已安装快速成形系统中的份额大约为30。塑料丝材，清洁，更换容易：与其他使用粉末和液态材料的工艺相比，丝材更加清洁，易于更换、保存，不会在设备中或附近形成粉末或液体污染。后处理简单：仅需要几分钟到一刻钟的时间剥离支撑后，原型即可使用，成型速度较快。1-5快速成形用材料1、快速成形工艺对材料性能的要求（1）、有利于快速精确地加工原型零件；（2）、当原型直接用作零件、模具时，原型的机械性能和物理性能要满足使用要求；（3）、材料性能要有利于后续处理工艺。2、快速成形材料的分类（1）、按材料的物理状态分类可以分为液体材料、薄片材料、粉末材料、丝状材料等。（2）按材料的化学性能分类可以分为树脂类材料、石蜡材料、金属材料、陶瓷材料和复合材料等。（3）按成形方法分类可以分为SLA材料、LOM材料、SLS材料、FDM材料等。材料形态液态固态粉末片状丝状非金属金属材料名称光固化树脂蜡粉塑料粉覆膜陶瓷粉覆膜砂等金属粉覆膜金属粉纸塑料箔陶瓷箔金属箔蜡丝塑料丝尼龙丝等成形方法SLASLS、3D-PLOMFDM3、