快速制造技术

目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第1章快速制造技术1\o"CurrentDocument"1.1快速制造技术概念1\o"CurrentDocument"1.2快速制造技术的原理1\o"CurrentDocument"1.3快速制造的特点1\o"CurrentDocument"第2章快速制造技术主要应用2\o"CurrentDocument"2.1复杂内腔结构金属零件的快速制造2\o"CurrentDocument"2.2基于层合速凝技术的陶瓷件快速成型3\o"CurrentDocument"2.3工业机器人在快速制造原型技术中的应用3\o"CurrentDocument"2.4航天制造领域的应用4\o"CurrentDocument"第3章快速制造技术之熔融沉积制造技术概述5\o"CurrentDocument"3.1复合式路径填充算法的熔融沉积制造5\o"CurrentDocument"3.2熔融沉积快速成型软件系统的开发6\o"CurrentDocument"3.3熔融沉积快速成型工艺的精度分析及对策6\o"CurrentDocument"3.4熔融沉积快速成型系统喷头应用现状分析9柱塞式喷头9螺杆式喷头93.4.3螺杆式挤出塑化双喷头10\o"CurrentDocument"3.5国内外设备发展状况10\o"CurrentDocument"第4章快速制造技术的发展方向11\o"CurrentDocument"参考文献12快速制造技术的发展与应用摘要本文主要介绍了快速制造的概念、它的发展过程、工作原理、生产的方法、与传统生产相比所体现出的特点、快速制造技术在各行业领域中的生产应用并介绍了一些大学教授、专家和学者的研究发明成果，同时本文还着重介绍了快速制造中的一项关键技术熔融沉积技术，概述了熔融沉积技术的发展现状，国内外制造的设备以及存在的问题和解决办法，最后给出了未来快速制造技术的发展方向,所需要研究的内容和需要开发的软件。关键字：快速制造；应用；熔融沉积；发展方向第1章快速制造技术1.1快速制造技术概念快速制造(RapidManufacturing,RM)技术的发展源于快速成形制造(RPM)技术，自20世纪80年代问世以来，一直保持着迅速发展的势头，进入21世纪，其发展更加为人们所重视，并被称为快速制造。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。利用快速成形制造的方法直接制造三维金属零件是当前国际快速原型技术研究的热点之一，其研究的目标是生产制造小批量且具有复杂形状和较高使用性能的功能零部件。具有权威性的Wohlers报告中预测，21世纪快速制造技术将会逐渐占据快速成形制造技术应用领域的主导地位。1.2快速制造技术的原理快速制造技术的原理是快速成形技术是在计算机控制下，基于离散、堆积的原理采用不同方法堆积材料，最终完成零件的成形与制造的技术。从成形角度看,零件可视为点或面的叠加。从CAD电子模型中离散得到几何信息，再与成形工艺参数信息结合，控制材料有规律、精确地由点到面，由面到体地堆积零件。从制造角度看，它根据CAD造型生成零件三维几何信息，控制多维系统，通过激光束或其他方法将材料逐层堆积而形成原型或零件。图1熔融沉积快速成型原理1.3快速制造的特点快速成型技术自问世以来，在短短的十几年时间里发展迅速，表现出极强的生命力，与传统的加工方法相比具有诸多的优势，其特点主要表现为：快速性从CAD设计到完成原型制作通常只需数小时至几十个小时，与传统的加工方法相比，加工周期节约70%以上，对复杂零件尤其如此。（2）低成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低50%，特别适用于新产品的开发和单件小批量零件的生产。（3）材料的广泛性快速成型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用，可以制造树脂类、塑料类、纸类、石蜡类、复合材料以及金属材料和陶瓷材料的原型。（4）适应性强适应于加工各种形状的零件，制造工艺与零件的复杂程度无关，不受工具的限制，可实现自由制造，原型的复制性、互换性高；尤其在加工复杂曲面时，更能体现出它的优越性，这是传统所无法比拟的。（5）高柔性采用非接触加工的方式，无需任何夹具，即可快速成型出具有一定精度和强度、满足一定功能的原型和零件。若要修改零件，只需要修改CAD模型即可，特别适用于单件小批量生产。（6）快速制造技术是集计算机、CAD/CAM、数控、激光、材料和机械等于一体的先进制造技术，整个生产过程实现自动化、数字化，可以随时制造、随时修改，实现设计制造一体化。第2章快速制造技术主要应用快速制造作为一种新的生产模式，可分为直接快速制造与间接快速制造两大类。其中，直接快速制造指的是通过快速制造直接完成功能零件或具有完全功能的结构件；间接快速制造是指通过RM完成工、模具制造，再采用工模具进行零件的制造，又称快速工模具制造（RapidTooling，RT）。快速成型技术问世以来，已实现了相当大的市场。该技术通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段结合，已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了广泛应用。2.1复杂内腔结构金属零件的快速制造很多零件具有复杂的内腔构造，如发动机部件中的气道、冷却水道、油路，液压件中的油道，阀体中的管路等。这些复杂内腔结构的成形方法有多种，其中通过砂芯组合整体铸造是较为常用和成熟的方法。传统的砂芯制作是通过开模、射芯和组芯等工艺完成的。缺点是对于复杂的砂芯必须先分拆成相对简单的砂芯单元，再通过组合的方式复原，这样不仅降低了砂芯的精度，也增加了模具的件数和成本。对于单件小批量或是交货期要求非常短的复杂铸件，模具的制造周期和成本费用也成为突出的问题。然而运用快速制造方法可通过激光烧结制造复杂砂芯从而实现复杂内腔零件快速制造的方法，简称激光制芯技术。它的最大特点是砂芯的成形过程与复杂程度无关，不用制作模具，制造周期短，特别适合于单件小批量复杂铸件的生产和新产品的试制。激光制芯采用选区激光烧结原理,利用远红外激光将铸造覆膜砂根据砂芯或砂模的分层截面形状逐层烧结固化，得到与三维CAD数据一致的砂芯或砂模。由于成形过程将三维加工转换为二维的叠加，因此不受几何形状的约束，也不需要模具和其他工装，是一种直接、柔性和快速的成形方法。2.2基于层合速凝技术的陶瓷件快速成型结合快速原型制造技术的原理提出了一种新的陶瓷制件快速成型技术，即层合速凝快速成型技术。该技术特别适用于复杂陶瓷制件的快速制造，具有高效率、高精度、低成本等特点。陶瓷零件的传统制造方法是通过注浆成形、注射成形、挤出成形、等静压成形等方法成形后烧结、加工而制得的。用这些方法制造陶瓷零件一般需要先制出模型及模具，对简单陶瓷零件的制造较为方便，制约了复杂陶瓷零件的生产，而且制造速度较慢，难以实现精密、快速及个性化制造。陕西科技大学王秀峰教授等提出了层合速凝成型陶瓷零件的技术,先用分层软件对零件的三维实体模型分成（0.1—2.0）mm的一系列薄层，得到每层的形状，然后在工作台上铺一层支撑材料，计算机控制刻刀按分层的图案刻出该层轮廓，并在镂空处填充成型材料，重复累加之后去除支撑并烧结，最终形成陶瓷制件，用该技术制得的陶瓷制件不仅可以获得良好的质量及性能，而且成本较低，具有较好的推广及应用价值。层合速凝技术特别适用于复杂形状和尺寸的陶瓷件的制作，利用该技术成形陶瓷器件自动化程度高，生产周期短，成本低，产品开发和制造效率高，弥补了当前快速原型制造陶瓷件的不足。该技术可用于成形单相的、复合的、水敏感性的和不敏感性的等多种陶瓷体系，所成形的陶瓷器件有机物含量低、密度大,强度高，内部均匀性好，坯体烧结时收缩率小，尺寸精确。在生产过程中，我们可以通过更换陶瓷粉的种类来实现不同陶瓷材料制件的生产，甚至于生产高性能的陶瓷材料制件（如SiC、Si3N4等）。2.3工业机器人在快速制造原型技术中的应用在过去的十几年，考虑缩短产品的开发时间、提高设备的功能性以及环境和谐性和产品质量，研究人员已经构筑了多种机器人快速原型系统。香港大学陈永华教授开发的面向大型制件的机器人快速原型系统，该系统具有7自由度，工作空间为4mx2mx2m,可以制作许多大型零件如船模。2003年Hsuan-kuanHuang等开发的基于双机器人的快速灵活原型制造系统，主要是为了克服单机器人不能到达的区间及在机器人奇异点位置如何加工的问题，该作者还比较了单机器人系统和双机器人系统的工作情况。图2机器人快速原型制造系统基于工业机器人的快速原型制造系统一般由计算机、机器人、控制柜、工作台以及加工工具几部分组成，不管是材料堆积成形还是材料去除成形的原型系统,都是根据零件的CAD模型，生成符合机器人轨迹特点的CAM多轴加工轨迹，以及通过自行开发的软件进行数据转化，把CAM加工路径转化为机器人加工路径。基于工业机器人的快速制造原型技术是一个很复杂的任务，既要考虑零件的复杂形状，又要考虑不同材料的特性，同时还有加工刀具的选择。面临的主要问题有加工的原型精度、有限的材料种类和力学性能。随着快速制造原型技术和工业机器人技术的飞速发展，特别是工业机器人技术的发展，比如工业机器人末端执行器重复定位精度的提高及负载能力的提高，必将导致工业机器人在快速原型技术中的应用越来越广泛。2.4航天制造领域的应用对于系统结构复杂，同时又是难加工材料（如高温合金、钛合金、硬质合金等）的新产品来说，用传统的加工方法无法制造，但又必须满足进入市场的快速响应要求，如何突破新产品研制周期短，保证高质量是关键。快速制造技术恰好顺应了新产品研制的系列技术需求。在众多快速制造技术中，激光直接制造（DirectLaserFabrication，简称DLF）技术和选区激光熔化（SelectiveLaserMelting，简称SLM）技术是目前国际制造技术领域中一组新兴的先进快速成形技术之一，符合当今的“绿色制造”理念。由于激光直接制造技术和激光选区熔化技术具有各自独到的技术特点，所以在国内外军、民用航空发动机特殊材料、复杂结构部组件的研制中，有着举足轻重的作用，并取得了很好的应用效果。此外，快速制造技术还可以运用于医学领域，利用快速成型技术制作人体器官模型具有极大的应用价值；在文化艺术领域快速制造可用于艺术创作、文物复制、数字雕塑等；快速制造也带动了家电行业的迅猛发展。第3章快速制造技术之熔融沉积制造技术概述快速成形过程中使用的热源有激光束、普通光束、电子束、离子束及普通加热热源等，其中激光是目前使用较多的加工能源之一。快速成形制造技术的成形方法多达30余种，目前应用较多的有立体光固化成形、熔融沉积制造、激光选区烧结、激光选区熔化和叠层实体制造等。这些工艺方法都是在材料离散/堆积成形原理的基础上，结合材料的物理化学特性和先进的工艺处理方法而形成的，它与其他材料学科的发展密切相关。快速成形制造技术重要的技术特征之一是材料制备与材料成形过程的集成，因为离散/堆积过程要求材料具有更严格的低收缩率、适当的流动性和粘性等性质。熔融沉积制造FDM(FusedDepositionManufacturing)工艺又称为熔丝沉积制造，其工艺过程是以热塑性成形材料丝为材料，材料丝通过加热器的挤压头熔化成液体，由计算机控制挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，使熔化的热塑材料丝通过喷嘴挤出，覆盖于已建造的零件之上，并在极短的时间内迅速凝固，形成一层材料。之后，挤压头沿轴向向上运动一微小距离进行下一层材料的建造。这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。该工艺的特点是使用、维护简单，成本较低，速度快，一般复杂程度原型仅需几个小时即可成型,且无污染。它的特点是制造悬臂件时需要添加支撑料。这种支撑料可以用同一种材料制造，此时只需要一个喷头，即在成型过程中可通过控制系统控制喷头的运行速度使支撑料变得较为疏松，从而达到便于剥离和加快成型速度的目的。除了上述4种最为成熟的技术外，还有许多技术也已经实用化，如三维打印技术(ThreeDimensionalPrinting3D-P)、光屏蔽工艺(Photo-masking,SGC)、直接壳法(DirectShellProductionCasting,DSPC)、直接烧结技术、全息干涉制造等。3.1复合式路径填充算法的熔融沉积制造同济大学的朱传敏等人在研究出了一种复合式的算法进行轮廓填充以确保更好的制造精度和效率，我们知道熔融沉积制造(FDM)是一种用填充方式来得到每层截面的快速成形工艺。因为填充路径的好坏直接影响着制件的质量和加工效率，所以选择一种合适的路径填充算法就显得非常重要。在众多路径生成算法中，复合式扫描法由于在制件精度和加工效率上的诸多优势，成为近期的研究热点。针对凹多边形凸分解得到的子区，应用一种偏置与直线复合式算法，对多边形轮廓进行填充。复合式路径填充算法作为FDM快速成形路径生成软件的核心算法之一，已成功应用在实际加工中。图3复合式扫描算法流程图传统的路径生成算法一般只采用偏置式或直线式等算法中的一种，然而，这两种算法都有一定的缺陷。直线式算法虽然算法简单，但是加工的制件精度不高，由于需要频繁跨越内腔，出现“拉丝”等现象，不能满足工艺上的要求偏置式算法则由于要考虑相交情形，涉及到多边形求交的运算，使得算法过于复杂，加工时间也相对较长。结合这两种算法的特点，综合采用，在轮廓部分使用偏置式，轮廓以内的部分采用直线式。这种方式既简化了算法，又提高了制件的精度。3.2熔融沉积快速成型软件系统的开发南昌大学的纪良波等人利用VC++2005NET作为编程工具，开发了熔融沉积的快速成型软件系统，可进行STL文件的读取、分层处理、填充、自动添加支撑结构以及生成CLI文件等，同时可以对任意形状的立体进行切片处理，快速求出每一层的切片轮廓，自动添加支撑结构，开发的分层处理算法可以应用于其他快速成型领域，最后输出CLI文件在成型机上进行加工，通过试验证明本软件运行可靠，切片处理正确，分区合理，有投入实际生产的应用价值。而且他们也提出了基于分组排序和对边求交的分层处理算法、基于扫描线比较的自动支撑设计算法和基于交点排序的分区扫描算法，并给出了相应的应用实例。3.3熔融沉积快速成型工艺的精度分析及对策熔融沉积制造（FDM）是一种典型的快速成型技术，是一个涉及CAD/CAM、数控编程、材料制备、工艺参数设置和后处理等环节的集成过程，每一个环节都有可能引起误差，并且严重影响成型件的精度，阻碍FDM技术的进一步发展。各种影响因素如下：（1）三维软件转化时精度快速成型加工的零件文件都是采用STL形式保存的，用STL文件格式的三角面片来近似逼近CAD模型，这一网格化过程给模型精度带来了误差;另外，分层后的文件保存采用CLI格式用线段近似逼近曲线又会带来误差。解决办法:希望转化成STL文件时尽量保持零件的原样，在选择设计软件以及采用比STL.CLI更高端的处理文件类型上应多比较，解决软件方面带来的误差。（2）材料性能材料性能的变化直接影响成型过程和成型件的精度，材料在整个工艺过程中要经过固体）熔体）固体的2次相变，材料在凝固过程中的体积收缩会导致产生内应力，这个内应力容易导致翘曲变形及脱层现象。在FDM中主要使用的是ABS树脂（一种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑型高分子材料），其收缩因素主要有：（1）热收缩。材料因其固有的热膨胀率而产生的体积变化，它是收缩产生的最主要因素。（2）分子取向的收缩。材料加工过程中，熔态的ABS分子在填充方向上被拉长,又在冷却过程中产生收缩，而取向作用会使堆积丝在填充方向的收缩率大于与该方向垂直的方向的收缩率，该收缩会产生内应力，该内应力容易导致制作件的翘曲变形及脱层现象。解决办法：①为了消除内应力引起的翘曲变形现象，可以在垫层上用材料与造型相同、底面略大的薄层底座，然后在底座上造型。这样做的结果是变形都在底座上，而实际造型时产生的内应力相互抵消。②对于尺寸变形，可以在设计开始阶段通过在填充方向和堆积方向上的尺寸计算来对CAD模型的尺寸进行预补偿。（3）喷头温度和成型室温度的影响在FDM工艺中喷头温度决定了材料的粘结性能和堆积性能、丝材流量以及挤出丝宽度。温度太低，则材料粘度加大，挤丝速度变慢，这不仅加重了积压系统的负担，极端情况下还会造成喷嘴堵塞,而且材料层间粘结强度降低还会引起层间剥离；温度太高，则材料偏于液态，挤丝速度变快，无法形成可精确控制的丝,制作时会出现前一层材料还未冷却成型后一层就加压于其上，从而使前一层材料坍塌和破坏。成型室的温度会影响到成型件的热应力大小，温度过高，虽然有助于减少热应力，但零件表面易起皱;温度太低，零件热应力增大，容易使零件翘曲，而且挤出冷却速度过快,在前一层截面完全冷却凝固后才开始堆积下一层，这会导致层间粘结不牢固,有开裂现象。解决办法:用ABS丝材时，喷嘴的最佳温度约230°C,成型室的最佳温度范围为60°C。（4）挤出速度挤出速度是指喷头内熔融态的丝从喷嘴中挤出的速度，单位时间内挤出丝的体积与挤出速度成正比。在与填充速度合理匹配的范围内，随着挤出速度的增大，挤出丝截面宽度逐步增大，当挤出速度逐步增大时，挤出的丝就会粘附于喷嘴外圆锥面，就无法正常工作。（5）填充速度与挤出速度填充速度是指扫描截面轮廓速度或填充网格的速度。填充速度比挤出速度快,则材料填充不足，出现断丝现象，相反填充速度比挤出速度慢，熔丝堆积在喷头上使成型材料分布不均匀，表面有疙瘩，影响成型件质量。（6）成型时间每层的成型时间与填充时间、该层的面积大小及形状的复杂程度有关。在加工一些截面很小的实体时，由于一层的成型时间太短，前一层还来不及固化成型，下一层往往在上一层难以成型就接着再堆，容易造成/坍塌0和/拉丝0,往往难以成型。而加工截面面积较大成型件时，应采用较快的填充速度，减小成型件开裂倾向，提高效率，防止前一层已完全冷却才开始堆积下一层。（4）、（5）和（6）三种情况的解决办法是：当喷头工作到容易出现问题的腿部这个较小截面积时，手动的减低喷头填充（轮廓和网格）速度，并且在成型面上吹冷风加速固化，这种方法在有吹风装置的成型机中效果是非常有效的。但是如果成型机内没有吹风装置，那么这种方法就容易造成喷嘴一直在一个面积很小的区域里面移动。由于喷嘴的温度非常高，这样就容易使ABS丝处于半固体状态，成型的效果也就不好。那么可以采用一种在成型件旁边再设计一个高于成型件的小薄片，这样喷嘴可以在2个成型件之间移动，不至于一直在一个小区域移动，便于成型件的固化堆积。（7）分层厚度分层厚度是指在成型过程中每层切片截面的厚度。在制作有斜面的零件模型时，这必然在成型后的实体表面产生台阶现象，影响成型件的精度和表面粗糙度。解决办法：由于机器的分层设定为0.15mm/层。为了提高表面质量，可以在实体成型后进行打磨、抛光等后处理。另外，在精确分层时可以通过选择合适的分层方向即进行分层方向优化，尽可能减少支撑来提高成型件的表面质量和精度。（8）喷丝宽度引起的误差FDM工艺是靠喷嘴挤出丝堆积成实体的，在加工状态下，挤出丝由于受挤压不会呈圆柱形，而是有一定宽度的扁平状，这就造成填充轮廓路径时的实际轮廓线超出理想轮廓线一些区域。解决办法:。细丝的宽度（巧）与原始丝的直径（d）、层厚（h）、进丝速度（V）、E填充速度（V）有关,

F填充速度（V）有关,

F其关系式为：W=兀d2VE4hvF可以在CAD设计时就进行尺寸补偿。但实际加工中，Ve和Vf是变化的，所以保证喷丝宽度补偿的准确性有一定难度。3.4熔融沉积快速成型系统喷头应用现状分析喷头是实现FDM工艺的关键部件。喷头结构设计和控制方法是否合理，直接关系到成型过程能否顺利进行，并影响成型的质量，所以喷头设计是FDM系统设计的重要组成部分。根据喷头的功能和作用，喷头系统应包括两个基本组成:一是送料部分；二是塑化和喷嘴部分。同时，作为基本机电单元，喷头应包括机械结构和控制系统，二者互相统一、不可分割。目前，熔融沉积快速成型系统多采用柱塞式喷头，如美国Stratasys公司旧型号的产品；另一类则采用螺杆式挤出喷头，如美国Stratasys公司新型号的产品、上海富力奇公司的TSJ系列快速成型系统及清华大学的MEM-250FDM型快速成型系统采用螺杆式挤出喷头。3.4.1柱塞式喷头采用柱塞式喷头的FDM快速成型机大多采用丝料，而进料方式要求丝料具有较好的弯曲强度、压缩强度和拉伸强度，这样在驱动摩擦轮的牵引和驱动力作用下才不会发生断丝和弯曲现象。另外，材料还应具有较好的柔韧性，以全在弯曲时不会轻易折断。由于丝料在加热腔内还起到推进活塞的作用，为了提高其抗失稳能力，丝料必须具有足够高的弹性模量。ABS具有一些优异的性能，应用范围极为广泛，FDM快速成型机多选用改性ABS作为成型材料。图4柱塞式喷头3.4.2螺杆式喷头图4柱塞式喷头喷头内的熔料是在螺杆的作用下被挤出，能够解决柱塞式喷头挤出压力不足的问题。另外，跟柱塞式喷头一样采用丝料进料。与其它使用粉末和液态材料的工艺相比，丝料较清洁，易于更换、保存，不会在设备内或附近形成粉末或液体污染。3.4.3螺杆式挤出塑化双喷头颗粒状或粉末状物料通过强制加料装置进入喷头，并在喷头中塑化均匀后送至喷嘴，然后选择性地涂覆在工作面上。此时两个微型螺杆式挤出喷头的作用是：一个用于挤出模型材料；另一个用来挤出支撑材料，这样在成型时可选取两种不同特性的材料。挤出头的主要作用有两个：一是传输、压实、均匀塑化物料；二是为使塑化物料能从喷嘴挤出提供动力。但仅靠物料自重加料很可能导致加料不均匀，进而影响制品质量和精度，为了达到较高的制造精度，必须保证料斗加料的连续性。因此为达到理想的塑化效果和制得精度较高的原型件，应适当减小螺杆的剪切力，通过提高挤出头料筒温度的方法来增加材料的塑化效果。3.5国内外设备发展状况由于FDM具有许多独特的优点，目前已有许多机构进行了基于该方法的快速成型工艺的研究，出现了许多新的设备。在FDM喷头方面，主要是柱塞式和螺杆式，采用单喷头或双喷头。目前作为FDM设备的龙头供应商美国Stratasys公司的主要产品基本都采用了螺杆式双喷头，上海富力奇公司的TSJ系列快速成型机采用了螺杆式单喷头，清华大学的MEM-250型快速成型机采用了螺杆式喷头,华中科技大学和四川大学正在研究开发以粒料、粉料为原料的螺杆式双喷头。FDM快速成型系统采用螺杆式双喷头，可以提高生产效率，保证产品质量,降低生产成本，因此开发研制螺杆挤出式双喷头已经成为当今许多企业和研究机构在FDM领域的发展趋势。然而研发过程具有一定的难度，例如，双喷头必须结构紧凑、喷嘴之间间隔小，且能实现独立控温与高效隔热；非工作状态的喷头要求能适当提升高度，以免经涂覆的材料因触碰而形成拉丝，造成成型件报废或表面质量变差等。第4章快速制造技术的发展方向快速制造技术对高形状复杂度、高功能复杂度的零件制造具有独特的优势，被认为是现代制造技术的里程碑，该技术可以利用零件的三维模型，使用多功能、高性能材料进行零件的直接堆积成形，其中使用范围最广的金属零件的快速制造技术将成为发