快速成形制造技术课件

快速成形与制造技术

（RPT）

RapidPrototypingTechnology一、快速成形技术的产生

快速原型（RapidPrototyping，RP）技术，又称快速成形技术，是20世纪80年代后期首先在美国产生并商品化，90年代在全球迅速发展起来的制造新技术。快速原型是继60年代NC技术之后制造领域的又一重大突破，是先进制造技术群中的重要组成部分。技术背景

20世纪80年代以来，计算机技术、材料科学、CAD/CAM、精密传动技术、激光技术以及结构科学等的飞速发展与交叉渗透，为快速原型技术（RPT）的发生和发展奠定了坚实的技术基础。市场背景

由于全球市场一体化的形成，制造业的竞争剧烈，产品开发周期的长短影响到一个企业的生死存亡。因此，客观上需要一种可以直接地将设计数据快速地转化为三维实体的技术。这样，不但可以快速直观地验证设计的正确性，而且可以向客户、甚至仅仅是有意向的潜在客户提供未来产品的实体模型，从而达到迅速占领市场的目的。早期发展美国3M公司的AlanJ.Hebert(1978)日本的小玉秀男(1980)美国UVP公司的CharlesW.Hull(1982)日本的丸谷洋二(1983)在不同的地点各自独立地提出了RP的概念，即用分层制造产生三维实体的思想。

CharlesW.Hull在UVP的继续支持下，完成了一个能自动建造零件的称之为StereolithographyApparatus(SLA)的完整系统SLA-1，1986年该系统获得专利，这是RP发展的一个里程碑。同年，CharlesW.Hull和UVP的股东们一起建立了3DSystem公司。与此同时，其它的成形原理及相应成形系统也相继开发成功。1984年MichaelFeygin提出了薄材叠层（LaminatedObjectManufacturing，以下简称LOM）的方法，并于1985年组建Helisys公司，1992年推出第一台商业成形系统LOM-1015。1986年，美国Texas大学的研究生C.Deckard提出了选择性激光烧结(SelectiveLaserSintering，简称SLS)的思想，稍后组建了DTM公司，于1992年开发了基于SLS的商业成形系统Sinterstation。ScottCrump在1988年提出了熔融成形(FusedDepositionModeling，简称FDM)的思想，1992年开发了第一台商业机型3D-Modeler。美国的3DSystems公司于1988年生产出了世界上第一台现代快速成型机——SLA-250(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。国内快速原型技术发展概况

我国RP研究工作起步于90年代初。1994年以来，我国已有20几家企业或机构从国外引进RP机器。但由于引进价格昂贵，如美国3Dsystem公司生产的及SLA250系统售价20万美元，SLA500价格高达40万美元，加之材料也依靠进口，使生产成本过高，往往是国内企业无法承受的。

为了解决中国制造业对RP的迫切需求，1991年以来，在中国政府资助和支持下，一些高等院校和研究机构积极开展RP研究，并取得较大的进展。

清华大学、西安交通大学、南京航天大学、华中理工大学、上海交通大学、华北工学院等在成形理论、工艺方法、设备、材料、软件等方面做了大量的研究、开发工作。有些单位已开发出商品化、能做出复杂原型的RP系统。例如北京隆源公司开发的AFS300激光快速成形机（选择性激光烧结系统）、华中的HRP系统、清华大学研制的多功能快速造型系统MRPMS和基于FDM的熔融挤出成形系统（MEM250）等。此外，国内的家电行业在快速成形系统的应用上，走在了国内前列。如广东的美的、华宝、科龙、江苏的春兰、小天鹅，青岛的海尔等，都先后采用快速成形系统来开发新产品，收到了很好的效果。

目前，国内由政府资助，正在深圳、天津等地建立一批向企业提供快速成形技术的服务机构，推动快速成形技术在我国的广泛应用。在模具制造业，可以利用快速成形技术制得的快速原型，结合硅胶模、金属冷喷涂、精密铸造、电铸、离心铸造等方法生产模具；快速成形件也可以直接或间接制得EDM电极，用于电火花加生产模具；快速成形技术制得的快速原型也可以直接作为模具。

本课程主要介绍了快速成形技术的定义、特征和几种典型的快速成形工艺，四种快速成形设备的结构、特点、工艺操作过程等.

二、快速成形技术原理快速成形的基本工艺过程CAD建模STL转换生成片层NC代码实体加工零件原型后处理切片处理前处理快速成型系统工作后处理用Pro/E设计的零件模型STL面片化的零件模型快速原型设备的处理过程材料输入输出零件离散堆积设备作为一种先进制造技术，快速成形技术自问世以来得到了迅速发展，并在工程领域得到广泛应用。该技术打破了传统的制造模式，无需任何工、模具，由CAD模型直接驱动，利用离散/堆积的原理，快速完成任意复杂形状的原型和零件，从而大大缩短了新产品开发的周期，极大增强了企业的市场竞争力。三、典型快速原型制造工艺快速成型的主要工艺方法光固化成型法（StereoLithographyApparatus--SLA）叠层实体制造法（LaminatedObjectManufacturing--LOM）选择性激光烧结法（SelectedLaserSintering---SLS）熔融沉积制造法（FusedDepositionModeling--FDM）三维打印（Three-DimensionalPrinting---3D-P）固基光敏液相法（SolidGroundCuring---SGC）近年涌现了几十种快速成型工艺

光固化成型法（SLA）

叠层实体制造法（LOM）

选择性激光烧结法（SLS）

熔融沉积制造法（FDM）

1、光固化成型法-SLAStereoLithographyApparatus1984年由CharlesHul发明并获美国专利，1988年美国3DSystems公司推出商品化样机SLA-1，是世界上第一台快速原型成形机SLA是最早出现且技术上最为成熟的RPT，也称液态光敏树脂选择性固化光固化成型法

第一个投入商业应用的RP技术。这种方法的特点是精度高、表面质量好。原材料利用率将近100％，能制造形状特别复杂（如空心零件）、特别精细（如手饰、工艺品等）的零件。SLA工艺演示光固化成型法的工艺原理

以光敏树脂为原料，将计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面。当一层固化完毕，移动工作台，在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂以便进行下一层扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上，如此重复直到整个零件原型制造完毕.SLA

的工艺特点成型材料自由基光固化树脂阳离子光固化树脂混杂型光固化树脂SLA的特点成型方法简单，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、气味很大成本高（树脂和激光器价格昂贵、寿命短）SLA方法制作的实物模型SLA-700，3DSystems2、叠层实体制造-LOMLaminatedObjectManufacturing由MichaelFeygin于1986年研制成功，美国Helisys公司推出商品化机器LOM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CO2激光器或刀具在计算机控制下进行切割，然后通过热压辊压，使当前层与下面已成型的工件粘接，从而堆积成型.叠层实体制造工艺特点成型材料薄材：如纸、塑料薄膜热熔胶涂布工艺LOM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，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，成型时无需加支撑。但是，材料浪费大，且清除废料困难SSM-1600成形设备目前世界上成形空间最大的快速成形设备(最大成型尺寸要案1600X800X750MM)3D300C，LOM工艺，以色列采用刀切塑料薄膜，不加热仅用粘结剂粘结层片，因而变形非常小。机器重量仅为31kg该设备以叠层实体制造模式工作，生产用于快速工模具制造的原型叠层实体制造叠层实体制造方法制作的实物模型3、选择性激光烧结-SLSSelectiveLaserSintering由美国德州Austin分校C.R.Dechard于1989年研制成功，后被美国DTM公司商品化，推出商品化机器SLS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选择性激光烧结工艺原理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*457mm选择性激光烧结工艺特点成型材料蜡粉、聚苯乙烯（PS)、工程塑料（ABS）、聚碳酸酯（PC)、尼龙（PA)、金属粉末、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50～125µm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、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）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实心零件成型时间较长，适合中小零件的生产。HiQ-SLS，3DSystems选择性激光烧结方法制作的实物模型激光直接烧结金属粉末得到的复杂金属零件4、熔融沉积成形-FDMFusedDepositionModeling由美国学者Dr.ScottCrump于1988年研制成功。并由美国Stratasys

公司推出商品化的设备，FDM1600、FDM1650、FDM8000、QuantumFDM工艺采用热塑性材料，如ABS、蜡、尼龙等，一般以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化后，从小孔挤出堆积成形FDM（FusedDepositionModeling）

熔融沉积制造工艺

MEM（MeltedExtrusionManufacturing）

熔融挤压成型工艺FDM工艺原理FDM工艺演示FDM工艺的特点FDM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石蜡铸造；用ABS工程塑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用。由于FDM工艺一般在80~120ºC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，因此需要设计支撑结构。FDM工艺适合成型小塑料件，最高精度0.127mm。

由于是填充式扫描，因此成型时间较长，为克服这一缺点，可采用多个热喷头同时进行涂覆，提高成型效率。FDM方法制作的实物模型MEM-300-II熔融挤压快速成形设备MEM-200-D熔融挤压快速成形设备M-RPMS设备以MEM模式工作，生产用于新产品的原型熔融挤压制造几种常见RPT特点比较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四、快速成形技术的应用快速成形技术的应用领域

产品快速设计/制造

设计：新产品的设计与开发制造：快速工/模具制造、快速铸造

分析：试验分析模型

生物制造：

生物医学和组织工程

工艺品：与美学有关的各工程领域快速成型技术的主要应用状况◆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，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、在产品设计中的应用在产品设计中的应用

目前主要是应用于新产品开发的设计验证和模拟样品的试制上。

开发过程概念设计→造型设计→结构设计→基本功能评估→模拟样件试制。

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。

用于新产品的设计评估RP原型可直接用于模拟性能测试、模拟装配实验和生产可行性评估采用RPT进行新产品开发，可减少产品开发成本30~70%，减少开发时间。

手机壳－手板摩托车发动机智能卡系统部件喷漆设备的喷头战斗机上的头盔系统头盔外壳模型复杂型面叶轮的CAD模型

和SSM工艺制作的原型空间曲面叶片2、快速模具制造技术快速模具制造技术

RapidTooling

采用模具生产零件是现代工业的主要生产工艺和手段.传统模具制造生产过程复杂、周期长，模具需反复调试，制造成本高.往往成为设计和制造的瓶颈.

快速模具制造可节约成本3/4，缩短生产周期约2/3.因此应用RP技术制造快速经济模具成为RP技术发展的主要推动力之一。

从RP到RT是快速成型技术发展的第二次飞跃。

传统金属冷作模具制造流程下料锻造调试模具设计球化退火机械加工修配热处理投产快速原型和模具制造技术示意图

快速模具制造的分类直接模具制造用LOM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SLS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金属模。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制造电脉冲机床用电极。快速工模具制造快速模具技术的发展方向提高模具制造精度开发新材料新工艺直接制造高强度金属模具3、快速铸造技术快速铸造技术

RapidCasting

（RC）概念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，快速制造铸件的工艺方法。目前主要利用RP技术快速制取铸造模样4、快速成形技术在医学领域中的应用：

生物制造技术生物制造的定义

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活体的制造原理和方法，以及新的制造工艺。生物制造的主要应用制作生物体模型生物假体制造生物相容不降解永久植入体制造生物相容降解植入体制造制作生物体模型头骨模型生物假体制造人体解剖学数据三维重构快速成形体外治疗、诊断、康复等辅助模型非生物活性材料

修复病变盆骨材料：纳米羟基磷灰石/胶原复合材料具有与人骨材料微观结构高度相似的纳米片层结构的纳米羟基磷灰石/胶原复合材料5、与美学有关的各工程领域及工艺品制作与美学有关的各工程领域RPT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体，便于设计修改和再创作。此外，RPT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。孔雀香炉双象瓶RPT在艺术领域应用实例

仿文物工艺品6、反向工程（RE）

（ReverseEngineering）RP与RE（ReverseEngineering）五、快速成形技术的

现状及发展中的问题一、材料方面的限制

离散/堆积成形的过程伴随着材料的变化

残余应力难以消除

翘曲和变形

二、价格问题

RP是机械、材料、自动化、信息等技术的集成，制造高技术成本高，一旦工艺成熟，开发商使用专利来保护自己，这就给RP设备生产和技术服务带来经济上的代价。3DSystem2001.3推出的ViperSi2的SLA设备，18万美元；1994年的SLA700080万美元

RP材料价格偏高（由于改性需求等）限制了其应用。美国3DSystemsSLA设备专用树脂200~250美元/公斤美国Stratasys公司ABS等丝材在2000~4000美元/公斤三、成形精度与成形速度的矛盾材料的离散/堆积过程均需单元化处理，导致精度下降。

台阶效应——成形原理性误差STL转换切片处理STL转换切片处理

对实体分层切片策略起着非常重要的作用，其结果直接影响到制造过程的精度，表面质量和成形效率．等层厚切片，算法简单，但不能兼顾加工效率与加工精度．自适应切片（变层厚切片），根据零件形状的变化规律自动调整合适的分层厚度，解决效率和精度的矛盾．常见的有曲率计算法和面积计算法四、后处理带来的问题RP技术的快速性归根到底还是其柔性决定的，但材料单元在堆积过程中伴随着的物理化学变化使后处理成为必须，使其柔性下降