快速成型制造技术课件

4.4快速制造金属原型零件一、简介在新产品的开发过程中，总是需要对所设计的零件或整个系统在投入大量资金组织加工或装配之前加工一个简单的例子或原型。在准备制造和销售一个复杂的产品系统之前，工作原型可以对产品设计进行评价、修改和功能验证。一个产品的典型开发过程是从前一代的原型中发现错误或从进一步研究中发现更有效和更好的设计方案，而一件原型的生产极其费时，模具的准备需要几个月，一个复杂的零件用传统方法加工非常困难。与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。1.快速原型作为一种使设计概念可视化的重要手段，计算机辅助设计的零件的实物模型可以在很短时间内被加工出来，从而可以很快对加工能力和设计结果进行评估。2.由于它是将复杂的三维型体转化为两维截面来解决，因此，它能制造任意复杂型体的高精度零件，而无须任何工装模具。二、快速成型的根本原理

基于材料累加原理的快速成型的操作过程实际上是一层一层地离散制造零件。快速成型有很多种工艺方法，但所有的快速成型工艺方法都是一层一层地制造零件，区别是制造每一层的方法和材料不同而已。快速成型的一般工艺过程快速成型的一般工艺过程原理如下：1.三维模型的构造。在三维CAD设计软件〔如Pro/E、UG、SolidWorks、SolidEdge等〕中获得描述该零件的CAD文件。图7-2快速成型原理图快速成型的一般工艺过程目前一般快速成型支持的文件输出格式为STL模型，即对实体曲面近似处理,即所谓面型化(Tessallation)处理,是用平面三角面片近似模型外表。这样处理的优点是大大地简化了CAD模型的数据格式,从而便于后续的分层处理。快速成型的一般工艺过程在三维CAD设计软件对CAD模型进行面型化处理时,一般软件系统中有输出精度控制参数，通过控制该参数，可减小曲面近似处理误差。如Pro/E软件是通过选定弦高值(ch-chordheight)作为逼近的精度参数，如图7-1为一球体,给定的两种ch值所转化的情况。快速成型的一般工艺过程图7-1不同ch值时的效果(a)ch=0.05

(b)ch=0.2快速成型的一般工艺过程2.三维模型的离散处理。通过专用的分层程序将三维实体模型分层〔图7-2b〕，通过一簇平行平面沿制作方向与CAD模型相截,所得到的截面交线就是薄层的轮廓信息,而实体信息是通过一些判别准那么来获取的。快速成型的一般工艺过程图7-2快速成型原理图(a)零件的三维模型(b)零件被分层离散(c)支撑材料(d)采用熔积法对图(c)A-A截面加工的挤压路径快速成型的一般工艺过程

分层切片是在选定了制作(堆积)方向后,需对CAD模型进行一维离散,获取每一薄层片截面轮廓及实体信息。平行平面之间的距离就是分层的厚度,也就是成型时堆积的单层厚度。

轮廓是由求交后的一系列交点顺序连成的折线段构成。快速成型的一般工艺过程

由于分层，破坏了切片方向CAD模型外表的连续性,不可防止地丧失了模型的一些信息,导致零件尺寸及形状误差的产生。切片层的厚度直接影响零件的外表粗糙度和整个零件的型面精度。分层后所得到的模型轮廓是近似的,而层层之间的轮廓信息已经丧失,层厚大,丧失的信息多,导致在成型过程中产生了型面误差。为提高零件精度,应该考虑更小的切片层厚度。

快速成型的一般工艺过程3.层截面的制造与累加在计算机控制下，快速成型系统中的成型头在X-Y平面内自动按截面轮廓进行层制造，得到一层层截面。每层截面成型后，下一层材料被送至已成型的层面上，进行后一层的成型，并与前一层相粘接，从而一层层的截面累加叠合在一起，形成三维零件。快速成型的根本原理三、快速成型的工艺方法目前快速成型主要工艺方法及其分类液体材料SLALTPBISHISRP工艺方法及其分类粉状材料BMP3DWFDMSDMSLSGPD3DPTSFSF片状材料LOMSFPSGCES图目前快速成型主要工艺方法及其分类液体树脂固化熔融材料固化激光熔合材料粘结剂粘结材料粘性片材的粘结UV粘结片状材料SLA2.光固化法〔Stereolithographyapparatus〕光固化法是目前应用最为广泛的一种快速原型制造工艺。原理如下图

图7-6光固化成型原理图SLA又称立体印刷、立体光刻、光造型。液槽中盛满液态光固化树脂，它在一定剂量的紫外激光照射下就会在一定区域内固化。成形开始时，工作平台在液面下，聚焦后的激光光点在液面上按计算机的指令逐点扫描，在同一层内那么逐点固化。当一层扫描完成后被照射的地方就固化，未被照射的地方仍然是液态树脂。然后升降架带动平台再下降一层高度，上面又布满一层树脂，以便进行第二层扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到三维零件制作完成。SLA光固化采用的是将液态光敏树脂固化到特定形状的原理。以光敏树脂为原料，在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轨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响，从而形成零件的一个薄层截面。光固化成形所能到达的最小公差取决于激光的聚焦程度；通常是0.0125mm。

SLASL工艺优点是精度较高，一般尺寸精度控制在±0.1mm；外表质量好；原材料的利用率接近100％；能制造形状特别复杂、特别精细的零件；设备的市场占有率很高。

缺点是需要设计支撑；可以选择的材料种类有限；容易发生翘曲变形；材料价格较贵。该工艺适合比较复杂的中小件。SLA设备SLA制作原型材料：光敏树脂FDM1.熔积成型法〔FusedDepositionModeling〕在熔积成型法〔FDM〕的过程中〔图7-4〕龙门架式的机械控制喷头可以在工作台的两个主要方向移动，工作台可以根据需要向上或向下移动。热塑性塑料或蜡制的熔丝从加热小口处挤出。最初的一层是按照预定的轨迹以固定的速率将熔丝挤出在泡沫塑料基体上形成的。当第一层完成后，工作台下降一个层厚并开始迭加制造一层。

FDM(b)熔积成型5000，熔积成型设备。(a)熔积法成型的示意图图7-4熔积成型法原理图FDMFDM制作复杂的零件时，必须添加工艺支撑。如图7-5〔a〕所示(b)在快速原型机器中常用的支撑结构有一个突出截面需要支撑材料的零件图7-5快速原型支撑结构图FDM的优点FDM工艺关键是保护半流动成形材料刚好在凝固温度点，通常控制在比凝固温度高1℃左右。缺点是精度低；结构复杂的零件不易制造；外表质量差；成型效率低，不适合制造大型零件。该工艺适合于产品的概念建模以及它的形状和功能测试，中等复杂程度的中小原型。FDM制作生成的原型适合工业上各种各样的应用，如概念成形、原型开发、精铸蜡模和喷镀制模等。FDM设备FDM制造原型SLS3.激光选区烧结〔SelectiveLaserSinering〕激光选区烧结〔简称SLS〕是一种将非金属〔或普通金属〕粉末有选择地烧结成单独物体的工艺。此工艺中的一些根本原理如图7-7所示。该法采用CO2激光器作为能源，目前使用的造型材料多为各种粉末材料。SLS

图7-7激光选区烧结工艺路线图SLS先在工作台上铺上一层粉末，用激光束在计算机控制下有选择地进行烧结(零件的空心局部不烧结，仍为粉末材料)，被烧结局部便固化在一起构成零件的实心局部。一层完成后再进行下一层，新一层与其上一层被牢牢地烧结在一起。全部烧结完成后，去除多余的粉末，便得到烧结成的零件。常采用的材料为尼龙、塑料、陶瓷和金属粉末。SIS制作精度目前可到达±0.1mm左右。该方法的优点是由于粉末具有自支撑作用，不需要另外文撑，另外材料广泛，不仅能生产塑料材料，还可能直接生产金属和陶瓷零件。SLSSLS工艺特别适合制作功能测试零件。可用于直接制造金属模具。由于该工艺能够直接烧结蜡粉，与熔模铸造工艺相接特别适合进行小批量比较复杂的中小零件的生产。SLS设备材料：尼龙12分层实体制造(LOM—Laminatedobjectmanufacturing),根据零件分层几何信息切割箔材和纸等，将所获得的层片粘接成三维实体。首先铺上一层箔材，然后用C02激光在计算机控制下切出本层轮廓，非零件局部全部切碎以便于去除。当本层完成后，再铺上一层箔材，用滚子辗压并加热，以固化粘结剂，使新铺上的一层牢固地粘接在已成形体上，再切割该层的轮廓，如此反复直到加工完毕。最后去除切碎局部以得到完整的零件。LOMLOMb)由叠层制造法制造的机轴零件图图7-8叠层制造法原理图a)叠层制造工艺原理图LOMLOM工艺优点是无须设计和构建支撑；激光束只是沿着物体的轮廓扫描，无需填充扫描，成型效率高；成型件的内应力和翘曲变形小；制造本钱低。缺点是材料利用率低；外表质量差；后处理难度大，尤其是中空零件的内部剩余废料不易去除；可以选择的材料种类有限，目前常用的主要是纸；对环境有一定的污染。LOMLOM工艺适合制作大中型原型件，翘曲变形小和形状简单的实体类零件。通常用于产品设计的概念建模和功能测试零件，且由于制成的零件具有木质属性，特别适用于直接制作砂型铸造模。LOM设备工程應用概念模型視覺造型組裝驗證與最正确化功能測試小批量製造快速模具科學應用古生物學模型生物模型考古研究模型醫學應用人工骨頭製作手術規劃齒模製作義耳製作RPSystemDistribution快速成型案例展示快速成型案例展示快速成型案例展示自从美国的3DSystems公司推出它的第一代商用快速原型制造系统SLA-1以来的十几年间，RPM得到异乎寻常的迅猛开展。目前全球范围有超过30种系统，RPM设备总计达千台以上，可以制造各种材料与尺寸的原型和零件。1995年RPM的市场增长率为49％，年销售额为已达2.95亿美元，1998年到达约10亿美元。(3)快速成形方法和工艺的改进和创新。目前比较成熟的SLA、LOM、SLS、FDM方法在不断改进，各种RP方法各具特点，没有一种方法能满足所有的要求，同时各自也在不断改进。目前围绕提高快速成形件的精度、减少制作时间、探索直接制作最终用途零件的工艺，有多种新的快速成形方法或工艺正在实验室中研究。(4)快速模具制造〔RT-RapidTooling〕的应用。快速制模可分为在RP系统上直接制模和利用RP原型间接制模，目前主要是快速制造铸模和注塑模。RP十RT的开展是近年来最重要热点，也是最具经济效益前景的一个领域，目前工业界较关心的RT方法有：——当件数较少时(20~50件)，一般可采用硅橡胶模铸造法；——100~1000件时，多采用环氧树脂模，为延长模具寿命，通常要在环氧树脂中添加各种添加剂s制造金属模具；——RP和熔模铸造等结合实现精密铸造；——直接制造高强度的陶瓷和金属件等。(5)开发性能更好的快速成形材料。材料性能要满足：——利于快速精确地加工原型；——用RP系统直接制造功能件的材料要接近制件最终用途对强度、刚度、耐潮性、热稳定性等的要求；——利于快速制模的后续处理。选择性激光烧结〔SLS〕的材料选择范围最广，如石蜡、聚碳酸脂、尼龙、填有玻璃的尼龙(具有极好的刚度和热阻性)，DTM专有的型芯材料，用于熔模铸造和制作小批量生产的软模具。

国内RP研究起步约在1991年，目前北京隆源快速成形公司、清华大学、西安交通大学、华中理工大学、南京航空航天大学等单位在RP设备的硬软件及材料方面做了大量的研究工作，有些单位已经或接近开发出商品化的RP系统并开始少量销售。隆源公司研制出选择性激光烧结系统(RPS)并配备了三维数字化仪，能做出复杂的原型。(2)CAD数据处理软件。开发了STL文件缺陷的自动诊断及修复软件，对STL文件的自动切片及支撑结构设计软件，探索了基于CSG文件的直接切片。(4)

材料。RP设备开发单位都对成形材料进行了研究，目前尚无专门的RP材料制造商。(5)

反求与RP的结合。目前这方面研究工作的开发时间还不长，已有单位开发成功激光三维扫描系统，少数单位正在研制断层扫描方法。先进制造工艺－作业目前RPM的快速制模主要是注塑模、冲压模、铸模等，制模方式分为用RP原型间接制模和RP系统直接制模。4.3.1间接制模方法

与数控加工方式相比，将RP原型的样件用于传统的模具制造工艺，一般可使模具制造本钱和周期减少1／2，明显提高生产效率。间接制模工艺依据零件生产批量大小、模具材料和生产本钱主要有以下四种方法：〔1〕硅橡胶模(批量50件以下)；〔2〕环氧树脂模(数百件以下)；〔3〕金属冷喷涂模(3000个以下)；〔4〕快速制作EDM电极加工钢模(5000以上)。4.3.2RP系统直接制模法4.4快速制造金属原型零件

(2)

基于LOM原型快速制造零件。将LOM原型制成所需零件的凹模，经硅橡胶模过渡转换制得石膏型或陶瓷型，再由石膏型或陶瓷型浇注金属零件，当零件具有一定的拨模斜度或LOM原型模外表经过特殊处理后，可将LOM原型制成零件原型代替木模使用，直接制造石膏型或陶瓷型，此方法适于简单或中等复杂程度的金属模具、中大型金属件。(3)基于SLS原型生产金属零件。采用陶瓷材料作为SLS的粉末材料，直接烧结铸造用(陶瓷等材料)壳型来生产各类铸件，甚至是复杂的金属零件，此方法适于中小型复杂铸件。〔4〕基于FDM原型生产金属零件。采用石蜡和塑料等低熔点材料的FDM原型，以FDM原型代替熔模精密铸造中的蜡模，用于制造金属零件的方法与用SLA原型生产金属零件的方法相同，此方法适用于中等复杂程度的中小型铸件。2.直接制造金属容件的RPM新工艺2.直接制造金属容件的RPM新工艺〔续〕(2)三维焊接成形此方法是英国Nottingham大学的提出的一种基于三维焊接成形的方法，它利用焊接机器人制造金属零件，改变过去制造零件时由于固液态金属的外表张力和流动性、层与层之间连接不牢固会出现裂缝，从而影响物理、力学性能的缺陷，而提出用凸凹结合的方法进行连接，以提高层之间粘接强度，这是一种机械连接方法，可提高金属零件的强度。2.直接制造金属容件的RPM新工艺〔续〕(3)

SDM形状沉积制造工艺美国Stanford大学的RP实验室研究的SDM工艺，是将离散／维积法和材料去除法结合在一起来快速成形金属原型件，其成形过程是根据成形零件的分层信息先喷射堆积一层材料，零件和支撑件都是逐层同步生成，且新增加的材料都是液态金属，在每一层形成后都要在计算机控制下对其进行形状切削加工和应力消除处理，如此重复直到生成整个零件，最后通过酸蚀等手段将支撑体去除。2.直接制造金属容件的RPM新工艺〔续〕(4)

多相组织的沉积制造方法(SDMHS)SDMHS是美国CarnegieMellon大学的L.E.Weiss和Stanford大学R.Merz提出的用多个喷头熔积不同材料来制造微机械的方法。其原理是：利用等离子放电来加热金属丝材料，熔化的材料熔积到工件逐渐成形。制作一个多种材料的工件时需要多个喷头，各喷头可分别喷出不同材料。2.直接制造金属容件的RPM新工艺〔续〕2.直接制造金属容件的RPM新工艺〔续〕2.直接制造金属容件的RPM新工艺〔续〕RTRT适用于产品开发过程中的小批量试制，以及小批量生产的、结构较简单的覆盖件生产。按模具制造方式来分，可分为直接制模法和间接制模法。硅橡胶模具利用硅橡胶模具进行真空注型生产出成品DT1.直接制模法(DirectTooling—DT)直接制模法是指将模具CAD的结果由RP系统直接制造成型。即在RP系统上直接制造出模具供生产使用。这种方法不需要RP原型作样件，也不依赖传统的模具制造工艺，对金属模具的制造尤其快捷，是一种有开发前景的快速模具制造方法。DT间接制模法间接制模法间接RT法已日臻成熟。其方法那么根据零件的生产批量的大小而不同。常用的有：⑴用RP原型制作简易模具1)用快速成型件作母模，制作硅橡胶模当制造的零件件数较少〔批量在20～50件〕时，一般采用这种硅橡胶模。间接制模法工艺过程为：以RP原型作样件，采用室温硫化的有机硅橡胶浇注制作硅橡胶模。独特之处：由于硅橡胶良好的柔性和弹性，对于结构复杂、花纹精细、无拔模斜度以及具有深凹槽的零件来说，制件浇注完成后均可直接取出。制作周期为1周左右。间接制模法2)以快速成型件作母模，进行树脂型复合制模以液态的环氧树脂与有机或无机材料复合为基体材料，以RP原型为基准浇铸模具的一种制模方法。制造的模具寿命为100～1000件。为延长模具寿命，通常在环氧树脂中添加各种添加剂。EDM石墨电极转化法原形的制造研具的制造EDM石墨电极的制造原形的制造根据电极制造中的误差补偿原理设计原形SLA法制造原形研具的制造研具材料的选择配方的研制研具的制造研具的检验EDM石墨电极的制造EDM石墨电极的制造方法⑴机械加工法EDM电极传统的制造方法是机械加工法〔如车、铣、刨、磨等〕，但对电极形状及结构复杂特别对由许多曲面组成而精度要求较高的电极来说，用这些方法加工时，加工难度很大，有时必须把电极分成几个或几局部，等加工后组合使用或拼装起来使用，对曲面的加工可能还需专用加工设备，这样不仅效率低、本钱高、生产周期长，而且不易保证精度，尤其对石墨电极加工来说，由于其材料脆，易损伤，加上加工时粉尘大，所以用传统的机械加工方法加工石墨电极难度更大。EDM石墨电极的制造方法⑵材料转移法①用金属喷涂法制作EDM电极⑵材料转移法

②铜电铸法⑵材料转移法③净形铸造法净形铸造是一种直接把铜铸