先进制造工艺2

1、现代制造技术,先进制造工艺,主 要 内 容,发展现状 特种加工技术 快速原型制造技术 超高速超精密加工技术,快速原型制造技术主要内容,快速原型制造技术概述 几种典型快速原型制造技术 立体印刷（SLA） 分层实体制造（LOM） 选择性激光烧结（SLS） 熔融沉积成型（FDM） 快速原型制造技术的特点及应用 快速原型制造技术的发展趋势,1. 快速原型制造技术概述,（1）产生背景 传统的成形方法 去除成形（切削、磨削、电火花加工、激光加工，等） 受迫成形（铸造、锻压、注塑成型、粉末冶金，等） 生产的发展对产品成形提出了新的要求 新产品开发速度：快速响应市场 制造技术的柔性：适应产品的多品种、小批量

2、CAD技术、数控技术、材料科学、激光技术等的发展为新的制造技术的产生奠定了基础 20世纪80年代后期产生了快速原型制造技术，最早出现于美国，并迅速扩展到日本及欧洲，成为近20年来制造技术领域的一项重大突破。,（2）内涵 快速原型制造技术（Rapid Prototype Manufacturing，RPM）：又称为快速成型技术，是由CAD模型直接驱动、快速制造任意形状三维实体的技术总称。 快速原型制造技术综合利用了CAD技术、数控技术、材料科学、机械工程、激光技术等先进技术，能够快速实现从零件设计到三维实体制造的过程。 它可以在无需准备任何模具、刀具和工装夹具的情况下，直接接受产品设计（CAD）

3、数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型。,（3） 基本原理 任何三维零件都可以看作是许多二维平面沿某一坐标方向叠加而成的。（离散堆积）,RPM技术的基本原理： 利用CAD软件，设计出产品的三维数据模型或实体模型； 利用切片软件，将CAD模型离散化，即沿某一方向分层切片，分割成许多层面，获得各层面的轮廓数据； 在计算机分层信息的控制下，通过一定的手段和设备，顺序加工出各层面的实体轮廓形状； 通过熔合、粘结等手段，使获得的各实体层面逐层堆积成一体，从而快速制造出所要求形状的零部件或模型。 即采用“分层制造，逐层叠加”的“增长法”成型工艺,（4）RPM技术的步骤 快速原型制造技术可归纳为以下三个过

4、程： 前处理过程：包括工件三维模型的建立、STL文件的转换、成形方向的选择及三维模型的切片分层处理。 分层叠加成形过程：是快速成型技术的核心，包括成型材料、物理原理及设备的选择；模型各层面轮廓的制作与叠合。 后处理过程：工件的剥离、固化、修补、打磨、抛光、表面强化处理等。,CAD模型转换为STL格式：即以三角网络的形式逼近工件曲面与轮廓,2. 几种典型快速原型制造技术,现有的RPM工艺有30多种，根据采用材料及对材料处理方式的不同，可归纳为5类：即选择性液体固化、选择性层片粘接、选择性粉末熔结、挤压成形、喷墨印刷。 目前国内外几种典型的商品化RPM技术主要有： 立体印刷（SLA） 分层实体制造

5、（LOM） 选择性激光烧结（SLS） 熔融沉积成型（FDM）,（一）立体印刷成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA） SLA是最早出现的一种快速成型技术，是目前RPM领域中研究最多、技术最成熟的方法。 成形介质：液态光固化树脂（光敏树脂），如环氧树脂、丙烯酸树脂等。 成形手段：利用一定剂量的紫外激光照射液态光固化树脂，使树脂发生聚合反应，迅速固化成型各层面。 成形机组成：液槽、可升降工作台、激光器、扫描系统、计算机数控系统,SLA工艺原理图,升降工作台,SLA 成型过程,SLA技术的特点： 成型速度较快； 成型精度较高，目前可达0.1mm； 成型制件的性能相当于

6、工程塑料或蜡模； 主要用来制作高精度塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。 SLA技术的局限性： 成形过程中有时需要支撑； 树脂收缩易导致零件精度下降； 光敏树脂有一定的毒性，不符合绿色制造要求。,应用举例：,（二）分层实体制造（ LOMLaminated Object Manufacturing ） LOM是通过激光逐层剪切薄纸等片材制造零件层轮廓的一种快速原型制造技术。 成形介质：箔材（陶瓷箔、金属箔等）、纸、塑料膜等片材 成形手段：激光剪切薄片材料获得层面轮廓，将获得的层片通过热粘结逐层粘接成三维实体。 成形机组成：计算机数控系统、材料存储及送进机构、激光切割系统、热粘结机构、可升降工作台等。

7、,LOM工艺原理图,LOM成型过程,产品和LOM成型后的制件,LOM成型技术的特点： 成形速度快（如激光成型速度达650mm/s）； 成型件强度高（如有的片材厚度0.080.15mm），有的纸制产品与木模强度相近，可进行钻削等机加工； 成型过程较简单，成本低； 不需要支撑，可成型大型零件； 无污染，适宜办公室环境使用； 主要用于快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。,应用举例LOM技术快速成型铸造木模：,应用举例LOM技术快速成型塑料制品：,（三）选择性激光烧结（ SLSSelective Laser Sintering ） SLS是通过激光烧结粉末材料成形零件层面轮廓的快速原型制造技术。 成

8、形介质：尼龙粉、蜡粉、塑料粉、陶瓷粉、金属粉等粉末材料，粒径一般为50125微米。 成形手段：在计算机控制下，利用激光束对粉末材料有选择地进行直接或间接烧结，被烧结部分的粉末熔结在一起形成层面，各层面相互熔结形成零件实体。 成形机组成：计算机控制系统、可升降工作台、供粉箱、铺料辊、激光器等。,SLS工艺原理图,粉料供给,SLS扫描路线举例：,SLS技术的成型特点： 粉末具有自支撑作用，不需要另外的支撑，可成形结构复杂的零件； 材料广泛，不仅能成形塑料材料，而且还能直接成型金属和陶瓷零件； 主要用来制作塑料件、金属件、铸造用蜡模、样件或模型。,SLS技术的局限性： 成形过程复杂，成形速度较慢；

9、成形件的热变形大，精度较低（0.2mm左右）； 通常需要热等静压、液相烧结、焙烧等后续处理工序； 粉尘易造成污染。,应用举例SLS成型件：,塑料鼠标,金属注塑模,工艺模,砂型,树脂成型件,蜡成型件,树脂砂成型件,金属成型件,应用举例各种材质的SLS成型件：,（四） 熔融沉积成型（FDMFused Deposition Modeling） 成形介质：塑料丝、蜡丝、尼龙丝、聚烯烃树脂丝、低熔点金属丝等热塑性细丝。 成形手段：热塑性细丝在加热装置中熔化，熔化后的材料通过喷头被挤压出来，控制喷头的运动轨迹可成形零件层面，逐层熔结堆积，从而获得三维实体。 成形机组成：送丝系统，加热装置，工作台，计算机控

10、制扫描系统等,FDM工艺原理图,FDM技术的成型特点： 最大的优点是成形速度快； 成形过程不使用激光，设备简单，成本低；（例如FDM喷嘴每个150美元，SLA的激光器每个20000美元） 成形过程中没有粉尘、有毒化学气体等的泄漏，适宜办公室环境应用。,FDM技术的局限性： 成型精度较低。,应用举例各种FDM成型件：,四种快速成型技术的比较,四种快速成型技术的比较,（1）RPM技术的特点 高度集成性：是计算机技术、数控技术、激光技术及材料技术的综合集成； 高度柔性：修改CAD模型就可生成各种不同形状的零件； 快速性：大大缩短了新产品开发时间； 自由成型制造； 广泛的材料适应性：成型材料可以为液态

11、树脂、片材、粉末、丝材等； 零件的复杂程度与制造成本关系不大：适于形状复杂、不规则零件的加工； 没有或极少下脚料，是一种环保型技术。,3. 快速原型制造技术的特点及应用,（2）RPM技术的应用,应用领域,RPM在制造业的应用快速产品开发,产品装配测试,内燃机进气管功能测试,RPM在制造业的应用快速模具制造RT（Rapid Tooling）,一般来说，采用RPM技术制造模具的时间和成本均为传统技术的1/3。目前，RPM的快速制模主要是注塑模、冲压模、铸模等。 直接制模方法 采用LOM法直接制成的模具可用作低熔点合金的模具或试用注塑模； 采用SLS技术可将经过处理的金属粉制成金属模具；采用陶瓷粉作

12、为成型材料，可直接成形铸造用的陶瓷壳型。 间接制模方法 依据RP原型(SLA、SLS、FDM等成形的蜡模、LOM成形的“木模”），或对原型进行表面处理（如纸基金属模），翻制成硅橡胶模、金属树脂模、金属模等。,硅橡胶模具：,硅橡胶浇注法制作模具：是以RP原型作样件，采用室温硫化的有机硅橡胶浇注制作快速软模具的方法。 硅橡胶模具具有良好的弹性，能够制作结构复杂、花纹精细、无拔模斜度以及具有深凹槽的零件； 制件浇注完成后均可直接取出； 结合RP原型技术可以特别快速地制作复杂模具； 生产周期一般为1周左右，远比钢模的1618周快。,原型 贴粘土(橡皮泥)石膏造型去粘土 硅橡胶造型 硅橡胶模型 1 平板

13、2 模框3 粘土(或橡皮泥)4 原型5 石膏浆6 空腔 7、8 硅橡胶,基于RPM技术的熔模铸造 采用SLS和FDM技术直接制造精密铸造用蜡模； 首先利用RP原型翻制硅胶模，再用此过渡模具制造蜡模。,基于SLA技术的精密铸造,基于RPM技术的实型铸造,间接制模应用举例：,4. 快速原型制造技术的发展及趋势,（1）国外情况 国外RPM技术的研究和应用主要集中在美国、欧洲和日本。 RPM工艺装备 RPM的主流工艺：美国3D SYSTEM的SLA，美国Helisys的LOM，德国ESO的SLS，美国Stratasys的FDM，美国MITZ的三维打印(3-DP)。 RPM成型材料 成型材料影响原型的成

14、形速度、精度和物理化学性能，是RPM技术发展的关键环节。国外应用的材料较为丰富，如光固化树脂、覆膜材料（纸、塑料、陶瓷箔、金属箔等）、粉材（蜡、尼龙、陶瓷、钢等）、丝材（蜡丝、ABS丝等）。复合材料的RP技术是近期新发展。 RPM用软件的开发 软件是RPM系统的灵魂。其中CAD到RP接口的数据转换和切片处理软件是关键之一。,（2）国内情况 起步约在1991年，目前清华大学（FDM、 SLA）、华中科技大学（LOM）、上海交通大学（FDM）、西安交通大学（SLA）、南京航空航天大学（SLS）等单位在RP设备的软硬件方面做了大量的研究工作。香港地区的RP技术应用活跃。 1995年我国召开了第一届快

15、速原型制造会议； 1998年在西安交通大学召开了全国RP与RT技术会议； 1998年7月在清华大学召开了第一届北京国际快速成型及制造会议。 目前，国内已有许多家大企业引进了快速成型设备，如海尔、海信等，为企业带来了一定的效益。快速成型技术在我国有很大的潜在市场。,海尔洗衣机RPM制品,春兰空调RPM制品,（3）RPM技术面临的主要问题 材料的残余应力、RPM 技术能够处理的材料种类问题材料等方面的限制； RP所专用的成形材料和设备价格较高，及RPM本身是小批量生产，使得成本方面偏高； 成形精度与速度方面的不足。,（4）发展趋势 RPM技术向大型与微型原型的制造发展； 追求RPM的更快的制造速度

16、、更高的制造精度和可靠性； 设备安装和使用简单化，操作智能化； 快速概念原型制造和快速模具制造将是研究和商品化的重点； 建立完善的RPM行业标准化。,超高速超精密加工技术主要内容,一 超高速加工技术 超高速加工技术的内涵 超高速加工技术的关键技术（重点） 加工机理研究 主轴单元制造技术研究 进给单元制造技术研究 刀具、磨具研究 超高速加工技术的应用 超高速加工技术的发展趋势,二 超精密加工技术 超精密加工技术的内涵 超精密加工技术的关键技术（重点） 加工方法及机理研究 刀具、磨具的研究 加工装备技术研究 测量技术研究 超精密加工技术的应用 超精密加工技术的发展趋势,作 业 （1）超高速、超精密加工技术二者选择其一。 （2）按照上述提纲要求查阅文献，然后归纳总结写出“文献综述”。 （3）要求条理清晰，内容精练，30005000字。 （4）必需手写，不能打印。 （5）该作业作为本课程平时成绩的一部分，占15。,本 章 小