快速成形技術(shù)

1、快速成形與 快速模具技術(shù)劉玉山劉玉山主要內(nèi)容一、快速成形技術(shù)（一）概述（二）典型RP工藝與設(shè)備（三）RP數(shù)據(jù)處理（四）RP的應(yīng)用二、快速模具技術(shù)（一）硅膠?？焖僦颇＜夹g(shù)（二）金屬電弧噴涂快速制模技術(shù)（一）概述n設(shè)計(jì)人員的夢(mèng)想n從Paul L Dimatteo的專(zhuān)利談起（1976年）什么是快速成形？nRapid Prototyping 簡(jiǎn)稱(chēng)RPn快速成形技術(shù)是由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)的快速制造任意復(fù)雜形狀的三維物理實(shí)體的技術(shù)總稱(chēng)。n基本原理：分層制造快速成形（Rapid Prototyping，簡(jiǎn)稱(chēng)RP）技術(shù)是20世紀(jì)80年代末期發(fā)展起來(lái)的一種新型制造技術(shù)，它將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制

2、造（CAM）、計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）、激光、新材料精密伺服等先進(jìn)技術(shù)融于一體，實(shí)現(xiàn)從CAD三維模型到實(shí)際原型（零件）的加工，它不但能夠迅速地將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變成實(shí)物，而且不受零件復(fù)雜程度的限制。概括的說(shuō)，快速成形技術(shù)是由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)的快速制造任意復(fù)雜形狀的三維物理實(shí)體的技術(shù)總稱(chēng)?？焖俪尚蔚漠a(chǎn)生n20世紀(jì)80年代末，美國(guó)生產(chǎn)第一臺(tái)快速成形機(jī)（3D System SLA-250），很快波及日本和歐洲。n90年代初我國(guó)開(kāi)始涉足這一領(lǐng)域。n2002年全球安裝了1482臺(tái)，我國(guó)160臺(tái)。n目前工藝有數(shù)十種?？焖俪尚蔚脑韴D1-2RP加工過(guò)程CADCAD設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)Z Z向離散化向離散化分層制造分層制造后處理后處

3、理原型件原型件NCNC代碼生成代碼生成 疊加成形,與傳統(tǒng)的成形方式不同快速成形加工過(guò)程CAD模型Z向離散化（分層）層面信息處理層面加工與粘接層層堆積后處理分解過(guò)程組合過(guò)程STL文件NC代碼生成后處理RP加工前處理快速成形技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用快速成形技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用 n采用三維采用三維CAD模型直接驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、模型直接驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、制造的一體化制造的一體化 n高度柔性高度柔性 n快速性快速性 n材料的廣泛性材料的廣泛性 （二）典型工藝與設(shè)備nLOM工藝（Laminated Object Manufacturing，分層實(shí)體制造）nSLA工藝（Sterolithography Apparat

4、us，立體印刷成形）nFDM工藝（Fused Deposition Modeling，熔融沉積制造）nSLS工藝（Slective Laster Sintering，選域激光燒結(jié)）加工準(zhǔn)備加工準(zhǔn)備送紙送紙工作臺(tái)上升工作臺(tái)上升測(cè)高器測(cè)高測(cè)高器測(cè)高熱壓板熱壓熱壓板熱壓激光束掃描加工一層激光束掃描加工一層工作臺(tái)下降工作臺(tái)下降加工完成加工完成總層數(shù)為總層數(shù)為N當(dāng)前層當(dāng)前層N0=0N0=NN0NLOM工藝流程圖工藝流程圖LOM工藝原理工藝原理案例一案例一 汽車(chē)除霜管汽車(chē)除霜管LOM工藝制作的汽車(chē)除霜管原型工藝制作的汽車(chē)除霜管原型塑料汽車(chē)除霜管塑料汽車(chē)除霜管案例二案例二 汽車(chē)保險(xiǎn)杠汽車(chē)保險(xiǎn)杠案例三案例三

5、軍用水壺軍用水壺案例四案例四 電器接線(xiàn)合電器接線(xiàn)合案例五案例五 威士忌酒瓶威士忌酒瓶案例六案例六 衛(wèi)生坐桶衛(wèi)生坐桶典型設(shè)備nLOM工藝的典型設(shè)備有美國(guó)Helisys公司的LOM1015Plus/2030Hn清華大學(xué)的SSM500等。n新加坡Kinergy公司的ZIPPYLOM 分層實(shí)體制造分層實(shí)體制造 (1) 成形精度較高；成形精度較高； (2) 只須對(duì)輪廓線(xiàn)進(jìn)行切割，制作效率高，適合做大件及實(shí)體件；只須對(duì)輪廓線(xiàn)進(jìn)行切割，制作效率高，適合做大件及實(shí)體件； (3) 制成的樣件有類(lèi)似木質(zhì)制品的硬度，可進(jìn)行一定的切削加工。制成的樣件有類(lèi)似木質(zhì)制品的硬度，可進(jìn)行一定的切削加工。 (1) 不適宜做薄壁原

6、型；不適宜做薄壁原型； (2) 表面比較粗糙，工件表面有明顯的臺(tái)階紋，成型后要進(jìn)行打磨；表面比較粗糙，工件表面有明顯的臺(tái)階紋，成型后要進(jìn)行打磨； (3) 易吸濕膨脹，成形后要盡快表面防潮處理；易吸濕膨脹，成形后要盡快表面防潮處理； (4) 工件強(qiáng)度差，缺少?gòu)椥浴９ぜ?qiáng)度差，缺少?gòu)椥浴?中等中等 激光器有損耗，材料利用率很低，運(yùn)行費(fèi)用較高。激光器有損耗，材料利用率很低，運(yùn)行費(fèi)用較高。 漸趨淘汰漸趨淘汰 實(shí)心體大件實(shí)心體大件 鑄造行業(yè)鑄造行業(yè) SL SL 工藝原理圖 The stereolithography (SL) equipment translates CAD designs into s

7、olid objects through a combination of laser, photochemistry and software technologies. A computer-driven laser solidifies a vat of liquid resin, layer by layer, into your three-dimensional epoxy prototype part.SL parts in machine 典型設(shè)備3D System、SLAEOS 公司C-MET公司西安交大SPS、LPS、CPSSLA 光固化成型光固化成型 (1) 成形速度極快

8、，成形精度、表面質(zhì)量高；成形速度極快，成形精度、表面質(zhì)量高； (2) 適合做小件及精細(xì)件。適合做小件及精細(xì)件。 (1) 成形后要進(jìn)一步固化處理；成形后要進(jìn)一步固化處理； (2) 光敏樹(shù)脂固化后較脆，易斷裂，可加工性不好；光敏樹(shù)脂固化后較脆，易斷裂，可加工性不好； (3) 工作溫度不能超過(guò)工作溫度不能超過(guò)100，成形件易吸濕膨脹，抗腐，成形件易吸濕膨脹，抗腐蝕能力不強(qiáng)。蝕能力不強(qiáng)。 設(shè)備費(fèi)用高昂設(shè)備費(fèi)用高昂 激光器有損耗，光敏樹(shù)脂價(jià)格昂貴，運(yùn)行費(fèi)用很高。激光器有損耗，光敏樹(shù)脂價(jià)格昂貴，運(yùn)行費(fèi)用很高。 穩(wěn)步發(fā)展穩(wěn)步發(fā)展 復(fù)雜、高精度、藝術(shù)用途的精細(xì)件復(fù)雜、高精度、藝術(shù)用途的精細(xì)件 FDM噴頭噴頭原

9、理圖典型設(shè)備nStratasys公司FDM2000、FDMn清華大學(xué)MEM320MEM320 FDM 熔融沉積成型熔融沉積成型 (1) 成形材料種類(lèi)較多，成形樣件強(qiáng)度好，能直接制作成形材料種類(lèi)較多，成形樣件強(qiáng)度好，能直接制作ABS塑料；塑料； (2) 尺寸精度較高，表面質(zhì)量較好，易于裝配；尺寸精度較高，表面質(zhì)量較好，易于裝配； (3) 材料利用率高；材料利用率高； (4) 操作環(huán)境干凈、安全可在辦公室環(huán)境下進(jìn)行。操作環(huán)境干凈、安全可在辦公室環(huán)境下進(jìn)行。 (1) 成形時(shí)間較長(zhǎng)；成形時(shí)間較長(zhǎng)； (2) 做小件和精細(xì)件時(shí)精度不如做小件和精細(xì)件時(shí)精度不如SLA。 低廉低廉 無(wú)激光器損耗，材料的利用率高

10、，原材料便宜，運(yùn)行費(fèi)用極低。無(wú)激光器損耗，材料的利用率高，原材料便宜，運(yùn)行費(fèi)用極低。 飛速發(fā)展飛速發(fā)展 塑料件外形和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)塑料件外形和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 科研院校、生產(chǎn)企業(yè)科研院校、生產(chǎn)企業(yè) Sinterstation 2500 (DTM)Sinterstation 2500 System 結(jié)構(gòu)主要廠(chǎng)家nDTM、EOS、北京隆源、華中科大隆源 AFS320HRPS-IIASLS選擇性激光燒結(jié)選擇性激光燒結(jié) (1) 有直接金屬型的概念，可直接得到塑料、蠟或金屬件；有直接金屬型的概念，可直接得到塑料、蠟或金屬件； (2) 材料利用率高；造型速度較快。材料利用率高；造型速度較快。 (1) 成形件強(qiáng)度和表面質(zhì)

11、量較差，精度低。成形件強(qiáng)度和表面質(zhì)量較差，精度低。 (2) 在后處理中難于保證制件尺寸精度，后處理工藝復(fù)雜，在后處理中難于保證制件尺寸精度，后處理工藝復(fù)雜，樣件變型大，無(wú)法裝配。樣件變型大，無(wú)法裝配。 高昂高昂 激光器有損耗，材料利用率高，原材料便宜，運(yùn)行費(fèi)用居激光器有損耗，材料利用率高，原材料便宜，運(yùn)行費(fèi)用居中。中。 穩(wěn)步發(fā)展穩(wěn)步發(fā)展 鑄造件設(shè)計(jì)鑄造件設(shè)計(jì) 鑄造行業(yè)鑄造行業(yè) （三）（三）RP數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理快速原型制造（快速原型制造（RPRP）系統(tǒng)組成）系統(tǒng)組成快速原型制造系統(tǒng)快速原型制造系統(tǒng)硬件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)監(jiān)控加工軟件監(jiān)控加工軟件3D CAD軟件軟件數(shù)據(jù)處理軟件數(shù)據(jù)處理軟件軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)

12、 Pro/Engineer (62%) AutoCAD (35%) I-DEAS (18%) Unigraphics (17%) CATIA (17%) CADKEY (17%) Computervision (14%) EUCLID (7%) Intergraph (2%) Solidworks DELCAM 3DS MaxRPRP技術(shù)中數(shù)據(jù)處理的技術(shù)中數(shù)據(jù)處理的一般過(guò)程一般過(guò)程獲取零件數(shù)據(jù)獲取零件數(shù)據(jù)：通過(guò)通過(guò)CAD、RE等得到；等得到；模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：分析零件數(shù)據(jù)分析零件數(shù)據(jù)：對(duì)輸入的：對(duì)輸入的2D或或3D文件檢修；文件檢修；工藝處理工藝處理：包括定向、加支撐、排樣合并等；包

13、括定向、加支撐、排樣合并等；分層、填充分層、填充：Z向離散，填充生成掃描矢量；向離散，填充生成掃描矢量；生成生成NC代碼代碼：結(jié)合工藝參數(shù)，將掃描矢量轉(zhuǎn)結(jié)合工藝參數(shù)，將掃描矢量轉(zhuǎn) 換成成形機(jī)所需的數(shù)控指令；換成成形機(jī)所需的數(shù)控指令；監(jiān)控加工：監(jiān)控加工：該過(guò)程由監(jiān)控加工軟件完成。該過(guò)程由監(jiān)控加工軟件完成。RP技術(shù)中采用的數(shù)據(jù)文件技術(shù)中采用的數(shù)據(jù)文件v 三維CAD模型數(shù)據(jù)文件，比如IGES、 DXF、VDA-FS等等；v 三維面片格式文件，比如STL、CFL 等；v 層片格式文件，比如SLC、CLI以及 HPGL等。n就是將三維就是將三維CAD模型文件轉(zhuǎn)換成模型文件轉(zhuǎn)換成RP系統(tǒng)所需系統(tǒng)所需的模型

14、數(shù)據(jù)文件。目前的模型數(shù)據(jù)文件。目前RP系統(tǒng)大多采用表面三系統(tǒng)大多采用表面三角形模型文件角形模型文件STL文件。文件。nSTL（STereoLithography）是）是3D Systems公司最早開(kāi)發(fā)的用于公司最早開(kāi)發(fā)的用于CAD軟件與軟件與RP后續(xù)加工后續(xù)加工轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)接口，它使用一系列無(wú)序的三角形轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)接口，它使用一系列無(wú)序的三角形面片來(lái)逼近三維形體的表面。是對(duì)三維形體的面片來(lái)逼近三維形體的表面。是對(duì)三維形體的一種邊界表示（一種邊界表示（B-Rep）。目前，它已成為）。目前，它已成為RP技術(shù)領(lǐng)域事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)（技術(shù)領(lǐng)域事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)（de facto standard）。）。Solid O

15、bject_i facet normal xn, yn, zn outer loop vertex x1, y1, z1 vertex x2, y2, z2 vertex x3, y3, z3 endloop endfacet Endsolid Object_i123n（面片外法矢）x1 y1 z1x2 y2 z2x3 y3 z3xn yn zn三個(gè)頂點(diǎn)與法矢遵 循 右 手 法 則弦高（誤差）實(shí)際曲面邊界三角形的邊三角形面片近似邊界(a) 曲面模型的離散化(b) 平面模型的離散化n數(shù)據(jù)格式簡(jiǎn)單，是三維形體的一種簡(jiǎn)單表示法。數(shù)據(jù)格式簡(jiǎn)單，是三維形體的一種簡(jiǎn)單表示法。nRP技術(shù)領(lǐng)域的準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，被絕大

16、多數(shù)技術(shù)領(lǐng)域的準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，被絕大多數(shù)CAD系統(tǒng)以系統(tǒng)以及及RP系統(tǒng)采用。系統(tǒng)采用。n與原始與原始CAD模型文件相比，文件數(shù)據(jù)量較大，這模型文件相比，文件數(shù)據(jù)量較大，這是因?yàn)槠渲写嬖谠S多冗余的頂點(diǎn)和邊的信息；是因?yàn)槠渲写嬖谠S多冗余的頂點(diǎn)和邊的信息；n不包含不包含CAD模型的拓?fù)湫畔ⅲ荒Ｐ偷耐負(fù)湫畔?；n由于由于CAD軟件的原因，在生成軟件的原因，在生成STL文件時(shí)很容易文件時(shí)很容易出現(xiàn)幾何缺陷，因此需要專(zhuān)用修補(bǔ)軟件；出現(xiàn)幾何缺陷，因此需要專(zhuān)用修補(bǔ)軟件；n對(duì)于大型對(duì)于大型STL文件，后續(xù)分層處理需要較長(zhǎng)的時(shí)文件，后續(xù)分層處理需要較長(zhǎng)的時(shí)間。間。STL 文件規(guī)則文件規(guī)則n共頂點(diǎn)規(guī)則共頂點(diǎn)規(guī)則：每一個(gè)小三角

17、形必須與每個(gè)相鄰的小三角形平面共用兩個(gè)頂點(diǎn)。ABCDEABCDEABCD錯(cuò)誤錯(cuò)誤正確正確正確正確STL 文件規(guī)則文件規(guī)則n取向規(guī)則取向規(guī)則：頂點(diǎn)的排序與三角形的單位外法矢應(yīng)遵循右手定則，即：當(dāng)右手的手指從第一個(gè)頂點(diǎn)出發(fā)，經(jīng)過(guò)第二個(gè)頂點(diǎn)指向第三個(gè)頂點(diǎn)時(shí)，拇指將指向遠(yuǎn)離實(shí)體的方向，這個(gè)方向即為該小三角形平面的單位法向量方向。n231n123STL 文件規(guī)則文件規(guī)則n取值規(guī)則取值規(guī)則：每個(gè)小三角形平面的頂點(diǎn)坐標(biāo)值必須是正數(shù)，零和負(fù)數(shù)是錯(cuò)誤的。（有些CAD系統(tǒng)允許）XYZ不合法不合法合法合法STL 文件規(guī)則文件規(guī)則n合法實(shí)體規(guī)則合法實(shí)體規(guī)則：在三維模型的所有表面上，必須布滿(mǎn)小三角形平面，不得有任何遺漏

18、，不能有厚度為零的區(qū)域，外表面不能從其本身穿過(guò)。STL 文件可能存在的錯(cuò)誤文件可能存在的錯(cuò)誤n開(kāi)口，Gaps (cracks, holes, punctures), i.e., missing facets;n退化面，Degenerate facets (where all its edges are collinear);n重疊面Overlapping facets;帶有缺陷的帶有缺陷的 STL 格式模型分層后格式模型分層后在成形過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題在成形過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題n比如，若在模型的某處存在裂縫或空洞，在未經(jīng)修補(bǔ)的情況下進(jìn)行分層，則可能 產(chǎn)生不封閉的截面輪廓線(xiàn)，進(jìn)而導(dǎo)致在填充實(shí)體截

19、面輪廓時(shí)無(wú)掃描線(xiàn)終點(diǎn)。$HEADERSTART$ASCII $UNITS/1 / all coordinates are given in mm / $DATE/070493 / 7 April 1993 /$LAYERS/100 / 100 layers /$HEADEREND $GEOMETRYSTART $LAYER/5.5$POLYLINE/0,0,5,1.00,2.02,3.30,3.42,5.23,5.01,1.57,5.6,1.00,2.02$HATCHES/0,2,10.2,10.4,12.34,12.5,8.8,9.3,15.7,13.2$POLYLINE/0,1,10,1.

20、2,4.01, . $GEOMETRYENDCLI文件一般格式文件一般格式影響影響RPRP系統(tǒng)成形精度的原因系統(tǒng)成形精度的原因 q 不精確的模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；不精確的模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換； 影響影響RPRP系統(tǒng)成形精度的原因系統(tǒng)成形精度的原因 q 成形過(guò)程中出現(xiàn)的成形過(guò)程中出現(xiàn)的“臺(tái)階臺(tái)階”現(xiàn)象；現(xiàn)象； （原理誤差）（原理誤差）;q 成形過(guò)程中產(chǎn)生的翹曲變形等；成形過(guò)程中產(chǎn)生的翹曲變形等；自適應(yīng)分層與等厚分層直接分層快速成形數(shù)據(jù)處理軟件nMagic RP、STLviewnDaphne、 Insight 、CatalystSTL文件處理模塊文件處理模塊工藝處理模塊工藝處理模塊機(jī)床數(shù)控模塊機(jī)床數(shù)控模塊圖形顯示

21、模塊圖形顯示模塊輔助功能模塊輔助功能模塊拓?fù)湫畔⑻崛⊥負(fù)湫畔⑻崛TL文件檢驗(yàn)與修復(fù)文件檢驗(yàn)與修復(fù)分層與優(yōu)化分層與優(yōu)化填充及網(wǎng)格劃分填充及網(wǎng)格劃分零件排樣零件排樣拼裝拼裝手動(dòng)調(diào)試手動(dòng)調(diào)試實(shí)時(shí)監(jiān)控加工實(shí)時(shí)監(jiān)控加工機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)顯示機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)顯示STL文件光照文件光照及線(xiàn)框模型顯示及線(xiàn)框模型顯示數(shù)控文件模擬加工數(shù)控文件模擬加工分層文件顯示分層文件顯示參數(shù)設(shè)定參數(shù)設(shè)定其他模塊調(diào)試其他模塊調(diào)試數(shù)控代碼生成數(shù)控代碼生成M|RPMS集集成成軟軟件件|清清華華大大學(xué)學(xué)清華大學(xué)清華大學(xué)DaphneDaphne軟件界面軟件界面Insight 、CatalystInsight 、Catalyst快速成形數(shù)據(jù)處理過(guò)

22、程（總結(jié)）CAD模型正向設(shè)計(jì)反求設(shè)計(jì)STL文件選擇成形方向添加支撐分層掃描路徑規(guī)劃數(shù)控代碼生成（四）快速成形技術(shù)的應(yīng)用n新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用n模具制造中的應(yīng)用(快速模具)n醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用n功能梯度材料的制造新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用n模型、零件的感官評(píng)價(jià)n結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證與裝配校核n性能和功能測(cè)試醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用功能梯度材料的制造n航天飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī) 燃燒室-200-2000二、快速模具n傳統(tǒng)制模方法 多數(shù)憑經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)歷設(shè)計(jì)、制造、試模、修模多次重復(fù)，成本高周期長(zhǎng)。n快速模具制造技術(shù) 應(yīng)用快速成形方法制造模具的技術(shù)的總稱(chēng),稱(chēng)為快速模具技術(shù)。簡(jiǎn)稱(chēng)RT（Rapid Tooling）直接制模與間接制模n直接制模 用SLS、FDM、LOM等快速成型工藝方法直接制造出樹(shù)脂模、陶瓷模和金屬模。n間接制模 快速成形與精密鑄造、金屬?lài)娡恐颇?、電極研磨和粉末燒結(jié)等技術(shù)相結(jié)合的制模法。直接制模nSLA 塑料模具nLOM 紙質(zhì)模具nSLS 樹(shù)脂模、陶瓷模、金屬模nFDM 塑料模、陶瓷模、石蠟?zāi)！ｉg接制模n硅膠膜n環(huán)氧樹(shù)脂