先進(jìn)制造技術(shù)39S

1、v rapid prototyping-rpv rp技術(shù)是技術(shù)是20世紀(jì)世紀(jì)80年代后期發(fā)展年代后期發(fā)展起來的一項高科技成果。起來的一項高科技成果。v rp技術(shù)對制造業(yè)的影響可以和技術(shù)對制造業(yè)的影響可以和20世紀(jì)世紀(jì)5060年代發(fā)展起來的數(shù)控技術(shù)相媲美。年代發(fā)展起來的數(shù)控技術(shù)相媲美。 rp技術(shù)是基于離散技術(shù)是基于離散(discrete)和堆積和堆積(deposit)原理，將零件的原理，將零件的cad模型按一定模型按一定方式離散，成為可加工的離散面、離散線方式離散，成為可加工的離散面、離散線和離散點，而后采用物理或化學(xué)手段，將和離散點，而后采用物理或化學(xué)手段，將這些離散的面、線段和點堆積而形成零

2、件這些離散的面、線段和點堆積而形成零件的整體形狀。的整體形狀。2:55:464零件在零件在cad/cam中的處理過程中的處理過程零件的快速成形零件的快速成形l sla 光固化立體造型法，三維光固化立體造型法，三維光刻法光刻法,l sls 激光粉末燒結(jié)法；激光粉末燒結(jié)法；l lom薄片疊層法；薄片疊層法；l fdm熔絲堆積法；熔絲堆積法；sl-stereo (鉛版鉛版, 立體照片立體照片) lithogra-phy(平版印刷術(shù)平版印刷術(shù)) apparatusv sl法最成熟，也是市場的最大占有者。法最成熟，也是市場的最大占有者。v 美國美國3d systems公司公司1988年年 制造第一臺制造

3、第一臺原型機(jī)原型機(jī) （sla-1）v 發(fā)明人發(fā)明人charles hul ，1984年獲美國專利年獲美國專利 基于液態(tài)光敏基于液態(tài)光敏(photosensitive)樹脂樹脂(resin)的光聚合的光聚合( polymerize )原理。原理。 光敏樹脂在一定波長和功率的紫外激光敏樹脂在一定波長和功率的紫外激光的照射下能夠迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，光的照射下能夠迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，分子量急劇增大，材料也能從液態(tài)轉(zhuǎn)變分子量急劇增大，材料也能從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。為固態(tài)。2:55:468液體材料容器紫外光液態(tài)光敏樹脂液面成形開始時，工作臺在液面下的一個確定深度，工作臺液面始終處于激光的焦平面，聚焦后的光斑在

4、液面上按計算機(jī)指令逐點掃描，逐點固化（分層固化）2:55:469一層掃描完成后，除該層及之前成型部分，其余仍是液態(tài)樹脂。升降臺帶動工作臺下降一層高度，成型面上又布滿一層樹脂。 刮平器刮平樹脂液面，再進(jìn)行下一層的掃描； 新固化的一層牢固地粘在前一層上。如此重復(fù)直到整個零件制造完畢，即得到一個三維實體模型。刮平器升降臺工作臺 精度高、表面質(zhì)量好精度高、表面質(zhì)量好(精度在精度在0.1mm國內(nèi)國內(nèi)sla精精度在度在0.10.3mm之間，并且存在很大的波動性）；之間，并且存在很大的波動性）； ； 原材料利用率接近原材料利用率接近100%; 制造出來的原型件，可以制造各種模具。制造出來的原型件，可以制造各

5、種模具。成形速度較快、系統(tǒng)工作相對穩(wěn)定成形速度較快、系統(tǒng)工作相對穩(wěn)定 能制造形狀能制造形狀特別復(fù)雜（如空心零件）、特特別復(fù)雜（如空心零件）、特別精細(xì)（如首飾、工藝品等）的零件別精細(xì)（如首飾、工藝品等）的零件；2:55:4611 v 美國美國c. r. dechard 1989年發(fā)明年發(fā)明 sls工藝是利用粉末材料（金屬粉工藝是利用粉末材料（金屬粉末或非金屬粉末）在激光照射下燒結(jié)的末或非金屬粉末）在激光照射下燒結(jié)的原理，在計算機(jī)控制下層層堆積成形。原理，在計算機(jī)控制下層層堆積成形。粉末平鋪粉末平鋪(工作臺工作臺)工作平臺下降工作平臺下降(約約0.1mm)粉末燒結(jié)粉末燒結(jié)(激光束掃描激光束掃描)輥

6、子刮平輥子刮平層與層燒結(jié)層與層燒結(jié)三維實體原型三維實體原型 材料適應(yīng)面廣材料適應(yīng)面廣 塑料材料塑料材料 陶瓷、石蠟等材料陶瓷、石蠟等材料 直接制造金屬零件直接制造金屬零件 無需加支撐無需加支撐 沒被燒結(jié)的粉末起支撐作用沒被燒結(jié)的粉末起支撐作用 可燒結(jié)制造空心、多層鏤空的復(fù)雜零件可燒結(jié)制造空心、多層鏤空的復(fù)雜零件。零件的構(gòu)建時間較短，可達(dá)到零件的構(gòu)建時間較短，可達(dá)到1in/h高度高度 2:55:4717 v 美國美國helisys公司研制成功公司研制成功v 因為常用因為常用“紙紙”作原料，因此又稱為作原料，因此又稱為“紙紙片疊層法片疊層法”。片層表面涂熱溶膠片層表面涂熱溶膠（當(dāng)前工作表面）（當(dāng)前

7、工作表面）工作臺下降工作臺下降(成形片材與多余片材分開成形片材與多余片材分開)熱壓輥熱壓熱壓輥熱壓層與層粘結(jié)層與層粘結(jié)三維實體原型三維實體原型供料機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動供料機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(收料軸收料軸/供料軸供料軸)新材料層移動新材料層移動激光束切割激光束切割(零件輪廓和工件外框架零件輪廓和工件外框架)v lom工藝只需要在片材（如紙、塑料薄膜工藝只需要在片材（如紙、塑料薄膜等）上切割出零件截面的輪廓，而不用掃描整等）上切割出零件截面的輪廓，而不用掃描整個截面。因此易于制造大型、實體零件。個截面。因此易于制造大型、實體零件。v 工件外框與截面輪廓之間的多余材料在工件外框與截面輪廓之間的多余材料在加工中起到了支撐作

8、用，故無需支撐。加工中起到了支撐作用，故無需支撐。 v 零件的精度較高（零件的精度較高（0.15mm）。）。2:55:4821fdm（fused(熔絲熔絲的的) deposition （沉沉積積）manufacturing） v 美國學(xué)者美國學(xué)者dr. scott crump 提出提出v 1988年年 美國美國stratasys推出商業(yè)化機(jī)器推出商業(yè)化機(jī)器 fdm工藝是利用熱塑性材料的熱熔工藝是利用熱塑性材料的熱熔性、粘接性，在計算機(jī)控制下層層堆性、粘接性，在計算機(jī)控制下層層堆積成型。積成型。抽絲抽絲(熱塑性材料熱塑性材料)工作臺下降工作臺下降噴頭運(yùn)動噴頭運(yùn)動(沿零件截面輪廓和填充軌跡沿零件截

9、面輪廓和填充軌跡)加熱熔化加熱熔化（噴頭內(nèi)）（噴頭內(nèi)）三維實體原型三維實體原型熔絲擠出熔絲擠出,固化固化 fdm工藝不需要激光工藝不需要激光工藝干凈、簡單、易于材作且不產(chǎn)生垃圾，使用、維護(hù)簡工藝干凈、簡單、易于材作且不產(chǎn)生垃圾，使用、維護(hù)簡單，制造系統(tǒng)可用于辦公環(huán)境，沒有毒氣或化學(xué)物質(zhì)的危險。單，制造系統(tǒng)可用于辦公環(huán)境，沒有毒氣或化學(xué)物質(zhì)的危險。 成本較低，原材料費(fèi)用低，一般零件均低于成本較低，原材料費(fèi)用低，一般零件均低于20美元；原美元；原材料以卷軸絲的形式提供，易于搬運(yùn)和快速更換。材料以卷軸絲的形式提供，易于搬運(yùn)和快速更換?？煽焖贅?gòu)建瓶狀或中空零件可快速構(gòu)建瓶狀或中空零件。 可選用多種材料

10、，如可染色的可選用多種材料，如可染色的abs和醫(yī)用和醫(yī)用abs、澆鑄用蠟、澆鑄用蠟和人造橡膠。和人造橡膠。 2:55:4926（three dimension printing )v 麻省理工學(xué)院的麻省理工學(xué)院的emanual sachs等等提出提出 tdp工工 藝藝 與與sls工藝類似，采用工藝類似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末、金屬粉末粉末材料成形，如陶瓷粉末、金屬粉末、甚至淀粉和石膏粉末等。所不同的是、甚至淀粉和石膏粉末等。所不同的是材料粉末不是通過燒結(jié)連接起來的，而材料粉末不是通過燒結(jié)連接起來的，而是通過噴頭用粘接劑是通過噴頭用粘接劑(如硅膠如硅膠)將零件的將零件的截面截面“印刷印刷”

11、在材料粉末上面。在材料粉末上面。2:55:49303dp 快速成形技術(shù)的優(yōu)點n1)3dp 快速成形機(jī)類似打印機(jī)，易于操作，工藝過程較為清潔，可作為計算機(jī)的外圍設(shè)備用于辦公環(huán)境。n2)可使用多種原材料，如淀粉加粘合劑、液態(tài)蠟，熔融塑料或光敏樹脂等。n3)3dp 快速成形機(jī)的價格較為便宜。n4)成形速度較快，z 406 型tdp快速成形機(jī)單色每分鐘可打印6 層(06mm 厚)。2:55:49313dp 快速成形技術(shù)的缺點n1)精度和表面粗糙度不夠理想，主要用于制作概念模型，不適合構(gòu)建結(jié)構(gòu)復(fù)雜和細(xì)節(jié)較多的原型。n2)由于材料從噴嘴中噴出，以微粒堆砌成為三維原型，微粒粘合力有限，原型的強(qiáng)度較小。2:5

12、5:4932三維模型三維模型生成生成stl文件文件建立支撐建立支撐切片切片造型造型除去支撐除去支撐清理表面清理表面穩(wěn)定處理穩(wěn)定處理成品成品cad前處理前處理快速造型快速造型后處理后處理2:55:49332:55:4934 成形工藝成形工藝 光敏樹脂固化光敏樹脂固化 薄材疊層制造薄材疊層制造 激光粉末燒結(jié)激光粉末燒結(jié) 三維打印三維打印 主要供應(yīng)商主要供應(yīng)商 3d systems 3d systems cubic cubic technologies technologies eos eos z zcorporatiocorporation n 設(shè)備型號設(shè)備型號 sla 5000 sla 5000

13、 lom 2030h lom 2030h eosint m 250 eosint m 250 z 6 l o z 6 l o 最大成行尺寸（最大成行尺寸（mmmm） 508508508508584 584 8l2x560 x508 8l2x560 x508 250250250250200 200 203203254254203 203 成形速度成形速度中等中等快快中等中等很快很快成形精度成形精度很高很高一般一般高高一般一般光潔度光潔度很高很高一般一般一般一般一般一般主要優(yōu)點主要優(yōu)點原型形狀精確原型形狀精確原型尺寸大原型尺寸大原型較精確原型較精確成形速度快成形速度快設(shè)備類型較多設(shè)備類型較多材料便

14、宜材料便宜材料多樣化材料多樣化彩色原型彩色原型主要缺點主要缺點需要支撐結(jié)需要支撐結(jié)后處理費(fèi)事后處理費(fèi)事設(shè)備價格高設(shè)備價格高原型強(qiáng)度低原型強(qiáng)度低構(gòu)和后處理構(gòu)和后處理原型精度低原型精度低表面光潔度低表面光潔度低表面光潔度低表面光潔度低v 堆砌材料堆砌材料 片狀、粒狀、液體片狀、粒狀、液體v 堆砌技術(shù)堆砌技術(shù) 膠粘劑粘結(jié)、光誘導(dǎo)粘結(jié)、激光熔膠粘劑粘結(jié)、光誘導(dǎo)粘結(jié)、激光熔合、高分子樹脂固化、熔融材料固化合、高分子樹脂固化、熔融材料固化v 我國于我國于20世紀(jì)世紀(jì)90年代初研究。年代初研究。v 研究機(jī)構(gòu)研究機(jī)構(gòu)：l 華中科技大學(xué)快速制造中心華中科技大學(xué)快速制造中心l 陜西省激光快速成形與模具制造工程研究

15、中心陜西省激光快速成形與模具制造工程研究中心l 西安交通大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)研究所（盧秉恒）西安交通大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)研究所（盧秉恒）l 北京清華大學(xué)殷華實業(yè)有限公司（顏永年）北京清華大學(xué)殷華實業(yè)有限公司（顏永年）l 快速成型技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛快速成型技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛(制造領(lǐng)域的制造領(lǐng)域的各個行業(yè)、醫(yī)療、人體工程、文物保護(hù)等各個行業(yè)、醫(yī)療、人體工程、文物保護(hù)等)。l 新產(chǎn)品驗證（設(shè)計，功能，可制造性、新產(chǎn)品驗證（設(shè)計，功能，可制造性、可裝配性檢驗，市場驗證）可裝配性檢驗，市場驗證）l 快速制模技術(shù)；快速制模技術(shù)；l 反求工程與快速成型；反求工程與快速成型；l 醫(yī)療手術(shù)模擬；醫(yī)療手術(shù)模擬；p 使用快

16、速成型技術(shù)快速制作產(chǎn)品的物理模使用快速成型技術(shù)快速制作產(chǎn)品的物理模型，以驗證設(shè)計人員的構(gòu)思，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計型，以驗證設(shè)計人員的構(gòu)思，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計中存在的問題。中存在的問題。p 使用傳統(tǒng)方法制作原型意味著從繪圖到工使用傳統(tǒng)方法制作原型意味著從繪圖到工裝模具設(shè)計和制造，一般至少歷時數(shù)月，經(jīng)過裝模具設(shè)計和制造，一般至少歷時數(shù)月，經(jīng)過多次返工和修改。采用快速成型技術(shù)則可節(jié)省多次返工和修改。采用快速成型技術(shù)則可節(jié)省大量時間和費(fèi)用。大量時間和費(fèi)用。 4.1 新產(chǎn)品設(shè)計驗證新產(chǎn)品設(shè)計驗證 使用快速成型技術(shù)制作的原型可直使用快速成型技術(shù)制作的原型可直接進(jìn)行裝配檢驗、干涉檢查和模擬產(chǎn)品接進(jìn)行裝配檢驗、干涉檢查和模

17、擬產(chǎn)品真實工作情況的一些功能試驗，如運(yùn)動真實工作情況的一些功能試驗，如運(yùn)動分析、應(yīng)力分析、流體和空氣動力學(xué)分分析、應(yīng)力分析、流體和空氣動力學(xué)分析等，從而迅速完善產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能、析等，從而迅速完善產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能、相應(yīng)的工藝及所需工模具的設(shè)計。相應(yīng)的工藝及所需工模具的設(shè)計。4.2 新品功能驗證新品功能驗證 快速成型技術(shù)是一種面向裝配和制快速成型技術(shù)是一種面向裝配和制造設(shè)計的配套技術(shù)，對開發(fā)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的造設(shè)計的配套技術(shù)，對開發(fā)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的新產(chǎn)品（如汽車、飛機(jī)、衛(wèi)星、導(dǎo)彈新產(chǎn)品（如汽車、飛機(jī)、衛(wèi)星、導(dǎo)彈等），事先驗證零件的可制造性、零件等），事先驗證零件的可制造性、零件之間的相互關(guān)系以及部件的可裝配性

18、尤之間的相互關(guān)系以及部件的可裝配性尤為重要。為重要。 4.3 可制造性、可裝配性檢驗可制造性、可裝配性檢驗 在新產(chǎn)品正式投產(chǎn)之前或按照定單制在新產(chǎn)品正式投產(chǎn)之前或按照定單制造時，需要制作產(chǎn)品的展覽樣品或攝制產(chǎn)造時，需要制作產(chǎn)品的展覽樣品或攝制產(chǎn)品樣本照片，采用快速成型是理想的方法。品樣本照片，采用快速成型是理想的方法。當(dāng)客戶詢問產(chǎn)品情況時，能夠提供物理原當(dāng)客戶詢問產(chǎn)品情況時，能夠提供物理原型無疑會加深客戶對產(chǎn)品的印象。型無疑會加深客戶對產(chǎn)品的印象。 4.4 新品市場驗證新品市場驗證 根據(jù)根據(jù)ct掃描信息，快速制作出實物模掃描信息，快速制作出實物模型，可以進(jìn)行手術(shù)模擬、人體骨關(guān)節(jié)的配型，可以進(jìn)行手術(shù)模擬、人體骨關(guān)節(jié)的配制，顱骨修復(fù)。制，顱骨修復(fù)。 4.5 醫(yī)療手術(shù)模擬醫(yī)療手術(shù)模擬 在許多情況下，人們希望快速成得到的在許多情況下，人們希望快速成得到的零件與最終零件具有相同的物理機(jī)械特性。零件與最終零件具有相同的物理機(jī)械特性。因此，需要用各種轉(zhuǎn)換技術(shù)將快速成型轉(zhuǎn)換因此，需要用各種轉(zhuǎn)換技術(shù)將快速成型轉(zhuǎn)