計算機(jī)輔助制造第八章

1、西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院第八章快速原型制造技術(shù)現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室2一一. 快速成形原理及特點快速成形原理及特點1.快速成型原理快速成型原理現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室31、快速成型原理快速成型原理一一. 快速成形原理及特點快速成形原理及特點 快速成形將計算機(jī)輔助設(shè)計快速成形將計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)、計算助制造、計算助制造(CAM)、計算機(jī)數(shù)字控制計算機(jī)數(shù)字控制(CNC)、激光、精密伺服驅(qū)動和新材料等、激光、精密伺服驅(qū)動和新材料等先先進(jìn)技術(shù)進(jìn)技術(shù)集于一體。集于一體。 依據(jù)計算機(jī)上構(gòu)成的工件依據(jù)

2、計算機(jī)上構(gòu)成的工件三維設(shè)計模型三維設(shè)計模型對其進(jìn)行對其進(jìn)行分層切分層切片片，得到各層截面的二維輪廓，按照這些輪廓，得到各層截面的二維輪廓，按照這些輪廓，成形頭選擇成形頭選擇性地固化一層層材料性地固化一層層材料( 樹脂樹脂/切割一層層的紙切割一層層的紙/燒結(jié)一層層的燒結(jié)一層層的粉末材料粉末材料/噴涂一層層的熱熔材料噴涂一層層的熱熔材料/粘結(jié)劑等粘結(jié)劑等)，形成各個截形成各個截面輪廓面輪廓 ，并逐步順序疊加成三維工件。，并逐步順序疊加成三維工件?，F(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室4一一. 快速成形原理及特點快速成形原理及特點成型過程示意圖成型過程示意圖現(xiàn)代

3、設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室5一一. 快速成形原理及特點快速成形原理及特點成型技術(shù)過程圖成型技術(shù)過程圖現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室6一一. 快速成形原理及特點快速成形原理及特點快速成型實例快速成型實例現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室7一一. 快速成形原理及特點快速成形原理及特點1.快速成型原理快速成型原理2.快速成型特點快速成型特點現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室8一一. 快速成形原理及特點快速成形原理及特點2、快速

4、成型特點快速成型特點1). 快速成形技術(shù)徹底擺脫了傳統(tǒng)的快速成形技術(shù)徹底擺脫了傳統(tǒng)的“去除去除”加工法。加工法。2). 而采用全新的而采用全新的“增長增長”加工法加工法用一層層用一層層的小毛坯逐步疊加成大工件，將復(fù)雜的三的小毛坯逐步疊加成大工件，將復(fù)雜的三維加工分解成簡單的二維加工的組合。維加工分解成簡單的二維加工的組合。3). 它它不必采用傳統(tǒng)的加工機(jī)床和工模具，就不必采用傳統(tǒng)的加工機(jī)床和工模具，就能直接制造出產(chǎn)品樣品或模具能直接制造出產(chǎn)品樣品或模具。 現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室9一一. 快速成形原理及特點快速成形原理及特點1.快速成型原理快

5、速成型原理2.制定加工方案，選擇加工機(jī)床類型制定加工方案，選擇加工機(jī)床類型3.快速成型發(fā)展過程快速成型發(fā)展過程現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室10一一. 快速成形原理及特點快速成形原理及特點3、快速成型發(fā)展過程快速成型發(fā)展過程現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室11二二.快速成形的效益快速成形的效益1.設(shè)計者受益設(shè)計者受益現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室12二二. 快速成形的效益快速成形的效益1、設(shè)計者受益設(shè)計者受益現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成

6、制造技術(shù)教育部重點實驗室13二二.快速成形的效益快速成形的效益1.設(shè)計者受益設(shè)計者受益2.制造者受益制造者受益現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室14二二.快速成形的效益快速成形的效益2、制造者受益制造者受益現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室15二二.快速成形的效益快速成形的效益1.設(shè)計者受益設(shè)計者受益2.制造者受益制造者受益3.推銷者受益推銷者受益 現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室16二二.快速成形的效益快速成形的效益3、推銷者受益推銷者受益現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育

7、部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室17二二.快速成形的效益快速成形的效益1.設(shè)計者受益設(shè)計者受益2.制造者受益制造者受益3.推銷者受益推銷者受益 4.用戶受益用戶受益 現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室18二二.快速成形的效益快速成形的效益4、用戶受益用戶受益現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室19 1. 前處理前處理 它包括工件的三維模型的構(gòu)造、三維模型的近似處 理、模型成形方向的選擇和三維模型的切片處理。 2. 分層疊加成形分層疊加成形 它是快速成形的核心，包括模型截面輪廓的制作 與截面輪廓的

8、疊合。 3. 后處理后處理 它包括工件的剝離、后固化、修補(bǔ)、打磨、拋光和 表面強(qiáng)化處理等。三三. 快速成形的全過程快速成形的全過程現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室20 快速成形機(jī)是分層疊加成形快速成形機(jī)是分層疊加成形(包括截面包括截面輪廓制作輪廓制作和截和截面面輪廓疊合輪廓疊合)的基本設(shè)備。的基本設(shè)備。 成形機(jī)都是基于成形機(jī)都是基于“增長增長”成形法原理，成形法原理，即用一層層的即用一層層的小薄片輪廓逐步疊加成三維工件。小薄片輪廓逐步疊加成三維工件。其差別主要在于薄片采其差別主要在于薄片采用的用的原材料類型原材料類型，由原材料，由原材料構(gòu)成截面輪廓的

9、方法構(gòu)成截面輪廓的方法，以及，以及截截面層之間的連接方式。面層之間的連接方式。四四.快速成型機(jī)及成形方法快速成型機(jī)及成形方法1、快速成形機(jī)、快速成形機(jī)現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室21 1)、液態(tài)光敏聚合物選擇性固化液態(tài)光敏聚合物選擇性固化 （Stereo Lithography Apparatus,簡稱簡稱SLA ） 2、快速成型方法、快速成型方法四四.快速成型機(jī)及成形方法快速成型機(jī)及成形方法現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室22(1) 成型材料：成型材料： 光敏樹脂光敏樹脂(2) 成型過程：成型過程：

10、a. 將計算機(jī)控制下的紫外激光，以預(yù)定的零件各分層截面將計算機(jī)控制下的紫外激光，以預(yù)定的零件各分層截面 的輪廓為軌跡，對液態(tài)樹脂逐點掃描，由點到線到面，的輪廓為軌跡，對液態(tài)樹脂逐點掃描，由點到線到面， 使被掃描區(qū)的樹脂薄層產(chǎn)生聚合硬化，從而形成零件的使被掃描區(qū)的樹脂薄層產(chǎn)生聚合硬化，從而形成零件的 一個薄層截面。一個薄層截面。液態(tài)光敏聚合物選擇性固化成型液態(tài)光敏聚合物選擇性固化成型, 簡稱簡稱SLA（Stereo Lithography Apparatus）SLA快速成型方法快速成型方法現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室23 b. 當(dāng)一層固化完畢，升降

11、工作臺移動一個層片厚度的距離，當(dāng)一層固化完畢，升降工作臺移動一個層片厚度的距離， 在原先固化好的樹脂表面再覆蓋一層新的液態(tài)樹脂以便進(jìn)在原先固化好的樹脂表面再覆蓋一層新的液態(tài)樹脂以便進(jìn) 行行 新一層掃描固化。新一層掃描固化。 c. 新固化的一層牢固地粘合在前一層上，如此重復(fù)直到整個新固化的一層牢固地粘合在前一層上，如此重復(fù)直到整個 零件原型制造完畢。零件原型制造完畢。 特點：特點：精度高、表面質(zhì)量好、原材料利用率將近精度高、表面質(zhì)量好、原材料利用率將近100%，可，可 以制造形狀特別復(fù)雜以制造形狀特別復(fù)雜(如空心零件如空心零件)、外觀特別精細(xì)、外觀特別精細(xì)(如如 首飾等首飾等)的零件。的零件。(

12、2) 成型過程：成型過程：SLA快速成型方法快速成型方法現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室24(3)成型機(jī)原理圖：成型機(jī)原理圖：SLA快速成型方法快速成型方法現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室25SLA成形過程圖成形過程圖SLA快速成型方法快速成型方法現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室26SLA快速成型方法快速成型方法現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室27 a. 優(yōu)點：優(yōu)點： 全自動化作業(yè)全自動化作業(yè) 安全可靠安全可靠 制造過程

13、簡便制造過程簡便 b. 缺點：缺點： 尺寸精度不易保證尺寸精度不易保證 成形時間較長成形時間較長 價格昂貴價格昂貴 必須有細(xì)柱狀或肋狀支撐結(jié)構(gòu)必須有細(xì)柱狀或肋狀支撐結(jié)構(gòu) SLA快速成型方法快速成型方法(4) SLA技術(shù)特點技術(shù)特點 ：現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室28SLA快速成形機(jī)快速成形機(jī)SLA快速成型方法快速成型方法現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室29 1)、液態(tài)光敏聚合物選擇性固化液態(tài)光敏聚合物選擇性固化 （Stereo Lithography Apparatus,簡稱簡稱SLA ） 2)、薄形材

14、料選擇性切割薄形材料選擇性切割（Laminated Object Manufacturing，簡稱簡稱LOM ）2、快速成型方法、快速成型方法四四.快速成型機(jī)及成形方法快速成型機(jī)及成形方法現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室30 (1) 成型材料：成型材料： 單面涂有熱溶膠的薄材單面涂有熱溶膠的薄材(涂有粘結(jié)劑覆層的紙、涂覆陶瓷箔、金屬箔涂有粘結(jié)劑覆層的紙、涂覆陶瓷箔、金屬箔等等) (2) 成型過程：成型過程： 將薄材通過熱輥加熱粘接在一起將薄材通過熱輥加熱粘接在一起,位于上方的激光器按照分層位于上方的激光器按照分層模型所獲數(shù)據(jù)，用激光束將箔材切割成所制

15、零件的內(nèi)外輪廓，然后新的模型所獲數(shù)據(jù)，用激光束將箔材切割成所制零件的內(nèi)外輪廓，然后新的一層箔材再疊加在上面，通過熱壓裝置和下面已切割層粘合在一起一層箔材再疊加在上面，通過熱壓裝置和下面已切割層粘合在一起,激光激光束再次切割，這樣反復(fù)逐層切割、粘合、切割，直至整個零件模型制作束再次切割，這樣反復(fù)逐層切割、粘合、切割，直至整個零件模型制作完成完成 。薄形材料選擇性切割（薄形材料選擇性切割（Laminated Object Manufacturing，簡稱，簡稱LOM ）LOM快速成型方法快速成型方法現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室31(3) 成型原理圖成

16、型原理圖：LOM快速成型方法快速成型方法現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室32 優(yōu)點：優(yōu)點： a、制件精度高、制件精度高 。 b、承受高達(dá)、承受高達(dá)200的溫度，較高的硬度和較好的溫度，較高的硬度和較好 的機(jī)械性能，可進(jìn)行各種切削加工。的機(jī)械性能，可進(jìn)行各種切削加工。 c、無需后續(xù)固化處理；無需設(shè)計和制作支撐結(jié)、無需后續(xù)固化處理；無需設(shè)計和制作支撐結(jié) 構(gòu)；廢料易剝離；原材料價格便宜構(gòu)；廢料易剝離；原材料價格便宜 。 d、制件尺寸可達(dá)、制件尺寸可達(dá)1180mm；機(jī)器可靠性高，壽；機(jī)器可靠性高，壽 命長，操作方便命長，操作方便 。(4)技術(shù)特點技術(shù)特點：L

17、OM快速成型方法快速成型方法現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室33 缺點：缺點： a、不能直接制作塑料工件；、不能直接制作塑料工件； b、工件（特別是薄壁件）的抗拉強(qiáng)度和彈性不夠好；、工件（特別是薄壁件）的抗拉強(qiáng)度和彈性不夠好； c、工件易吸濕膨脹，成形后應(yīng)盡快進(jìn)行表面防潮處、工件易吸濕膨脹，成形后應(yīng)盡快進(jìn)行表面防潮處 理；理； d、工件表面有臺階紋，其高度等于材料的厚度，成形、工件表面有臺階紋，其高度等于材料的厚度，成形 后需進(jìn)行表面打磨。后需進(jìn)行表面打磨。LOM快速成型方法快速成型方法(4)技術(shù)特點技術(shù)特點：現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)

18、代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室34 1)、液態(tài)光敏聚合物選擇性固化液態(tài)光敏聚合物選擇性固化 （Stereo Lithography Apparatus,簡稱簡稱SLA ） 2)、薄形材料選擇性切割薄形材料選擇性切割（Laminated Object Manufacturing，簡稱簡稱LOM ） 3)、絲狀材料選擇性熔覆絲狀材料選擇性熔覆 (Fused Deposition Modeling，簡稱，簡稱FDM ） 4)、粉末材料選擇性燒結(jié)粉末材料選擇性燒結(jié)(Selected Laser Sintering， 簡稱簡稱SLS ） 5)、粉末材料選擇性粘結(jié)粉末材料選擇性粘結(jié)(Three Di

19、mensional Printing， 簡稱簡稱TDP）2、快速成型方法、快速成型方法四四.快速成型機(jī)及成形方法快速成型機(jī)及成形方法現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室35(1)成型材料：成型材料： 熱熔性材料熱熔性材料(ABS、尼龍、蠟等材料、尼龍、蠟等材料)(2)成型過程：成型過程： a. 將將CAD模型分為一層層極薄的截面，生成控制模型分為一層層極薄的截面，生成控制FDM噴嘴移噴嘴移 動軌跡的二維幾何信息。動軌跡的二維幾何信息。 b. FDM加熱頭把熱熔性材料加熱到臨界半流動狀態(tài)加熱頭把熱熔性材料加熱到臨界半流動狀態(tài),在計算機(jī)在計算機(jī) 控制下，噴嘴

20、頭沿控制下，噴嘴頭沿CAD確定的二維幾何信息運(yùn)動軌跡擠出半確定的二維幾何信息運(yùn)動軌跡擠出半 流動的材料，沉積固化成精確的零件薄層，通過垂直升降系流動的材料，沉積固化成精確的零件薄層，通過垂直升降系 統(tǒng)降下新形成層，進(jìn)行固化。統(tǒng)降下新形成層，進(jìn)行固化。 c. 如此層層堆積粘結(jié)，自下而上形成一個零件的三維實體。如此層層堆積粘結(jié)，自下而上形成一個零件的三維實體。 絲狀材料選擇性熔覆絲狀材料選擇性熔覆 (Fused Deposition Modeling，簡稱，簡稱FDM ）LOM快速成型方法快速成型方法現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室36LOM快速成型方法

21、快速成型方法(3) 成型原理圖成型原理圖：現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室37LOM快速成型方法快速成型方法(3) 成型原理圖成型原理圖：現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室38 a. 制件的翹曲變形比制件的翹曲變形比SLA法小，原材料的利用法小，原材料的利用 率高，成形件精度可達(dá)率高，成形件精度可達(dá)0.127mm。 b. 原材料價格昂貴，成形件表面有較明顯的條原材料價格昂貴，成形件表面有較明顯的條 紋，沿成形軸垂直方向強(qiáng)度較弱，需設(shè)計、制紋，沿成形軸垂直方向強(qiáng)度較弱，需設(shè)計、制 作支撐結(jié)構(gòu)。作支撐結(jié)構(gòu)。 c.

22、 成形時間較長。成形時間較長。(4)技術(shù)特點技術(shù)特點：LOM快速成型方法快速成型方法現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室39LOM快速成型方法快速成型方法LOM成型機(jī)成型機(jī)現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室40 1)、液態(tài)光敏聚合物選擇性固化液態(tài)光敏聚合物選擇性固化 （Stereo Lithography Apparatus,簡稱簡稱SLA ） 2)、薄形材料選擇性切割薄形材料選擇性切割（Laminated Object Manufacturing，簡稱簡稱LOM ） 3)、絲狀材料選擇性熔覆絲狀材料選擇性熔覆

23、(Fused Deposition Modeling，簡稱，簡稱FDM ） 4)、粉末材料選擇性燒結(jié)粉末材料選擇性燒結(jié)(Selected Laser Sintering， 簡稱簡稱SLS ）2、快速成型方法、快速成型方法四四.快速成型機(jī)及成形方法快速成型機(jī)及成形方法現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室41(1) 成型材料：成型材料： 塑料、蠟、陶瓷和金屬的粉末材料塑料、蠟、陶瓷和金屬的粉末材料(2) 成型過程：成型過程： a. 激光束在計算機(jī)的控制下，通過掃描器以一定的速度和激光束在計算機(jī)的控制下，通過掃描器以一定的速度和 能量密度按分層面的二維數(shù)據(jù)掃描

24、。能量密度按分層面的二維數(shù)據(jù)掃描。 b. 激光束掃描之處，粉末燒結(jié)成一定厚度的實體片層，未激光束掃描之處，粉末燒結(jié)成一定厚度的實體片層，未 掃描的地方仍然保持松散的粉末狀。掃描的地方仍然保持松散的粉末狀。 c. 根據(jù)物體截層厚度而下降工作臺，鋪粉滾筒再次將粉末根據(jù)物體截層厚度而下降工作臺，鋪粉滾筒再次將粉末 鋪平后，開始新一層的掃描。如此反復(fù)，直至掃描完所鋪平后，開始新一層的掃描。如此反復(fù)，直至掃描完所 有層面。去掉多余粉末，經(jīng)打磨、烘干等處理后獲得零件。有層面。去掉多余粉末，經(jīng)打磨、烘干等處理后獲得零件。 粉末材料選擇性燒結(jié)粉末材料選擇性燒結(jié)(Selected Laser Sintering，簡稱，簡稱SLS ）SLS快速成型方法快速成型方法現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室42(3) 成型原理圖成型原理圖：SLS快速成型方法快速成型方法現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室43SLS快速成型方法快速成型方法(3) 成型原理圖成型原理圖：現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室44 1)、液態(tài)光敏聚合物選擇性固化液態(tài)光