快速成形技术课件.ppt

1、 快速成形制造技术快速成形制造技术（Rapid Prototype Manufacturing）本章主要内容：本章主要内容：快速成形制造的基本快速成形制造的基本过程过程快速成形制造的主要方法快速成形制造的主要方法 快速成形技术的主要特征快速成形技术的主要特征对快速成形技术的理解对快速成形技术的理解 快速成形制造技术的基本概念快速成形制造技术的基本概念快速成形制造技术的应用快速成形制造技术的应用与快速成形制造相关的技术与快速成形制造相关的技术11/10/20221快速成形制造的基本过程快速成形制造的基本过程CAD建模建模 分层分层层面信息处理层面信息处理层面加工与粘接层面加工与粘接层层堆积层层堆

2、积 后处理后处理 根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代码清理零件表面，去除辅助支撑结构由CAD软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体模型将三维模型沿一定方向（通常为Z向）离散成一系列有序的二维层片（习惯称为分层）成形机制造一系列层片并自动将它们联接起来，得到三维物理实体11/10/20222快速成形制造的主要方法快速成形制造的主要方法 选择性层片粘接选择性层片粘接（LOM）选择性激光烧结选择性激光烧结（SLS）熔融沉积成形熔融沉积成形（FDM）选择性液体固化选择性液体固化（SLA）11/10/20223选择性液体固化的基本原理 基于液态光敏树脂的基于液态光敏树脂的光聚

3、合原理。将激光聚集光聚合原理。将激光聚集到液态光固化材料（如光到液态光固化材料（如光固化树脂）表面逐点扫描，固化树脂）表面逐点扫描，令其有规律地固化，由点令其有规律地固化，由点到线到面，完成一个层面到线到面，完成一个层面的建造。而后升降移动一的建造。而后升降移动一个层片厚度的距离，重新个层片厚度的距离，重新覆盖一层液态材料，进行覆盖一层液态材料，进行第二层扫描，再建造一个第二层扫描，再建造一个层面，第二层就牢固地粘层面，第二层就牢固地粘贴到第一层上，由此层层贴到第一层上，由此层层迭加成为一个三维实体。迭加成为一个三维实体。11/10/20224选择性液体固化工艺选择性液体固化工艺 SLA立体光

4、刻立体光刻（SLA Stereo Lithography Apparatus)，又称立体印刷立体印刷，光成形光成形 光固化立体造型光固化立体造型 (Stereo Lithography),激光光印刷激光光印刷 （Laser Photolithography),SLA工艺于1984年获美国专利，1988年美国3D System公司推出的商品化样机SLA1，是世界上第一台快速原型技术成形机。目前，SLA各型成形机占据着RP设备市场的较大份额。这种方法的代表还有日本DMET公司的SOUP系列、D-MEC公司的SCS系列和Teijin Seiki公司的Mark1000,德国EOS公司的STEREOS系

5、列。11/10/20225立体光刻立体光刻(SLA)工艺成形的产品工艺成形的产品特点特点 SLA方法是目前快速成形技术领域方法是目前快速成形技术领域中研究得最多的方法，也是技术上最为中研究得最多的方法，也是技术上最为成熟的方法。成熟的方法。特点：特点：1.SLA 工艺成形的零件精度较高，能工艺成形的零件精度较高，能达到达到0.1mm；产品透明美观，可直产品透明美观，可直接做力学实验接做力学实验。2.但这种方法也有自身的局限性，比但这种方法也有自身的局限性，比如需要支撑、树脂收缩导致精度下如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂价格昂贵，有一定降、光固化树脂价格昂贵，有一定的毒性；且产品不能

6、溶解，不利于的毒性；且产品不能溶解，不利于环保环保。鼠标外壳激鼠标外壳激 光树脂原型光树脂原型照相机激光树脂原型照相机激光树脂原型11/10/20226选择性层片粘接的基本原理选择性层片粘接的基本原理 采用激光或刀具对片材进行采用激光或刀具对片材进行切割。首先切割出工艺边框和原切割。首先切割出工艺边框和原型的边缘轮廓线，而后将不属于型的边缘轮廓线，而后将不属于原型的材料切割成网格状。片材原型的材料切割成网格状。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。通表面事先涂覆上一层热熔胶。通过升降平台的移动和箔材的送给过升降平台的移动和箔材的送给,并利用热压辊辗压将后铺的箔材并利用热压辊辗压将后铺的箔材与先前的层片

7、粘接在一起，再切与先前的层片粘接在一起，再切割出新的层片。这样层层迭加后割出新的层片。这样层层迭加后得到下一个块状物，最后将不属得到下一个块状物，最后将不属于原型的材料小块剥除，就获得于原型的材料小块剥除，就获得所需的三维实体。所需的三维实体。11/10/20227选择性层片粘接工艺选择性层片粘接工艺 LOM分层实体制造分层实体制造（LOM）(Laminated Object Manufacturing)，又称固体切片制造固体切片制造（SSM）(Solid Slicing Manufacturing)LOM工艺由美国Helisys公司于1986年研制成功。这种方法的代表是美国Helisys公司

8、的LOM-1050和LOM-2030成形机，日本Kira公司的KSC-50成形机。11/10/202281.1.由于由于LOM工艺只须在片材上切割出零件截面的轮廓，工艺只须在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面，因此而不用扫描整个截面，因此工艺简单，成型速度快，工艺简单，成型速度快，易于制造大型零件易于制造大型零件；2.2.工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲变形，工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲变形，零件的零件的精度较高，激光切割为精度较高，激光切割为0.1mm0.1mm，刀具切割为刀具切割为0.15mm0.15mm；3.3.工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中

9、起到了工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以支撑作用，所以LOM工艺工艺无需加支撑无需加支撑；4.4.材料广泛，成本低，用纸制原料还有利于环保；材料广泛，成本低，用纸制原料还有利于环保；5.5.力学性能差，只适合做外形检查。力学性能差，只适合做外形检查。分层实体制造（分层实体制造（LOM）产品的特点产品的特点11/10/20229选择性激光烧结的基本原理选择性激光烧结的基本原理 SLS工艺是利用粉末状材工艺是利用粉末状材料成形的。先在工作台上铺上料成形的。先在工作台上铺上一层有很好密实度和平整度的一层有很好密实度和平整度的粉末，用高强度的粉末，用高强度的CO2激光器激光器

10、在上面扫描出零件截面，有选在上面扫描出零件截面，有选择地将粉末熔化或粘接，形成择地将粉末熔化或粘接，形成一个层面，利用滚子铺粉压实，一个层面，利用滚子铺粉压实，再熔结或粘接成另一个层面并再熔结或粘接成另一个层面并与原层面熔结或粘接，如此层与原层面熔结或粘接，如此层层叠加为一个三维实体。层叠加为一个三维实体。11/10/202210选择性激光烧结工艺选择性激光烧结工艺 SLS选择性激光烧结选择性激光烧结（SLS)(Selective Laser Sintering），又称激光熔结激光熔结（LF)(Laser Fusion）。选择性激光烧结工艺由美国选择性激光烧结工艺由美国德克萨斯大学奥斯汀分校于

11、德克萨斯大学奥斯汀分校于19891989年研制成功，已被美国年研制成功，已被美国DTMDTM公司商公司商品化，推出品化，推出SLS Model125SLS Model125成形机。成形机。德国德国EOSEOS公司和我国的北京隆源自公司和我国的北京隆源自动成形系统有限公司也分别推出动成形系统有限公司也分别推出了各自的了各自的SLSSLS工艺成形机工艺成形机。11/10/202211选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLS）的产品特点的产品特点1.材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、蜡等材料的零件。特别是可以制造出能直接瓷、蜡等材料的零件。特别

12、是可以制造出能直接使用的金属零件。这使使用的金属零件。这使SLS工艺颇具吸引力。工艺颇具吸引力。2.SLS工艺不需加支撑，因为没有烧结的粉末起到了工艺不需加支撑，因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用。支撑的作用。3.精度不高。平均精度为精度不高。平均精度为0.150.2mm，表面粗表面粗糙度不好，不宜做薄壁件；糙度不好，不宜做薄壁件；11/10/202212熔融沉积成形熔融沉积成形的基本原理的基本原理 将热熔性材料（将热熔性材料（ABS、尼龙尼龙或蜡）通过喷头加热器熔化；喷或蜡）通过喷头加热器熔化；喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出；材动，同时将熔

13、化的材料挤出；材料迅速凝固冷却后，与周围的材料迅速凝固冷却后，与周围的材料凝结形成一个层面；然后将第料凝结形成一个层面；然后将第二个层面用同样的方法建造出来，二个层面用同样的方法建造出来，并与前一个层面熔结在一起，如并与前一个层面熔结在一起，如此层层堆积而获得一个三维实体。此层层堆积而获得一个三维实体。（不需激光系统）（不需激光系统）11/10/202213熔融沉积成形工艺熔融沉积成形工艺 FDM熔融沉积成形熔融沉积成形(FDM)(Fused Deposition Modeling)又称熔融挤压成形熔融挤压成形(MEM)(Melted Extrusion Modeling)熔融沉积成形工艺于1

14、988年研制成功，后由美国Stratasys公司推出商品化的3D Modeler 1000和FDM1600等规格的系列产品。最新产品是制造大型ABS原型的FDM8000、Quantum等型号的产品。11/10/202214熔融沉积成形熔融沉积成形(FDM)的的产品特点产品特点1.FDM工艺不用激光器件，工艺不用激光器件，因此使用、维护简单，成因此使用、维护简单，成本较低。本较低。2.精度可达精度可达0.12mm，适适合做薄壁件。合做薄壁件。3.污染小，材料可以回收。污染小，材料可以回收。4.用蜡成形的零件原型，可以直接用于失蜡铸造。用用蜡成形的零件原型，可以直接用于失蜡铸造。用ABS制造的原制

15、造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。由于以由于以FDM工艺为代表的熔融材料堆积成形工艺具有一些显著优点，工艺为代表的熔融材料堆积成形工艺具有一些显著优点，该类工艺发展极为迅速。该类工艺发展极为迅速。11/10/202215快速成形快速成形技术技术的主要特征的主要特征 它与它与NCNC机床的主要区别在于高度柔性。无论是数控机床还是加工中心，都是针对某一类型机床的主要区别在于高度柔性。无论是数控机床还是加工中心，都是针对某一类型零件而设计的。如车削加工中心，铣削加工中心等。对于不同的零件需要不同的装夹，用不同

16、零件而设计的。如车削加工中心，铣削加工中心等。对于不同的零件需要不同的装夹，用不同的工具。虽然它们的柔性非常高，可以生产批量只有几十件、甚至几件的零件，而不增加附加的工具。虽然它们的柔性非常高，可以生产批量只有几十件、甚至几件的零件，而不增加附加成本。但它们不能单独使用，需要先将材料制成毛坯。而成本。但它们不能单独使用，需要先将材料制成毛坯。而RPRP技术具有最高的柔性，对于任何尺技术具有最高的柔性，对于任何尺寸不超过成形范围的零件，无需任何专用工具就可以快速方便的制造出它的模型寸不超过成形范围的零件，无需任何专用工具就可以快速方便的制造出它的模型(原型原型)。从制。从制造模型的角度，造模型的

17、角度，RPRP具有具有NCNC机床无法比拟的优点，即快速方便、高度柔性。机床无法比拟的优点，即快速方便、高度柔性。11/10/202216快速成形快速成形技术技术的主要特征的主要特征 CAD模型直接驱动，设计制造高度一体化；模型直接驱动，设计制造高度一体化；成形过程无需专用夹具或工具；成形过程无需专用夹具或工具；无需人员干预或较少干预，是一种自动化的成形过程；无需人员干预或较少干预，是一种自动化的成形过程；成形全过程的快速性，适合现代激烈的产品市场。成形全过程的快速性，适合现代激烈的产品市场。高度柔性，可以制造任意复杂形状的三维实体；高度柔性，可以制造任意复杂形状的三维实体；11/10/202

18、217对对快速成形快速成形技术技术的理解的理解 在快速成形技术的发展过程中，各个研究机构和人员均按照在快速成形技术的发展过程中，各个研究机构和人员均按照自己的理解赋予其不同的称谓，这些不同称谓即反映了快速成形自己的理解赋予其不同的称谓，这些不同称谓即反映了快速成形技术不同方面的重要特征。技术不同方面的重要特征。离散堆积制造离散堆积制造实体自由成形制造实体自由成形制造材料添加制造材料添加制造即时制造即时制造分层制造分层制造直接直接CADCAD制造制造 离散堆积制造是现代成形学理论中在对成形技术发展进行总结的基础上提出的，表明了模型信息处理过程的离散性，强调了成形物理过程的材料堆积性，体现了快速成

19、形技术的基本成形原理，具有较强的概括性和适应性。实体自由成形制造(Solid Freeform Fabrication)表明快速成形技术无需专用的模腔或夹具，零件的形状和结构也相应不受任何约束。RP工艺是用逐层变化的截面来制造三维形体，在制造每一层片时都和前一层自动实现联接，不需要专用夹具或工具，使制造成本完全与批量无关，既增加了成形工艺的柔性，又节省了制造工装和专用工具的大量成本。材料添加制造(Material Increase Manufacturing)将材料单元采用一定方式堆积、叠加成形，有别于车削等基于材料去除原理的传统加工工艺。即时制造(Instant Manufacturing)

20、反映该类技术的快速响应性。由于无需针对特定零件制定工艺操作规程，也无需准备专用夹具和工具，快速成形技术制造一个零件的全过程远远短于传统工艺相应过程，使得快速成形技术尤其适合于新产品的开发，显示了其适合现代科技和社会发展的快速反应的特征和时代要求。分层制造(Layered Manufacturing)将复杂的三维加工分解成一系列二维层片的加工，着重强调层作为制造单元的特点，每层可采取更低维单元进行累加或高维单元进行加工得到。直接CAD制造(Direct CAD Manufacturing)反映了快速成形是CAD模型直接驱动，实现了设计与制造一体化，计算机中的CAD模型通过接口软件直接驱动快速成形

21、设备，接口软件完成CAD数据向设备数控指令的转化和成形过程的工艺规划，成形设备则象打印机一样“打印”零件，完成三维输出。快速成形由于采用了离散/堆积的加工工艺，CAD和CAM能够很顺利地结合在一起，快速成形的工艺规划主要作用是对成形过程进行优化以提高造型精度、速度和质量，所以快速成形可容易地实现设计制造一体化。11/10/202218快速成形制造技术的基本概念快速成形制造技术的基本概念快速成形快速成形（RP Rapid Prototyping）技术技术是一种基于离散堆积成形思想的新型成形技术，是集成计算机、数控、激光和新材料等最新技术而发展起来的先进的产品研究与开发技术。快速成形制造快速成形制

22、造(RPM Rapid Prototyping Manufacturing）技术技术是使用RP技术，由CAD模型直接驱动的快速完成任意复杂形状三维实体零件的技术的总称。11/10/202219快速成形制造技术的应用快速成形制造技术的应用全球全球RP设备装机量设备装机量医学医学实验分析模型实验分析模型快速模具快速模具快速铸造快速铸造新产品快速开发制造新产品快速开发制造11/10/202220快速成形制造在医学上的应用快速成形制造在医学上的应用 根据根据CTCT扫描信息，应用熔融挤压快扫描信息，应用熔融挤压快速成形的方法可以快速制造人体的骨骼速成形的方法可以快速制造人体的骨骼（如颅骨、牙齿）和软组

23、织（如肾）等模（如颅骨、牙齿）和软组织（如肾）等模型，并且不同部位采用不同颜色的材料成型，并且不同部位采用不同颜色的材料成形，病变组织可以用醒目颜色，可以进行形，病变组织可以用醒目颜色，可以进行手术模拟、人体骨关节的配制，颅骨修复。手术模拟、人体骨关节的配制，颅骨修复。在康复工程上，采用熔融挤压快速成在康复工程上，采用熔融挤压快速成形的方法制造人体假肢具有最快的成形速形的方法制造人体假肢具有最快的成形速度，假肢和肌体的结合部位能够做到最大度，假肢和肌体的结合部位能够做到最大程度的吻合，减轻了假肢使用者的痛苦。程度的吻合，减轻了假肢使用者的痛苦。11/10/202221快速成形制造应用在实验分析

24、模型上快速成形制造应用在实验分析模型上 利用加工的样品，找出新产品外观&结构设计缺陷，完善设计。利用加工出的样品可以进行装配和功能验证。利用新产品样件可先进行市场调研，投标、招标。11/10/202222快速成形制造在快速模具上的应用快速成形制造在快速模具上的应用下一页11/10/202223快速成形制造在快速铸造上的应快速成形制造在快速铸造上的应用用点击看铸件11/10/202224新产品快速开发制造系统新产品快速开发制造系统11/10/202225与快速成形制造相关的技术与快速成形制造相关的技术RPM是多种技术的交叉结合，主要的相关技术有是多种技术的交叉结合，主要的相关技术有：计算机辅助设

25、计计算机辅助设计(CAD)(CAD)反求工程反求工程数控技术数控技术(NC)(NC)材料技术材料技术11/10/202226计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD)(CAD)与与RPMRPM 利用三维实体产品模型，设计者在设计产品时，不需要将三维物体进行投影，想象各种角度的视图，用多个剖面表示内容结构，用多个视图解释投影的二义性。而可以直接在计算机上构造三维物体，并赋以质量、颜色等特性，并从任意角度观察物体。随着参数化特征造型技术的发展，设计人员还可以在零件上构造具有加工工艺特性的特征结构，修改原先设计的尺寸，使零件的形态按要求进行变化。新的设计手段大大方便了设计人员。一方面他们可以构造任意复杂

26、的零件表面形状和内部结构，而无需考虑如何表达它们的二维投影；另一方面他们可以把头脑中的设计灵感直接映射到计算机构成的三维空间中，而无需经过二维平面手段作为媒介。产品模型发展到实体模型，能较完整的表示一个三维物体。这为RP技术的产生准备了条件，同时也提出了需求。因为如果没有能表示三维物体的数据模型，而只是一些图纸，想要用RP的原理制造出实体模型就需要手工计算出各个截面，编制每个截面的加工代码。计算劳动量太大，以致无法实现。11/10/202227卫星遥感地表高程数据重构的地卫星遥感地表高程数据重构的地球三维快速原型球三维快速原型反求工程与反求工程与RPM11/10/202228数控技术数控技术(

27、NC)(NC)与与RPMRPM RPRP技术就是数控技术最新应用的领域技术就是数控技术最新应用的领域之一。之一。RPRP技术要求将材料精确地堆积，并技术要求将材料精确地堆积，并长时间保持较高的定位精度，防止错层。长时间保持较高的定位精度，防止错层。如果没有高可靠性、高精度的数控系统是如果没有高可靠性、高精度的数控系统是无法实现的。数控技术的应用，是无法实现的。数控技术的应用，是RPRP技术技术能够产生并发展成熟必不可少的条件。能够产生并发展成熟必不可少的条件。11/10/202229材料技术与材料技术与RPM 成型材料是成型材料是RPMRPM技术发展的关键环节。技术发展的关键环节。它影响原型的

28、成型速度、精度和物理、化它影响原型的成型速度、精度和物理、化学性能，直接影响到原型的二次应用和用学性能，直接影响到原型的二次应用和用户对成型工艺设备的选择。户对成型工艺设备的选择。与与RPMRPM制造的四个目标（概念型、测试制造的四个目标（概念型、测试型，模具型，功能零件）相适应，对成型型，模具型，功能零件）相适应，对成型材料的要求也不同。材料的要求也不同。1.概念型概念型对材料成型精度和物理化学特性要求不高，主要要求成对材料成型精度和物理化学特性要求不高，主要要求成型速度快。如对光固化树脂，要求较低的临界曝光功率、较大型速度快。如对光固化树脂，要求较低的临界曝光功率、较大的穿透深度和较低的粘

29、度。的穿透深度和较低的粘度。11/10/202230材料技术与材料技术与RPM 成型材料是成型材料是RPMRPM技术发展的关键环节。技术发展的关键环节。它影响原型的成型速度、精度和物理、化它影响原型的成型速度、精度和物理、化学性能，直接影响到原型的二次应用和用学性能，直接影响到原型的二次应用和用户对成型工艺设备的选择。户对成型工艺设备的选择。与与RPMRPM制造的四个目标（概念型、测试制造的四个目标（概念型、测试型，模具型，功能零件）相适应，对成型型，模具型，功能零件）相适应，对成型材料的要求也不同。材料的要求也不同。2.测试型测试型对于材料成型后的强度、刚度、耐温性、抗蚀性等有一定对于材料成

30、型后的强度、刚度、耐温性、抗蚀性等有一定要求，以满足测试要求。如果用于装配测试，则对于材料成型的要求，以满足测试要求。如果用于装配测试，则对于材料成型的精度还有一定要求。精度还有一定要求。11/10/202231材料技术与材料技术与RPM 成型材料是成型材料是RPMRPM技术发展的关键环节。技术发展的关键环节。它影响原型的成型速度、精度和物理、化它影响原型的成型速度、精度和物理、化学性能，直接影响到原型的二次应用和用学性能，直接影响到原型的二次应用和用户对成型工艺设备的选择。户对成型工艺设备的选择。与与RPMRPM制造的四个目标（概念型、测试制造的四个目标（概念型、测试型，模具型，功能零件）相

31、适应，对成型型，模具型，功能零件）相适应，对成型材料的要求也不同。材料的要求也不同。3.模具型模具型要求材料适应具体模具制造要求，如对于消失模铸造用原要求材料适应具体模具制造要求，如对于消失模铸造用原型，要求材料易于去除。型，要求材料易于去除。11/10/202232材料技术与材料技术与RPM 成型材料是成型材料是RPMRPM技术发展的关键环节。技术发展的关键环节。它影响原型的成型速度、精度和物理、化它影响原型的成型速度、精度和物理、化学性能，直接影响到原型的二次应用和用学性能，直接影响到原型的二次应用和用户对成型工艺设备的选择。户对成型工艺设备的选择。与与RPMRPM制造的四个目标（概念型、测试制造的四个目标（概念型、测试型，模具型，功能零件）相适应，对成型型，模具型，功能零件）相适应，对成型材料的要求也不同。材料的要求也不同。4.快速快速功能零件功能零件要求材料具有较好的力学性能和化学性能。从解决的要求材料具有较好的力学性能和化学性能。从解决的方法看，一个是研究专用材料以适应专门需要；另一个是根据用途方法看，一个是研究专用材料以适应专门需要；另一个是根据用途分类，研究几类通用材料以适应多种需要。分类，研究几类通用材料以适应多种需要。11/10/202233