1、快速制造技术的应用与发展趋势快速制造技术的应用与发展趋势 内内 容容 一、现代成形科学一、现代成形科学 二、快速制造技术的定义与特点二、快速制造技术的定义与特点 三、主要的快速制造技术三、主要的快速制造技术 四、快速制造技术的应用与发展趋势四、快速制造技术的应用与发展趋势 五、快速制造技术与模具工业五、快速制造技术与模具工业 一、现代成形科学一、现代成形科学 1.1 1.1 去除成形去除成形 1.2 1.2 受迫成形受迫成形 1.3 1.3 离散堆积成形离散堆积成形 1.4 1.4 生长成形生长成形 1.1 去除成形去除成形去除裕量材料而成形去除裕量材料而成形 1.2 受迫成形受迫成形在型腔约
2、束和限制下成形在型腔约束和限制下成形 1.3 离散离散- -堆积成形堆积成形材料离散成点、材料离散成点、 线、线、 面，然后堆积起来而成形面，然后堆积起来而成形 1.4 生长成形生长成形细胞繁殖而成形细胞繁殖而成形 现 代 成 形 科 学 现 代 成 形 科 学 去除成形去除成形 切削加工等切削加工等 切削机床切削机床 受迫成形受迫成形 铸造、锻造等铸造、锻造等 液压机等液压机等 离散离散-堆积堆积 LOM、FDM等等 成形设备成形设备 仿生成形仿生成形 ？ ？ 原原 理理 工工 艺艺 设设 备备 方法论方法论 2.1 2.1 离散堆积成形离散堆积成形 2.22.2 快速制造技术的定义快速制造
3、技术的定义 2.3 2.3 快速制造技术的特点快速制造技术的特点 2.4.4 快速制造技术的技术链快速制造技术的技术链 2.5.5 快速制造技术大家族快速制造技术大家族 二、快速制造技术的定义及特点二、快速制造技术的定义及特点 CAD 模型模型 Z 向离散化向离散化(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 层层堆积层层堆积 后处理后处理 分分 解解 过过 程程 组组 合合 过过 程程 计计 算算 机机 中中 信信 息息 处处 理理 成成 形形 机机 中中 堆堆 积积 成成 形形 2.1 2.1 离散堆积成形离散堆积成形 基于离散基于离散- -堆积成形原理，由零件数堆
4、积成形原理，由零件数 字模型字模型(CAD(CAD模型模型) )直接驱动，可完成直接驱动，可完成 仼意复杂形状三维实体零件的技术仼意复杂形状三维实体零件的技术 总称。总称。 2.2 2.2 快速制造技术定义快速制造技术定义 1、数字模型直接驱动； 2、任意复杂的三维几何实体； 3、通用机器，无需专用夹具和工具； 4、最少的或无人干预； 5、制造成本与批量大小无关。 2.3 2.3 快速制造技术特点快速制造技术特点 2.4 2.4 快速制造技术中的技术链快速制造技术中的技术链 反求工程 CAD STL文件 通用层片文件（CLI等） 各种RP设备 直接分层 （CLI、SLC、 HPGL CT、MR
5、I 等分层接 口文件 产生NC代码 快速制造技术中的数据处理快速制造技术中的数据处理 快速制造过程中的数据处理快速制造过程中的数据处理 STL文件的文件的ASCII格式格式 STL文件 对对STL文件的分层文件的分层 分层分层 地球模型 DXF 层片数据 相邻层对应点 相连 STL 模型 Z 图 5-4 地球 STL 模型生成过程 遥测数据卫星重构的地遥测数据卫星重构的地 球仪球仪(RP原型原型) 三、主要的快速制造技术三、主要的快速制造技术 3.1 3.1 快速制造技术的发展历程快速制造技术的发展历程 3.2 3.2 快速制造技术的分类快速制造技术的分类 3.3 3.3 主要的快速制造技术主
6、要的快速制造技术 3.1 3.1 快速制造技术的发展历程快速制造技术的发展历程 美国人美国人Dr.Hull 1984Dr.Hull 1984年从紫外灯年从紫外灯 固化树脂得到灵感，提出固化树脂得到灵感，提出SLSL工艺工艺 以来已达以来已达2626个春秋。个春秋。 年代 国别 工艺名称 专利所有人 1985 美国 叠层实体制造LOM M. Feygin 1986 美国 光固化工艺SL C. W. Hull 1986 美国 选区激光烧结SLS C. R. Deckard 1992 美国 熔融沉积制造FDM S .S. Crump 3.2 3.2 主要的快速制造技术主要的快速制造技术 1 1、立体
7、光刻、立体光刻 SLSL 2 2、分层实体制造、分层实体制造 LOM SSMLOM SSM 3 3、选区激光烧结、选区激光烧结/ /熔化熔化 SLS SLMSLS SLM 4 4、熔融沉积制造、熔融沉积制造 FDM MEMFDM MEM 5 5、无木模铸造、无木模铸造 PCM DSPC(PCM DSPC(壳型铸型）壳型铸型） 6 6、激光近净成形制造、激光近净成形制造 LENS DMD LAM SDM DLFLENS DMD LAM SDM DLF 7 7、电子束快速制造、电子束快速制造 EBM EBSM EBSFF EBFEBM EBSM EBSFF EBF3 3 3.3.1 3.3.1 主
8、要的快速制造技术（主要的快速制造技术（SLSL） 1.加工平台加工平台 2.支撑支撑 3.PC机机 4.成形零件成形零件 5.激光器激光器 6.振镜振镜 7.刮板刮板 8.升降台升降台 立体光刻立体光刻SL技术原理示意图技术原理示意图 AURO-450 立体光刻技术制造的零件立体光刻技术制造的零件 3.3.2 3.3.2 主要的快速制造技术（主要的快速制造技术（LOM LOM SSMSSM） CO2激光器 热压辊 控制计算机 供料轴 加工平面 升降台 收料轴 料带 分层实体制造分层实体制造 SSM (700SSM (700500500400 mm)400 mm) MEM (450MEM (45
9、0300300300 mm)300 mm) M M- -RPMSRPMS多功能设备多功能设备 LOM/MEMLOM/MEM设备及零件设备及零件 选区激光烧结技术SLS 3.3.3 主要的快速制造技术主要的快速制造技术 （SLS SLM） 激光器 扫描镜 激光束 平整滚筒 粉末 SLSSLS零件零件 250型双缸摩托车汽缸头型双缸摩托车汽缸头 3.3.4 3.3.4 主要的快速制造技术主要的快速制造技术 （MEM FDMMEM FDM） 模型 Pattern 计算机 Computer 丝 Filament 喷头 Heated head 丝轮 Filament Supply Model Creat
10、ed 快速原型 V 熔融沉积制造熔融沉积制造 MEMMEM设备及零件设备及零件 MEM-450 快速制造技术的应用与发展趋势快速制造技术的应用与发展趋势 桌面化设备桌面化设备 金属零件直接快速制造金属零件直接快速制造 快速制造技术与铸造相结合快速制造技术与铸造相结合 快速制造与微纳制造相结合快速制造与微纳制造相结合 快速制造与生物医学制造领域相结合快速制造与生物医学制造领域相结合 快速便捷的将三维模型转换成实物，极大的 激发学生的创新思维 提供充分的动手实践机会，培养学生自行 解决问题的能力 个性化的U盘外壳设计制作 设备加工时间约15分钟，零件消耗材料不到5克 个性化的验钞笔设计制作 设备加
11、工时间约25分 钟，零件消耗材料不 到10克 4.2 4.2 特种性能金属材料关键件特种性能金属材料关键件 快速制造快速制造 金属零件的直接快速制造是快速成形技术的金属零件的直接快速制造是快速成形技术的 发展趋势，其具有如下重要特征：发展趋势，其具有如下重要特征： 1 1、成形材料为特种性能金属材料（钛、钨、成形材料为特种性能金属材料（钛、钨 及高温合金）及高温合金） 2 2、直接得到功能零件、直接得到功能零件 3 3、主要应用于航天、国防、医疗等领域、主要应用于航天、国防、医疗等领域 目前已有目前已有1010多家公司能提供金属零件快速制多家公司能提供金属零件快速制 造设备造设备。 特种性能金
12、属材料关键件的成形方法主要特种性能金属材料关键件的成形方法主要 有以下三种：有以下三种： 1. 1. 激光选区熔化激光选区熔化SLS/SLMSLS/SLM 2. 2. 激光熔覆激光熔覆LENS/DMD/LAM/DLFLENS/DMD/LAM/DLF等等 3. 3. 电子束选区熔化电子束选区熔化EBM/EBSMEBM/EBSM DLMS ( (Direct Metal Laser Sintering,德国德国 EOS公司公司) )直接金属激光烧结技术直接金属激光烧结技术 SLM ( (Selective Laser Melting,德国德国 F&S/MCP ) )激光选区熔化技术激光选区熔化技术
13、 4.2.1 4.2.1 激光选区熔化技术激光选区熔化技术 EOSEOS公司公司直接金属激光烧结直接金属激光烧结 特点：特点： （1 1）混合金属粉末在烧结过程中可以混合金属粉末在烧结过程中可以相互弥补收缩相互弥补收缩，使，使 最终的收缩率几乎为零；最终的收缩率几乎为零； （2 2）铺粉层厚度可以达到）铺粉层厚度可以达到0.02mm0.02mm，从而大力提高了烧结，从而大力提高了烧结 件的表面粗糙度。件的表面粗糙度。 F&S/MCP公司SLM 10-30m不锈钢和工具不锈钢和工具 钢粉末，完全熔化钢粉末，完全熔化 激光熔覆快速制造技术制造的零件激光熔覆快速制造技术制造的零件 (a) 激光熔覆成
14、型后 F22 吊耳的毛坯 (b) 机加后 F22 的吊耳零件 (a) 激光熔覆成型后 F22 吊耳的毛坯 (b) 机加后 F22 的吊耳零件 激光熔敷技术激光熔敷技术( (清华清华) ) 同轴送粉喷头同轴送粉喷头 清华大学激光加工中心提供清华大学激光加工中心提供 针对激光存在的一些问题，提出以针对激光存在的一些问题，提出以电子束电子束代代 替替激光束激光束，并充分利用电子束依靠磁偏转线，并充分利用电子束依靠磁偏转线 圈进行圈进行扫描成形速度快扫描成形速度快、能量利用率高能量利用率高、无无 反射反射、真空成形环境无污染真空成形环境无污染、运行成本低等运行成本低等 特点进行特点进行钛合金钛合金等易
15、氧化、难成形金属的直等易氧化、难成形金属的直 接快速制造。接快速制造。 近年来电子束快速制造技术得到了迅速发展。近年来电子束快速制造技术得到了迅速发展。 4.2.3 电子束快速制造技术电子束快速制造技术 ArcamArcam公司公司EBMS12EBMS12 （a）起落架部件 （b）叶轮 （c）火箭发动机推进器14080mm （d）钛合金零部件原型175300mm （a）股骨头（316L不锈钢） （d）栅板零件（316L不锈钢） （b）叶轮 （c）叶片 采用快速原型的离散采用快速原型的离散- -堆积成形原理与工艺完堆积成形原理与工艺完 成铸型制造的技术与方法称为成铸型制造的技术与方法称为RPRP
16、铸型制造。铸型制造。 RPRP铸型制造又可分为铸型制造又可分为间接间接RPRP铸型制造铸型制造和和直接直接 RPRP铸型制造铸型制造，前者运用，前者运用RPRP技术所完成的仅是技术所完成的仅是 铸型的原型，需经进一步地翻制和转换才能铸型的原型，需经进一步地翻制和转换才能 获得用于浇注的铸型，如硅胶型、石膏型和获得用于浇注的铸型，如硅胶型、石膏型和 陶瓷型等；后者运用陶瓷型等；后者运用RPRP技术直接完成可供浇技术直接完成可供浇 注的铸型，如覆膜砂型、树脂砂型等。注的铸型，如覆膜砂型、树脂砂型等。 直接直接RPRP铸型制造铸型制造又可分为又可分为微滴喷射技术微滴喷射技术RPRP铸铸 型制造型制造
17、和和激光束激光束RPRP铸型制造铸型制造两大类。两大类。 4.3 铸造领域的快速制造铸造领域的快速制造 激光束激光束RP铸型制造铸型制造 EOSEOS公司的公司的DirectCastDirectCast EOSINT S 750 微滴喷射技术微滴喷射技术RPRP铸型制造铸型制造 清华大学清华大学PCMPCM技术技术 北京殷华激光快速成形及模具技术有限北京殷华激光快速成形及模具技术有限 公司与清华大学激光快速成形中心联合公司与清华大学激光快速成形中心联合 首创的无木模铸造成形技术（首创的无木模铸造成形技术（PCMPCM）首）首 次将快速成形技术应用于传统的树脂砂次将快速成形技术应用于传统的树脂砂
18、 铸造工艺中铸造工艺中, ,是一种微滴喷射是一种微滴喷射RPRP铸型制铸型制 造技术。该技术现为广东佛山峰华公司造技术。该技术现为广东佛山峰华公司 所推广。所推广。 零件 CAD 模型 铸型 CAD 模型 分层、生成扫描路径 造型完毕 清除干砂 涂敷涂料 浇注 铸件 最表层铺砂 喷射树脂粘结剂 喷射催化剂 重复（直到所有层造完） PCMPCM工艺示意图，主要针对大中型铸型的制造工艺示意图，主要针对大中型铸型的制造 PCMPCM技术的特点：技术的特点： 1 1、制造时间短、制造时间短 2 2、制造成本低、制造成本低 3 3、无需木模、无需木模 4 4、造型材料价廉易得、造型材料价廉易得 5 5、
19、一体化造型、一体化造型 6 6、型、芯同时成形、型、芯同时成形 7 7、无起模斜度、无起模斜度 8 8、易于制造含自由曲面（曲线）的铸型、易于制造含自由曲面（曲线）的铸型 9 9、能制造大型铸型、能制造大型铸型 流道宽度仅流道宽度仅8mm8mm的不锈钢叶轮砂芯的不锈钢叶轮砂芯 5.1 5.1 产品开模前原型验证产品开模前原型验证 5.25.2 小批量零件的制造小批量零件的制造 5. 3 直接金属模具制造 五、快速制造技术与模具工业五、快速制造技术与模具工业 5.1 5.1 产品开模前原型验证产品开模前原型验证 目前的目前的RP工艺中，工艺中，SLS、LOM工艺制造的薄壁件强度工艺制造的薄壁件强
20、度 太低，太低，SL工艺成本太贵，工艺成本太贵，MEM工艺具有成形材料价格工艺具有成形材料价格 低廉低廉,成形过程无污染成形过程无污染,易于制造较高强度的薄壁件，完易于制造较高强度的薄壁件，完 成的原型易于后处理等特点。成的原型易于后处理等特点。 产品定型前的原型制作已经成为工业界的一产品定型前的原型制作已经成为工业界的一 种普遍认识种普遍认识. 原型制作对设备的要求原型制作对设备的要求 成形空间合适成形空间合适 价格较低价格较低 可靠性高可靠性高 操作简便甚至无需培训操作简便甚至无需培训 材料和运行费便宜材料和运行费便宜 5.2 5.2 小批量零件制造小批量零件制造 形 状 复 杂 程 度 批量 传统加工 RM 快速制造与传统加工的快速制造与传统加工的 应用范围应用范围 影响快速制造是否被 生产实践所采用的因 素主要有两个：形状 与结构的复杂程度复杂程度和 批量大小批量大小。当批量很 小时，无论形状复杂 程度如何均值得采用 RM；当批量大时，仅 形状复杂结构的零件 才采用RM。 采用采用MEMMEM制造的原型制造的原型 消失模铸造得到的铸件消失模铸造得到的铸件 与采用激光制作石蜡型的技术与采用激光制作石蜡型的技术(SLS)(SLS)相比，相比， MEMMEM技术在制造周期及成本上均具有优势。技术在制造周期及成本上均具有优势。
