1、現(xiàn)代制造技術(shù),先進制造工藝,主 要 內(nèi) 容,發(fā)展現(xiàn)狀 特種加工技術(shù) 快速原型制造技術(shù) 超高速超精密加工技術(shù),快速原型制造技術(shù)主要內(nèi)容,快速原型制造技術(shù)概述 幾種典型快速原型制造技術(shù) 立體印刷（SLA） 分層實體制造（LOM） 選擇性激光燒結(jié)（SLS） 熔融沉積成型（FDM） 快速原型制造技術(shù)的特點及應用 快速原型制造技術(shù)的發(fā)展趨勢,1. 快速原型制造技術(shù)概述,（1）產(chǎn)生背景 傳統(tǒng)的成形方法 去除成形（切削、磨削、電火花加工、激光加工，等） 受迫成形（鑄造、鍛壓、注塑成型、粉末冶金，等） 生產(chǎn)的發(fā)展對產(chǎn)品成形提出了新的要求 新產(chǎn)品開發(fā)速度：快速響應市場 制造技術(shù)的柔性：適應產(chǎn)品的多品種、小批量

2、CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學、激光技術(shù)等的發(fā)展為新的制造技術(shù)的產(chǎn)生奠定了基礎 20世紀80年代后期產(chǎn)生了快速原型制造技術(shù)，最早出現(xiàn)于美國，并迅速擴展到日本及歐洲，成為近20年來制造技術(shù)領域的一項重大突破。,（2）內(nèi)涵 快速原型制造技術(shù)（Rapid Prototype Manufacturing，RPM）：又稱為快速成型技術(shù)，是由CAD模型直接驅(qū)動、快速制造任意形狀三維實體的技術(shù)總稱。 快速原型制造技術(shù)綜合利用了CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學、機械工程、激光技術(shù)等先進技術(shù)，能夠快速實現(xiàn)從零件設計到三維實體制造的過程。 它可以在無需準備任何模具、刀具和工裝夾具的情況下，直接接受產(chǎn)品設計（CAD）

3、數(shù)據(jù)，快速制造出新產(chǎn)品的樣件、模具或模型。,（3） 基本原理 任何三維零件都可以看作是許多二維平面沿某一坐標方向疊加而成的。（離散堆積）,RPM技術(shù)的基本原理： 利用CAD軟件，設計出產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)模型或?qū)嶓w模型； 利用切片軟件，將CAD模型離散化，即沿某一方向分層切片，分割成許多層面，獲得各層面的輪廓數(shù)據(jù)； 在計算機分層信息的控制下，通過一定的手段和設備，順序加工出各層面的實體輪廓形狀； 通過熔合、粘結(jié)等手段，使獲得的各實體層面逐層堆積成一體，從而快速制造出所要求形狀的零部件或模型。 即采用“分層制造，逐層疊加”的“增長法”成型工藝,（4）RPM技術(shù)的步驟 快速原型制造技術(shù)可歸納為以下三個過

4、程： 前處理過程：包括工件三維模型的建立、STL文件的轉(zhuǎn)換、成形方向的選擇及三維模型的切片分層處理。 分層疊加成形過程：是快速成型技術(shù)的核心，包括成型材料、物理原理及設備的選擇；模型各層面輪廓的制作與疊合。 后處理過程：工件的剝離、固化、修補、打磨、拋光、表面強化處理等。,CAD模型轉(zhuǎn)換為STL格式：即以三角網(wǎng)絡的形式逼近工件曲面與輪廓,2. 幾種典型快速原型制造技術(shù),現(xiàn)有的RPM工藝有30多種，根據(jù)采用材料及對材料處理方式的不同，可歸納為5類：即選擇性液體固化、選擇性層片粘接、選擇性粉末熔結(jié)、擠壓成形、噴墨印刷。 目前國內(nèi)外幾種典型的商品化RPM技術(shù)主要有： 立體印刷（SLA） 分層實體制造

5、（LOM） 選擇性激光燒結(jié)（SLS） 熔融沉積成型（FDM）,（一）立體印刷成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA） SLA是最早出現(xiàn)的一種快速成型技術(shù)，是目前RPM領域中研究最多、技術(shù)最成熟的方法。 成形介質(zhì)：液態(tài)光固化樹脂（光敏樹脂），如環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂等。 成形手段：利用一定劑量的紫外激光照射液態(tài)光固化樹脂，使樹脂發(fā)生聚合反應，迅速固化成型各層面。 成形機組成：液槽、可升降工作臺、激光器、掃描系統(tǒng)、計算機數(shù)控系統(tǒng),SLA工藝原理圖,升降工作臺,SLA 成型過程,SLA技術(shù)的特點： 成型速度較快； 成型精度較高，目前可達0.1mm； 成型制件的性能相當于

6、工程塑料或蠟模； 主要用來制作高精度塑料件、鑄造用蠟模、樣件或模型。 SLA技術(shù)的局限性： 成形過程中有時需要支撐； 樹脂收縮易導致零件精度下降； 光敏樹脂有一定的毒性，不符合綠色制造要求。,應用舉例：,（二）分層實體制造（ LOMLaminated Object Manufacturing ） LOM是通過激光逐層剪切薄紙等片材制造零件層輪廓的一種快速原型制造技術(shù)。 成形介質(zhì)：箔材（陶瓷箔、金屬箔等）、紙、塑料膜等片材 成形手段：激光剪切薄片材料獲得層面輪廓，將獲得的層片通過熱粘結(jié)逐層粘接成三維實體。 成形機組成：計算機數(shù)控系統(tǒng)、材料存儲及送進機構(gòu)、激光切割系統(tǒng)、熱粘結(jié)機構(gòu)、可升降工作臺等。

7、,LOM工藝原理圖,LOM成型過程,產(chǎn)品和LOM成型后的制件,LOM成型技術(shù)的特點： 成形速度快（如激光成型速度達650mm/s）； 成型件強度高（如有的片材厚度0.080.15mm），有的紙制產(chǎn)品與木模強度相近，可進行鉆削等機加工； 成型過程較簡單，成本低； 不需要支撐，可成型大型零件； 無污染，適宜辦公室環(huán)境使用； 主要用于快速制造新產(chǎn)品樣件、模型或鑄造用木模。,應用舉例LOM技術(shù)快速成型鑄造木模：,應用舉例LOM技術(shù)快速成型塑料制品：,（三）選擇性激光燒結(jié)（ SLSSelective Laser Sintering ） SLS是通過激光燒結(jié)粉末材料成形零件層面輪廓的快速原型制造技術(shù)。 成

8、形介質(zhì)：尼龍粉、蠟粉、塑料粉、陶瓷粉、金屬粉等粉末材料，粒徑一般為50125微米。 成形手段：在計算機控制下，利用激光束對粉末材料有選擇地進行直接或間接燒結(jié)，被燒結(jié)部分的粉末熔結(jié)在一起形成層面，各層面相互熔結(jié)形成零件實體。 成形機組成：計算機控制系統(tǒng)、可升降工作臺、供粉箱、鋪料輥、激光器等。,SLS工藝原理圖,粉料供給,SLS掃描路線舉例：,SLS技術(shù)的成型特點： 粉末具有自支撐作用，不需要另外的支撐，可成形結(jié)構(gòu)復雜的零件； 材料廣泛，不僅能成形塑料材料，而且還能直接成型金屬和陶瓷零件； 主要用來制作塑料件、金屬件、鑄造用蠟模、樣件或模型。,SLS技術(shù)的局限性： 成形過程復雜，成形速度較慢；

9、成形件的熱變形大，精度較低（0.2mm左右）； 通常需要熱等靜壓、液相燒結(jié)、焙燒等后續(xù)處理工序； 粉塵易造成污染。,應用舉例SLS成型件：,塑料鼠標,金屬注塑模,工藝模,砂型,樹脂成型件,蠟成型件,樹脂砂成型件,金屬成型件,應用舉例各種材質(zhì)的SLS成型件：,（四） 熔融沉積成型（FDMFused Deposition Modeling） 成形介質(zhì)：塑料絲、蠟絲、尼龍絲、聚烯烴樹脂絲、低熔點金屬絲等熱塑性細絲。 成形手段：熱塑性細絲在加熱裝置中熔化，熔化后的材料通過噴頭被擠壓出來，控制噴頭的運動軌跡可成形零件層面，逐層熔結(jié)堆積，從而獲得三維實體。 成形機組成：送絲系統(tǒng)，加熱裝置，工作臺，計算機控

10、制掃描系統(tǒng)等,FDM工藝原理圖,FDM技術(shù)的成型特點： 最大的優(yōu)點是成形速度快； 成形過程不使用激光，設備簡單，成本低；（例如FDM噴嘴每個150美元，SLA的激光器每個20000美元） 成形過程中沒有粉塵、有毒化學氣體等的泄漏，適宜辦公室環(huán)境應用。,FDM技術(shù)的局限性： 成型精度較低。,應用舉例各種FDM成型件：,四種快速成型技術(shù)的比較,四種快速成型技術(shù)的比較,（1）RPM技術(shù)的特點 高度集成性：是計算機技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)及材料技術(shù)的綜合集成； 高度柔性：修改CAD模型就可生成各種不同形狀的零件； 快速性：大大縮短了新產(chǎn)品開發(fā)時間； 自由成型制造； 廣泛的材料適應性：成型材料可以為液態(tài)

11、樹脂、片材、粉末、絲材等； 零件的復雜程度與制造成本關系不大：適于形狀復雜、不規(guī)則零件的加工； 沒有或極少下腳料，是一種環(huán)保型技術(shù)。,3. 快速原型制造技術(shù)的特點及應用,（2）RPM技術(shù)的應用,應用領域,RPM在制造業(yè)的應用快速產(chǎn)品開發(fā),產(chǎn)品裝配測試,內(nèi)燃機進氣管功能測試,RPM在制造業(yè)的應用快速模具制造RT（Rapid Tooling）,一般來說，采用RPM技術(shù)制造模具的時間和成本均為傳統(tǒng)技術(shù)的1/3。目前，RPM的快速制模主要是注塑模、沖壓模、鑄模等。 直接制模方法 采用LOM法直接制成的模具可用作低熔點合金的模具或試用注塑模； 采用SLS技術(shù)可將經(jīng)過處理的金屬粉制成金屬模具；采用陶瓷粉作

12、為成型材料，可直接成形鑄造用的陶瓷殼型。 間接制模方法 依據(jù)RP原型(SLA、SLS、FDM等成形的蠟模、LOM成形的“木?！保?，或?qū)υ瓦M行表面處理（如紙基金屬模），翻制成硅橡膠模、金屬樹脂模、金屬模等。,硅橡膠模具：,硅橡膠澆注法制作模具：是以RP原型作樣件，采用室溫硫化的有機硅橡膠澆注制作快速軟模具的方法。 硅橡膠模具具有良好的彈性，能夠制作結(jié)構(gòu)復雜、花紋精細、無拔模斜度以及具有深凹槽的零件； 制件澆注完成后均可直接取出； 結(jié)合RP原型技術(shù)可以特別快速地制作復雜模具； 生產(chǎn)周期一般為1周左右，遠比鋼模的1618周快。,原型 貼粘土(橡皮泥)石膏造型去粘土 硅橡膠造型 硅橡膠模型 1 平板

13、2 ?？? 粘土(或橡皮泥)4 原型5 石膏漿6 空腔 7、8 硅橡膠,基于RPM技術(shù)的熔模鑄造 采用SLS和FDM技術(shù)直接制造精密鑄造用蠟模； 首先利用RP原型翻制硅膠模，再用此過渡模具制造蠟模。,基于SLA技術(shù)的精密鑄造,基于RPM技術(shù)的實型鑄造,間接制模應用舉例：,4. 快速原型制造技術(shù)的發(fā)展及趨勢,（1）國外情況 國外RPM技術(shù)的研究和應用主要集中在美國、歐洲和日本。 RPM工藝裝備 RPM的主流工藝：美國3D SYSTEM的SLA，美國Helisys的LOM，德國ESO的SLS，美國Stratasys的FDM，美國MITZ的三維打印(3-DP)。 RPM成型材料 成型材料影響原型的成

14、形速度、精度和物理化學性能，是RPM技術(shù)發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)。國外應用的材料較為豐富，如光固化樹脂、覆膜材料（紙、塑料、陶瓷箔、金屬箔等）、粉材（蠟、尼龍、陶瓷、鋼等）、絲材（蠟絲、ABS絲等）。復合材料的RP技術(shù)是近期新發(fā)展。 RPM用軟件的開發(fā) 軟件是RPM系統(tǒng)的靈魂。其中CAD到RP接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和切片處理軟件是關鍵之一。,（2）國內(nèi)情況 起步約在1991年，目前清華大學（FDM、 SLA）、華中科技大學（LOM）、上海交通大學（FDM）、西安交通大學（SLA）、南京航空航天大學（SLS）等單位在RP設備的軟硬件方面做了大量的研究工作。香港地區(qū)的RP技術(shù)應用活躍。 1995年我國召開了第一屆快

15、速原型制造會議； 1998年在西安交通大學召開了全國RP與RT技術(shù)會議； 1998年7月在清華大學召開了第一屆北京國際快速成型及制造會議。 目前，國內(nèi)已有許多家大企業(yè)引進了快速成型設備，如海爾、海信等，為企業(yè)帶來了一定的效益?？焖俪尚图夹g(shù)在我國有很大的潛在市場。,海爾洗衣機RPM制品,春蘭空調(diào)RPM制品,（3）RPM技術(shù)面臨的主要問題 材料的殘余應力、RPM 技術(shù)能夠處理的材料種類問題材料等方面的限制； RP所專用的成形材料和設備價格較高，及RPM本身是小批量生產(chǎn)，使得成本方面偏高； 成形精度與速度方面的不足。,（4）發(fā)展趨勢 RPM技術(shù)向大型與微型原型的制造發(fā)展； 追求RPM的更快的制造速度

16、、更高的制造精度和可靠性； 設備安裝和使用簡單化，操作智能化； 快速概念原型制造和快速模具制造將是研究和商品化的重點； 建立完善的RPM行業(yè)標準化。,超高速超精密加工技術(shù)主要內(nèi)容,一 超高速加工技術(shù) 超高速加工技術(shù)的內(nèi)涵 超高速加工技術(shù)的關鍵技術(shù)（重點） 加工機理研究 主軸單元制造技術(shù)研究 進給單元制造技術(shù)研究 刀具、磨具研究 超高速加工技術(shù)的應用 超高速加工技術(shù)的發(fā)展趨勢,二 超精密加工技術(shù) 超精密加工技術(shù)的內(nèi)涵 超精密加工技術(shù)的關鍵技術(shù)（重點） 加工方法及機理研究 刀具、磨具的研究 加工裝備技術(shù)研究 測量技術(shù)研究 超精密加工技術(shù)的應用 超精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢,作 業(yè) （1）超高速、超精密加工技術(shù)二者選擇其一。 （2）按照上述提綱要求查閱文獻，然后歸納總結(jié)寫出“文獻綜述”。 （3）要求條理清晰，內(nèi)容精練，30005000字。 （4）必需手寫，不能打印。 （5）該作業(yè)作為本課程平時成績的一部分，占15。,本 章 小