1、快速成型與快速模具制造技術,學號1208030069 成型121,一、何為快速制造？目前有哪些主要方法？,背景介紹 當今時代，制造業(yè)市場需求不斷向多樣化、高質量、高性能、低成本、高科技的方向發(fā)展，一方面表現為消費者興趣的短時效和消費者需求日益主體化、個性化和多元化；另一方面則是區(qū)域性、國際市場壁壘的淡化或打破，要求制造業(yè)的廠商必須著眼于全球市場的激烈競爭。因此快速地將多樣化、性能好的產品推向市場成為了制造業(yè)廠商把握市場先機的關鍵，由此導致了制造價值觀從面向產品到面向顧客的重定位，制造戰(zhàn)略重點從成本與質量到時間與響應的轉移，也就是各國致力于CIMS（ComputerIntegratedManuf

2、actureSystem）、并行工程、敏捷制造等現代制造模式的研究與實踐的原因?？焖俪尚停≧apidPrototyping）技術正是在這種時代的需求下應運而生的。 快速成型技術RP是從零件的CAD幾何模型出發(fā),通過軟件分層離散和數控成型系統(tǒng),用激光束或其他方法將材料堆積而形成實體零件。由于它把復雜的三維制造轉化為一系列二維制造的疊加,因而可以在不用模具和工具的條件下生成幾乎任意復雜的零部件,極大地提高了生產效率和制造柔性。由于RP技術在制造產品過程中不會產生廢棄物造成環(huán)境污染,所以也是一種綠色制造技術。,1.快速成型的原理及特點,快速成型技術采用離散/堆積成型原理，對三維CAD 模型進行分層，

3、使其轉換成厚度很薄的二維平面模型。通過平面模型的數控代碼指導加工，再將加工出每個薄層粘結而成形。主要包括如下幾個主要步驟： （1） 產品CAD實體模型構建：構建方法有兩種，一是可通過概念設計，設計出所需零件的計算機三維模型（數字模型、CAD模型）；二是可通過逆向工程，通過三維數字掃描儀對產品原型進行掃描，而后結合逆向工程對掃描數據進行處理。 （2） 三維模型的分層處理：即按照一定的規(guī)律將該模型離散為一系列有序的單元， 通常在Z向將其按一定厚度進行離散（習慣稱為分層），把原來的三維CAD模型變成一系列的層片。 （3） 層層制造堆積成型：根據每個層片的輪廓信息，輸入加工參數，自動生成數控代碼。 （

4、4） 后處理：由成形系統(tǒng)成形一系列層片并自動將 它們聯接起來，得到一個三維物理實體。具體成型過程可見圖1,快速成型的特點,計算機輔助設計與制造技術、逆向工程技術、分層制造技術、材料去除成形、材料增加成形技術以及它們的集成的總稱。正是由于它自身的成型原理決定該成型技術具有如下的一些特點： （1）產品靈活性。RP技術采用離散/堆積成型的原理，將十分復雜的三維制造過程簡化為二維制造過程的疊加，使復雜模型直接制造成為可能，越是復雜的零件越能體現RP技術的優(yōu)越性； （2）快速性。從CAD設計到完成原型制作通常只需幾個小時到幾十個小時，加工周期短，可節(jié)約70%時間以上，能夠適應現代競爭激烈的產品市場； （

5、3）低成本。與產品的復雜程度無關，節(jié)省了大量的開模時間，一般制作費用降低50%，特別適合新產品的開發(fā)和單件小批量零件的生產； （4）成型過程中信息過程和材料過程一體化，制作原型所用的材料不限，各種金屬和非金屬材料均可使用，尤其適合成型材料為非均質并具有功能剃度或有孔隙要求的原形； （5）適應于加工各種形狀的零件，制造工藝與零件的復雜程度無關，不受工具的限制，可實現自由制造（FreeFormFabrication），原型的復制性、互換性高；,快速成型的特點,（6）使設計、交流和評估更加形象化，使新產品設計、樣品制造、市場定貨、生產準備、等工作能并行進行，支持同步（并行）工程的實施； （7）具有高

6、柔性，采用非接觸加工的方式，無需任何工夾具，即可快速成型出具有一定精度和強度并滿足一定功能的原型和零件。 （8）高集成化，RP技術是集計算機、CAD/CAM、數控、激光、材料和機械等一體化的先進制造技術，整個生產過程實現自動化、數字化、與CAD模型具有直接的關聯，所見即所得，零件可隨時制造與修改，實現設計制造一體化。 （9）加工過程中無振動、噪聲和廢料，可實現無人值守長時間自動運行。,2、快速制造成型的工藝方法,隨著CAD建模和光機電一體化技術的發(fā)展，RP技術的工藝方法發(fā)展很快，按照所用材料的形態(tài)與種類不同，目前投入應用的已有十余種工藝方法，其中發(fā)展較為成熟的主要有以下四種類型:液態(tài)光敏聚合物

7、選擇性固化(SLA)、薄型材料選擇性切割(LOM)、粉末材料選擇性激光燒結(SLS)、絲狀材料選擇性熔融沉積(FDM)。 (1)光固化立體造型(SLA)：以光敏樹脂為原料，采用計算機控制下的紫外激光束以原型各分層截面輪廓為軌跡進行逐點掃描，使被掃描區(qū)內的樹脂薄層產生光聚合反應后固化，從而形成制件的一個薄層截面。一層固化完畢后，向下移動工作臺，在剛剛固化的工作表面布放一層新的光敏樹脂以便進行循環(huán)掃描、固化。新固化的一層牢固地粘結在前一層上，如此重復堆積成整個原型，圖2為該成型工藝原理圖。采用這種方法成型的零件有較高的精度且表面光潔,但可用材料的范圍較窄。,快速制造成型的工藝方法,(2)分層物件制

8、造(LOM)：LOM的層面信息通過每一層的輪廓來表示,激光掃描器的動作由這些輪廓信息控制,它采用的材料是具有厚度信息的片材，圖3為該工藝的原理圖。這種加工方法只需加工輪廓信息,所以可以達到很高的加工速度,但材料的范圍很窄,每層厚度不可調整是最大缺點。 (3)選擇性激光燒結(SLS)：SLS使用固體粉末材料,該材料在激光的照射下,能吸收能量,發(fā)生熔融固化,從而完成層信息的成型。這種方法適用的材料范圍廣(適用于聚合物、鑄造用蠟、金屬或陶瓷粉末),特別是在金屬和陶瓷材料的成型方面具有獨特的優(yōu)點。SLS無材料浪費現象,未燒結的粉末可重復使用。目前成熟的工藝材料為蠟粉及塑料粉,用金屬粉或陶瓷粉進行粘結或

9、燒結的工藝還正在實驗階段。,快速制造成型的工藝方法,(4)熔融沉積造型(FDM)：采用熱熔噴頭，使半流動狀態(tài)的材料流體按模型分層數據控制的路徑擠壓出來，并在指定的位置沉積、凝固成型，這樣逐層沉積、凝固后形成整個原型，具體工藝原理如圖5所示。這種方法的能量傳輸和材料傳輸均不同于前面三種方法,系統(tǒng)成本較低;但由于噴頭的運動是機械運動,速度有一定限制，所以加工時間較長,且其材料使用范圍不廣。,快速制造成型的工藝方法,(5)三維打?。?DP）：先鋪粉，利用噴嘴按指定路徑將液態(tài)粘結劑噴在粉層上的特定區(qū)域，粘結后去除多余的材料便得到所需的原形或零件。這種方法適合成型結構復雜的零件。 幾種典型RP工藝的比較

10、,3、快速制造技術的應用,快速成型技術的應用是不斷提高RP技術發(fā)展的重要因素，目前RP技術已在工業(yè)造型、文化藝術、機械制造（汽車、摩托車）、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫(yī)學、考古、文化藝術、雕刻、首飾等領域都得到了廣泛的應用。并且隨著這一技術本身的發(fā)展，其應用將不斷拓展。 （1）新產品開發(fā)過程中的設計驗證與功能驗證。在新產品造型設計過程中應用RP 技術可以為設計開發(fā)人員建立一種嶄新的產品開發(fā)模式，運用該技術能夠快速、直接、精確地將設計思想模型轉化為具有一定功能的實體模型（樣件），可以方便驗證設計人員的設計思想和產品結構的合理性、可裝配性、美觀性，及時發(fā)現設計中的問題并修改完善產品設

11、計。這樣不僅大大縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本，使企業(yè)在激烈的市場競爭中占有了先機。 （2）單件、小批量和特殊復雜零件的直接生產。在機械制造領域里有些特殊復雜制件只需單件或少于50 件的小批量生產，這樣的產品通過制模再生產，成本高，周期長。RP 技術以自身獨有的特點可以直接成型生產，成本低，周期短。 （3）產品展示。RP 原型是產品從設計到商品化各個環(huán)節(jié)中進行交流的有效手段。在全球經濟經濟化的今天，許多外向型企業(yè)都經常面臨外商要求看樣訂貨。如何在不可能開模試生產的情況下最快提供樣品，搶占市場先機。 （4）快速模具制造。將快速成型技術與傳統(tǒng)的模具制造技術相結合，可以大大縮短模具制造的開發(fā)周期，提

12、高生產效,二、你所了解的快速制模？,背景知識 隨著多品種小批量時代的逐步來臨和企業(yè)要求模具能保證新產品快速占領市場，開發(fā)快速經濟模具越來越引起人們的重視，例如用環(huán)氧聚脂或其中混入金屬、陶瓷、玻璃等增強材料制作的快速軟模，可用于上百件注塑成形以及汽車覆蓋件試制。其主要特點是制造工藝簡單、生產周期短、價格便宜。但由于材料的導熱性和機械性能不高，這種模具難以用于快頻率的批量注塑成形以及金屬拉延件批量成形。水泥、陶瓷制作的汽車覆蓋件模具還有待進一步改善。相比之下，由于金屬材料具有優(yōu)良的綜合性能，金屬模具低成本快速制造成為RPN技術的努力目標。世界先進工業(yè)化國家的RPM技術在經歷了模型與零件試制、快速軟

13、模制造階段后，目前正向快速硬模即金屬模具制造(RMT)方向發(fā)展，RMT已成為國際RPN技術應用研究開發(fā)的熱點。,1、快速制造模具技術,快速制模技術是一種快捷、方便、實用的模具制造技術。這種技術的特點是：制模周期短、工藝簡單、易于推廣、制模成本低、精度和壽命能滿足某種特定的功能需要，綜合經濟效益良好。特別適用于新產品開發(fā)試制、工藝驗證和功能驗證以及多品種小批量生產。 速制模方法大致有間接制模法和金屬直接制模法。常用的快速制模方法有軟模、橋模和硬模。 軟模(soft tooling)通常指的是硅橡膠模具。用SLA、FDM、LOM或SLS等技術制作的原型，再翻成硅橡膠模具后，向模中灌注雙組份的聚氨酯

14、，固化后即得到所需的零件。調整雙組份聚氨酯的構成比例，可使所得到的聚氨酯零件的機械性能接近ABS或PP。 橋模(bridge tooling)通常指的是可直接進行注塑生產的環(huán)氧樹脂模具。采用環(huán)氧樹脂模具與傳統(tǒng)注塑模具相比，成本只有傳統(tǒng)方法的幾分之一，生產周期也大大減少。模具壽命不及鋼模，但比硅膠模高，可達1000-5000件，可滿足中小批量生產的需要。,實際中應用的快速制模技術,1基于快速原型技術的制模方法。這種方法是基于新穎的離散/堆積（即材料累加）成型思想，利用立體光固化、疊層實體制、激光選區(qū)燒結、三維打印、熔融沉積成型等不同方法，獲得長壽命的金屬模具或非金屬的低壽命模具。這種方法，具有技

15、術先進、成本較低、設計制造周期短等特點。 2采用高速切削加工模具。在生產中廣泛應用的高速切削機床轉速在每分鐘1525萬轉左右。利用高速切削可以使加工效率提高10倍以上，可大大縮短制模時間。經高速切削精加工后的模具型面，僅需略加拋光便可使用，省卻了大量修磨拋光時間。 3.采用鋁合金材料制造塑料模。鋁合金材料以其重量輕、切削性能好、導熱導電率高等優(yōu)良性能，在塑料模的制造中得到了越來越多的應用。使用鋁合金材料制作模具，可在縮短制模周期和降低成本方面取得良好的效果。國外已有專門的廠家生產用于塑料模的鋁合金材料。用鋁合金制造的塑料模，使用壽命可達十萬次，如果型腔表面進行化學處理，使用壽命可達2O3O萬次。,實際中應用的快速制模技術,4采用鋅基低熔點含金制造模具。用低熔點合金制作模具，具有成本低、制模周期短等優(yōu)點，這種制模方法已有多年的歷史了，至今仍在快速制模技術中發(fā)揮著重要作用。特別是這種制模方法與快速原型技術相結合，使用效果十分顯著。采用低熔點合金的快速制模方法，特別適用于大型覆蓋件模具和大型吹塑、吸塑模具的快速制造。用于覆蓋件模具時，一是可以快速生產出樣品；二是為正式的硬模制作實驗，可以避免造成難以彌補的缺陷。利用低熔點合金制作的吸塑、吹塑模具，使用壽命可達5萬件。這種