快速成形制造技术

快速成形制造技术主讲人：季俊Tel：15251709858快速成形制造的发展信息与控制学院仪器系•快速成形制造又称为快速原型制造（Rapid•PrototypeManufacturing，RPM）。诞生于20世纪80年代，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。•20世纪80年代后期，RPM技术在美国首先产生并商品化。•从那时起，RPM以离散堆积原理为基础和特征，即它首先将零件的电子模型软件离散化，成为“层状”的离散面、离散线和离散点，而后采用多种手段，将这些离散的面、线段和点按层堆积形成零件的整体形状。RPM工艺过程无需专用工具，工艺规划步骤简单，所以制造速度比传统方法简单得多。快速成形制造的发展信息与控制学院仪器系•它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。•运用RPM技术能自动、快速、精确地将设计思想转变成一定功能的产品原型或直制造零件，对缩短产品开发周期、减少开发费用、提高企业参与市场竞争具有重要意义。快速成形的基本原理信息与控制学院仪器系RAM流程图快速成形的基本原理信息与控制学院仪器系CAD建模分层切片层面信息处理层面加工与粘接层层堆积后处理基本原理由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离散成一系列有序的二维层片根据每层轮廓信息，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，得到三维物理实体清理零件表面，去除辅助支撑结构快速成形的基本工艺过程信息与控制学院仪器系CAD建模STL转换生成片层NC代码实体加工零件原型后处理切片处理前处理快速成型系统工作后处理用Pro/E设计的零件模型典型快速原型制造工艺信息与控制学院仪器系光固化成型法（StereoLithographyApparatus--SLA）叠层实体制造法（LaminatedObjectManufacturing--LOM）选择性激光烧结法（SelectedLaserSintering---SLS）熔融沉积制造法（FusedDepositionModeling--FDM）三维打印（Three-DimensionalPrinting---3D-P）固基光敏液相法（SolidGroundCuring---SGC）快速成形制造的主要工艺方法信息与控制学院仪器系•光固化成型法（SLA）•叠层实体制造法（LOM）•选择性激光烧结法（SLS）•熔融沉积制造法（FDM）1、光固化成型法-SLA原理信息与控制学院仪器系以光敏树脂为原料，将计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面。当一层固化完毕，移动工作台，在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂以便进行下一层扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上，如此重复直到整个零件原型制造完毕.视频演示信息与控制学院仪器系SLA工艺演示SLA的工艺特点信息与控制学院仪器系成型材料自由基光固化树脂阳离子光固化树脂混杂型光固化树脂SLA的特点成型方法简单，能直接生产塑料件；表面粗糙度较低，尺寸精度较高成型中有相的变化，翘曲变形较大。需要支撑结构成型速度较低，原材料有污染、气味很大成本高（树脂和激光器价格昂贵、寿命短）SLA方法制作的实物模型信息与控制学院仪器系2、叠层实体制造-LOM信息与控制学院仪器系LOM是采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等，其工艺过程是：在材料表面事先涂覆上一层热熔胶，加工时用CO2激光器或刀具在计算机控制下进行切割，然后通过热压辊压，使当前层与下面已成型的工件粘接，从而堆积成型.叠层实体制造工艺特点信息与控制学院仪器系成型材料薄材：如纸、塑料薄膜热熔胶涂布工艺LOM工艺的特点LOM工艺只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面，因此适合大、中型零件的加工零件尺寸精度较高，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，所以翘曲变形小，成型时无需加支撑。但是，材料浪费大，且清除废料困难LOM方法制作的实物模型信息与控制学院仪器系3、选择性激光烧结-SLS信息与控制学院仪器系SLS工艺是利用粉末状材料成形的。先在工作台上铺上一层有很好密实度和平整度的粉末，用高强度的CO2激光器在上面扫描出零件截面，有选择地将粉末熔化或粘接，形成一个层面，利用滚子铺粉压实，再熔结或粘接成另一个层面并与原层面熔结或粘接，如此层层叠加为一个三维实体。视频演示信息与控制学院仪器系SLS工艺演示选择性激光烧结工艺特点信息与控制学院仪器系成型材料蜡粉、聚苯乙烯（PS)、工程塑料（ABS）、聚碳酸酯（PC)、尼龙（PA)、金属粉末、覆膜砂、覆膜陶瓷粉，近年来更多的采用复合粉末，粉粒直径为50～125µm工艺特点材料适应面广，不仅能制造塑料制件，还能制造蜡模、陶瓷和金属零件成型精度一般、能直接制造制件和装配件（轴承整体）制件翘曲变形相对较小，但对于容易发生变形的地方应设计有支撑结构实心零件成型时间较长，适合中小零件的生产。激光烧结方法制作的实物模型信息与控制学院仪器系视频演示信息与控制学院仪器系FDM工艺演示4、熔融沉积成形-FDM信息与控制学院仪器系FDM（FusedDepositionModeling）熔融沉积制造工艺MEM（MeltedExtrusionManufacturing）熔融挤压成型工艺FDM工艺原理信息与控制学院仪器系FDM工艺演示FDM工艺的特点信息与控制学院仪器系FDM不用激光，使用、维护简单，成本低。用蜡成形的零件原型可直接用于石蜡铸造；用ABS工程塑料制造的原型则具有较高强度，在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。由于FDM工艺一般在80~120ºC进行，材料的收缩率必然会引起尺寸误差，同时会产生热应力，导致制件的翘曲变形，因此需要设计支撑结构。FDM工艺适合成型小塑料件，最高精度0.127mm。由于是填充式扫描，因此成型时间较长，为克服这一缺点，可采用多个热喷头同时进行涂覆，提高成型效率。熔融沉积成形FDM方法制作的实物模型信息与控制学院仪器系几种常见RPM特点比较信息与控制学院仪器系低较复杂小截面较慢大截面较快LOM高几乎无费料简单小截面较快大截面较慢FDM较高较复杂小截面较快大截面较慢SLS较高较复杂小截面较快大截面较慢SLA材料利用率制件后处理成形速度快速模具制造技术RapidTooling信息与控制学院仪器系采用模具生产零件是现代工业的主要生产工艺和手段.传统模具制造生产过程复杂、周期长，模具需反复调试，制造成本高.往往成为设计和制造的瓶颈.快速模具制造可节约成本3/4，缩短生产周期约2/3.因此应用RP技术制造快速经济模具成为RP技术发展的主要推动力之一。从RP到RT是快速成型技术发展的第二次飞跃。快速模具制造的分类信息与控制学院仪器系直接模具制造用LOM系统制做的制件经表面处理，其强度比一般木材还要高，可直接用作铸造木模；用SLS等方法则可直接制造熔模铸造用的蜡模以及造型或压力加工用金属模。间接模具制造用快速原型制件作母模可复制出蜡模、硅橡胶模、环氧树脂模或聚氨脂模等软模具；据此软模具又可浇铸出环氧树脂、石膏、陶瓷、低熔点金属、金属基复合材料等硬模具。这些简易模具可用作各种铸造模、注塑模、蜡模的成型模以及拉伸模等，实现塑料件或金属件的小批量生产。用快速原型制件作母模，通过金属喷涂等方法可快速制造电脉冲机床用电极。快速工模具制造信息与控制学院仪器系快速模具技术的发展方向信息与控制学院仪器系提高模具制造精度开发新材料新工艺直接制造高强度金属模具快速成形技术的现状及发展中的问题信息与控制学院仪器系一、材料方面的限制离散/堆积成形的过程伴随着材料的变化残余应力难以消除翘曲和变形快速成形技术的现状及发展中的问题信息与控制学院仪器系二、价格问题RP是机械、材料、自动化、信息等技术的集成，制造高技术成本高，一旦工艺成熟，开发商使用专利来保护自己，这就给RP设备生产和技术服务带来经济上的代价。3DSystem2001.3推出的ViperSi2的SLA设备，18万美元；1994年的SLA700080万美元RP材料价格偏高（由于改性需求等）限制了其应用。美国3DSystemsSLA设备专用树脂200~250美元/公斤美国Stratasys公司ABS等丝材在2000~4000美元/公斤快速成形技术的现状及发展中的问题信息与控制学院仪器系三、成形精度与成形速度的矛盾材料的离散/堆积过程均需单元化处理，导致精度下降。台阶效应——成形原理性误差实际要求之轮廓分层制造轮廓精细结构遗失Z向厚度误差信息与控制学院仪器系结束谢谢！信息与控制学院仪器系