第8章快速成型技術(shù)ppt課件

.,快速成形技術(shù),第八章,.,1.快速成形技術(shù)概述,在制造業(yè)中各種零件的制造工藝按加工后原材料體積的變化分為：去除成形（DislodgeForming）傳統(tǒng)的的車、銑、刨、磨等工藝方法就屬于去除成性，它是制造業(yè)最主要的零件成型方式。受迫成形（ForcedForming）按其加工材料的自然狀態(tài)又分為固態(tài)成形法（鍛造、沖剪、擠壓、拉拔等）、液態(tài)成形法（鑄造）和半液態(tài)成形法（注塑）。添加成形（AdditiveForming）八十年代初一種全新的制造概念。通過(guò)添加材料來(lái)達(dá)到零件設(shè)計(jì)要求的成形方法，這種新型的零件生產(chǎn)工藝就是RP（快速成形）的主要實(shí)現(xiàn)手段。,1.1.零件成形方法分類,.,1.快速成形技術(shù)概述,快速成型(RapidPrototyping)是上世紀(jì)80年代末及90年代初發(fā)展起來(lái)的高新制造技術(shù)，是由三維CAD模型直接驅(qū)動(dòng)的快速制造任意復(fù)雜形狀三維實(shí)體的總稱。它集成了CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等現(xiàn)代科技成果，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。由于它把復(fù)雜的三維制造轉(zhuǎn)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(fù)雜的零部件，極大地提高了生產(chǎn)效率和制造柔性。,1.1.快速成形技術(shù)概念,.,1.快速成形技術(shù)概述,與傳統(tǒng)制造方法不同，快速成型從零件的CAD幾何模型出發(fā)，通過(guò)軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，用激光束或其他方法將材料一層層堆積而形成實(shí)體零件。通過(guò)與數(shù)控加工、鑄造、金屬冷噴涂、硅膠模等制造手段相結(jié)合，已成為現(xiàn)代模型、模具和零件制造的強(qiáng)有力手段，在航空航天、汽車、機(jī)械、電子、電器、醫(yī)學(xué)、建筑、玩具、工藝品等很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。,1.1.快速成形技術(shù)概念,.,1.快速成形技術(shù)概述,快速成形的工藝過(guò)程一般包括以下幾個(gè)步驟：（1）產(chǎn)品三維建模（2）三維模型的近似處理（3）三維模型的分層切片和生產(chǎn)加工路徑（4）成型加工（5）成形零件的后處理,1.2.快速成形技術(shù)過(guò)程,.,1.快速成形技術(shù)概述,（1）高度柔性化、自由成形化RP技術(shù)從“電子模型”直接制造零件，將三維實(shí)體離散，可以成形任意復(fù)雜的零件，制造工藝與零件的幾何形狀無(wú)關(guān)，設(shè)計(jì)及加工的柔性（適用性）極大，能夠制造任意復(fù)雜形狀與結(jié)構(gòu)，或不同材料復(fù)合而成的零件。,1.2.快速成形技術(shù)特點(diǎn),.,.,.,1.快速成形技術(shù)概述,（2）技術(shù)高度集成化RP技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)技術(shù)、激光技術(shù)和機(jī)加工技術(shù)等多項(xiàng)交叉學(xué)科的綜合集成。它采用離散-堆積的方法，在計(jì)算機(jī)和數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ)上，追求最大的柔性為目標(biāo)。,1.2.快速成形技術(shù)特點(diǎn),.,.,1.快速成形技術(shù)概述,（3）產(chǎn)品開發(fā)快速化RP技術(shù)建立在高度技術(shù)集成的基礎(chǔ)上，從CAD設(shè)計(jì)到成形加工的完成只需幾小時(shí)至幾十小時(shí)，從而大大縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā)的周期，降低了新產(chǎn)品的開發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)。尤其適合于小批量、復(fù)雜的新產(chǎn)品的開發(fā)，充分體現(xiàn)了其“快速”的優(yōu)越性。,1.2.快速成形技術(shù)特點(diǎn),.,1.快速成形技術(shù)概述,（4）材料使用廣泛性理論上RP技術(shù)適用的材料并無(wú)限制，金屬及非金屬均可使用，隨著該技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越廣泛，各類金屬、樹脂、塑料、紙張、石蠟、陶瓷等材料在RP技術(shù)領(lǐng)域已有很好的應(yīng)用。,1.2.快速成形技術(shù)特點(diǎn),.,.,2.快速成形工藝,按照成形原理的不同，快速成形技術(shù)可分為兩大類：,2.1.快速成形工藝方法,.,2.快速成形工藝,2.2.1.SL工藝原理立體光刻成形(Stereo-Lithography，SL)是目前最為成熟和廣泛應(yīng)用的一種快速成型制造工藝。,2.2.立體光刻成形（SL）,.,2.快速成形工藝,2.2.1.SL工藝原理該工藝以液態(tài)光敏樹脂為原材料，計(jì)算機(jī)控制紫外激光按預(yù)定零件各分層截面的輪廓軌跡對(duì)液態(tài)樹脂逐點(diǎn)掃描，使被掃描區(qū)的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合(固化)反應(yīng)，從而形成零件的一個(gè)薄層截面。完成一個(gè)掃描區(qū)域的液態(tài)光敏樹脂固化層后，工作臺(tái)下降一個(gè)層厚，使固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂然后重復(fù)掃描、固化，新固化的一層牢固地粘接在一層上，如此反復(fù)直至完成整個(gè)零件的固化成型。,2.2.立體光刻成形（SL）,.,2.快速成形工藝,2.2.2.SL工藝過(guò)程SL成形工藝過(guò)程總體包括4個(gè)過(guò)程，如下圖,2.2.立體光刻成形（SL）,制造數(shù)據(jù)獲取,層準(zhǔn)備,層固化并堆積,后處理,CAD模具離散,再涂層,激光束掃描液面,拆除支撐及清洗,.,2.快速成形工藝,2.2.3.SL成形材料1）材料的基本要求光敏樹脂是立體成形工藝的基材，其性能對(duì)成形零件的質(zhì)量具有決定性影響。光敏性樹脂應(yīng)具有特性：黏度低固化速度快固化收縮小一次固化程度高濕態(tài)強(qiáng)度高溶脹小毒性小,2.2.立體光刻成形（SL）,.,2.快速成形工藝,2.2.3.SL成形材料2）材料種類（按反應(yīng)機(jī)理）自由基光固樹脂固化速度快，生產(chǎn)周期短，但固化收縮嚴(yán)重，易受氧阻聚陽(yáng)離子光固化樹脂固化收縮較小，不易受氧阻聚，但固化速度慢，工作效率低混雜型光固化樹脂,2.2.立體光刻成形（SL）,.,2.快速成形工藝,2.2.4.SL成形工藝特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是精度較高，一般尺寸精度可控制在0.01mm;表面質(zhì)量好;原材料利用率接近100%;能制造形狀特別復(fù)雜、精細(xì)的零件;設(shè)備市場(chǎng)占有率很高。缺點(diǎn)是需要設(shè)計(jì)支撐;可以選擇的材料種類有限;制件容易發(fā)生翹曲變形;材料價(jià)格較昂貴。該工藝適合比較復(fù)雜的中小型零件的制作。,2.2.立體光刻成形（SL）,.,.,2.快速成形工藝,2.3.1.SLS工藝原理選區(qū)激光燒結(jié)(SelectiveLaserSintering，SLS)又稱為選擇性激光燒結(jié)、粉末材料選擇性燒結(jié)等。SLS成形機(jī)的主體結(jié)構(gòu)是安裝兩個(gè)活塞機(jī)構(gòu)的成形工作缸，一個(gè)用于供粉，另一個(gè)用于成形，如圖。,2.3.選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）,.,2.快速成形工藝,2.3.1.SLS工藝原理在開始加工之前，先將充有氮?dú)獾墓ぷ魇疑郎?，并保持在粉末的熔點(diǎn)以下。成型時(shí)，送料筒上升，鋪粉滾筒移動(dòng)，先在工作平臺(tái)上鋪一層粉末材料，然后激光束在計(jì)算機(jī)控制下按照截面輪廓對(duì)實(shí)心部分所在的粉末進(jìn)行燒結(jié)，使粉末溶化繼而形成一層固體輪廓。第一層燒結(jié)完成后，工作臺(tái)下降一截面層的高度，在鋪上一層粉末，進(jìn)行下一層燒結(jié)，如此循環(huán)，形成三維的原型零件。最后經(jīng)過(guò)5-10時(shí)冷卻，即可從粉末缸中取出零件。,2.3.選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）,.,2.快速成形工藝,2.3.2.SLS成形材料目前SLS的材料主要有以下幾種：高分子粉末材料金屬粉末材料陶瓷粉末材料覆膜砂粉末材料,2.3.選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）,.,2.快速成形工藝,2.3.4.SLS成形系統(tǒng)選區(qū)激光燒結(jié)快速成形系統(tǒng)一般由主機(jī)、控制系統(tǒng)和冷卻器三部分組成。主機(jī)：主要由成形工作缸、廢料桶、鋪粉輥裝置、送料工作缸、激光器、振鏡式動(dòng)態(tài)聚焦掃描系統(tǒng)、加熱裝置、機(jī)身與機(jī)殼等組成。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：主要由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件、傳感檢測(cè)單元和驅(qū)動(dòng)單元組成。冷卻器：由可調(diào)恒溫水冷卻器及外管路組成，用于冷卻激光器，以提高激光能量的穩(wěn)定性。,2.3.選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）,.,2.快速成形工藝,2.3.5.SLS工藝特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是原型件機(jī)械性能好，強(qiáng)度高;無(wú)須設(shè)計(jì)和構(gòu)建支撐;可選材料種類多且利用率高(100%)。缺點(diǎn)是制件表面較粗糙，需要進(jìn)行后處理;成形速度較慢;制造成本高。采用各種不同成分的金屬粉末進(jìn)行燒結(jié)，經(jīng)滲銅等后處理特別適合制作功能測(cè)試零件;也可直接制造金屬型腔的模具。采用蠟粉直接燒結(jié)適合于小批量比較復(fù)雜的中小型零件的熔模鑄造生產(chǎn)。,2.3.選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）,.,.,2.快速成形工藝,2.4.1.FDM工藝原理熔融沉積制造（FusedDepositionModeling，F(xiàn)DM），又稱絲狀材料選擇性溶覆、熔融擠出成模，由美國(guó)學(xué)者ScottCrump博士于1988年研制成功，并由美國(guó)Stratasys公司推出商品化的機(jī)器。,2.4.熔融沉積制造工藝（FDM）,.,2.快速成形工藝,2.4.1.FDM工藝原理FDM工藝是利用熱塑性材料的熱熔性、粘結(jié)性，在計(jì)算機(jī)控制下層層堆積成形。如圖所示，加熱噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下，可根據(jù)截面輪廓的信息，作X-Y平面運(yùn)動(dòng)和高度Z方向的運(yùn)動(dòng)。絲狀熱塑性材料（如ABS及MABS塑料絲、蠟絲、聚烯烴樹脂、尼龍絲、聚酰胺絲）由供絲機(jī)構(gòu)送至噴頭，并在噴頭中加熱至熔融態(tài)，然后被選擇性地涂覆在工作臺(tái)上，快速冷卻后形成截面輪廓。一層截面完成后，噴頭上升一截面層的高度，再進(jìn)行下一層的涂覆。如此循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品。,2.4.熔融沉積制造工藝（FDM）,.,2.快速成形工藝,2.4.2.FDM成形材料FDM工藝對(duì)成形材料的要求是熔融溫度低、粘度低、粘結(jié)性好、收縮率小。影響材料擠出過(guò)程的主要因素是粘度。材料的粘度低、流動(dòng)性好，阻力就小，有助于材料順利的擠出。材料的流動(dòng)性差，需要很大的送絲壓力才能擠出，會(huì)增加噴頭的啟停響應(yīng)時(shí)間，從而影響成形精度。FDM工藝選用的材料為絲狀熱塑性材料，常用的有石蠟、塑料、尼龍絲等低熔點(diǎn)材料和低熔點(diǎn)金屬、陶瓷等的線材或絲材。在熔絲線材方面，主要材料是ABS、人造橡膠、鑄蠟和聚酯熱塑性塑料。目前用于FDM的材料主要是美國(guó)Stratasys的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物細(xì)絲（ABSP400）、甲基丙酸烯-丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物細(xì)絲（ABSiP500，醫(yī)用）、消失模鑄造蠟絲（ICW06wax）、塑膠絲（ElastomerE20）。,2.4.熔融沉積制造工藝（FDM）,.,2.快速成形工藝,2.4.3.FDM工藝特點(diǎn)熔融沉積制造工藝作為非激光快速原型制造系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：成形材料廣泛。FDM工藝的噴嘴直徑一般為0.11mm，所以，一般的熱塑性材料如塑料、蠟、尼龍、橡膠等，適當(dāng)改性后都可用于熔融沉積工藝。設(shè)備成本及加工成本低。熔融沉積造型技術(shù)用液化器代替了激光器，相比其他使用激光器的工藝方法，制作費(fèi)用大大減低。使用、維護(hù)簡(jiǎn)單。成形過(guò)程對(duì)環(huán)境無(wú)污染。FDM工藝所用的材料一般為無(wú)毒、無(wú)味的熱塑性材料，因此對(duì)周圍環(huán)境不會(huì)造成污染。設(shè)備運(yùn)行時(shí)噪聲也很小。,2.4.熔融沉積制造工藝（FDM）,.,.,.,2.快速成形工藝,2.4.3.FDM工藝特點(diǎn)基于上述優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)DM工藝應(yīng)用廣泛，且發(fā)展迅速。但FDM技術(shù)也存在著一些問(wèn)題：只適合成形中、小塑料件；成形件的表面有較明顯的條紋，質(zhì)量不如SL成形件好；沿成形軸垂直方向的強(qiáng)度比較弱，需設(shè)計(jì)、制作支撐結(jié)構(gòu)；需對(duì)整個(gè)截面進(jìn)行掃描涂覆，成形時(shí)間較長(zhǎng)，為此，可采用多個(gè)熱噴頭，同時(shí)進(jìn)行涂覆，以便提高成形效率。,2.4.熔融沉積制造工藝（FDM）,.,.,.,2.快速成形工藝,2.5.1.LOM工藝原理分層實(shí)體制造（LaminatedObjectManufacturing，LOM）又稱疊層實(shí)體制造或薄形材料選擇性切割，由美國(guó)Helisys公司的MichaelFeygin于1986年研制成功，并推出商品化的機(jī)器LOM-1050和LOM-2030等。,2.5.分層實(shí)體制造工藝（LOM）,.,2.快速成形工藝,2.5.1.LOM工藝原理LOM工藝采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一層熱熔膠。加工時(shí)，熱壓輥熱壓材料，使之與下面已成形的工件粘結(jié)。用CO2激光器在剛粘接的新層上切割出零件截面輪廓和工件外框，并在截面輪廓與外框之間多余的區(qū)城內(nèi)切割出上下對(duì)齊的網(wǎng)格；激光切割完成后，工作臺(tái)帶動(dòng)已成形的工件下降，與帶狀片材（料帶）分離；供料機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)收料軸和供料軸，帶動(dòng)料帶移動(dòng)，使新層移到加工區(qū)域；工作臺(tái)上升到加工平面；熱壓輥熱壓，工件的層數(shù)增加一層，高度增加一個(gè)料厚；再在新層上切割截面輪廓。如此反復(fù)直至零件的所有截面切割、粘接完，最后將不需要的材料剝離，得到三維實(shí)體零件。,2.5.分層實(shí)體制造工藝（LOM）,.,2.快速成形工藝,2.5.2.LOM成形材料LOM材料一般由薄片材料和熱熔膠兩部分組成。薄片材料可分為：紙片材、金屬片材、陶瓷片材、塑料薄膜和復(fù)合材料片材。薄片材料性能：抗?jié)裥裕ūＷC原料不會(huì)因時(shí)間長(zhǎng)而吸水，可用紙的施膠度表示）；良好的浸潤(rùn)性（保證良好的涂膠性能）；抗拉強(qiáng)度（保證在加工過(guò)程中不被拉斷）；收縮率小（保證熱壓過(guò)程中不會(huì)因部分水分損失而導(dǎo)致變形，可用伸縮率表示）；剝離性能好，表面光滑并有較好的穩(wěn)定性熱熔膠按基體樹脂劃分：乙烯-醋酸乙烯酯共聚物型熱熔膠、聚酯類熱熔膠、尼龍類熱熔膠或其混合物。熱熔膠要求有如下性能：良好的熱熔冷固性能（室溫下固化）；在反復(fù)“熔融-固化”條件下其物理化學(xué)性能穩(wěn)定；熔融狀態(tài)下與薄片材料有較好的涂掛性和涂勻性；足夠的粘接強(qiáng)度；良好的廢料分離性能。,2.5.分層實(shí)體制造工藝（LOM）,.,2.快速成形工藝,2.5.3.LOM工藝特點(diǎn)與其他快速成形工藝方法相比，LOM法具有以下優(yōu)點(diǎn)：制件精度高（.15mm）。薄形材料選擇性切割成形時(shí)，在原材料中，只有極薄的一層膠發(fā)生狀態(tài)變化，即由固態(tài)變?yōu)槿廴趹B(tài)，而主要的基底材料仍保持固態(tài)不變，因此翹曲變形較小，無(wú)內(nèi)應(yīng)力。分層實(shí)體制造中激光束只需按照分層信息提供的截面輪廓線切割而無(wú)需對(duì)整個(gè)截面進(jìn)行掃描，且無(wú)需設(shè)計(jì)和制作支撐，所以制作效率高、成本低。結(jié)構(gòu)制件能承受高達(dá)200的溫度，有較高的硬度和較好的機(jī)械性能，可進(jìn)行各種切削加工。,2.5.分層實(shí)體制造工藝（LOM）,.,2.快速成形工藝,2.5.3.LOM工藝特點(diǎn)而其存在的缺點(diǎn)是：由于材料質(zhì)地原因，加工的原型件抗拉性能和彈性不高；易吸濕膨脹，需進(jìn)行表面防潮處理；薄壁件、細(xì)柱狀件的廢料剝離比較困難；工件表面有臺(tái)階紋，需進(jìn)行打磨處理。,2.5.分層實(shí)體制造工藝（LOM）,.,2.快速成形工藝,2.5.4.LOM的應(yīng)用LOM成形件主要用于：直接制作紙質(zhì)功能制件，用作新產(chǎn)品開發(fā)中工業(yè)造型的外觀評(píng)價(jià)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證。利用材料的粘接性能，可制作尺寸較大的制件，也可制作復(fù)雜薄壁件。通過(guò)真空注塑機(jī)制造硅橡膠模具，試制少量新產(chǎn)品?？焖僦颇＃翰捎帽〔寞B層制件與轉(zhuǎn)移涂料技術(shù)制作鑄件和鑄造用金屬模具；采用薄材疊層方法制作鑄造用消失模；制造石蠟件的蠟?zāi)?、熔模精密鑄造中的消失模（用環(huán)氧樹脂和金屬粉末制作出鑄造用石蠟鑄型的模具，這種模具能夠承受60以上的溫度，適于批量加工石蠟?zāi)Ｐ停?2.5.分層實(shí)體制造工藝（LOM）,.,幾種快速成形方法的特點(diǎn)及常用材料,.,2.快速成形工藝,2.6.1.三維打印三維打印（3DPThreeDimension