快速成型制造 RPT

1、快速成型技術(shù) （Rapid Prototyping Technology ） 姓名：陶李洋 學(xué)號：2130709 主要內(nèi)容 一、 RPT產(chǎn)生的背景 二、 RPT的概念和原理 三、 RPT幾種常見方法 四、 RPT的應(yīng)用 一、快速原型技術(shù)產(chǎn)生的背景 市場變化市場變化 客戶要求客戶要求 計算機(jī)技術(shù)計算機(jī)技術(shù) 材料科學(xué)材料科學(xué) 企業(yè)競爭企業(yè)競爭 全球化全球化 知識更新知識更新RP 二、 RPT的概念和原理 按加工后原材料體積變化與否分為： 按被加工材料的自然狀態(tài)又可分為固 態(tài)成型法（鍛造、沖剪、擠壓、拉拔等）、液態(tài)成型法（鑄造）和半液態(tài)成 型法（注塑）。 又可分為機(jī)械聯(lián)接、粘接術(shù)和焊接三 種方式。材

2、料去除法則有人們所熟知的車、銑、刨、磨等工藝，是目前制造 業(yè)重要成型形式。 八十年代初一種全新的制造概念被提 了出來。通過添加材料來達(dá)到零件設(shè)計要求的成型方法，這種新型的零件生 產(chǎn)工藝就成為RP（快速成型）的主要實現(xiàn)手段。 利用生物術(shù)是人為系統(tǒng)中的生長成型 方式。 快速成型技術(shù) 是將計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)、計算機(jī)輔助 制造(CAM)、計算機(jī)數(shù)字控制(CNC)、激光、精密伺服驅(qū)動和 新材料等先進(jìn)技術(shù)集于一體,快速制造任意復(fù)雜形狀三維物 理實體的技術(shù) RPT技術(shù)的特征 （1）高度柔性 可以制造出任意復(fù)雜形狀的零件 （2）技術(shù)的高度集成 是計算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)與材料技術(shù)的綜合集成。 （3

3、）設(shè)計制作一體化 (CAD/CAM一體化) 由于采用離散/堆積分層制作工藝，能夠很好地將CAD/CAM結(jié)合 （4）快速性 這一特點適合于新產(chǎn)品的開發(fā)與管理。 1.光固化原型制造 SLA (Stereo Lithography Apparatus) 2.分層實體制造LOM (Laminated Object Manufacturing) 3.選擇性激光燒結(jié)SLS (Selected Laser Sintering) 4.熔融沉積制造FDM (Fused Deposition Modeling) 三、三、RPTRPT幾種常見方法幾種常見方法 1.液態(tài)光敏聚合物選擇性固化（SLA） 工藝原理是：采用

4、一定波長和強(qiáng)度的紫外 激光束有選擇的照射液態(tài)光敏聚合物，被照射 的液態(tài)光敏聚合物迅速發(fā)生聚合反應(yīng)，分子量 急劇增大發(fā)生相變，由液態(tài)變成固態(tài) ，最終形 成三維實體。 三、三、RPTRPT幾種常見方法幾種常見方法 SLA成形系統(tǒng)的組成及各部分的作用 SLA成形系統(tǒng)由 激光器、XY運(yùn) 動裝置、光敏液 態(tài)聚合物、液槽、 升降臺、刮刀和 控制軟件組成。 因為樹脂材料的高粘性，在每層固化之后，液面很難在短 時間內(nèi)迅速流平，這將會影響實體的精度。采用刮板刮切后， 所需數(shù)量的樹脂便會被十分均勻地凃敷在上一疊層上，這樣經(jīng) 過激光固化后可以得到較好的精度，使產(chǎn)品表面更加光滑和平 整。 光固化成型的后處理光固化成型

5、的后處理 在快速成型系統(tǒng)中原型疊層制作完畢后，需要進(jìn)行剝離等 后續(xù)處理工作，以便去除廢料和支撐結(jié)構(gòu)等。對于光固化成型 方法成型的原型，還需要進(jìn)行后固化處理等，下面以某一SLA 原型為例給出其后續(xù)處理的步驟和過程。 原型疊層制作結(jié)束后，工作 臺升出液面，停留510min，以 晾干多余的樹脂。 將原型和工作臺一起斜放晾干后 浸入丙酮、酒精等清洗液體中，攪動 并刷掉殘留的氣泡。持續(xù)45min左右 后放入水池中清洗工作臺約5min。 1 2 從外向內(nèi)從工作臺上取下原 型，并去除支撐結(jié)構(gòu)。 再次清洗后置于紫外烘箱中 進(jìn)行整體后固化。 3 4 SLA設(shè)備 產(chǎn)品 成型過程自動化程度高 （二）光固化成型技術(shù)的

6、特點光固化成型技術(shù)的特點 優(yōu)點：優(yōu)點： 尺寸精度高 SLA系統(tǒng)非常穩(wěn)定，加工開始 后，成型過程可以完全自動化， 直至原型制作完成。 SLA原型的尺寸精度可以達(dá)到0.1mm。 優(yōu)良的表面質(zhì)量 雖然在每層固化時側(cè)面及曲面可能出現(xiàn)臺階，但上表面 仍可得到玻璃狀的效果。 可以制作結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的模型 可以直接制作面向熔模精密鑄造的具有中空結(jié)構(gòu)的消失型 制件易變形 缺點：缺點： 設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)及維護(hù)成本較高 液態(tài)樹脂材料和激光器的價格較高 使用的材料較少 目前可用的材料主要為感光性的液態(tài)樹脂材料 液態(tài)樹脂有氣味和毒性，并且需要避光保護(hù)，以防止提前發(fā) 生聚合反應(yīng)，選擇時有局限性。 成型過程中材料發(fā)生物理和化學(xué)變化

7、 需要二次固化 經(jīng)快速成型系統(tǒng)光固化后的原型樹脂并未完 全被激光固化。 較脆，易斷裂性能尚不如常用的工業(yè)塑料 2、分層實體制造LOM 采用激光或刀具對片材進(jìn)行切割。片 材表面事先涂覆上一層熱熔膠。成形開 始時熱壓輥對片材進(jìn)行加熱加壓， 按 照分層CAD模型在新層上切割出輪廓線 ，而后將不屬于原型的材料切割成網(wǎng)格 狀。通過升降平臺的移動和片材的送給 ,往復(fù)運(yùn)動，獲得所需的三維實體。 LOM工藝由美國工藝由美國Helisys于于1986年研制成功。主要零部件有：年研制成功。主要零部件有： 計算機(jī)、原材料存儲及送進(jìn)機(jī)構(gòu)、計算機(jī)、原材料存儲及送進(jìn)機(jī)構(gòu)、 工作平臺、工作平臺、CO2激光器、熱壓激光器、熱

8、壓 輥輥、升降臺升降臺等等。 圖圖6、LOM原理圖原理圖 熱壓輥熱壓片材熱壓輥熱壓片材 激光器切割出激光器切割出 零件截面輪廓零件截面輪廓 和工件外框和工件外框 工作臺下降工作臺下降 滾筒轉(zhuǎn)動滾筒轉(zhuǎn)動 工作臺上升工作臺上升 LOM設(shè)備 產(chǎn)品 優(yōu)缺點 1、由于LOM工藝只須在片材上切割出零件截面的 輪廓，而不用掃描整個截面，因此工藝簡單，成 型速度快，易于制造大型零件； 2、工藝過程中不存在材料相變，因此不易引起 翹曲變形，零件的精度較高，激光切割為0.1mm ，刀具切割為0.15mm； 3、工件外框與截面輪廓之間的多余材料在加工 中起到了支撐作用，所以LOM工藝無需加支撐； 材料廣泛，成本低，

9、用紙制原料還有利于環(huán)保； 4、力學(xué)性能差，只適合做外形檢查。 3.選擇性激光燒結(jié)（SLS） SLS（Selective laser sintering)是 紅外激光器作能源，使用粉末材料。首先將 粉末預(yù)熱到稍低于其熔點的溫度，將粉末鋪 平,激光束在計算機(jī)控制下根據(jù)分層截面信息 進(jìn)行有選擇地?zé)Y(jié)，重復(fù)，燒結(jié)完后去掉多 余的粉末，則就可以得到一燒結(jié)好的零件。 鋪粉鋪粉 激光器掃描激光器掃描 圖圖8、SLS工作原理圖工作原理圖 CO2激光器、光 學(xué)系統(tǒng)、粉料送 進(jìn)及回收系統(tǒng)、 升降機(jī)構(gòu)、工作 臺等 SLS設(shè)備 優(yōu)點優(yōu)點 材料廣泛，利用率高，工藝簡單，無需支材料廣泛，利用率高，工藝簡單，無需支 撐撐,

10、成型的零件機(jī)械性能好成型的零件機(jī)械性能好,強(qiáng)度高。強(qiáng)度高。 缺點缺點 粉末比較松散粉末比較松散,燒結(jié)后精度不高燒結(jié)后精度不高,尤其是尤其是Z軸軸 方向的精度難以控制。方向的精度難以控制。 4.熔融沉積成型（FDM） FDM（Fused Deposition Modeling)，是一種不依 靠激光作為成型能源， 利用熱塑性細(xì)絲在移動 頭中進(jìn)行熔化，熔化后 的材料在移動的過程中 被擠壓出來堆積零件。 成形系統(tǒng)：工作臺、送 絲機(jī)構(gòu)、運(yùn)動機(jī)構(gòu)、加 熱裝置、噴頭。 FDM工藝由美國工程師工藝由美國工程師ScottCrump于于1988年研制成功。年研制成功。FDM的材的材 料一般是熱塑性材料，以絲狀供料

11、。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭沿料一般是熱塑性材料，以絲狀供料。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭沿 零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速凝固，零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動，同時將熔化的材料擠出，材料迅速凝固， 并與周圍的材料凝結(jié)。并與周圍的材料凝結(jié)。 加熱絲狀材料加熱絲狀材料 噴頭掃描并噴噴頭掃描并噴 出半流動狀材料出半流動狀材料 材料固化材料固化 圖圖9、FDM原理圖原理圖 FDM設(shè)備 產(chǎn)品 優(yōu)缺點 優(yōu)點 1，不使用激光，操作簡單，成本低 2，成形安全，工作中不會有有毒的化學(xué)成分析出 3，材料利用率高，可回收利用 缺點 1，成形精度低 2，受噴頭移動的影響，成型件的表面有比較

12、明顯的條紋 （1）SLA快速成形系統(tǒng)的成型原理： 成形材料：液態(tài)光敏樹脂； 制件性能：相當(dāng)于工程塑料或蠟?zāi)＃?主要用途：高精度塑料件、鑄造用蠟?zāi)?、樣件或模型?（2）SLS快速成形系統(tǒng)的成型原理： 成形材料：工程塑料粉末； 制件性能：相當(dāng)于工程塑料、蠟?zāi)！⑸靶停?主要用途：塑料件、鑄造用蠟?zāi)！蛹蚰Ｐ汀?（3）LOM快速成形系統(tǒng)的成型原理： 成形材料：涂敷有熱敏膠的纖維紙； 制件性能：相當(dāng)于高級木材； 主要用途：快速制造新產(chǎn)品樣件、模型或鑄造用木模。 （4）FDM快速成形系統(tǒng)的成型原理： 成形材料：固體絲狀工程塑料； 制件性能：相當(dāng)于工程塑料或蠟?zāi)＃?主要用途：塑料件、鑄造用蠟?zāi)！蛹蚰Ｐ?/p>

13、。 精度表面 質(zhì)量 材料 質(zhì)量 材料 利用 率 運(yùn)行 成本 生產(chǎn) 成本 設(shè)備 費(fèi)用 市場 占有 率 SLA好優(yōu)較貴接近 100% 較高高較貴70 SLS一般一般較貴接近 100% 較高一般較貴10 LOM一般較差較便 宜 較差較低高較便 宜 7 FDM較差較差較貴接近 100% 一般較低較便 宜 6 四、 RPT的應(yīng)用 觀感評價銷售模型 功能測試 CAD數(shù)據(jù)檢查 裝配校核可制造性檢查 （一）（一） 快快 速速 原原 型型 （二）（二） 模模 具具 制制 造造 注射模具 硅橡膠模 樹脂型復(fù)合模 沖壓模具 消失模 陶瓷型精鑄模 快速成型技術(shù)Rapid Prototyping Technology

14、應(yīng)用在鑄造領(lǐng)域應(yīng)用在鑄造領(lǐng)域 間接間接RPRP鑄型制造鑄型制造 快速成型技術(shù)Rapid Prototyping Technology 生物醫(yī)學(xué)工程生物醫(yī)學(xué)工程 根據(jù)根據(jù) CT（Computed Tomography） 掃描或掃描或 MRI（ Magnetic Resonance Imaging） 核磁共振的數(shù)據(jù)，采用核磁共振的數(shù)據(jù)，采用 RP 技術(shù)可以快速制造人體骨骼和軟組織的實體模型，這些技術(shù)可以快速制造人體骨骼和軟組織的實體模型，這些 人體器官實體模型可幫助醫(yī)生進(jìn)行病情輔助診斷和復(fù)雜人體器官實體模型可幫助醫(yī)生進(jìn)行病情輔助診斷和復(fù)雜 手術(shù)確定治療方案，甚至可以制作一種活性種植體植入手術(shù)確定治

15、療方案，甚至可以制作一種活性種植體植入 人體替代某些器官，具有巨大的臨床價值和學(xué)術(shù)價值。人體替代某些器官，具有巨大的臨床價值和學(xué)術(shù)價值。 快速成型技術(shù)Rapid Prototyping Technology MEMS (Micro Electromechanical System， 即微電子機(jī)械系統(tǒng)即微電子機(jī)械系統(tǒng))是指集微是指集微 型傳感器、執(zhí)行器以及信號型傳感器、執(zhí)行器以及信號 處理和控制電路、接口電路處理和控制電路、接口電路 、通信和電源于一體的微型、通信和電源于一體的微型 機(jī)電系統(tǒng)。機(jī)電系統(tǒng)。 一般采用光固化法、選擇性一般采用光固化法、選擇性 激光燒結(jié)法等，可以直接將激光燒結(jié)法等，可以

16、直接將 高熔點金屬的納米顆粒燒結(jié)高熔點金屬的納米顆粒燒結(jié) 成型。成型。 MEMS微電子機(jī)械系統(tǒng) 快速成型技術(shù)Rapid Prototyping Technology 藝術(shù)品的制造藝術(shù)品的制造 藝術(shù)品和建筑裝飾品是根據(jù)設(shè)計者的靈藝術(shù)品和建筑裝飾品是根據(jù)設(shè)計者的靈 感，構(gòu)思設(shè)計出來的，采用感，構(gòu)思設(shè)計出來的，采用 RP 可使藝術(shù)可使藝術(shù) 家的創(chuàng)作、制造一體化，為藝術(shù)家提供家的創(chuàng)作、制造一體化，為藝術(shù)家提供 最佳的設(shè)計環(huán)境和成型條件。最佳的設(shè)計環(huán)境和成型條件。 快速成型技術(shù)Rapid Prototyping Technology 汽車工業(yè)中的應(yīng)用汽車工業(yè)中的應(yīng)用 快速模具開發(fā)工藝路線選擇 發(fā)動機(jī)罩零

17、件CAD模型見圖1，外廓形狀較為簡單，曲面平坦且特征較少， 拉延方向容易確定。由于曲面平緩且面積較大，模具設(shè)計時主要考慮防止拉延 不足問題。模具的開發(fā)采用如下步驟： 1）模具型面設(shè)計。 2）RP模型制作。 3）快速模具制造。 4）沖壓試驗及模具調(diào)整。 快速成型技術(shù)Rapid Prototyping Technology 航空航天中的應(yīng)用航空航天中的應(yīng)用 總后勤部軍需裝備研究所利用士兵人體模型進(jìn) 行軍隊士兵著裝設(shè)計與太空人服裝開發(fā)。 傳統(tǒng)的人體模型采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)，利用玻璃鋼材 料制作，與真實人體實際幾何形狀相差較大，西安 交通大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)研究所采用RE/CAD/RP/RT 完整的產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)路線，測量時采用了德國GOM 公司的ATOS測量儀，它使用可見光帶。測量速度與 Krcon公司的激光測頭類似，可以超過10000點/秒， 測量范圍為500mm10m。 曲面重構(gòu)過程中使用Delcam公司的系列產(chǎn)品 中的專用反求模塊CopyCAD進(jìn)行人體模型的曲面重 構(gòu)，使用UG對曲面模型進(jìn)行再設(shè)計，同時用PRO/E 進(jìn)行關(guān)