快速成形技術(shù)

1、一章 概述1.1 快速成形技術(shù)的定義1.2 快速成形技術(shù)的產(chǎn)生背景 1.3 快速成形的原理1.4 快速成形技術(shù)的發(fā)展簡史1.5 快速成形的特點1.6 快速成形技術(shù)的應(yīng)用及展望幻燈片31.1快速成形技術(shù)的定義 快速成形技術(shù)是由CAD模型直接驅(qū)動的快速制造任意復(fù)雜形狀三維物理實體的技術(shù)總稱。 原稱為快速原 型（Rapid Prototyping）技術(shù)，國際上簡稱為“RP”技術(shù)。分層實體工藝(SSM)制作的原 雙象瓶孔雀香爐幻燈片8熔融擠壓工藝（FDM)制作的原型幻燈片91.2快速成形技術(shù)的產(chǎn)生背景1.2.1 時代背景 1.2.2 技術(shù)背景 幻燈片10 上世紀(jì)80年代和整個90年代是快速成形工藝、設(shè)

2、備和材料蓬勃發(fā)展的年代。 80年代中期美國在世界上推出了第一臺商品化的快速成形設(shè)備，并很快擴(kuò)展到日本及歐州。 我國是世界上比較早進(jìn)入這一技術(shù)領(lǐng)域的國家，于上世紀(jì)90年代初相繼進(jìn)行了研究與開發(fā)。 當(dāng)前國際上快速成形工藝已達(dá)數(shù)十種，較大規(guī)模的專業(yè)廠家數(shù)十家，遍布全球的快速成形研究機(jī)構(gòu)和服務(wù)單位數(shù)百家。 幻燈片11 2003年全球的快速成形設(shè)備年安裝數(shù)為1864臺，中國大陸2003年安裝了183臺快速成形設(shè)備，占世界同年安裝總量的9.8%，超過歐州任何一個國家，為世界上僅次于美、日的第三大快速成形設(shè)備年安裝量的國家。 2004年全球快速成形設(shè)備安裝量達(dá)11166臺套，其設(shè)備和服務(wù)的產(chǎn)值達(dá)5.289億

3、美元?？焖俪尚渭夹g(shù)發(fā)展的速度，總體來說已超過上世紀(jì)50年代末，60年代初發(fā)展起來的數(shù)控技術(shù)的發(fā)展速度。幻燈片121.2.1 時代背景 快速成形技術(shù)是上世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的先進(jìn)制造技術(shù)之一，其產(chǎn)生的時代背景是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)正在從大規(guī)模批量化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)樾∨亢蛡€性化生產(chǎn)，產(chǎn)品的生命周期和投放市場的時間越來越短。 比如在汽車行業(yè)，十年前開發(fā)一種新車型需要兩年左右的時間，而現(xiàn)在同一個汽車制造廠商每半年甚至更少時間就有一種新車型問世，而一種車型的產(chǎn)量已從過去的上百萬輛下降到現(xiàn)在的幾萬輛甚至幾千輛。家電行業(yè)產(chǎn)品的更新?lián)Q代就更快了。市場的競爭要求應(yīng)盡可能縮短產(chǎn)品的設(shè)計和制造周期，以減少投資風(fēng)險。 1.4

4、 快速成形技術(shù)的發(fā)展歷程l 自1986年第一臺快速成形設(shè)備SLA-1出現(xiàn)至今，近20年，世界上已有大約二十多種不同的成形方法和工藝，而且新方法和工藝不斷地出現(xiàn)。 幻燈片361.4.1主要工藝發(fā)展情況1.SL (Stereolithography) 工藝稱為光固化或立體光刻，是最早出現(xiàn)的一種RP工藝，它采用激光一點點照射光固化液態(tài)樹脂使之固化的方法成形，是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一種高精度成形工藝。2.LOM (Laminated Object Manufacturing)工藝稱為分層實體制造，它采用激光切割箔材，箔材之間靠熱熔膠在熱壓輥的壓力和傳熱作用下熔化并實現(xiàn)粘接，一層層疊加制造原型?；脽羝?71

5、.4.1主要工藝發(fā)展情況l 3.SLS (Selective Laser Sintering)工藝稱為激光選區(qū)燒結(jié)，它采用激光逐點燒結(jié)粉末材料，使包覆于粉末材料外的固體粘接劑或粉末材料本身熔融粘連實現(xiàn)材料的成形。l 4.FDM (Fused Deposition Modeling)工藝稱為熔融沉積成形，它采用絲狀熱塑性成形材料，連續(xù)地送入噴頭后在其中加熱熔融并擠出噴嘴，逐步堆積成形。 幻燈片381.4.1 主要工藝發(fā)展情況l 5. 3DP (Three Dimensional Printing)工藝稱為三維印刷，它采用逐點噴射粘接劑來粘接粉末材料的方法制造原型，該工藝可以制造彩色模型，在概念型

6、應(yīng)用方面很有競爭力。l 6. PCM (Patternless Casting Manufacturing) 工藝稱為無木模鑄造，它采用逐點噴射粘接劑和催化劑即兩次同路徑掃描的方法來實現(xiàn)鑄造用樹酯砂粒間的粘接并完成砂型自動制造。該工藝由清華大學(xué)等多家單位聯(lián)合研發(fā)成功。 幻燈片391.4.1主要工藝發(fā)展情況l 7. BPM (Ballistic Particle Manufacturing)工藝稱為彈道粒子制造。它用一個壓電噴射(頭)系統(tǒng)來噴射并沉積熔化了的熱塑性塑料的微小顆粒單元。BPM的噴頭安裝在一個5軸的運動機(jī)構(gòu)上，對于零件中懸臂部分，由于改變噴射方向可以不加支撐。由于該系統(tǒng)價格昂貴，毫無

7、競爭力，當(dāng)前已在RP市場上消失?；脽羝?01.4.1 主要工藝發(fā)展情況l 8. 3D Plotting (Three Dimentional Plotting)稱為三維繪圖工藝，它采用泵將一定溫度熔融狀材料通過極精密的噴嘴（直徑為0.05mm）噴出而堆積成形。該工藝由美國Solidscape公司（原Sanders Prototyping公司）商品化并推向市場。l 9. MJS (Multiple Jet Solidification)工藝稱為多路噴射固化，該工藝采用活塞擠壓熔融材料使其連續(xù)地擠出噴嘴的方法來堆積成形。由德國Institute for Manufacturing Engineer

8、ing and Automation (IPA)和Institute for Applied Materials Research (IFAM)共同開發(fā)。幻燈片411.4.1主要工藝發(fā)展情況l 10. SGC (Solid Ground Curing)工藝稱為實體磨削固化，它采用掩膜版技術(shù)使一層光固化樹脂整體一次成形，而不是SL設(shè)備那樣，每一層樹脂是逐點照射固化成形的，這樣就提高了原型制造速度。該工藝由以色列的Cubital公司開發(fā)成功并推出商品機(jī)器。l 11. 3D Printer工藝稱為三維打印機(jī)，它采用塊狀固體熱塑性成形材料，輸入噴嘴后在其中加熱并熔化，擠出噴嘴逐點堆積成形。美國Stra

9、tasys與IBM合作開發(fā)成功的Genisys 3D Printer作為桌面化的設(shè)備而推向市場?；脽羝?21.4.1 主要工藝發(fā)展情況l 12. CC (Contour Craft)工藝稱為輪廓成形工藝，它采用堆積輪廓和澆鑄熔融材料相結(jié)合的方法來成形，在堆積輪廓時采用了簡單的刮刀，刮板式裝置，形成原型的層片為準(zhǔn)三維。美國南加州大學(xué)（University of Southern California）研究成功。l l 13. RIPF（Rapid Ice Prototype Forming）稱為低溫冰型快速成形工藝，采用脈寬調(diào)制噴頭高頻噴射離散水滴，在低溫下堆積冰原型。清華大學(xué)與美國Missou

10、ri-Rolla大學(xué)聯(lián)合研發(fā)成功?；脽羝?31.4.1 主要工藝發(fā)展情況l 14. SIS（Seletine Inhibition Sintering）選擇性抑制燒結(jié)，由美國南加州大學(xué)提出并進(jìn)行研究。該工藝用噴墨噴頭選擇性地噴射抑制劑，然后用熱輻射加熱器對該層加熱，使非抑制部分很快互相粘結(jié)而成形。l 上述RP工藝可以按所用材料、堆積單元的幾何形態(tài)、是否需要另外設(shè)計支撐及材料狀態(tài)進(jìn)行適當(dāng)分類。 幻燈片44 1.4.1 分類1) 按所用材料形態(tài)分類2) 按堆積單元的幾何形態(tài)分類3) 按是否需另外設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)分類4) 按材料狀態(tài)變化及其聯(lián)接機(jī)理分類幻燈片451) 按所用材料形態(tài)分類幻燈片60GARP

11、A所在國家（地區(qū)）和協(xié)會負(fù)責(zé)人9加拿大Vesna Cota President 10丹麥 Bent Mieritz 11意大利 Luca Iuliano 12韓國 Dongyol Yang (楊東烈) 13南非 Deon de Beer 14新西蘭 Walter Kruf 15愛爾蘭 Michael Murphy 16澳大利亞 Noel Frost 17香港 Ian Gibson Vice-Chairman 幻燈片61快速成形技術(shù)的主要特征l CAD模型直接驅(qū)動，設(shè)計制造高度一體化；l 高度柔性，可以制造任意復(fù)雜形狀的三維實體；l 成形過程無需專用夾具或工具；l 無需人員干預(yù)或較少干預(yù)，是一種

12、自動化的成形過程；l 快速成形使用的材料具有多樣性。l 成形全過程的快速性，適合現(xiàn)代激烈的產(chǎn)品市場?；脽羝?2 從技術(shù)集成的角度，可以說快速成形技術(shù)是數(shù)控技術(shù)、高能束技術(shù)（激光束、電子束等）、微滴技術(shù)和材料科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域和技術(shù)的技術(shù)集成。 RP的發(fā)展又促進(jìn)了上述相關(guān)學(xué)科與技術(shù)的發(fā)展。 快速成形之“快”并不是由于成形過程中機(jī)器運行速度快而引起，而是機(jī)器運行由零件CAD模型直接驅(qū)動和成形工藝的高度柔性所導(dǎo)致的從設(shè)計到制造全過程的快速性。理解和認(rèn)識快速成形應(yīng)從這個角度進(jìn)行，否則就會陷入“快速成形不快”的疑問之中。 幻燈片631.6 快速成形技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域l 新產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)l 快速工/模具制造l

13、試驗分析模型l 生物醫(yī)學(xué)和組織工程l 建筑、航空航天、軍事、汽車、機(jī)械、電子、電器、玩具、工藝品等許多領(lǐng)域幻燈片64快速成形技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用 由于快速成形技術(shù)能夠優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高生產(chǎn)效率、改善產(chǎn)品質(zhì)量，因而從其誕生之日起，就受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大重視，并迅速在航空航天、汽車、機(jī)械、電子、電器、醫(yī)學(xué)、玩具、建筑、藝術(shù)品等許多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，取得了極大的成果。 RP技術(shù)最重要的應(yīng)用就是開發(fā)新產(chǎn)品。在新產(chǎn)品開發(fā)過程中，原型的用途主要包括以下幾方面： 幻燈片65快速成形技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用 外形設(shè)計：很多產(chǎn)品特別是家電、汽車等對外形的美觀和新穎性要求極高。一般檢

14、驗外形的方法是將產(chǎn)品圖形顯示于計算機(jī)終端，但經(jīng)常發(fā)生“畫出來好看而做出來不好看”的現(xiàn)象，且由于“可看不可摸”，很不直觀。 采用RP技術(shù)可以很快做出原型，供設(shè)計人員和用戶從各種標(biāo)準(zhǔn)和角度進(jìn)行審查，使得外形設(shè)計及檢驗更直觀有效快捷。 幻燈片66 快速成形技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用 檢查設(shè)計質(zhì)量：以模具制造為例，傳統(tǒng)的方法是根據(jù)幾何造型在數(shù)控機(jī)床上開模，這對于一個價值數(shù)十萬乃至數(shù)百萬元的復(fù)雜模具來說風(fēng)險太大，設(shè)計上任何不慎，反映到模具上就是不可挽回的損失。 RP方法可在開模前真實而準(zhǔn)確地制造出零件原型，設(shè)計上的各種細(xì)微問題和錯誤就能在模型上一目了然地顯示出來，這就大大減少了開模風(fēng)險。 幻燈片67 快速

15、成形技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用 功能檢測：設(shè)計者可以利用原型快速進(jìn)行功能測試以判明是否最好地滿足設(shè)計要求，從而優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計。 如：凡是涉及到空氣動力學(xué)或流體力學(xué)實驗的各種流線型設(shè)計均需做風(fēng)洞試驗，如飛行器、船舶、風(fēng)扇、葉輪、高速車輛的設(shè)計等，采用RP原型可精確地按照原設(shè)計將自由曲面模型迅速地制造出來進(jìn)行測試，與數(shù)字模擬相互配合，可獲得最佳的流線型曲面、扇葉曲面和等自由曲面設(shè)計等。 幻燈片68 快速成形技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用 手感：通過原型，人們能觸摸和感受實體，這對照相機(jī)、手握電動工具等的持握部分設(shè)計極為重要，在人機(jī)工程應(yīng)用方面具有廣泛的意義。 供貨詢價及用戶評價等：由于能及時提供產(chǎn)品模型給用

16、戶評價，大大增加了產(chǎn)品的競爭力。 幻燈片69 快速成形技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用 裝配干涉檢驗：對有限空間內(nèi)的復(fù)雜系統(tǒng)，進(jìn)行裝配干涉檢驗是極為重要的，如導(dǎo)彈、衛(wèi)星系統(tǒng)。 原型可以用來做裝配模擬，觀察工件之間如何配合、可能的相互干涉。如汽車發(fā)動機(jī)上的排氣管，由于安裝關(guān)系極其復(fù)雜，通過原型裝配模擬可以一次成功地完成設(shè)計。 幻燈片70 快速成形技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用 試驗分析模型：RP技術(shù)還可以應(yīng)用在計算分析與試驗?zāi)Ｐ蜕稀＠?，對有限元分析的結(jié)果可以做出實物模型，從而幫助了解分析對象的應(yīng)力和變形分布情況。圖為的模型。 圖為將有限元分析結(jié)果三維顯示的彩色RP模型 幻燈片71 快速成形技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用 總體來說，通過快速制造出物理模型，可以盡早地對設(shè)計進(jìn)行評估，縮短設(shè)計反饋的周期，加快設(shè)計反饋，提高了產(chǎn)品開發(fā)的成功率，降低開發(fā)成本，總體的開發(fā)時間也縮短。 幻燈片72快速成形應(yīng)用情況統(tǒng)計 據(jù)2004 年權(quán)威資料統(tǒng)計顯示， R