快速成型技術(shù)及應(yīng)用講解課件

1、快速成型技術(shù)及應(yīng)用中北大學(xué)學(xué)習(xí)略記目錄快速成型及技術(shù)原理及方法概要快速模具制造技術(shù)概要快速成型技術(shù)的軟件技術(shù)中北大學(xué)在此方面的一些成果第一章 快速成型原理及方法概要快速成型（Rapid Prototyping-RP）技術(shù)屬于機(jī)械工程學(xué)科特種加工工藝的范圍，用激光作為能源的快速成型技術(shù)（RPT）還可以歸入激光加工門(mén)類(lèi)，它是一項(xiàng)多學(xué)科交叉多技術(shù)集成的先進(jìn)制造技術(shù)，也是制造理論研究成果中具有代表性的成果之一籠統(tǒng)地講,快速成型屬于添加成型,嚴(yán)格地講,快速成型是離散/堆積成型.將計(jì)算機(jī)上制作的零件三維模型,進(jìn)行網(wǎng)格化處理并存儲(chǔ),對(duì)其進(jìn)行分層處理,得到各層截面的二維輪廓信息,按照這些輪廓信息生成加工路徑,

2、由成型頭在控制系統(tǒng)的控制下,選擇性地固化或切割一層層的成型材料,形成各個(gè)截面輪廓薄片,并逐漸順序疊加成三維坯件,然后進(jìn)行坯件的后處理,形成零件,如圖1-1所示.第一章 快速成型原理及方法概要1.1成型方式分類(lèi) 根據(jù)現(xiàn)代成形學(xué)的觀點(diǎn),從物質(zhì)的組織方式分為以下四類(lèi): (1)去除成形(Dislodge Forming).去除成型是利用分離的方法,把一部分材料有序地從基體上分離出去而成型的方法. (2)堆積成形(Stacking Forming)堆積成型是運(yùn)用合并與連接的方法，把材料（氣液固相）有序地合并堆積起來(lái)的成型方法RP即屬于堆積成型堆積成型是在計(jì)算機(jī)控制下完成的，其最大特點(diǎn)是不受成型零件復(fù)雜程

3、度的限制從廣義上講，焊接也屬堆積成型范疇第一章 快速成型原理及方法概要1.1成型方式分類(lèi) (3)受迫成形（Stacking Forming）受迫成型是利用材料的可成形性（如塑性等）在特定外圍約束（邊界約束或外力約束）下成形的方法傳統(tǒng)的鍛壓，鑄造和粉末冶金等均屬于受迫成形 (4)生長(zhǎng)成形(Growth Forming)生長(zhǎng)成形是利用材料的活性進(jìn)行成形的方法，自然界中生物個(gè)體發(fā)育均屬于生長(zhǎng)成形，“克隆”技術(shù)是產(chǎn)生在人為系統(tǒng)中的生長(zhǎng)成形方式隨著活性材料，仿生學(xué)，生物化學(xué)，生命科學(xué)的發(fā)展，這種成形方式將會(huì)得到很大發(fā)展第一章 快速成型原理及方法概要.快速成形的主要工藝方法1.2.1立體印刷(Stereo

4、 Lithography Apparatus-SLA) 此工藝方法也稱(chēng)液態(tài)光敏樹(shù)脂選擇性固化這是一種最早出現(xiàn)的RPT，它的原理如圖1-3所示液槽中盛滿液態(tài)光敏樹(shù)脂，它在紫外激光束的照射下快速固化成形開(kāi)始時(shí)，可升降工作臺(tái)使其處于液面下一層厚的地方。聚焦后的紫外激光束在計(jì)算機(jī)的控制下按截面輪廓進(jìn)行掃描，使掃描區(qū)域的液態(tài)樹(shù)脂固化，形成該層面的固化層然后工作臺(tái)下降一層的高度，其上覆蓋另一層液態(tài)樹(shù)脂，再進(jìn)行第二層的掃描固化，與此同時(shí)新固化的一層牢固地黏結(jié)在前一層上，如此重復(fù)直到整個(gè)產(chǎn)品完成第一章 快速成型原理及方法概要.快速成形的主要工藝方法1.2.2分層實(shí)體制造(Laminated Object Ma

5、nufacturing-LOM) 也稱(chēng)薄形材料選擇性切割它根據(jù)三維模型每一個(gè)截面的輪廓線在計(jì)算機(jī)的控制下，用CO2激光束對(duì)薄形材料(如底面涂膠的紙)進(jìn)行切割，逐步得到各層截面，并黏結(jié)在一起，形成三維產(chǎn)品，如圖所示這種方法適合成形大中型零件，翹曲變形小，成形時(shí)間較短，但尺寸精度不高，材料浪費(fèi)大，且清除廢料困難第一章 快速成型原理及方法概要.快速成形的主要工藝方法 1.2.3選擇性激光燒結(jié)(Selected Laser Sintering-SLS) 粉末材料選擇性激光燒結(jié)的原理如圖1-5所示.使用CO2激光器燒結(jié)粉末材料(如蠟粉,PS粉,ABS粉,尼龍粉,覆膜陶瓷和金屬粉等).成形時(shí)先在工作臺(tái)上鋪

6、上一層粉末材料,激光束在計(jì)算機(jī)的控制下,按照截面輪廓的信息,對(duì)制件的實(shí)心部分所在的粉末進(jìn)行燒結(jié).一層完成后,工作臺(tái)下降一層厚,再進(jìn)行后一層的鋪粉燒結(jié).如此循環(huán),最終形成三維產(chǎn)品.第一章 快速成型原理及方法概要.快速成形的主要工藝方法1.2.4熔化沉積成形(Fused Deposition Model-FDM) 熔化沉積成形也稱(chēng)絲狀材料選擇性熔覆，其原理如圖1-6所示三維噴頭在計(jì)算機(jī)控制下，根據(jù)截面輪廓的信息，做x-y-z運(yùn)動(dòng)。絲材（如塑料絲）由供絲機(jī)構(gòu)送至噴頭，并在噴頭中加熱，熔化，然后被選擇性地涂覆在工作臺(tái)上，快速冷卻后形成一層截面。一層完成后，工作臺(tái)下降一層厚，再進(jìn)行后一層的涂覆，如此循環(huán)

7、形成三維產(chǎn)品。第一章 快速成型原理及方法概要.快速成形的主要工藝方法1.2.5三維打印(Three-Dimensional Printing-3D-P) 三維打印也稱(chēng)粉末材料選擇性粘結(jié)，如圖1-7所示。噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下，按照截面輪廓的信息，在鋪好的一層粉末材料上，有選擇性地噴射粘結(jié)劑，使部分粉末粘結(jié)，形成截面層。一層完成后，工作臺(tái)下降一個(gè)層厚，鋪粉，噴粘結(jié)劑，再進(jìn)行后一層的粘結(jié)，如此循環(huán)形成三維產(chǎn)品。粘結(jié)得到的制件要置于加熱爐中，作進(jìn)一步的固化或燒結(jié)，以提高粘結(jié)強(qiáng)度。第一章 快速成型原理及方法概要.快速成形的主要工藝方法 1.2.6固基光敏液相法（Solid ground curling-

8、SGC） 固基光敏液相法的工藝原理如圖1-8所示。一層的成型過(guò)程由五步來(lái)完成：添料；掩膜紫外光曝光；清除未固化的多余液體料；向空隙處填充蠟料和磨平。掩膜的制造采用了離于成像技術(shù)，因此同一底片可以重復(fù)使用。由于過(guò)程復(fù)雜，SGC成形機(jī)是所有成形機(jī)中最龐大的一種。 第一章 快速成型原理及方法概要.快速成形的主要工藝方法1.2.7熱塑性材料選擇性噴灑 下圖是一種噴墨式的熱塑性材料選擇性噴灑快速成型系統(tǒng)的原理圖。它采用兩個(gè)噴嘴，其中一個(gè)用于噴灑成形用熱塑性材料，另一個(gè)用于噴灑支撐成形件的蠟。這兩個(gè)噴嘴能根據(jù)截面輪廓的信息，在計(jì)算機(jī)的控制下做x-y平面運(yùn)動(dòng)，選擇性地分別噴灑溶化的熱塑性材料和蠟，此兩種材料

9、在工作臺(tái)基底上迅速冷卻后形成固態(tài)截面層和支撐結(jié)構(gòu)。隨后，用一刀具銑平它們的上表面，使其控制在預(yù)定的截面高度，每層截面成型之后，工作臺(tái)下降一截面層的高度，再進(jìn)行后一層的噴灑，如此循環(huán)。第一章 快速成型原理及方法概要.快速成形的主要工藝方法1.2.8變長(zhǎng)線掃描SLS RPT1.2.9高功率激光二極管線陣能量源SLS RPT第一章 快速成型原理及方法概要1.3 RPT的現(xiàn)狀和發(fā)展方向 RPT是當(dāng)今世界上發(fā)展最迅速的先進(jìn)制造技術(shù)之一，在短短十幾年的時(shí)間里，從只有一家公司的一臺(tái)設(shè)備（1988年第一臺(tái)商業(yè)化成形機(jī)問(wèn)世）發(fā)展到數(shù)百家機(jī)構(gòu)從事成形設(shè)備、工藝和相關(guān)材料的研究開(kāi)發(fā)，成批的加工中心面向社會(huì)承攬來(lái)圖加

10、工服務(wù)，更多的企業(yè)利用RPT直接為生產(chǎn)和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)服務(wù)。美國(guó)在這一領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位，而歐洲、日本和中國(guó)在RPT上也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。 1.國(guó)外RPT的現(xiàn)狀 美國(guó)許多世界著名大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)投入了大量經(jīng)費(fèi)和人力進(jìn)行這方面的研究，具有代表性的有： 第一章 快速成型原理及方法概要1.3 RPT的現(xiàn)狀和發(fā)展方向 美國(guó)MIT(Massachusetts Institute of Technology),是3DP技術(shù)的發(fā)源地，包括金屬型和陶瓷型，后者已商業(yè)化。目前MIT在直接金屬熔化沉積制造中取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展。 美國(guó)Dayton University，從事包括SLA在內(nèi)的多種RPT工藝。 美國(guó)UT（Te

11、xas University at Austin），與DTM公司合作，主要為SLS工藝。 美國(guó)Carnegie Mellon University，主要從事基于RPT的微型機(jī)械研究和開(kāi)發(fā)。第一章 快速成型原理及方法概要1.3 RPT的現(xiàn)狀和發(fā)展方向 美國(guó)Drexel University、New Jersey理工學(xué)院、斯坦福以及許多大學(xué)都在進(jìn)行這方面的研究工作。 美國(guó)海軍的David Taylor Research Centre以及Aerospac Company Rohr Industries of San Diego 也參加到了這個(gè)領(lǐng)域中來(lái)。 英國(guó)Nottingham和蘇格蘭Dundee等

12、許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)在開(kāi)展這方面的工作。 日本以東京大學(xué)為首，一批學(xué)術(shù)、研究單位也積極開(kāi)展了這方面的工作。第一章 快速成型原理及方法概要1.3 RPT的現(xiàn)狀和發(fā)展方向 德國(guó)、新加坡、以色列等國(guó)也在RPT方面投入力量進(jìn)行了卓有成效的研究。 國(guó)外各類(lèi)RP設(shè)備和工藝的產(chǎn)業(yè)化情況如下表。第一章 快速成型原理及方法概要1.3 RPT的現(xiàn)狀和發(fā)展方向2.國(guó)內(nèi)RPT的現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)RPT的研究從20世紀(jì)90年代初開(kāi)始，起步較早，發(fā)展很快，具有代表性的有： 清華大學(xué)，主要從事基于LOM和FDM工藝的設(shè)備、工藝和材料的研究，已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。 華中理工大學(xué)，主要從事基于LOM工藝的設(shè)備、工藝和材料的研究，進(jìn)來(lái)也開(kāi)展了對(duì)SL

13、S的研究，已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。 浙江大學(xué)，主要對(duì)光敏樹(shù)脂的成形性能進(jìn)行了許多研究。第一章 快速成型原理及方法概要1.3 RPT的現(xiàn)狀和發(fā)展方向 南京航空航天大學(xué)、北京隆源公司，主要從事基于SLS工藝的設(shè)備、工藝和材料的研究，后者已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。 西安交通大學(xué)則在SLS設(shè)備、工藝和材料的研究方面取得了很大進(jìn)展，也已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。 西北工業(yè)大學(xué)利用高功率激光器直接燒結(jié)金屬粉，成形結(jié)構(gòu)零件取得了階段性成果。 中北大學(xué)（原華北工學(xué)院）對(duì)SLS的研究取得了重大突破，研制成功線掃描SLS設(shè)備，提高了成形效率和質(zhì)量。該項(xiàng)成果具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，技術(shù)達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平。第一章 快速成型原理及方法概要1.3 RPT的現(xiàn)狀和發(fā)展方向

14、該校開(kāi)發(fā)的點(diǎn)掃描SLS設(shè)備，具有光斑尺寸?。ㄖ睆?.3mm）、加工精度高等特點(diǎn)，技術(shù)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。同時(shí)自主開(kāi)發(fā)的蠟粉、PS粉等成形材料性能也好于國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品，已獲得較好的產(chǎn)業(yè)化成果。 近年來(lái)在全國(guó)各地建立的RPT中心已經(jīng)遍布北京、太原、深圳、廣州、天津、上海、西安、武漢、寧波、重慶以及香港、臺(tái)灣等地。一些大型企業(yè)配備了RPS，服務(wù)于本企業(yè)的生產(chǎn)和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。目前，RPT在我國(guó)的推廣和發(fā)展呈現(xiàn)出大好勢(shì)頭。第一章 快速成型原理及方法概要1.3 RPT的現(xiàn)狀和發(fā)展方向 3. RPT的發(fā)展方向 由于RPT屬于一種新的制造技術(shù)，因此在設(shè)備、工藝和材料各方面都存在很大的發(fā)展空間。上述介紹的各種RP工藝

15、方法各具優(yōu)缺點(diǎn)，加工對(duì)象和應(yīng)用方向也各有側(cè)重，使用的材料也不同。因此如何揚(yáng)長(zhǎng)避短，進(jìn)一步完善和改進(jìn)各種RP工藝，提高加工效率和質(zhì)量，降低設(shè)備制造成本和運(yùn)行成本，研究開(kāi)發(fā)更多適用材料，降低材料成本，這是RPT到了產(chǎn)業(yè)化階段參與激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)必須要面臨的問(wèn)題。 直接使用金屬材料和陶瓷成形產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件，這是全世界RPT的發(fā)展方向，國(guó)外已經(jīng)從事這方面的研究并第一章 快速成型原理及方法概要1.3 RPT的現(xiàn)狀和發(fā)展方向 取得重大成果。如美國(guó)DTM公司利用SLS工藝成形金屬件。一般可通過(guò)兩種途徑：一是使用高功率二氧化碳激光直接燒結(jié)金屬粉，逐層堆積成致密度高的結(jié)構(gòu)件；二是使用中低功率二氧化碳激光燒結(jié)覆膜金屬粉

16、成形，然后通過(guò)高溫?zé)Y(jié)和滲金屬處理獲得致密度高的結(jié)構(gòu)件。國(guó)內(nèi)如中北大學(xué)已利用SLS工藝間接成形小型結(jié)構(gòu)件并獲得階段成果。西工大在高功率激光直接燒結(jié)金屬粉的研究已取得重大進(jìn)展。 加強(qiáng)RPT的應(yīng)用研究，最大程度地拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。我國(guó)更應(yīng)重視將RPT與反求工程相結(jié)合設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，符合中國(guó)國(guó)情。第一章 快速成型原理及方法概要1.3 RPT的現(xiàn)狀和發(fā)展方向 完善系統(tǒng)工藝，進(jìn)一步提高成形速度和精度，降低系統(tǒng)價(jià)格和運(yùn)行成本，開(kāi)發(fā)出滿足工程要求的材料是RPT發(fā)展的重點(diǎn)。另外，完善RP系統(tǒng)與CAD系統(tǒng)的接口，制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)也是一直研究的重點(diǎn)之一。第二章 快速模具制造技術(shù)概要2.1快速模具制造技術(shù)的概念

17、 在傳統(tǒng)制造業(yè)中一般是采用對(duì)鍛材火型材進(jìn)行機(jī)械加工的方法獲得模具。下圖為一種典型的金屬模具生產(chǎn)工藝流程。第二章 快速模具制造技術(shù)概要2.1快速模具制造技術(shù)的概念 應(yīng)用快速成型方法制造模具的技術(shù)稱(chēng)為快速模具制造技術(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)RT），而基于RT技術(shù)的快書(shū)模具制造由于技術(shù)集成程度高，從CAD數(shù)據(jù)到物理實(shí)體轉(zhuǎn)換過(guò)程快，因而同傳統(tǒng)的數(shù)控加工方法相比，加工一件模具的制作周期僅為前者的1/31/10，生產(chǎn)成本僅為1/31/5。 快速模具制造技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)途徑或工藝路線如下圖所示。第二章 快速模具制造技術(shù)概要2.2快速模具制造技術(shù)的分類(lèi) 目前RT技術(shù)主要集中在兩個(gè)大的研究方向： 第一是直接快速制模（Direct

18、Rapid Tooling-DRT），即用SLS，F(xiàn)DM，LOM等快速成型工藝方法直接制造出樹(shù)脂模，陶瓷模和金屬模具； 第二是間接制模（Indirect Rapid Tooling-IRT），即用快速成型件作母?；蜻^(guò)渡模具，再通過(guò)傳統(tǒng)的模具制造方法來(lái)制造模具。第二章 快速模具制造技術(shù)概要2.2快速模具制造技術(shù)的分類(lèi)2.2.1直接快速制模技術(shù) 直接制模技術(shù)包括三種工藝方法。 1.軟模技術(shù) 采用各種快速成型技術(shù)包括SLA，SLS，LOM，可直接將CAD模具（虛擬模型）轉(zhuǎn)化為具有一定機(jī)械性能的非金屬的原形（物理模型），在許多場(chǎng)合下可作為軟模具使用，用于小批量塑料零件的生產(chǎn)。第二章 快速模具制造技術(shù)概

19、要2.2快速模具制造技術(shù)的分類(lèi)2.2.1直接快速制模技術(shù) 2.準(zhǔn)直接快速制模技術(shù) 這里準(zhǔn)直接主要是指通過(guò)RP技術(shù)生產(chǎn)的模具還需要較多的后續(xù)工作才能用于工件的生產(chǎn)，其主要方法是通過(guò)RP方法將包有粘結(jié)劑的金屬粉（SLS），金屬懸浮液（SLS），帶有金屬粒子的塑料（FDM）成型為半成品，再經(jīng)過(guò)粘結(jié)劑的去除和滲金屬等后續(xù)工藝從而生產(chǎn)模具。第二章 快速模具制造技術(shù)概要2.2快速模具制造技術(shù)的分類(lèi)2.2.1直接快速制模技術(shù) 3.真直接快速制模技術(shù) 該技術(shù)可直接從RP系統(tǒng)制造高密度的金屬模具，通常采用金屬粉末的激光燒結(jié)成型技術(shù)（SLS）。它包括兩種工藝方法： 第一，金屬粉末大功率激光燒結(jié)成型法，即利用高功率

20、激光（1000W以上）對(duì)金屬粉末進(jìn)行掃描燒結(jié)，逐層疊加成型，成型件經(jīng)表面后處理（打磨，經(jīng)加工）即完成模具制作，制作的模具可作為壓鑄模，煅模使用； 第二，混合金屬粉末激光燒結(jié)成型法，即金屬粉末為兩種金屬粉末的混合體，其中的一種熔點(diǎn)較低，起粘結(jié)劑的作用。第二章 快速模具制造技術(shù)概要2.2快速模具制造技術(shù)的分類(lèi)2.2.2間接快速制模技術(shù)（IRT） 該技術(shù)所涉及的RP方法包括了LOM，SLS，SLA，F(xiàn)DM等，它有兩種制模方法： 第一種是通過(guò)RP方法成型一個(gè)木?；驑?shù)脂模型，再通過(guò)模型用硅橡膠模，電擊成型，金屬?lài)娡康葌鹘y(tǒng)模具制造方法生產(chǎn)模具； 第二種是通過(guò)RP技術(shù)生產(chǎn)鑄模（蠟?zāi)?，消失模）和鑄型（砂型或殼

21、型），再結(jié)合鑄造技術(shù)生產(chǎn)金屬模具。第二章 快速模具制造技術(shù)概要2.2快速模具制造技術(shù)的分類(lèi)2.2.2間接快速制模技術(shù)（IRT） 常用的間接快速制模技術(shù)有以下幾種： （1）噴涂法。采用噴槍將金屬?lài)娡康絉P原型上形成一個(gè)金屬硬殼層，將其分離下來(lái)，用填充鋁粉的環(huán)氧樹(shù)脂或硅橡膠支撐，即可制成注塑模具的型腔。 （2）硅橡膠模法。硅橡膠的制備方法是將液體硅膠按照快速成型母模的分型線依次澆鑄，待硅膠固化后，再將母模脫去，形成一副橡膠模具。 (3)Hausermann研磨法。將環(huán)氧樹(shù)脂與碳化硅磨料的混合物澆附在RP原型上，產(chǎn)生一個(gè)工件的印模，此印模第二章 快速模具制造技術(shù)概要2.2快速模具制造技術(shù)的分類(lèi)2.2

22、.2間接快速制模技術(shù)（IRT） 可作為壓力振動(dòng)法研磨工具，用以制造形狀復(fù)雜的石墨電極（電火花加工用）。 （4）尿烷鑄造。又稱(chēng)室溫固化（RTV）型鑄造，在航空航天，體育用品，玩具和裝飾品等很多領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛?？捎肦P原型制作RTV硅銅模，用于小批量生產(chǎn)多種塑料零件。 （5）真空成形。真空成形已廣泛應(yīng)用于塑料杯，食品包裝，高檔家具以及汽車(chē)內(nèi)部裝飾件等領(lǐng)域。由于成型過(guò)程的溫度低于54.4，多種RP原型均可直接用真空成形模，從而有效地縮短了生產(chǎn)時(shí)間和降低了成本。第二章 快速模具制造技術(shù)概要2.2快速模具制造技術(shù)的分類(lèi)2.2.2間接快速制模技術(shù)（IRT） （6）基于RP原型的精密鑄造。根據(jù)實(shí)物的RP原型

23、（正型）可翻制成硅膠型腔（負(fù)型），再翻制成陶瓷型（正型）；利用陶瓷正型可精鑄出一個(gè)金屬（如鋅鋁合金，鈸銅）型腔（負(fù)腔）用以注塑成形。利用SLS技術(shù)則可以直接成型陶瓷型進(jìn)行金屬模具的制造。 （7）熔模鑄造。RP技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于它能迅速產(chǎn)生復(fù)雜形狀的原型，而熔模鑄造（失蠟鑄造）的長(zhǎng)處是利用模型制造復(fù)雜的零件，兩者結(jié)合在一起，可快速制造出各種零件。第二章 快速模具制造技術(shù)概要2.3快速模具制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 許多間接模具制造工藝正被開(kāi)發(fā)出來(lái)，用以制作生產(chǎn)用模具，特別是用鋼和其他金屬及陶瓷來(lái)制作注塑模具。傳統(tǒng)的靠熟練模具技師用電加工和機(jī)加工模具的制造工藝總是引起嚴(yán)重的成本方面的問(wèn)題和較長(zhǎng)的生產(chǎn)周期，

24、RP技術(shù)的使用大大加速了模具制造過(guò)程。今后快速模具制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是： （1）提高模具制造精度，尺寸精度在0.015mm 0.05mm之間，并且具有良好的表面質(zhì)量，盡量減少最終機(jī)加工和拋光的工序，以保證工藝的經(jīng)濟(jì)性； （2）大力開(kāi)發(fā)新材料新工藝，開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度金屬模具的直接制造技術(shù)，以縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。第二章 快速模具制造技術(shù)概要2.3快速模具制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 以下對(duì)目前國(guó)際上有關(guān)快速模具制造技術(shù)的新進(jìn)展做簡(jiǎn)單介紹： 1.NCC模具制作技術(shù) CEMCOM研究公司正在開(kāi)發(fā)一種基于RPT的短期使用的生產(chǎn)級(jí)注塑模具工藝NCC模具制作工藝。它采用RP原型作模板，在模板上鍍鎳，然后在薄而堅(jiān)硬的

25、鍍鎳表面壓上堅(jiān)硬的陶瓷材料，來(lái)快速制造鎳-陶瓷組分的注塑模具。與傳統(tǒng)機(jī)加工模具制造技術(shù)相比，這種技術(shù)能將制造模具的時(shí)間縮短一半，模具可使用幾十次到幾千次不等。第二章 快速模具制造技術(shù)概要2.3快速模具制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 這種工藝特適合尺寸大于250mm250mm模具的制造，模具精度主要取決于原始模具精度。 目前CEMCOM公司和Pitney Bowes公司、伊士曼柯達(dá)公司、福特汽車(chē)公司合作，正在繼續(xù)完善該項(xiàng)技術(shù)，主要解決尺寸精度、易操作性和加工速度等問(wèn)題。 2.基于RP技術(shù)的金屬粉末鍛造工藝 Rapid Dynamics公司正在開(kāi)發(fā)一種基于RP技術(shù)的金屬粉末鍛造工藝，用來(lái)制造鋼模和嵌件。按照發(fā)

26、明者Paul Vawter的說(shuō)法，金屬粉末鍛造工藝可以在數(shù)天內(nèi)完成模具制造，該專(zhuān)利技術(shù)是由鑄造專(zhuān)家Vawter教授用了7年時(shí)間開(kāi)發(fā)完成的。第二章 快速模具制造技術(shù)概要2.3快速模具制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 其制造工序?yàn)椋?（1）利用一種新的低縮水（低于0.5）的陶瓷材料作為成型材料，結(jié)合RP技術(shù)制作原型，作為金屬模具或嵌件的模型； （2）將H13或P20鋼粉涂在模型表面，然后加熱到鍛造溫度并用空氣錘進(jìn)行鍛造，在合適的溫度和壓力下使金屬粉末被熱壓為固體金屬，形成金屬模具或嵌件。 這種模具或嵌件的制造精度可達(dá)0.02mm0.05mm.實(shí)際上，這種工藝非常類(lèi)似于粉末冶金。第二章 快速模具制造技術(shù)概要2.3

27、快速模具制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 3.三維打印技術(shù)（3DP） 三維打印技術(shù)（3DP）是由麻省理工學(xué)院發(fā)明的，最近他們開(kāi)發(fā)了一種注塑模具的快速制造工藝，基本制造工序?yàn)椋?（1）向不銹鋼粉末噴射丙烯酸加膠體粘合劑制造原型； （2）將原型放入加熱爐中燃燒，去除有機(jī)樹(shù)脂成分； （3）滲入銅和錫形成致密的注塑金屬模具，模具制造精度可達(dá)0.05mm。第二章 快速模具制造技術(shù)概要2.3快速模具制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 該項(xiàng)技術(shù)從生產(chǎn)角度出發(fā)，更加重視快速熱循環(huán)技術(shù)，在模具中增加了仿型的冷卻水通道，用油加熱模具，注射塑料零件，然后用冷油通過(guò)冷卻管道快速冷卻，以減少熱變形和內(nèi)部熱應(yīng)力，使模具能承受高頻率的熱疲勞從而保證在注

28、塑過(guò)程中溫度保持一致，從而保證了產(chǎn)品質(zhì)量。 專(zhuān)用模具和機(jī)械制造商Extrude-Hone公司購(gòu)買(mǎi)了使用三維打印（3DP）技術(shù)的獨(dú)家使用許可權(quán)，用來(lái)生產(chǎn)金屬模具和金屬零件。 4.金屬粉末激光直接成型技術(shù) 該項(xiàng)技術(shù)利用大功率激光熔化高熔點(diǎn)金屬粉末，第二章 快速模具制造技術(shù)概要2.3快速模具制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 通過(guò)逐層激光涂敷的方式從三維CAD模型直接制造出金屬模具。所使用的激光器功率在千瓦級(jí)以上，金屬粉由送粉器送進(jìn)，經(jīng)過(guò)激光熔池時(shí)熔化，涂敷在位于數(shù)控工作臺(tái)的底板上。由于激光涂敷時(shí)熔化和冷卻速度極快，得到的材料組織細(xì)小、均勻、致密，制件的力學(xué)性能和耐腐蝕性能得到提高。 目前，該技術(shù)在西方發(fā)達(dá)國(guó)家即將

29、進(jìn)入實(shí)際使用階段。 國(guó)內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)也正在開(kāi)展該項(xiàng)技術(shù)的研究，但與國(guó)外先進(jìn)水平還存在較大差距。第二章 快速模具制造技術(shù)概要2.3快速模具制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 5.LOM技術(shù) 采用金屬帶、不銹鋼帶為成型材料，利用LOM技術(shù)可以直接制造出金屬零件和模具，這是LOM技術(shù)目前發(fā)展的一個(gè)主要方向。該技術(shù)在國(guó)外已接近實(shí)用階段，在國(guó)內(nèi)尚未開(kāi)展。第三章 快速成型系統(tǒng)的軟件技術(shù)3.1 CAD軟件系統(tǒng)RP的支持性軟件 快速成型的前提條件是在計(jì)算機(jī)上構(gòu)造的三維模型，因而要求用于模型的CAD軟件系統(tǒng)有較強(qiáng)的三維造型功能。 第三章 快速成型系統(tǒng)的軟件技術(shù)3.2 快速成型技術(shù)中常用

30、的文件格式 常用的有以下幾種： （1）STL格式。該格式最初出現(xiàn)于1989年美國(guó)3D Systema公司生產(chǎn)的SLA快速成型系統(tǒng)，它是目前常見(jiàn)到的文件格式，用于將三維模型近似成小三角形平面的組合。 （2）IGES格式。該格式是大多數(shù)CAD系統(tǒng)采用的一種國(guó)際如行轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，用于支持不同文件格式見(jiàn)的轉(zhuǎn)化。 （3）STEP格式。該格式是一種正在逐步國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。第三章 快速成型系統(tǒng)的軟件技術(shù)3.3 切片軟件 快速成型系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)，通常可以由CAD模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成STL數(shù)據(jù)格式，經(jīng)片層處理而得到；也可以通過(guò)由CAD底層開(kāi)發(fā)出來(lái)的成型系統(tǒng)軟件直接產(chǎn)生。第三章 快速成型系統(tǒng)的軟件技術(shù)3.3

31、切片軟件3.3.1 STL文件的切片處理 STL文件的切片處理過(guò)程如下圖所示。先由CAD設(shè)計(jì)的三維模型產(chǎn)生STL文件，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化，形成一系列平行于x-y平面的輪廓線，表示所設(shè)計(jì)的三維模型。 切片的目的是將模型以片層方式來(lái)描述，片層的厚度通常再0.050.5mm之間。 切片處理將計(jì)算機(jī)中的集合模型變成輪廓線表述。第三章 快速成型系統(tǒng)的軟件技術(shù)3.3 切片軟件3.3.2 拓?fù)涮幚?用上述方法取得的成型機(jī)輸入數(shù)據(jù)只是平行掃描矢量，而一般的激光掃描系統(tǒng)還要做各種其他方式的掃描，如邊界軌跡掃描，分半掃描和智能掃描，通常要求再切片平面中帶有拓?fù)湫畔?。上述切片方法很難實(shí)現(xiàn)這些高級(jí)的掃描方式。第三章 快速成型

32、系統(tǒng)的軟件技術(shù)3.3 切片軟件3.3.3 掃描路徑的生成算法 （傳統(tǒng)的分區(qū)方法）掃描路徑生成主要有兩種方法： （1）方向平行路徑：每一段路徑均相互平行，再邊界線內(nèi)往復(fù)掃描，也成為Z字路徑。如圖a. （2）輪廓平行路徑：掃描路徑由輪廓的一系列等距線組成。如圖b. 第三章 快速成型系統(tǒng)的軟件技術(shù)3.4 基于UG的快速成型技術(shù)第三章 快速成型系統(tǒng)的軟件技術(shù)3.4 基于UG的快速成型技術(shù) 其主要過(guò)程如下： 1）三維模型設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)師完成產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)之后，利用UG的特征造型模塊和曲面造型模塊完成模型的三維設(shè)計(jì)。 2）零件設(shè)計(jì)好后用UG的注塑模塊和沖壓模塊以三維CAD模型作為參考零件設(shè)計(jì)制造該零件的模具。

33、3）對(duì)于一些復(fù)雜的三維產(chǎn)品模型上的不規(guī)則的自由曲面，ug軟件將其二維模型傳輸給快速成型系統(tǒng)進(jìn)行制造錢(qián)必須對(duì)該曲面進(jìn)行近似處理。用一系列的小三角行平面來(lái)近似逼近自由曲面。因此首先將設(shè)計(jì)好的三維模型選擇File菜單中的Export命令下拉菜單中的Rapid-Prototyping操作，產(chǎn)生STL格式文件，并輸入到快速成第三章 快速成型系統(tǒng)的軟件技術(shù)3.4 基于UG的快速成型技術(shù) 型系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)快速成型的系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算機(jī)上的構(gòu)造的三維設(shè)計(jì)模型，從此STL格式文件的三維模型上沿成型的高度方向，每隔一定的間隔自動(dòng)提取截面輪廓線的信息，進(jìn)行逐層平面切片處理，根據(jù)切片處理得到平面截面輪廓。 4）原型制造快速成形

34、系統(tǒng)的成形頭（激光頭或噴頭）在x-y平面內(nèi)，自動(dòng)按照輪廓線運(yùn)動(dòng)，切割紙（或固化液態(tài)樹(shù)脂，燒結(jié)粉末標(biāo)準(zhǔn)，或噴射黏合劑，熱溶材料），得到一層層的截面輪廓，每層截面輪廓成形之后，快速成形系統(tǒng)將下一層材料送至已成形的輪廓面上，然后進(jìn)行新一層截面輪廓材料的成形，從而將一層層截面輪廓重合在一起，最終形成三維產(chǎn)品。第三章 快速成型系統(tǒng)的軟件技術(shù)3.4 基于UG的快速成型技術(shù) 5）三坐標(biāo)檢測(cè)在用快速成形方法制成成品后，利用自動(dòng)檢查設(shè)備（如激光測(cè)量機(jī)）對(duì)成品進(jìn)行檢查，取得數(shù)據(jù)，通過(guò)UG中強(qiáng)有力的分析工具UG/scenario for structuers模塊，再與UG的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)比較制成品和原始實(shí)體

35、模型來(lái)快速檢查復(fù)雜產(chǎn)品的制造精度。在仿制產(chǎn)品時(shí)，CAE模塊提供了用坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)已有的產(chǎn)品實(shí)體進(jìn)行掃描，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入U(xiǎn)G的三位模型的工具。在接口技術(shù)上，其CAD模塊提供了多種標(biāo)準(zhǔn)接口，UG/Data Exchange數(shù)據(jù)交換模塊提供基于STEP、IGDS和DXF標(biāo)準(zhǔn)的雙向數(shù)據(jù)接口功能，可以方便轉(zhuǎn)化成為快速成形的數(shù)據(jù)輸入。第四章 中北大學(xué)在此方面的一些成果概述：第四章 中北大學(xué)在此方面的一些成果4.1變長(zhǎng)線掃描SLS RPT第四章 中北大學(xué)在此方面的一些成果4.1變長(zhǎng)線掃描SLS RPT 一般的SLS RPT是將二氧化碳激光器的輸出光束通過(guò)聚焦透鏡在工作面上形成具有很高能量密度且尺寸很小的光斑，此光

36、斑對(duì)鋪平在工作臺(tái)上的粉末材料進(jìn)行燒結(jié)。面變長(zhǎng)線掃描SLS RPT是將二氧化碳激光束通過(guò)柱面透鏡在工作面上形成具有與上述光斑相同能量密度的細(xì)長(zhǎng)線束，此線束的長(zhǎng)度可隨x-y二維直線導(dǎo)軌掃描同步地變化，使之與當(dāng)前燒結(jié)層截面的幾何形狀相適應(yīng)。這一長(zhǎng)度可變面能量密度不便的現(xiàn)狀能源對(duì)工作臺(tái)的粉末材料進(jìn)行燒結(jié)，形成由任意曲線未成的片層實(shí)體，片層疊加成為所需要的三維產(chǎn)品。如果片層尺寸大于激光線束的最大長(zhǎng)度，可以在線長(zhǎng)方向搭接往復(fù)掃描；如果片層內(nèi)含有孔洞不需要燒結(jié)，則應(yīng)以此孔的兩個(gè)定點(diǎn)為基準(zhǔn)進(jìn)行分區(qū)掃描。第四章 中北大學(xué)在此方面的一些成果4.1變長(zhǎng)線掃描SLS RPT本項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成熟，它與點(diǎn)掃描SLS RPT相

37、比，具有成形尺寸大，成形效率高（尤其是對(duì)大型實(shí)心零件）的優(yōu)點(diǎn)。中北大學(xué)研制的LLS-500D變長(zhǎng)線掃描RPS的性能指標(biāo)為： 最大工件尺寸：500mm400mm； 線束長(zhǎng)度：0.15mm50mm連續(xù)無(wú)極可調(diào)； 線束寬度：0.15mm; 二氧化碳激光器功率:100W; 掃描方式：直線導(dǎo)軌掃描第四章 中北大學(xué)在此方面的一些成果4.2 高功率激光二極管線陣能量源SLS RPT這種線掃描SLS RPT也是由中北大學(xué)發(fā)明且具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)。下面是其原理圖：第四章 中北大學(xué)在此方面的一些成果4.2 高功率激光二極管線陣能量源SLS RPT 其能量源不是使用二氧化碳激光器而是使用高功率激光二極管（功率

38、0.5W1W)。將若干個(gè)二極管通過(guò)光纖耦合后，將光纖輸出端對(duì)準(zhǔn)，使各激光二極管發(fā)出的光束再工作面上形成直徑約為0.25mm的光斑。如果光斑直徑小于光纖間的中心距p（成為節(jié)距），說(shuō)明形成的長(zhǎng)線為斷續(xù)的虛線，需要將若干線陣形成的虛線像互相鑲嵌，使之成為實(shí)線。這種工藝方法具有很高的加工效率，當(dāng)線陣長(zhǎng)度足夠大時(shí)，掃描只要再一個(gè)方向上進(jìn)行；線陣長(zhǎng)度小于片層時(shí)，可以分區(qū)掃描。 由激光二極管線陣構(gòu)成的SLS RP系統(tǒng)的能量源體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，可成為研制桌面型SLS RP系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)。第四章 中北大學(xué)在此方面的一些成果4.3 快速成型用材料方面4.3.1精鑄蠟粉（PCPI） 中北大學(xué)采用化學(xué)合成法，開(kāi)發(fā)了以

39、楊花聚乙烯蠟為主要成分的復(fù)合精鑄蠟粉（PCP1），其主要性能指標(biāo)如下表所示： 其燒結(jié)成型件經(jīng)簡(jiǎn)單后處理（清粉、涂液）即可達(dá)到精鑄蠟?zāi)５囊?，再通過(guò)傳統(tǒng)的精鑄工藝，進(jìn)行涂殼、脫蠟、焙燒等，便可制得合格鑄件。第四章 中北大學(xué)在此方面的一些成果4.3 快速成型用材料方面 與PS、PC等用于快速精鑄的樹(shù)脂成型粉末材料相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）燒結(jié)性能好，無(wú)需預(yù)熱； （2）成型性能優(yōu)良，成型件變形?。?（3）脫模性好，用蒸氣法即可脫除干凈，無(wú)需燃燒分解，避免了環(huán)境污染。（國(guó)內(nèi)只有中北大學(xué)開(kāi)發(fā)了低熔點(diǎn)的激光燒結(jié)成型用精鑄蠟粉）第四章 中北大學(xué)在此方面的一些成果4.3 快速成型用材料方面 以下是精鑄蠟粉（

40、PCPI）的激光燒結(jié)成型件。第四章 中北大學(xué)在此方面的一些成果4.3 快速成型用材料方面4.3.2覆膜金屬粉 國(guó)內(nèi)中北大學(xué)與華中科技大學(xué)開(kāi)展了覆膜金屬粉的激光燒結(jié)成型技術(shù)研究，中北大學(xué)開(kāi)發(fā)的覆膜金屬粉（CMP）主要性能如下： （1）成分： （2）外觀：灰色粉末； （3）粒度：160目300目 （4）激光燒結(jié)成型溫度140，燒結(jié)件變形很小，成型尺寸精度正負(fù)0.15mm。第四章 中北大學(xué)在此方面的一些成果4.3 快速成型用材料方面下圖為覆膜金屬粉（CMPI）激光燒結(jié)成型件及其后處理金屬成品件第四章 中北大學(xué)在此方面的一些成果4.3 快速成型用材料方面4.3.3覆膜陶瓷粉（CCPI） 國(guó)內(nèi)北京隆源自

41、動(dòng)成型有限公司、華中科技大學(xué)、中北大學(xué)在進(jìn)行覆膜陶瓷粉末產(chǎn)品及其激光快速成型工藝發(fā)面的研究工作，中北大學(xué)開(kāi)發(fā)的覆膜陶瓷粉末（CCPI）主要性能如下： （1）外觀：黑色粉末； （2）粒度：160目300目； （3）激光燒結(jié)成型溫度130 ，燒結(jié)件變形很小，尺寸穩(wěn)定。第四章 中北大學(xué)在此方面的一些成果4.3 快速成型用材料方面4.3.4原型燒結(jié)粉（STPI） 中北大學(xué)開(kāi)發(fā)的原型燒結(jié)粉制作的原型經(jīng)過(guò)浸樹(shù)脂后處理已成功用于制造芯盒和模板第四章 中北大學(xué)在此方面的一些成果另外，中北大學(xué)鑄造工程中心從烏克蘭引進(jìn)了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)電磁泵低壓澆注系統(tǒng)，已成功應(yīng)用于坦克發(fā)動(dòng)機(jī)鋁鑄件的生產(chǎn)。第四章 中北大學(xué)在此方面的一

42、些成果4.4技術(shù)產(chǎn)業(yè)化北京北方恒利科技發(fā)展有限公司 / 該公司是由中國(guó)兵器科學(xué)研究院、中北大學(xué)、中國(guó)兵器新技術(shù)推廣所共同投資創(chuàng)辦的高新技術(shù)企業(yè) 。 其快速成型產(chǎn)品有： HLP-350; HLP-450; 成型材料。第四章 中北大學(xué)在此方面的一些成果HLP-350 性能指標(biāo)： （1）成型尺寸： 350350380(mm);（2）掃描速度： 4000mm/s;（3）精 度： 0.2mm;（4）功 率： 3kw(220v,50Hz);（5）運(yùn)行環(huán)境： 15-28（6）燒結(jié)材料： 精鑄蠟粉、PS粉、尼龍粉、覆膜陶瓷粉、覆膜金屬粉；（7）外型尺寸： 20008081850（mm） 第四章 中北大學(xué)在此方面的一些成果4.4技術(shù)產(chǎn)業(yè)化4.4.1 HLP-350 系統(tǒng)軟件組成： （1）前處理軟件主要功能： 分層切片、STL文件錯(cuò)誤修復(fù)、比例縮放、實(shí)體分割/組合，支撐填加、尺寸測(cè)量； STL、SSL、CLI圖形文件圖形文件讀入、STL圖形顯示、等間隔分層切片、自適應(yīng)分層切片、掃描軌跡優(yōu)化及控制代碼生成，加工時(shí)間預(yù)測(cè)等；可與工業(yè)CT掃描設(shè)備接口，對(duì)掃描數(shù)據(jù)文件（CLI）加工成型。第四章 中北大學(xué)在此方面的一些成果4.4技術(shù)產(chǎn)業(yè)化4.4.1 HLP-350 （2）系統(tǒng)控制軟件主要