現(xiàn)代機械加工新技術(shù)課件

1、快速成形技術(shù)之一 概述一、什么是快速成形技術(shù) 快速成形 (RP-Rapid Prototyping)技術(shù)： 是八十年代末發(fā)展起來的一項先進(jìn)制造技術(shù)，是為制造業(yè)企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)服務(wù)的一項關(guān)鍵共性技術(shù)。是一種基于離散堆積成形思想的新型成形技術(shù)，是綜合利用計算機、數(shù)控、激光和新材料等最新技術(shù)的技術(shù)集成以實現(xiàn)從零件設(shè)計到三維實體原型制造一體化的系統(tǒng)技術(shù)。被認(rèn)為是近20年里制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破。 “分層制造，逐層疊加” 類似于數(shù)學(xué)上的積分過程。 RP 如何成形？形象的比喻： 快速成形系統(tǒng)就像是一臺立體打印機。二維計算機數(shù)據(jù)打印機二維圖片產(chǎn)品的三維實體CAD數(shù)據(jù)模型快速成形系統(tǒng)三維實體樣件二、RP 的

2、產(chǎn)生背景 隨著全球市場一體化的形成，產(chǎn)品的開發(fā)速度日益成為競爭的主要矛盾。 制造業(yè)需要滿足日益變化的用戶需求，又要求制造技術(shù)有較強的靈活性，能夠以小批量甚至單件生產(chǎn)而不增加產(chǎn)品的成本。 產(chǎn)品開發(fā)的速度和制造技術(shù)的柔性變得十分關(guān)鍵，RP在這樣的社會背景下應(yīng)運而生。三、制造方法的分類1、去除成形法；2、受迫成形法；3、離散/堆積成形法（快速成形法）；4、生長成形法；傳統(tǒng)加工法制造方法二 受迫成形法概念解釋：材料在型腔的約束下成形，如鑄造、鍛壓、注塑等；成形特點： 1）成形過程中需要制造模具，周期長，成本高，成形的柔性很低，僅適用于大批量生產(chǎn)； 2）成形形狀可以十分復(fù)雜，但成形精度低； 3）成形過程

3、與材料的制備有一定程度的結(jié)合；制造方法四 生長成形概念解釋：通過細(xì)胞的可控復(fù)制、裝配而堆積成形，生長物具有特定的形狀，能夠完成特定的功能；成形特點： 1）信息處理過程和物理成形過程緊密結(jié)合； 2）材料制備與材料成形緊密結(jié)合，是材料成形的最高水平； 1892年，J.E.Blanther提出利用分層法構(gòu)成地形圖 1986年，Charles W Hull提出利用激光照射液態(tài)光敏樹脂分層制作三維模型 1988年，美國3D Systems公司推出第一臺快速成形機三、快速成形技術(shù)的歷史四、快速成形技術(shù)的原理（一）基本原理 采用材料累加制造原理，根據(jù)三維CAD模型數(shù)據(jù)，無需任何刀具和工裝，可快速制造出任意復(fù)

4、雜程度的產(chǎn)品原型。具體步驟如下：（1）由CAD軟件設(shè)計出所需零件的計算機三維曲面或?qū)嶓w模型；（2）將三維模型沿一定方向（通常為Z向）離散成一系列有序的二維層片（習(xí)慣稱為分層）；（3）根據(jù)每層輪廓信息，進(jìn)行工藝規(guī)劃，選擇加工參數(shù)，自動生成數(shù)控代碼；（4）成形機制造一系列層片并自動將它們聯(lián)接起來，得到三維物理實體?？焖俪尚蔚脑韴D Slicing 切片 Product工件 Free Forming layer by layer 分層自由成形 Additive層層疊加播放動畫（二）基本流程3D Modeling with CAD Software用CAD軟件設(shè)計工件的三維模型Object實物Pre-

5、Treatment 前處理Post- Treatment 后處理 Free Forming 自由成形Laser Scanning 激光掃描 CT Scanning CT掃描 Converting to STL File 轉(zhuǎn)換成STL格式文件 Slicing Layer by Layer逐層切片，求得每層截面輪廓Rapid Prototyping Layer by Layer 逐層快速成形 3D Prototype 三維樣品 Finishing 修整 Final Product最終工件（三）主要工藝 液態(tài)光敏聚合物選擇性固化（光固法） （Stereo Lithography ApparatusS

6、LA） 薄形材料選擇性切割（疊層法） （Laminated Odject Manufacturing LOM） 絲狀材料選擇形融覆 （Fused Deposition Modeling FDM ） 粉末材料選擇性燒結(jié) （Selected Laser Sintering SLS ） 多噴頭熱塑噴射法(Thermal Multi-nozzle Jetting) 掩模固化法（SGCSolid Ground Curing） 三維印刷法（3DPThree Dimensional Printing）LOM FDMLiquid Photo Resin Paper 液態(tài)光敏樹脂 紙 Plastic / Met

7、al Powder Plastic Filament 塑料/金屬粉末 塑料絲Laser Sintering 激光燒結(jié)SLSLaser Inducing 激光誘發(fā) SLALaser Cutting 激光切割 Heating 加熱 TDP典型工藝方法五、快速成形技術(shù)的特點無需準(zhǔn)備任何模具、刀具和工裝卡具直接由CAD 數(shù)據(jù)制成三維實體，并成功的解決了計算機輔助設(shè)計中三維造型“看得見、摸不著”的問題 材料制備和成形過程緊密結(jié)合；不受零件加工形狀復(fù)雜程度的限制，可成形梯度結(jié)構(gòu)，適應(yīng)多種不同材料；成形精度適中；高度柔性,高度集成化：成形柔性在各種成形手段中最高；整合了信息處理技術(shù)和物理成形技術(shù)，并正朝著

8、更緊密結(jié)合的方向發(fā)展；成本為傳統(tǒng)加工的1/31/5周期縮短為1/51/10是大批量定制生產(chǎn)的主要生產(chǎn)模式；六、快速成形技術(shù)的優(yōu)勢 它可以在無需準(zhǔn)備任何模具、刀具和工裝卡具的情況下，直接接受產(chǎn)品設(shè)計（CAD）數(shù)據(jù)，快速制造出新產(chǎn)品的樣件、模具或模型。 RP技術(shù)的推廣應(yīng)用可以大大縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高開發(fā)質(zhì)量。 由傳統(tǒng)的去除法到今天的增長法，由有模制造到無模制造，這就是RP技術(shù)對制造業(yè)產(chǎn)生的革命性意義。當(dāng)前，全球制造業(yè)呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢： 生產(chǎn)、經(jīng)營及市場全球化； 顧客需求個性化，多樣化； 產(chǎn)品生命周期縮短，更新?lián)Q代加速； 產(chǎn)品高科技化； 市場競爭激烈化。 產(chǎn)品競爭的焦點是：質(zhì)量、成

9、本、交貨期以及服務(wù)。而在激烈的競爭中，如何保證新產(chǎn)品的上市時間（或交貨期）在很多情況下已成為競爭的第一要素。七、應(yīng)用RP技術(shù)的重要意義 制造業(yè)企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)策略之一： “生產(chǎn)一代，儲備一代，研制一代” 。 我國“八五”期間所開發(fā)成功的2361種主要新產(chǎn)品，平均開發(fā)周期為18個月，產(chǎn)品的生命周期為10.5年。 美國1990年已實現(xiàn)“三個三”，即產(chǎn)品的生命周期為三年，產(chǎn)品的試制周期為三個月，產(chǎn)品的設(shè)計周期為三個星期。 1995年，美國制造業(yè)的新產(chǎn)品貢獻(xiàn)率已達(dá)到國內(nèi)生產(chǎn)總值的52%左右；而我國1997年僅為5.9%。 產(chǎn)品創(chuàng)新技術(shù)是提高企業(yè)競爭力的關(guān)鍵 （4）支持同步（并行）工程的實施 使設(shè)計、交流

10、和評估更加形象化，使新產(chǎn)品設(shè)計、樣品制造、市場定貨、生產(chǎn)準(zhǔn)備等工作能并行進(jìn)行 （5）支持技術(shù)創(chuàng)新、改進(jìn)產(chǎn)品外觀設(shè)計 有利于優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，對工業(yè)外觀設(shè)計尤為重要。（6）成倍降低新產(chǎn)品研發(fā)成本 節(jié)省了大量的開模費用（7）快速模具制造可迅速實現(xiàn)單件及小批量生產(chǎn)，使新產(chǎn)品上市時間大大提前，迅速占領(lǐng)市場。 快速成型技術(shù)之二 典型工藝二、典型工藝方法 SLA（一）基本原理 SLA(Stereolithography Apparatus) 也稱光造型或立體光刻。SLA技術(shù)是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長和強度的紫外光(如=325nm)的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng), 分子量急劇增大

11、材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。 液槽中盛滿液態(tài)光固化樹脂，激光束在偏轉(zhuǎn)鏡作用下在液態(tài)表面上掃描, 掃描的軌跡及光線的有無由計算機控制。光點打到之處液體固化。成型開始時，工作平臺在液面下一個確定的深度，聚焦后的光斑在液面上按指令逐點掃描，逐點固化。當(dāng)一層掃描完成后，未被照射的地方仍是液態(tài)樹脂。然后升降臺帶動平臺下降一層高度，已成型的層面上又布滿一層樹脂，刮平器將粘度較大的樹脂液面刮平，然后再進(jìn)行下二層的掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復(fù)直到整個零件制造完畢, 得到一個三維實體模型。播放動畫 X Y 掃描系統(tǒng)激光束 Z 軸升降臺 樹脂槽 托板 光敏樹脂 零件 SLA原理圖（二）技術(shù)特點 S

12、LA方法是目前快速成形技術(shù)領(lǐng)域中研究得最多的方法，也是技術(shù)上最為成熟的方法。優(yōu)點： 直接得到塑料產(chǎn)品 表面光潔度好 光固化樹脂材料 利用率近100 經(jīng)過適當(dāng)制備，材料可達(dá)到不同機械或物理特性 無毒，不浪費，環(huán)境友好可制作及其精細(xì)特征的零件(如1.5mm薄壁或2mm柱孔)制作精度最高，制作效率僅取決于光斑掃描速度可制作任意形狀零件(如中空結(jié)構(gòu)等)后處理容易缺點： 制件易翹曲，尺寸精度不易長時間保持 成形時間長,不適合做厚實體件 須設(shè)計、制做支撐結(jié)構(gòu) 往往需二次固化 紫外線氣體激光管壽命為2000h，運行成本高（四）應(yīng)用東方機械廠 快速開發(fā)新型導(dǎo)彈的葉輪重慶電子設(shè)備公司 制作車燈，獲650萬元訂單

13、家電：電視、手機、面板、器件輕工：玩具、鞋模、鞋楦、器材汽車：車身模具、車燈、增加器、發(fā)動機殼、缸蓋工藝品三維人像系統(tǒng)微滴管樣件微滴片樣件節(jié)水產(chǎn)品醫(yī)療康復(fù)：人工鈦合金骨、數(shù)字化人體SLA工藝制作風(fēng)洞隧道測試模型SLA工藝制作考古模型 SLA工藝制作功能原型三、典型工藝方法 LOM（一）基本原理 LOM(Laminated Object Manufacturing)稱疊層實體制造或分層實體制造。 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，熱壓輥熱壓片材，使之與下面已成形的工件粘接；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

14、之間多余的區(qū)域內(nèi)切割出上下對齊的網(wǎng)格；激光切割完成后，工作臺帶動已成形的工件下降，與帶狀片材(料帶)分離；供料機構(gòu)轉(zhuǎn)動收料軸和供料軸，帶動料帶移動，使新層移到加工區(qū)域；工作臺上升到加工平面；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粘接、切割完得到分層制造的實體零件LOM原理圖激光切割系統(tǒng)紙原材料存儲及送進(jìn)機構(gòu)工作臺熱壓機構(gòu)播放動畫（二）技術(shù)特點優(yōu)點： 翹曲變形很小，尺寸精度高 能耐高溫，較高的硬度及良好的機械性能 無需設(shè)計和制作支撐 制件尺寸大，適合中、大型件制作 耗材便宜缺點： 薄壁件的強度和彈性較差 材料利用率較低（四）應(yīng)用應(yīng)用L

15、OM成形工藝快速制造鑄造木模地球儀模型新型手電鉆外殼原型件摩托車零件小型發(fā)動機零件原型件神龍富康轎車零件原型件手機模型電話機面板原型件三、典型工藝方法 FDM（一）基本原理FDM(Fused Depostion Modeling) 稱為熔融沉積制造。將材料熔化/溶化，形成熔融態(tài)或液態(tài)，再從壓力腔中擠出/噴射；制造絲狀或點狀單元，經(jīng)堆積形成層面；層面迭加形成三維實體的快速成形工藝。請見圖示 高分子材料，陶瓷，生物活性材料壓力腔加熱熔融/溶化擠出噴射塑料絲工作臺產(chǎn)品噴頭 FDM成形原理圖播放動畫（二）技術(shù)特點優(yōu)點： 不用激光器件，使用、維護(hù)簡單，成本較低 生成的工件強度較好 制件翹曲變形較小 適合

16、成形中、小型件 缺點： 原材料價格昂貴（主材、支撐材料） 須設(shè)計制作支撐結(jié)構(gòu) 堆積方向的剪切強度較弱（四）應(yīng)用陸軍頭盔下頜骨框架框架曲面分層光順，無臺階，對自由曲面如汽車覆蓋件模具型面，家電產(chǎn)品之流線型原型意義很大，其他工藝很難做到雕龍筆筒底蓋小型殼體底蓋小型電子器件外殼音箱外殼三、典型工藝方法 SLS（一）基本原理 SLS(Selective Laser Sintering)稱為選擇性燒結(jié)。 SLS工藝是利用粉末狀材料成形的。將材料粉末鋪灑在已成形零件的上表面，并刮平；用高強度的CO2激光器在剛鋪的新層上掃描出零件截面；材料粉末在高強度的激光照射下被燒結(jié)在一起，得到零件的截面，并與下面已成形

17、的部分連接；當(dāng)一層截面燒結(jié)完后，鋪上新的一層材料粉末，選擇地?zé)Y(jié)下層截面。SLS原理圖粉末鋪粉輥筒激光器激光窗口成形平面產(chǎn)品工作臺播放動畫（二）技術(shù)特點優(yōu)點： 材料利用率高 適合成形中、小型件 材料適應(yīng)面廣，能直接成形塑料、陶瓷或金屬產(chǎn)品 無須設(shè)計、制作支撐結(jié)構(gòu)缺點： 成形件結(jié)構(gòu)較疏松、多孔，需涂覆樹脂，增加后處理量 生成陶瓷、金屬產(chǎn)品的后處理很難，無法保證尺寸精度 分辨率低，成形件棱角不清晰 制件有內(nèi)應(yīng)力，易變形（三）應(yīng)用應(yīng)用SLS制造的新產(chǎn)品樣件可用于設(shè)計、裝配驗證應(yīng)用SLS成形工藝制模，快速制造金屬零件采用SLS工藝快速制造的內(nèi)燃機進(jìn)氣管可直接用功能驗證SLS工藝制造大型原型快速成型技術(shù)

18、之三 工程應(yīng)用快速成型的應(yīng)用領(lǐng)域 快速成型技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車、家電、輕工、醫(yī)療、航空、航天、建筑等行業(yè)。 用快速成形技術(shù)支持汽車、摩托車、發(fā)動機等零部件的產(chǎn)品開發(fā) 快速成形技術(shù)在電子通訊行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域 快速成形技術(shù)在軍工行業(yè)的應(yīng)用 快速成形技術(shù)在航天領(lǐng)域的典型應(yīng)用 a.美國波音公司采用SLS工藝制造的發(fā)動機零件 快速成形技術(shù)在航天領(lǐng)域的典型應(yīng)用 b. 宇宙飛船上的零件 c. 復(fù)雜飛行器的燃燒系統(tǒng) b. 宇宙飛船上的零件 快速成形技術(shù)在微細(xì)加工中的應(yīng)用 快速成型的用途 產(chǎn)品的概念設(shè)計驗證及樣品制造 (一圖值千句、一物值千圖) 功能性模擬試驗(裝配試驗與工程測試) 快速模具制造(結(jié)合各種傳

19、統(tǒng)工藝) 生物組織工程、臨床醫(yī)學(xué)工程與考古行業(yè) 特殊復(fù)雜零件、微型機械的制造 科學(xué)技術(shù)與創(chuàng)新教育研究應(yīng)用一 產(chǎn)品的概念設(shè)計驗證 及樣品制造 快速成型技術(shù)制造產(chǎn)品的概念原型，為設(shè)計人員迅速得到產(chǎn)品樣品,直觀評判產(chǎn)品提供了先進(jìn)的技術(shù)手段?？梢哉故井a(chǎn)品設(shè)計的整體概念、立體形態(tài)和布局安排，進(jìn)行產(chǎn)品造型設(shè)計，作為產(chǎn)品的展示、投標(biāo)、面市模型使用；設(shè)計原形制作摩托車樣件 應(yīng)用二 功能性模擬試驗 快速成型技術(shù)可以制造功能原型，用于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計檢查，裝配干涉檢驗，靜、動力學(xué)試驗等，從而優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計。研究產(chǎn)品的一些物理性能、機械性能。可以盡早地對產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行測試、檢查和評估，縮短產(chǎn)品設(shè)計反饋的周期和產(chǎn)品的開發(fā)周

20、期，大大降低產(chǎn)品的開發(fā)費用，大幅度提高產(chǎn)品開發(fā)的成功率。汽車反光鏡吸塵器功能測試應(yīng)用三 醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用 制造模型應(yīng)用于教學(xué)與展示 制造模型應(yīng)用于臨床診斷 制造模型應(yīng)用于復(fù)雜外科手術(shù)的仿真 制造模型應(yīng)用于手術(shù)移植和破損骨骼的修復(fù)醫(yī)學(xué)應(yīng)用一 教學(xué)與展示 三維模型可以提供有視覺和觸覺的信息，作為教學(xué)和診斷的“文件”，促進(jìn)醫(yī)生與醫(yī)生、醫(yī)生與病人之間的溝通。醫(yī)用模型醫(yī)學(xué)應(yīng)用二 臨床診斷 通過對患者CT圖像的處理，建立相應(yīng)器官的模型，可以快速的分析和確定病因，縮短診斷周期。醫(yī)學(xué)應(yīng)用三 復(fù)雜外科手術(shù)的仿真 三維立體模型可以作為復(fù)雜手術(shù)模擬的模型，有助于快速制定復(fù)雜外科手術(shù)的計劃，還可以增加手術(shù)的成功率，縮短

21、手術(shù)時間。醫(yī)學(xué)應(yīng)用四 手術(shù)移植和破損骨骼的修復(fù) 三維立體模型能夠直接制造成植入物，植入人體；另外，使用圖像鏡像功能，可以制造出對稱人體器官中所破損的那部分，達(dá)到修補的目的。醫(yī)學(xué)應(yīng)用四 牙齒修復(fù)醫(yī)學(xué)應(yīng)用四 牙齒修復(fù)應(yīng)用快速成型技術(shù)的案例分析案例分析一 長安汽車公司為他們的電噴發(fā)動機方案設(shè)計了幾種進(jìn)氣歧管方案，并委托天津快速成型中心用RP技術(shù)快速制做了產(chǎn)品樣件，實現(xiàn)了新產(chǎn)品的設(shè)計驗證、裝配驗證功能驗證和方案優(yōu)化，大大縮短了新品的研制周期。長安公司利用RP制做了兩個方案的制件僅花費1萬余元，卻使其新產(chǎn)品的上市時間提前了約3個月，效益相當(dāng)可觀。對比項目RP方法 傳統(tǒng)方法研制周期一個月四個月成本核算相當(dāng)

22、相當(dāng)精 度高低風(fēng) 險 無大案例分析二 某兵器研究所為某種型號的飛機研制操作手柄，由于使用功能、手感、可靠性要求極為嚴(yán)格，采用傳統(tǒng)的制造模式，由于模具制造周期的限制，勢必造成設(shè)計師的許多先進(jìn)的設(shè)想無法在有限的時間內(nèi)實現(xiàn)，或者是拖延交貨周期。西安交通大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)研究所利用激光快速成型機LPS600，快速制造出RP原型，制作時間23小時，2天后翻制成硅橡膠模具，3天后，低壓注塑，制造出10件操作手柄，完成了設(shè)計師的其中一種設(shè)計思想，大幅度縮短了產(chǎn)品開發(fā)過程中的制造過程，研制費用不超過3萬元。如采用傳統(tǒng)的制造手段，實現(xiàn)設(shè)計思想到實物的過程，花費在10萬元以上，而且這一過程需要30天以上。案例分析三

23、 采用快速成型工藝制作軍工企業(yè)國營西安東方機械廠的導(dǎo)彈引信葉輪。（1）首先在三維軟件中進(jìn)行零件設(shè)計；（2）利用LPS600激光快速成型工藝制作葉輪的樹脂模型（3）進(jìn)行空氣動力學(xué)實驗，如果不滿足要求，再進(jìn)行CAD模型的修改，直到滿足要求為止。（4）采用硅膠模技術(shù)，低壓注塑制造10個樣件，（制造周期只需3天左右）進(jìn)行靶場驗證性實驗，根據(jù)實驗結(jié)果，修改設(shè)計參數(shù)，再次進(jìn)行原型及塑料件制作。 在一個半月中支持該廠進(jìn)行了7次實驗，大大縮短了開發(fā)周期，加速了型號開發(fā)，而成本只有幾千元。而采用常規(guī)方法，周期將達(dá)2年左右，費用高達(dá)幾十萬元?？焖俪尚图夹g(shù)之四 相關(guān)技術(shù)快速制造的支撐技術(shù)3C: CAD、CAM、CAE3R: RE(Reverse Engineering) RP(Rapid Prototyping) RT (Rapid Tooing)逆向工程技術(shù)(RE)逆向工程概述 逆向工程亦稱反求工程、反向工程, 簡稱：RE(Reverse Engineering). 廣義逆向工程以物理模型(模型、實物、樣件)、軟件(程序、技術(shù)文檔)、影像(圖片、影視資料)等為研