毕业设计（论文）-模具的快速成型技术—冲压模具（二）.doc

太原工业学院毕业设计 毕业设计模具的快速成型技术冲压模具（二）学生姓名： 李小华 学号： 125011302 系 部： 机械工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 梁红玉 二一四年六月诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日 毕业设计任务书设计题目：模具的快速成型技术冲压模具（二） 系部： 机械工程系 专业： 机械设计制造及其自动化 学号： 125011302 学生： 李小华 指导教师（含职称）： 梁红玉（教授） 专业负责人： 田静 1设计的主要任务及目标 1.了解快速成型技术的发展趋势2.掌握模具设计的基本方法3.利用快速成型机完成模具关键部件的烧结。2设计的基本要求和内容了解快速成型技术，确定快速成型系统的特点及组成；进行模具的拆装，了解模具的结构、设计方法和装配工序；用绘图软件绘制出所需的零件图；确定三坐标测量机的结构及工艺参数确定，用三坐标测量机测量模具各凹凸模的尺寸；将测量好的参数输入到快速成型机中，将零件加工出来并组装新的模具；比较原始模具和快速成型模具的差别，并对其进行总结；撰写、修改、整理说明书。3主要参考文献1、Wohlers,et al.Fiction fact fast.Manufacturing,1991.(3):44-992、 王秀峰，罗宏杰，快速原型制造技术M.北京:中国轻工业出版社，2000.7.3、Papid Prototyping Report.CAD/CAM Publishing,Inc.2000.10(10):3-84进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1收集资料编写开题报告和初期答辩3月6日3月19日2拆装模具了解整套模具零件3月20日3月28日3了解三坐标测量仪并进行中期答辩3月29日4月15日4熟悉快速成型机进行加工模具4月16日5月15日5撰写修改说明书5月16日6月9日模具的快速成型技术冲压模具（二）摘要：本设计利用快速成型技术对所设计的冲压模具进行研究，了解模具的关键部件并进行工艺分析，运用快速原型技术完成模具制造与原模具对比。冲压模具的选择是在综合考虑了经济性、零件的冲压工艺性以及复杂程度等诸多因素的基础上进行的；产品毛坯展开尺寸的计算是在方便建设又不影响模具成型的前提下简化为所熟悉的模型进行的。同时也是考虑最终产品细节所需要的三维要素，在设计阶段原始图片可以当做草图使用。在研究过程中查询资料或说明书进一步了解快速成型技术在工业设计中的应用。关键词：工艺性；冲压模具；快速成型技术；Pro/EMoldrapid prototyping technologywith-stamping die twoAbstract：This design uses rapid prototyping techniques designed to study stamping dies, molds and understand the key components for process analysis, the use of rapid prototyping technology to complete mold making comparison with the original molds. Stamping die selection is based on a comprehensive consideration of the economy, stamping process and the complexity of the parts and many other factors conducted on; computing products launched blank size is convenient to simplify the building without affecting the premise for the molding the familiar model. Also consider the details of the three-dimensional elements of the final product needed at the design stage of the original image can be used as sketches. Query data or instructions in the course of the study more about rapid prototyping technology in industrial design.Keywords：Process,；stamping die；rapid prototyping technology；Pro/E目 录1.引言12冲压模具的设计32.1冲压件的工艺性分析32.1.1冲压件的形状及尺寸精度42.2制件冲压工艺方案的确定冲压工序的组合及冲压顺序的安排42.3冲压件排样图的设计及计算62.3.1展开尺寸的计算62.3.2制件排样图的设计72.3.3材料利用率的计算72.4确定总冲压力和选用压力机及计算压力中心82.4.1冲压力82.4.2 卸料力、推件力及顶件力的计算92.4.3压力机的选择92.4.4压力中心的确定102.5弯曲部分计算112.6冲压模具结构形设计122.6.1.弯曲凸凹模的设计153快速成型技术的研究163.1快速成型与快速成型技术的简介163.1.1快速成型技术的特点与工作原理163.2快速成型技术的工艺过程173.3快速成型技术的工艺方法及分类183.4熔融沉积快速成型技术（FDM）工艺介绍223.4.1熔融沉积快速成型技术的工艺原理223.4.2熔融沉积快速成型技术的工艺过程233.4.3熔融沉积快速成型技术的优缺点253.4.4熔融沉积快速成型过程影响因素分析253.4.5熔融沉积快速成型技术的应用253.5实验过程263.6间接对模具进行制造293.6.1间接制模技术293.6.2间接制模具的工艺路线294快速成型技术的发展趋势305设计小结31参考文献32致谢3311.引言快速成型技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的，它是一种崭新的三维建模、快速制造技术，它可以自动快速的将设计思想物化为具有一定结构和性能的原型或直接制造零部件。目前我国的机械工业与发达国家相比有很大差距，主要原因之一就是新产品开发周期过长，企业对市场响应能力较差，若采用快速成型技术则可大大的缩短开发周期。激光快速成型技术的发展虽然仅只有10年时间，但是已经受到人们的广泛重视，是制造技术中的一项突破性高技术，可以预见，他会给制造工业带来巨大影响。要研究快速成型技术首先要了解什么是快速成型技术，要运用三坐标测量对模具进行测绘，要了解模具的配件，学会拆装模具，运用仿真模具对凹凸模具进行冲压和模具的快速的成型，在运用快速原型技术与原模具对比。在研究前要了解现代快速成型模具，三坐标测量仪器的型号以及工作参数和原理。在对模具进行拆装过程中进行思考，根据其制作原理不仅仅是根据已有的产品在创造一个，同时也是考虑最终产品细节所需要的三维要素，在设计阶段原始图片可以当做草图使用。之后进实验室进一步了解模具的成型过程，自己动手绘侧，加工，烧注。最后将做出来的模具与原始模具进行对比，寻找不足。在研究过程中查询资料或者说明书进一步了解快速成型技术，三坐标测量技术的在工业设计中的应用。同时由于这项技术尚处于初创阶段，还存在一些待研究和解决的问题，在推广应用中仍必须不断的改进和提高。模具的发展是体现一个国家现代化水平高低的一个重要标志，就我国而言，经过了这几十年曲折的发展，模具行业也初具规模，从当初只能靠进口到现在部分进口已经跨了一大步，但还有一些精密的冲模自己还不能生产只能通过进口来满足生产需要。随着各种加工工艺和多种设计软件的应用使的模具的应用和设计更为方便。随着信息产业的不断发展，模具的设计和制造也越来越趋近于国际化。现在模具的计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）技术的研究和应用。大大提搞了模具设计和制造的效率。减短了生产周期。采用模具CAD/CAM技术，还可提高模具质量，大大减少设计和制造人员的重复劳动，使设计者有可能把精力用在创新和开发上。尤其是pro/E和UG等软件的应用更进一步推动了模具产业的发展。数控技术的发展使模具工作零件的加工趋进于自动化。电火花和线切割技术的广泛应用也对模具行业起到了飞越发展。模具的标准化程度在国内外现在也比较明显。特别是对一些通用件的使用应用的越来越多。其大大的提高了它们的互换性。加强了各个地区的合作。对整个模具的行业水平的提高也起到了重要的作用。冲压工艺是塑性加工的基本加工方法之一。它主要用于加工板料零件，所以有时也叫板料冲压。冲压不仅可以加工金属板料，而且也可以加工非金属板料。冲压加工时，板料在模具的作用下，于其内部产生使之变形的内力。当内力的作用达到一定程度时，板料毛坯或毛坯的某个部位便会产生与内力的作用性质相对应的变形，从而获得一定的形状、尺寸和性能的零件。冲压生产靠模具与设备完成加工过程，所以它的生产率高，而且由于操作简便，也便于实现机械化和自动化。利用模具加工，可以获得其它加工方法所不能或难以制造的、形状复杂的零件。冲压产品的尺寸精度是由模具保证的，所以质量稳定，一般不需要再经过机械加工便可以使用。冲压加工一般不需要加热毛坯，也不像切削加工那样大量的切削材料，所以它不但节能，而且节约材料。冲压产品的表面质量较好，使用的原材料是冶金工厂大量生产的轧制板料或带料，在冲压过程中材料表面不受破坏。因此，冲压工艺是一种产品质量好而且成本低的加工工艺。用它生产的产品一般还具有重量轻且刚性好的特点。2冲压模具的设计2.1冲压件的工艺性分析冲压主要是按工艺分类，可分为分离工序和成形工序两大类。分离工序也称冲压，其目的是使冲压件沿一定轮廓线从板料上分离，同时保证分离断面的质量要求。成形工序的目的是使板料在不破坯的条件下发生塑性变形，制成所需形状和尺寸的工件。在实际生产中，常常是多种工序综合应用于一个工件。冲压、弯曲、剪切、拉深、胀形、旋压、矫正是几种主要的冲压工艺。 冲压用板料的表面和内在性能对冲压成品的质量影响很大，要求冲压材料厚度精确、均匀；表面光洁，无斑、无疤、无擦伤、无表面裂纹等；屈服强度均匀，无明显方向性；均匀延伸率高；屈强比低；加工硬化性低。 模具的精度和结构直接影响冲压件的成形和精度。模具制造成本和寿命则是影响冲压件成本和质量的重要因素。模具设计和制造需要较多的时间，这就延长了新冲压件的生产准备时间。 模座、模架、导向件的标准化和发展简易模具(供小批量生产)、复合模、多工位级进模(供大量生产)，以及研制快速换模装置，可减少冲压生产准备工作量和缩短准备时间，能使适用于减少冲压生产准备工作量和缩短准备时间，能使适用于大批量生产的先进冲压技术合理地应用于小批量多品种生产。冲压件的工艺性是指冲压件在冲压加工中的难易程度。所谓冲压工艺性好是指能用普通的冲压方法，在模具寿命和生产率较高、成本较低的条件下得到质量合格的冲压件。因此，冲压件的结构形状、尺寸大小、精度等级、材料及厚度等是否符合冲压的工艺要求，对冲压件质量、模具寿命和生产效率有很大的影响。2.1.1冲压件的形状及尺寸精度图2.1此制件的形状一眼看上去很简单，U形件，两边弯曲，然后有中间两个圆孔，难度不大，并且有圆角过渡，便于模具的加工和减少冲压时在尖角处开裂的现象，同时也可以防止尖角部位刃口的过快磨损。对整个冲压件，产品外观要求比较高，尤其是平面度，平行度等。本次设计的产品材质为10#钢，属于碳素结构钢。其抗剪强度260-340Mpa,抗拉强度300-440MPa。冲压件的精度主要以其尺寸精度、冲压断面粗糙度、毛刺高度三个方面的指标来衡量，根据零件图上的尺寸标注及公差，可以判断属于尺寸精度为IT12IT14的经济级普通冲压。2.2制件冲压工艺方案的确定冲压工序的组合及冲压顺序的安排冲压工序的组合：冲压工序可以分为单工序冲压、复合工序冲压和连续冲压。冲压方式根据下列因素确定：（1）根据生产批量来确定 对于年产量需求100万件的该产品来说采用复合模或连续模较合适。（2）根据冲压件尺寸和精度等级来确定 复合冲压所得到的冲压件尺寸精度等级高，而连续冲压比复合冲压的冲压件尺寸精度等级低（3）根据对冲压件尺寸形状的适应性来确定 该产品的尺寸较小，考虑到单工序送料不方便和生产效率低，因此常采用复合冲压或连续冲压。连续冲压又可以加工形状复杂、宽度很小的异形冲压件。（4）根据模具制造安装调整的难易和成本的高低来确定, 对复杂形状的冲压件来说，采用复合冲压比采用连续冲压较为适宜，因为模具制造安装调整较容易，且成本较低。（5）根据操作是否方便与安全来确定 复合冲压其出件或清除废料较困难，工作安全性较差，连续冲压较安全。综上所述分析，在满足冲压件质量与生产率的要求下，选择连续冲压方式，其模具寿命较长，生产率高，操作较方便和工作安全性高。为保证条料送进的刚性和稳定性以及正确处理工件弯曲成型与载体的连接关系，应考虑沿零件宽度方向横向排样，具体方案有，中间做载体，由于产品展开后形状是正方形，所以可以考虑采用无废料冲压方法，先冲孔，然后弯曲时直接采用切断弯曲的方法，一步到位，每冲次只生产一件，弯曲时两边弯曲受力，产品稳定，模具寿命长，具体的排样图如下：1、冲中间圆孔，2、切断弯曲，产品脱离模具。具体排样图2.2：图2.22.3冲压件排样图的设计及计算2.3.1展开尺寸的计算根据应变中性层在板料弯曲前后长度保持不变的特性，可将其作为确定弯曲件毛坯长度的依据。板料在塑性弯曲时，中性层的曲率半径的位置同弯曲变形程序有关，当其变形程度较小（r/t5）时，应变中性层与弯曲毛坯断面中心的轨迹相重合，即=r+t/2，但当变形弯曲程度较大（r/t5）时，因变形区内应力、应变为立体状态，中性层发生了内移。相对弯曲半径(r/t)愈小，中型层内移量愈大，且不是圆弧形状而类似抛物线形状，同时板料变薄也愈显著。这时，应变中型层的位置，可以按弯曲前后体积不变条件确定。根据以上原理，计算中型层尺寸： 公式是L=L1+L1+L2+2R经过实际计算如下图2.3所示：图2.32.3.2制件排样图的设计排样时需考虑如下原则：（1）提高材料利用率（不影响冲件使用性能前提下，还可适当改变冲件的形状）（2）合理排样方法使操作方便，劳动强度低且安全。（3）模具结构简单、寿命长。（4）保证冲件的质量和冲件对板料纤维方向的要求。2.3.3材料利用率的计算一个步距内的材料利用率为=nF/Bs100% =186.753/86.753100%=100%式中 F一个步距内冲压件面积（包括冲出的小孔在内）；n一个步距内冲压件数目；B条料宽度（mm）；s步距；2.4确定总冲压力和选用压力机及计算压力中心2.4.1冲压力冲压力是指冲压力、卸料力、推件力和顶件力、弯曲力，卸料力的总称。平刃口冲压力可按下式计算1、冲孔9力计算F1=KL F1=1.33.1492.5340=31227.3N=31.23KN式中 F冲压力（N）；L冲压件周边长度（mm）；材料抗剪强度（MPa）；材料厚度；(mm)K系数，通常K=1.3； 2、冲孔9力计算F2=KL F2=1.33.1492.5340=31227.3N=31.23KN3、切断力计算F3=KL F3=1.3532.5340=58565N=58.57KN4、弯曲力，此工件U形弯曲时力的计算，选计算公式为 F4=0.7(kbttb)/(r+t) =0.7(1.3532.52.5440)/(5+2.5) =17684.33N=17.7KNF材料在冲压行程结束时的自由弯曲力b弯曲件的宽度 t弯曲件厚度r弯曲件内弯角半径k安全系数 b材料的强度极限 b查表=300440,取440 单边弯曲力为17.72=8.85KN2.4.2 卸料力、推件力及顶件力的计算生产中常用下列公式计算 F卸=K卸F =0.045（31.23+31.23+58.57+8.85+8.85）=0.045138.73=6.24KN F顶=K顶F =0.06138.73=8.32KN 式中 F冲压力； F卸、F顶分别为卸料系数和顶件系数综上所述，总的冲压力为F总=F+F卸+F顶=138.73+6.24+8.32=153.29KN2.4.3压力机的选择初步确定压力机的型号：F公称F总 因此选择压力机的型号为：J2363压力机 型号为J23630压力机的基本参数如：表2.1压力机的基本参数公称压力/KN630垫板尺寸/mm滑块行程/mm120厚度70滑块行程次数/（次/min）70模柄孔尺寸/mm直径50深度70最大封闭高度/mm360滑块底面积尺寸/mm前后360封闭高度调节量90左右500滑块中心线至床身距离/mm260床身最大可倾角20立柱距离/mm340工作台尺寸/mm前后480左右710表2.12.4.4压力中心的确定采用解析法求压力中心，求YG，XG 如图2.4图2.4F1冲孔9 F1=Ltb，得F1=31.23KNF2冲孔9 F2=Ltb，得F2=31.23KNF3切断 F3=Ltb，得F3=58.57KNF4弯曲 F4=0.7(kbttb)/(r+t)Ltb，得F4=8.85KNF5弯曲 F5=0.7(kbttb)/(r+t)Ltb，得F5=8.85KNX1F1到Y轴的力臂 X1=43.35Y1F1到X轴的力臂 Y1=15X2F2到Y轴的力臂 X1=43.35Y2F2到X轴的力臂 Y1=-15X3F3到Y轴的力臂 X3=0Y3F3到X轴的力臂 Y2=0X4F4到Y轴的力臂 X4=-11.57Y4F4到X轴的力臂 Y4=0X5F5到Y轴的力臂 X5=-75.13Y5F5到X轴的力臂 Y5=0根据合力距定理：YG=（Y1F1+ Y2F2+ Y3F3）/（F1+ F2+ F3）XG=（X1F1+ X2F2+ X3F3）/（F1+ F2+ F3）YGF冲压力到X轴的力臂；YG=0XGF冲压力到Y轴的力臂；XG=13.982.5弯曲部分计算对于U形弯曲件，必须选择适当的间隙值，因为凸凹模间隙小了，摩擦力和弯曲力就大,当间隙过小时，还会使制件直边料厚减薄和出现话痕，同时还降低凹模寿命。若间隙过大，制件回弹量增大，误差增加，从而降低制件精度，所以弯曲模具间隙的大小对制件质量、弯曲力和模具寿命有较大的影响。生产中是根据弯曲件材料的力学性能，材料厚度，制件精度和弯边长度来确定其凸凹模间隙。Z/2=t+nt其中Z/2-弯曲凸凹模的单边间隙 t-材料厚度的基本尺寸 n-间隙系数经查表格， n=0.05凸模及凹模尺寸计算是依据弯曲件的使用要求来确定的。起原则是弯曲件标注外形尺寸时，则以凹模为基准件，间隙放在凸模上。当弯曲件标注的是内尺寸时，是以凸模为基准件，间隙取在凹模上。同时应该注意弯曲件精度，回弹趋势和模具的磨损规律。（1）、制件标注外形尺寸 凹模尺寸为L d=（Lmax 0.5）凸模尺寸为L p=（Ld Z）（2）、制件标注内尺寸凸模尺寸为L p=（Lmin +0.5） 凹模尺寸为L d=（Lp+Z） 其中 L弯曲件的外形或内尺寸弯曲件的尺寸偏差L d弯曲凹模的基本尺寸L p弯曲凸模的基本尺寸Z凸凹模双面间隙2.6冲压模具结构形设计（1）模具的整体结构设计如图2.5：由于模具大小适中，所以选择对角导柱标准模架，导柱导套都可以采用标准件，加工模板与导柱配套加工。图2.5图2.6（2）弯曲凸模的设计材料：T10A硬度：5862HRC（如图2.7），与下模板螺钉固定图2.7（3）冲孔凹模的设计材料：T10A硬度：5862HRC（如图2.8），与下模板固定。图2.82.6.1.弯曲凸凹模的设计材料：T10A硬度：5862HRC（如图2.9），与固定板过盈配合，与上模板螺钉固定。图2.93快速成型技术的研究3.1快速成型与快速成型技术的简介快速成型（RP）技术是九十年代发展起来的一项先进制造技术，是为制造业企业新产品开发服务的一项关键共性技术， 对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极的推动作用。自该技术问世以来，已经在发达国家的制造业中得到了广泛应用，并由此产生一个新兴的技术领域。RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。但是，其基本原理都是一样的，那就是分层制造，逐层叠加， 类似于数学上的积分过程。形象地讲，快速成形系统就像是一台立体打印机。它的优越性是可以在无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下，直接接受产品设计（CAD）数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型。因此，RP技术的推广应用可以大大缩短新产品开发周期、降低开发成本、提高开发质量。由传统的去除法到今天的增长法，由有模制造到无模制造，这就是RP技术对制造业产生的革命性意义。3.1.1快速成型技术的特点与工作原理(1)特点制造原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用；原型的复制性、互换性高；制造工艺与制造原型的几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优越；加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低50%，加工周期节约70%以上；高度技术集成，可实现了设计制造一体化；(2)工作原理快速成形技术是在计算机控制下，基于离散、堆积的原理采用不同方法堆积材料，最终完成零件的成形与制造的技术。从成形角度看，零件可视为“点”或“面”的叠加。从CAD电子模型中离散得到“点”或“面”的几何信息，再与成形工艺参数信息结合，控制材料有规律、精确地由点到面，由面到体地堆积零件。从制造角度看，它根据CAD造型生成零件三维几何信息，控制多维系统，通过激光束或其他方法将材料逐层堆积而形成原型或零件。3.2快速成型技术的工艺过程首先利用三维造型软件创建三维实体造型，再将设计出的实体造型通过快速成型设备的处理软件进行离散与分层，然后将处理过的数据输入设备进行制造，最后还需要进行一定的后处理以得到最终的成品。实体造型的构建：使用快速成型技术的前提是拥有相应模型的CAD数据，这可以利用计算机辅助设计软件如Pro/E、SolidWorks、Unigraphics、AutoCAD等创建，或者通过其他方式如激光扫描、电脑断层扫描，得到点云数据后，也得创建相应的三维实体造型。实体造型的离散处理：由于实体造型往往有一些不规则的自由曲面，加工前要对模型进行近似处理，比如曲线是无法完全实现的，实际制造时需要近似为极细小的直线段来模拟，以方便后续的数据处理工作。由于STL格式文件格式简单实用，目前已经成为快速成型领域的最常用的文件标准，用以和设备进行对接。它将复杂的模型用一系列的微小三角形平面来近似模拟，每个小三角形用 3 个顶点坐标和一个法矢量来描述，三角形的大小的选择则决定了这种模拟的精度。实体造型的分层处理：需要依据被加工模型的特征选择合适的加工方向，比如应当将较大面积的部分放在下方。随后成型高度方向上用一系列固定间隔的平面切割被离散过的模型，以便提取截面的轮廓信息。间隔可以小至亚毫米级，间隔越小，成型精度越高，但成型时间也越长。成型加工：根据切片处理的截面轮廓，在计算机控制下，相应的成型头（根据设备的不同，分别为激光头或喷头等）进行扫描，在工作台上一层一层地堆积材料，然后将各层粘结（根据工艺不同，有各自的物理或者化学过程），最终得到原型产品。成型零件的后处理：对于实体中上大下小的部分，一般会设计多余的部分去支撑，把这些废料去除是必须的。另外还可能需要进行打磨、抛光、涂上油漆，或在高温炉中烧结以提高强度。3.3快速成型技术的工艺方法及分类快速成型制造技术从广义上讲可以分成两类：材料叠加和材料去除。下图给出了当前众多快速成型工艺根据材料和构建技术不同进行的分类。如图3.1：图3.1快速成型制造技术是20世纪80年代中期发展起来的一项高新技术，从1984年世界上第一台快速成型机问世以来，快速成型技术的工艺方法目前已有十余种。在目前所有的快速成型工艺方法中，光固化成型法(SLA)、叠层实体制造法(LOM)、激光选区烧结法(SLS)、熔融沉积法(FDM)得到了世界范围内的广泛应用，下面重点介绍这几种常用的快速成型技术。 （1） 光固化成型法(SLA)该技术以光敏树脂的聚合反应为基础。在计算机控制下的紫外激光，沿着零件各分层截面轮廓，对液态树脂进行逐点扫描，使被扫描的树脂薄层产生聚合反应，由点逐渐形成线，最终形成零件的一个薄层的固化截面，而未被扫描到的树脂保持原来的液态。当一层固化完毕，升降工作台移动一个层片厚度的距离，在上一层已经固化的树脂表面再覆盖一层新的液态树脂，用以进行再一次的扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上，如此循环往复，直到整个零件原型制造完毕。这种方法的特点是有较高的精度和较好的表面质量，能制造形状特别复杂（如空心零件）和特别精细（如工艺品、首饰等）的零件。（2）层片叠加制造（LOM）使用LOM工艺生成模型过程的示意图 1.提供箔材 2.热辊 3.激光束 4. 扫描棱镜. 5.激光器6.生成的实体层 7. 移动平台 8.废料层片叠加制造工艺是将单面涂有热溶胶(在被加热状态下可产生粘性）的箔材（纸、陶瓷箔、金属箔等）通过热辊加热粘接在一起，位于上方的激光器按照CAD分层模型所获数据，用激光束将箔材切割成所制零件的内外轮廓，然后新的一层箔材再叠加在上面，通过热压装置和下面已切割层粘合在一起，激光束再次切割，在每一层进行切割和粘合的过程，直至整个零件模型制作完成。(3) 选择性激光烧结（SLS）这种工艺也是以激光器为能量源，通过红外激光束使塑料、蜡、陶瓷、金属或其复合物的粉末均匀地烧结在加工平面上。在工作台上均匀铺上一层很薄（亚毫米级）的粉未作为原料，激光束在计算机的控制下，通过扫描器以一定的速度和能量密度按分层面的二维数据扫描。经过激光束扫描后，相应位置的粉末就烧结成一定厚度的实体片层，未扫描的地方仍然保持松散的粉末状。这一层扫描完毕，随后需要对下一层进行扫描。先根据物体截层厚度而升降工作台，铺粉滚筒再次将粉末铺平，可以开始新一层的扫描。如此反复，直至扫描完所有层面。去掉多余粉末，并经过打磨、烘干等适当的后处理，即可获得零件。目前应用此工艺时，以蜡粉末及塑料粉末作为原料较多，而用金属粉或陶瓷粉进行粘接或烧结的工艺尚未获得实用。(4) 熔融沉积造型（FDM）使用FDM工艺生成模型过程的示意图 1.融化的塑料从喷嘴喷出 2.原材料 3.可移动的工作台1993年美国Stratasys公司开发出了第一台基于熔融沉积造型的设备。将CAD模型分为一层层极薄的截面，生成控制FDM喷嘴移动轨迹的二维几何信息。FDM加热头把热熔性材料（ABS树脂、尼龙、蜡等）加热到临界状态，呈现半流体性质，在计算机控制下，沿CAD确定的二维几何信息运动轨迹，喷头将半流动状态的材料挤压出来，凝固形成轮廓形状的薄层。当一层完毕后，通过垂直升降系统降下新形成层，进行固化。这样层层堆积粘结，自下而上形成一个零件的三维实体。FDM工艺的关键是保持材料的半流动性。这些材料并没有固定的熔点，需要精确控制其温度。(5) 三维印刷工艺（三维P）三维印刷工艺，也称为三维打印。1989年，美国麻省理工学院的Emanuel M. Sachs和John S. Haggerty等在美国申请了三维印刷技术的专利，之后Emanuel M. Sachs和John S. Haggerty又多次对该技术进行完善，形成了今天的三维印刷快速成型工艺。 通过这个工艺，在每一层粘结完毕后，成型缸下降一个距离（等于层厚），供粉缸上升一段高度，推出多余粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实。喷头在计算机控制下，按照下一个截面的二维几何信息进行运动，有选择地喷射粘结剂，最终构成层面。原理和打印机非常相似，即为三维打印这一名称的由来。铺粉辊铺粉时多余的粉末被粉末收集装置收集。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维粉体的粘结，从而生产制品。 三维P工艺与SLS工艺都是将粉末材料选择性地粘结成为一个整体。其最大的不同之处在于三维P工艺不用将粉末材料熔融，而是通过喷嘴本身会喷出粘合剂，将这些材料粘合在一起。3.4熔融沉积快速成型技术（FDM）工艺介绍3.4.1熔融沉积快速成型技术的工艺原理FDM工艺是利用热塑性材料的热熔性、粘结性，在计算机控制下层层堆积成形。如图2所示，加热喷头在计算机的控制下，可根据截面轮廓的信息，作X-Y平面运动和高度Z方向的运动。丝状热塑性材料由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热至熔融态，然后被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成截面轮廓。一层截面完成后，喷头上升一截面层的高度，再进行下一层的涂覆。如此循环，最终形成三维产品。熔融沉积快速成型工艺在原型制作时需要同时制作支撑，为了节省材料成本和提高沉积效率，新型FDM设备采用了双喷头。一个喷头用于沉积模型材料，一个喷头用于沉积支撑材料。一般来说，模型材料丝精细而且成本较高，沉积的效率也较低。而支撑材料丝较粗且成本较低，沉积的效率也较高。双喷头的优点除了沉积过程中具有较高的沉积效率和降低模型制作成本以外，还可以灵活地选择具有特殊性能的支撑材料，以便于后处理过程中支撑材料的去除，如水溶材料、低于模型材料熔点的热熔材料等。 3.4.2熔融沉积快速成型技术的工艺过程FDM快速成型的过程包括:设计三维CAD模型、CAD模型的近似处理、对STL文件进行分层处理、造型、后处理。如图3.2所示。图3.2（1）设计CAD三维模型设计人员根据产品的要求，利用计算机辅助设计软件设计出三维CAD模型。常用的设计软件有:Pro/Engineering，Solidworks，MDT，AutoCAD，UG等.(2)三维模型的近似处理 用一系列相连的小三角平面来逼近曲面，得到STL格式的三维近似模型文件。许多常用的CAD设计软件都具有这项功能。(3 )STL文件的分层处理由于快速成型是将模型按照一层层截面加工，累加而成的。所以必须将STL格式的三维CAD模型转化为快速成型制造系统可接受的层片模型。片层的厚度范围通常在0.0250.762之间。(4) 造型产品的造型包括两个方面:支撑制作和实体制作。(5 )后处理快速成型的后处理主要是对成型进行表面处理。去除实体的支撑部分，对部分实体表面进行处理，使成型精度、表面粗糙度等达到要求。但是，成型的部分复杂和细微结构的支撑很难去除，在处理过程中会出现损坏成型表面的情况，从而影响成型的表面品质。于是，1999年STratasys公司开发出水溶性支撑材料，有效的解决了这个难题。目前，我国自行研发FDM工艺还无法做到这一点，成型的后处理仍然是一个较为复杂的过程。3.4.3熔融沉积快速成型技术的优缺点优点：（1）系统构造原理和操作简单，维护成本低，系统运行安全。 （2）可以使用无毒的原材料，设备系统可在办公环境中安装使用（3） 可以成型任意复杂程度的零件，常用于成型具有很复杂的内腔、孔等零件。（4）原材料利用率高，且材料寿命长。 缺点：（1）成型件的表面有较明显的条纹 。（2）需要对整个截面进行扫描涂覆，成型时间较长。 （3）原材料价格昂贵。3.4.4熔融沉积快速成型过程影响因素分析（1）材料性能的影响 （2）分层厚度的影响 （3）成形时间的影响 （4）扫描方式的影响 3.4.5熔融沉积快速成型技术的应用FDM快速成型技术已被广泛应用于汽车、机械、航空航天、家电、通讯、电子、建筑、医学、玩具等产品的设计开发过程，如产品外观评估、方案选择、装配检查、功能测试、用户看样订货、塑料件开模前校验设计以及少量产品制造等，也应用于政府、大学及研究所等机构。用传统方法须几个星期、几个月才能制造的复杂产品原型，用FDM成型法无需任何刀具和模具，瞬间便可完成。3.5实验过程（1）建立三维数据模型，将现实物体的各种信息用一定的数据方式在计算机中表现出来的过程称为建模。运用Pro/E软件将模具的凹模（图3.3），凸模（图3.4），弯曲模（图3.5）进行绘制，如图：图3.3图3.4图3.5（2）将Pro/E绘制出来的图形进行“分区”层逐层截面，即切片。从而指导打印机可以逐层打印。设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。所以要先将Pro/E绘制的三维图形进行格式转换，变换成STL格式（图3.6）。随即进行打印（3.7）。图3.6图3.7(3)STL格式的分层（图3.8）参数设计图3.8(4)造型3D打印出来的效果图(5)后处理由于打印出来的模具有误差，因此需要采取后处理。要进行余料去除将多余的或者不平滑的地方进行打磨，使其平整光滑。激光烧结后的PS原型件，强度很弱，需要根据使用要求进行渗蜡或渗树脂等进行补强处理。 3.6间接对模具进行制造由最开始的设计我们到模具的材料10#钢，其属于碳素结构钢，如果选用传统制造模具，则耗材，浪费时间且费用高。采用现在高科技技术快速成型技术原理，则相对时间短，材料相对简单。因此将3D打印出来的材料进行打磨之后，对模具进行间接制造。3.6.1间接制模技术间接制模法指利用快速原型制造技术首先制作模芯，然后用此模芯复制硬模具，或者制作母模复制软模具等。对由快速成型技术得到的原型模具表面进行特殊处理后代替木模，直接制造石膏型或陶瓷型，在由石膏型或陶瓷型浇注出金属模具。3.6.2间接制模具的工艺路线在计算机上使用Pro/E软件设计出产品的三维实体造型，可保存为STL格式文件输出到快速成型机，直接制作出树脂原型；制作的原型经过表面后处理，就可作为硅橡胶模具的母样；组合模框后，将硅橡胶主剂与硬化剂按比例混合注入模框，经真空脱泡，在室温下进行硬化，剖切取出母样即得到硅橡胶模具。在硅橡胶模具的基础上可以烧注出透明或不透明的树脂制件、4快速成型技术的发展趋势从目前存在的问题及需求看，目前比较明确的发展方向为：（1）金属零件的直接快速成型（2）概念创新与工艺改进（3）数据优化处理及分层方式的演变（4）快速成型设备的专用化和大型化（5）开发性能优越的成型材料（6）成型材料系列化、标准化（7）喷射成型技术的广泛应用（8）梯度功能材料上的应用（9）组织工程材料快速成型（10）开发新的成型能源（11）拓展新的应用领域（12）集成化5设计小结毕业设计是一种综