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快速成型技术原理及应用 先进制造技术文献综述 主讲 刘艳龙 盛晓幸 罗胜 彭彪 张玉铂 1 RapidPrototypingTechnologyIntroduction快速成型技术简介主讲 刘艳龙20112050 2 物体成型方式去除成型 DislodgeForming 添加成型 AddingForming 静尺寸成型 NetForming FormingMethod构成方式 3 去除成型 DislodgeForming 从标准工件中除去某些部分而达到设计要求的零件的形状和尺寸如 車削 铣削 刨削 磨削 切割 钻孔 放电加工 镭射切割 镭射打孔等 FormingMethod构成方式 4 添加成型 AddingForming 堆积成型 StackingForming 逐步连接原材料颗粒 丝杆 层板等 或者是通过流体 熔体 液体或气体 在指定位置凝固定形达到目的 如 连接与焊接 安装 塗层 固化等 FormingMethod构成方式 5 净尺寸成型 NetForming 受迫成型 ForcedForming 利用材料的可成型性 如塑性等 在特定外围约束 边界约束或外力约束 下将半固化的流体材料挤压成型后再硬化 定形或挤压固体材料而达到要求 如 浇铸 锻压 冲压 粉末冶金 注塑 改性等 FormingMethod构成方式 6 快速成型 RapidPrototyping 简称RP 技术是20世纪80年代中后期发展起来的 观念全新的现代制造技术 与传统的去除成形不同 快速成型技术是一种离散堆积的添加成形过程 这种加工过程可分为前期数据处理 离散 和物理实现 堆积 在离散过程中 将三维形体的CAD模型沿一定方向分解 得到一系列截面数据 再根据各自具体的工艺要求 获得控制成形头运动的轨迹 在堆积过程中 成形头在运动轨迹的控制下 加工出层片 并将层片与层片堆积连接 重复上述2个过程 加工出零件 这门崭新的技术不仅在成型方法上开辟了与传统方法截然不同的思路 而且为产品开发提供了一套新的流程 对传统制造业组织结构产生了冲击 RapidPrototype快速成型 7 快速成型制造技术的基本原理 采用分层累加法 即用CAD造型 生成STL文件 分层切片等步骤进行数据处理 借助计算机控制的成型机完成材料的形体制造 RapidPrototype快速成型 8 RapidPrototype快速成型 9 快速成型的特点 1 快速性通过STL格式文件 RPM系统 几乎可以与所有的CAD造型系统无缝连接 从CAD模型到完成原型制作通常只需几小时到几十小时 可实现产品开发的快速闭环反馈 RapidPrototype快速成型 10 快速成型的特点 2 高度柔性快速成型系统是真正的数字化制造系统 它取消了工装夹具 系统不作任何改变和调整 仅需改变CAD模型 重新调整和设置参数即可生产出不同形状的零件模型 特别适合新品开发或单件小批量生产 RapidPrototype快速成型 11 快速成型的特点 3 与复杂程度无关性零件制造周期和制造成本与零件的形状和复杂度无关 而只与其净体积有关 RapidPrototype快速成型 12 快速成型的特点 4 设计制造一体化用重复的三维扫描成型复杂的三维零件 避免了数控加工的复杂编程步骤 从根本上克服了CAD CAM集成时 CAPP这一瓶颈问题 从而实现高度自动化和程序化 RapidPrototype快速成型 13 快速成型的特点 5 材料的广泛性快速成形技术可以制造树脂类 塑料类原型 还可以制造出纸类 石蜡类 复合材料以及金属材料和陶瓷材料的原型 RapidPrototype快速成型 14 快速成型的经济效益缩短产品加工时间增加使构想具体化能力降低原型生产周期降低设计错误的发生及所花费成本增加在设计过程中了解产品机械特性的能力 RapidPrototype快速成型 15 目前快速成型技术的成型工艺方法有十几种 各种方法有自身的特点和实用范围 比较成熟并已商品化的成型方法有 立体光固化成型 StereoLithographyApparatus SLA 分层实体制造 LaminatedObjectManufacturing LOM 选择性激光烧结 SelectedLaserSintering SLS 熔融沉积成型 FusedDepositionModeling FDM RapidPrototype快速成型 16 立体光固化成型 StereoLithographyApparatus SLA 该技术以光敏树脂为原料 采用计算机控制下的紫外激光 以预定原型各分层截面的轮廓为轨迹逐点扫描 使被扫描区的树脂薄层产生光聚反应后固化 从而形成一个薄层截面 当一层固化后 向上 或向下 移动工作台 在刚刚固化的树脂表面布放一层新的液态树脂 再进行新一层扫描固化 新固化的一层牢固地粘合在前一层上 如此重复至整个原型制造完毕 SLA技术特点是精度高 表面质量好 原材料利用率高 可用于制造形状复杂 外观精细的零件 RapidPrototype快速成型 17 分层实体制造 LaminatedObjectManufacturing LOM LOM工艺将单面涂有热溶胶的纸片通过加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 用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓 然后新的一层纸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 这样反复逐层切割 粘合 切割 直至整个零件模型制作完成 RapidPrototype快速成型 18 选择性激光烧结 SelectedLaserSintering SLS SLS法是采用滚筒将粉末铺撒成薄薄的一层 100 200 用红外板将粉末预热至稍低于熔点温度 然后用计算机控制激光束按原型或零件的截面形状扫描平台上的粉末 激光束扫描所到之处 粉末被烧结形成物理模型的组成部分 升降工作台一个层厚 用滚筒在已烧结层上再铺撒一层粉末 用激光束扫描烧结 依次重复逐层烧结直至形成完整原型 全部烧结后去掉多余的粉末 再进行打磨 烘干等处理便获得零件 烧结粉末可以是塑料 金属 陶瓷 蜡粉及其复合物等 目前成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉 用金属粉或陶瓷粉进行粘结或烧结的工艺还正在实验阶段 SLS法特点是可用材料多 制造工艺简单 高精度 低成本 RapidPrototype快速成型 19 熔融沉积成型 FusedDepositionModeling FDM FDM喷头受CAD分层数据控制使半流动状态的材料 ABS 蜡 从热熔喷头中挤压出来 沉积在指定的位置 凝固形成轮廓形状的薄层 每层厚度范围在0 125 0 762mm 一层叠一层最后形成整个零件模型 熔融挤出成型 FDM 工艺的材料一般是热塑性材料 用蜡成形的零件原型 可以直接用于失蜡铸造 近年来又开发出PC PC ABS PPSF等更高强度的成形材料 使得该工艺有可能直接制造功能性零件 RapidPrototype快速成型 20 总结对比 RapidPrototype快速成型 21 快速原型技术基本原理 主讲人 盛晓幸20112055 22 快速成型的原理及特点 快速成型技术采用离散 堆积成型原理 根据三维CAD模型 对于不同的工艺要求 按照一定厚度进行分层 将三维数字模型变成厚度很薄的二维平面模型 23 快速成型的原理及特点 快速成型技术的过程详见板书 24 RP技术有以下特点及优越性 快速性低成本制作原型所用的材料不限适应于加工各种形状的零件具有高柔性高集成化加工过程中无振动 噪声和废料 25 立体光固法简介 主讲人 罗胜20112052 26 立体平面印刷 StereoLithographyApparatus SLA 又称光固化成型或立体光刻 光造型 是目前应用最为广泛的一种快速原型制造工艺 它实际上比熔积法发展的还要早 光固化采用的是将液态光敏树脂固化 硬化 到特定形状的原理 以光敏树脂为原料 在计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂逐点扫描 使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应 从而形成零件的一个薄层截面 立体平面印刷 SLA 工艺于1984年由CharlesHull获美国专利 1988年美国3DSystems公司推出世界上第一台商品化快速原型成型机SLA 1 目前SLA是世界上研究最深入 技术最成熟 应用最广泛的一种快速成型方法 立体平面印刷 27 基本原理 SLA工艺的成形原理是基于液态光敏树脂的光聚合原理 在一定波长 325nm 和功率 P 30mW 的紫外光的照射下 液态光敏树脂能迅速发生光聚合反应 分子量急剧增大 材料从液态转变为固态 SLA工艺原理如图所示 立体平面印刷 28 29 成形材料 SLA工艺主要采用光敏树脂 或光固化树脂 其主要成分包括齐聚物 反应性稀释剂及光引发剂 根据引发剂的引发原理 光敏树脂可分为三类 自由基光敏树脂 阳离子光敏树脂和混杂性光敏树脂 30 特点 SLA工艺是目前应用最广泛的快速成形技术 它具有以下主要有点 1 系统稳定可靠 2 零件尺寸精度高 3 零件表面质量好 4 系统的精度相当高 可构建复杂工件 5 应用3DSystems公司开发的Quickcast软件 可直接制造用作熔模铸造的蜡模 31 SLA工艺的主要不足有 1 零件弯曲与转翘 2 设备相当昂贵 3 可选的材料相当有限 4 运行和维护成本高 树脂和激光器的成本相当昂贵 32 应用 SLA快速成型技术的主要应用在以下几个方面 1 用于概念模型的原型制作 2 用来作装配检验和工业规划 3 代替蜡模制作浇铸模具 4 作为金属喷涂模 环氧树脂模和其他软膜的母模 33 应用实例 34 35 SelectiveLaserSintering SLS Introduction选择性激光烧结法 主讲人 彭彪20112054 36 WhatisSLS 1986年 美国Texas大学的研究生C Deckard提出了SelectiveLaserSintering SLS 的Idea 1989年技术研制成功 稍后组建了DTM公司 于1992年开发了基于SLS的商业成形机 Sinterstation SLS工艺是利用粉末状材料成形的 将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面 并刮平 用高强度的激光在刚铺的新层上扫描出零件截面 材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起 得到零件的截面 并与下面已成形的部分连接 当一层截面烧结完后 铺上新的一层粉末材料 选择地烧结下层截面 如此循环 直至整个零件被烧结成型 37 SLS技术的特点 可采用多种材料 可采用加热时粘度降低的任何粉末 通过材料或各类含粘结剂的涂层颗粒制造出任何造型 特别是可以制造金属零件 这使SLS工艺颇具吸引力 不需要支撑 由于围绕制件的粉末构成了支撑结构 因此 SLS工艺不需要支撑 这不仅简化了设计 制作过程 而且不会由于去除支撑操作而影响制件表面的品质 制造工艺比较简单 可以直接生产复杂形状的原型 型模 三维共建或部件及工具 能广泛适应设计和变化 制件具有较好的力学性能 可直接用作功能测试或小批量使用的产品 材料利用率高 未烧结的粉末可以重复使用 价格便宜 成本低 缺点一 成形速度较慢 缺点二 成形精度和表面质量稍差 因此在成形要求精细结构和清晰轮廓的制件时不及SLA工艺 缺点三 成形过程能量消耗高 38 PrincipleofSLS 整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成 工作时粉末缸活塞 送粉活塞 上升 由铺粉辊将粉末在成型缸活塞 工作活塞 上均匀铺上一层 计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹 有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面 粉末完成一层后 工作活塞下降一个层厚 铺粉系统铺上新粉 控制激光束再扫描烧结新层 如此循环往复 层层叠加 直到三维零件成型 最后 将未烧结的粉末回收到粉末缸中 并取出成型件 对于金属粉末激光烧结 在烧结之前 整个工作台被加热至一定温度 可减少成型中的热变形 并利于层与层之间的结合 39 HowtheSLSsystemworks 40 ApplicationofSLS 快速原型制造 可快速制造设计零件的原型 及时进行评价 修正以提高产品的设计质量 使客户获得直观的零件模型 制造教学 试验用复杂模型 快速模具和工具制造 将SLS制造的零件直接作为模具使用 如砂型铸造用模 金属冷喷模 低熔点合金模等 也可将成型件经后处理后作功能性零部件使用 单件或小批量生产 对于那些不能批量生产或形状很复杂的零件 利用SLS技术来制造 可降低成本和节约生产时间 这对航空航天及国防工业更具有重大意义 41 OutputsofSLS 42 SLSTechnologyofToady 快速成型技术中 金属粉末激光烧结是近年来人们研究的一个热点 实现使用高熔点金属直接烧结成型金属零件 对传统切削加工方法难以制造出高强度零件以及对快速成型技术更广泛的应用具有重要的意义 尤其是在航天器件 飞机发动机零件及武器零件的制备方面 近十几年来SLS技术得到了飞速发展 获得了良好的应用效果 但作为一项新兴制造技术 尚处于一个不断发展 不断完善的过程之中 目前 SLS技术还有很大的发展空间 43 应用发展与总结 主讲 张玉铂 44 快速成型技术的应用 RP技术的实际应用主要集中在以下方面1新产品开发过程中的设计验证与功能验证2单件 小批量和特殊复杂零件的直接生产3产品展示4快速模具制造 45 快速成型技术的发展趋势 1 金属零件 功能梯度零件的直接快速成型制造技术2 概念创新与工艺改进3 优化数据处理技术4 开发专用快速成型设备5 成型材料系列化 标准化6 拓展新的应用领域 46 结