快速成型制造技术55606.ppt

快速成形制造技术,快速成形制造的发展快速成形制造又称为快速原型制造（RapidPrototypeManufacturing，RPM）。20世纪80年代后期，RPM技术在美国首先产生并商品化。从那时起，RPM以离散堆积原理为基础和特征，即它首先将零件的电子模型软件离散化，成为“层状”的离散面、离散线和离散点，而后采用多种手段，将这些离散的面、线段和点按层堆积形成零件的整体形状。RPM工艺过程无需专用工具，工艺规划步骤简单，所以制造速度比传统方法简单得多。,国际上首台快速成形机于1987年诞生于美国，是由美国3DSystems公司制造的快速成形系统SLA-1，采用立体光刻法的快速成形制造系统（RPMS）。1998年在我国上海举行的第七届国际模具技术和设备展览会上，美国、日本、德国、新加坡等国都展出了RPM设备。目前全世界已有2000多台RPM系统投入使用。我国RPM技术的研究始于1991年。清华大学、西安交通大学、华中科技大学、南京航空航天大学等高校和北京隆源RPM公司、广州中望商业机器有限公司等都在RPM的研究与应用方面取得了显著成果。清华大学现已开发出“M-RPMS-II”型多功能快速成形制造系统，这是我国自主知识产权的世界唯一拥有两种RPM工艺的系统。,2、RPM技术的原理与特点（1）RPM技术的原理（2）RPM技术的内涵（3）RPM技术的特点,快速成形制造技术：是一种基于离散堆积成形思想的新型成形技术，是综合利用CAD技术、数控技术、激光加工技术和材料技术实现从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术。2、RPM技术的原理与特点（1）RPM技术的原理,RPM的成形流程图,快速成形制造技术,CAD建模分层切片层面信息处理层面加工与粘接层层堆积后处理,根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代码,清理零件表面，去除辅助支撑结构,由CAD软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体模型,将三维模型沿一定方向离散成一系列有序的二维层片,成形机制造一系列层片并自动将它们联接起来，得到三维物理实体,1.1快速成形制造的主要方法,选择性层片粘接（LOM）,选择性激光烧结（SLS）,熔融沉积成形（FDM）,选择性液体固化（SLA）,快速成形制造技术,选择性液体固化的基本原理,将激光聚集到液态光固化材料（如光固化树脂）表面逐点扫描，令其有规律地固化，由点到线到面，完成一个层面的建造。而后升降移动一个层片厚度的距离，重新覆盖一层液态材料，进行第二层扫描，再建造一个层面，第二层就牢固地粘贴到第一层上，由此层层迭加成为一个三维实体。,选择性液体固化工艺(SLA),SLA工艺于1984年获美国专利，1988年美国3DSystem公司推出的商品化样机SLA1，是世界上第一台快速原型技术成形机。,立体光刻（SLAStereoLithographyApparatus)又称立体印刷光成形激光印刷光固化立体造型,SLA快速成型机,SLA产品,SLA工艺成形的产品特点,鼠标外壳激光树脂原型,照相机激光树脂原型,SLA方法是目前快速成形技术领域中研究得最多最为成熟的方法。SLA工艺成形的零件精度较高，能达到0.1mm；产品透明美观，可直接做力学实验。但这种方法也有自身的局限性，比如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂价格昂贵，有一定的毒性。,选择性液体固化工艺(SLA),选择性层片粘接的基本原理,采用激光或刀具对片材进行切割。首先切割出工艺边框和原型的边缘轮廓线，而后将不属于原型的材料切割成网格状。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。通过升降平台的移动和箔材的送给,并利用热压辊辗压将后铺的箔材与先前的层片粘接在一起，再切割出的层片。这样层层迭加后得到下一个块状物，最后将不属于原型的材料小块剥除，就获得所需的三维实体。,选择性层片粘接（LOM）,分层实体制造（(LaminatedObjectManufacturing-LOM),LOM工艺由美国Helisys公司于1986年研制成功。这种方法的代表是美国Helisys公司的LOM-1050和LOM-2030成形机，日本Kira公司的KSC-50成形机。,选择性层片粘接工艺,由于LOM工艺只须在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面，因此工艺简单，成型速度快，易于制造大型零件；工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲变形，零件的精度较高，激光切割为0.1mm，刀具切割为0.15mm；工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以LOM工艺无需加支撑；材料广泛，成本低，用纸制原料还有利于环保；力学性能差，只适合做外形检查。,LOM产品的特点,选择性层片粘接（LOM）,LOM快速成型机,LOM产品,选择性激光烧结的基本原理,SLS工艺是利用粉末状材料成形的。先在工作台上铺上一层有很好密实度和平整度的粉末，用高强度的CO2激光器在上面扫描出零件截面，有选择地将粉末熔化或粘接，形成一个层面，利用滚子铺粉压实，再熔结或粘接成另一个层面并与原层面熔结或粘接，如此层层叠加为一个三维实体。,选择性激光烧结（SLS）,选择性激光烧结(SLS)SelectiveLaserSintering激光熔结（LF）LaserFusion,选择性激光烧结工艺由美国德克萨斯大学奥斯汀分校于1989年研制成功，已被美国DTM公司商品化，推出SLSModel125成形机。,材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、蜡等材料的零件。特别是可以制造出能直接使用的金属零件。2.SLS工艺不需加支撑，因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用。,SLS的产品特点,3.精度不高。平均精度为0.150.2mm，表面粗糙度不好，不宜做薄壁件。,选择性激光烧结（SLS）,SLS快速成型机,SLS产品,熔融沉积成形的基本原理,将热熔性材料（ABS、尼龙或蜡）通过喷头加热器熔化；喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出；材料迅速凝固冷却后，与周围的材料凝结形成一个层面；然后将第二个层面用同样的方法建造出来，并与前一个层面熔结在一起，如此层层堆积而获得一个三维实体。,熔融沉积成形(FDM)FusedDepositionModeling熔融挤压成形(MEM)MeltedExtrusionModeling,熔融沉积成形工艺于1988年研制成功，后由美国Stratasys公司推出商品化的3DModeler1000和FDM1600等规格的系列产品。,熔融沉积成型(FDM),1.FDM工艺不用激光器件，因此使用、维护简单，成本较低。,2.精度可达0.12mm，适合做薄壁件。3.污染小，材料可以回收。,FDM的产品特点,熔融沉积成型(FDM),FDM快速成型机,FDM产品,1.2快速成形技术的理解,在快速成形技术的发展过程中，各个研究机构和人员均按照自己的理解赋予其不同的称谓，这些不同称谓即反映了快速成形技术不同方面的重要特征。,离散堆积制造实体自由成形制造材料添加制造即时制造分层制造直接CAD制造,离散堆积制造是现代成形学理论中在对成形技术发展进行总结的基础上提出的，表明了模型信息处理过程的离散性，强调了成形物理过程的材料堆积性，体现了快速成形技术的基本成形原理，具有较强的概括性和适应性。,实体自由成形制造(SolidFreeformFabrication)表明快速成形技术无需专用的模腔或夹具，零件的形状和结构也相应不受任何约束。RP工艺是用逐层变化的截面来制造三维形体，在制造每一层片时都和前一层自动实现联接，不需要专用夹具或工具，使制造成本完全与批量无关，既增加了成形工艺的柔性，又节省了制造工装和专用工具的大量成本。,材料添加制造(MaterialIncreaseManufacturing)将材料单元采用一定方式堆积、叠加成形，有别于车削等基于材料去除原理的传统加工工艺。,即时制造(InstantManufacturing)反映该类技术的快速响应性。由于无需针对特定零件制定工艺操作规程，也无需准备专用夹具和工具，快速成形技术制造一个零件的全过程远远短于传统工艺相应过程，使得快速成形技术尤其适合于新产品的开发，显示了其适合现代科技和社会发展的快速反应的特征和时代要求。,分层制造(LayeredManufacturing)将复杂的三维加工分解成一系列二维层片的加工，着重强调层作为制造单元的特点，每层可采取更低维单元进行累加或高维单元进行加工得到。,直接CAD制造(DirectCADManufacturing)反映了快速成形是CAD模型直接驱动，实现了设计与制造一体化，计算机中的CAD模型通过接口软件直接驱动快速成形设备，接口软件完成CAD数据向设备数控指令的转化和成形过程的工艺规划，成形设备则象打印机一样“打印”零件，完成三维输出。快速成形由于采用了离散/堆积的加工工艺，CAD和CAM能够很顺利地结合在一起，快速成形的工艺规划主要作用是对成形过程进行优化以提高造型精度、速度和质量，所以快速成形可容易地实现设计制造一体化。,快速成形制造技术的基本概念,快速成形（RPRapidPrototyping）是一种基于离散堆积成形思想的新型成形技术，是集成计算机、数控、激光和新材料等最新技术而发展起来的先进的产品研究与开发技术。,快速成形制造(RPMRapidPrototypingManufacturing）是使用RP技术，由CAD模型直接驱动的快速完成任意复杂形状三维实体零件的技术的总称。,1.3快速成形制造技术的应用,全球RP设备装机量,医学实验分析模型快速模具快速铸造,快速成形制造在医学上的应用,根据CT扫描信息，应用熔融挤压快速成形的方法可以快速制造人体的骨骼（如颅骨、牙齿）和软组织（如肾）等模型，可以进行手术模拟、人体骨关节的配制，颅骨修复。,在康复工程上，采用熔融挤压制造的人体和肌体的结合部位能够做到最大程度的吻合，减轻了假肢使用者的痛苦。,快速成形制造应用在实验分析模型上,利用加工的样品，找出新产品外观&结构设计缺陷，完善设计。,利用加工出的样品可以进行装配和功能验证。,利用新产品样件可先进行市场调研，投标、招标。,快速成形制造在快速模具上的应用,快速成形制造在快速铸造上的应用,点击看铸件,1.4与快速成形制造相关的技术,RPM是多种技术的交叉结合，主要的相关技术有：,计算机辅助设计(CAD)反求工程数控技术(NC)材料技术,CAD与RPM,利用三维实体产品模型，设计者在设计产品时可以直接在计算机上构造三维物体，并从任意角度观察物体。新的设计手段大大方便了设计人员。产品模型发展到实体模型，能较完整的表示一个三维物体。这为RP技术的产生准备了条件，同时也提出了需求。,卫星遥感地表高程数据重构的地球三维快速原型,反求工程与RPM,下一页,NC与RPM,RP技术就是数控技术最新应用的领域之一。RP技术要求将材料精确地堆积，并长时间保持较高的定位精度，防止错层。如果没有高可靠性、高精度的数控系统是无法实现的。数控技术的应用，是RP技术能够产生并发展成熟必不可少的条件。,材料技术与RPM,成型材料是RPM技术发展的关键环节。它影响原型的成型速度、精度和物理、化学性能，直接影响到原型的二次应用和用户对成型工艺设备的选择。与RPM制造的四个目标（概念型、测试型，模具型，功能零件）相适应，对成型材料的要求也不同。,快速成形技术与数控技术的比对,快速成形技术与数控技术的比对,快速成形技术与数控技术的比对,快速成形技术与数控技术的比对,快速成形技术与数控技术的比对,快速成形技术与数控技术的比对,快速成形技术与数控技术的比对,快速成形技术与数控技术的比对,CAD与RPM,利用三维实体产品模型，设计者在设计产品时，不需要将三维物体进行投影，想象各种角度的视图，用多个剖面表示内容结构，用多个视图解释投影的二义性。而可以直接在计算机上构造三维物体，并赋以质量、颜色等特性，并从任意角度观察物体。随着参数化特征造型技术的发展，设计人员还可以在零件上构造具有加工工艺特性的特征结构，修改原先设