先进制造技术39

1、l 产生的背景产生的背景l 技术原理（要求掌握）技术原理（要求掌握）l 分类（要求掌握）分类（要求掌握）l 应用场合应用场合v 全球市场一体化，制造业竞争激烈，全球市场一体化，制造业竞争激烈，使得产品更新换代日益加快。使得产品更新换代日益加快。v 企业的竞争力将主要体现在根据市场企业的竞争力将主要体现在根据市场要求，不断地推出新产品。要求，不断地推出新产品。2:54:214以机床母机为鲜明特点的现代化加工设备 机床设备和工模具，费时又费钱。机床设备和工模具，费时又费钱。 有些企业往往由于缺乏产品成形制造有些企业往往由于缺乏产品成形制造能力而造成产品设计不尽合理或上市太能力而造成产品设计不尽合理

2、或上市太慢，错过大好的市场机遇慢，错过大好的市场机遇。v rapid prototyping-rpv rp技术是技术是20世纪世纪80年代后期发展年代后期发展起来的一项高科技成果。起来的一项高科技成果。v rp技术对制造业的影响可以和技术对制造业的影响可以和20世纪世纪5060年代发展起来的数控技术相媲美。年代发展起来的数控技术相媲美。 rp技术是基于离散技术是基于离散(discrete)和堆积和堆积(deposit)原理，将零件的原理，将零件的cad模型按一定模型按一定方式离散，成为可加工的离散面、离散线方式离散，成为可加工的离散面、离散线和离散点，而后采用物理或化学手段，将和离散点，而后采

3、用物理或化学手段，将这些离散的面、线段和点堆积而形成零件这些离散的面、线段和点堆积而形成零件的整体形状。的整体形状。 增材制造增材制造additive manuf.2:54:218零件在零件在cad/cam中的处理过程中的处理过程零件的快速成形零件的快速成形l sla 光固化立体造型法，三维光固化立体造型法，三维光刻法光刻法,l sls 激光粉末烧结法；激光粉末烧结法；l lom薄片叠层法；薄片叠层法；l fdm熔丝堆积法；熔丝堆积法；sl-stereo (铅版铅版, 立体照片立体照片) lithogra-phy(平版印刷术平版印刷术) apparatusv sl法最成熟，也是市场的最大占有者

4、。法最成熟，也是市场的最大占有者。v 美国美国3d systems公司公司1988年年 制造第一台制造第一台原型机原型机 （sla-1）v 发明人发明人charles hul ，1984年获美国专利年获美国专利 基于液态光敏基于液态光敏(photosensitive)树脂树脂(resin)的光聚合的光聚合( polymerize )原理。原理。 光敏树脂在一定波长和功率的紫外激光敏树脂在一定波长和功率的紫外激光的照射下能够迅速发生光聚合反应，光的照射下能够迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也能从液态转变分子量急剧增大，材料也能从液态转变为固态。为固态。2:54:2112液体材料容器紫外光

5、液态光敏树脂液面成形开始时，工作台在液面下的一个确定深度，工作台液面始终处于激光的焦平面，聚焦后的光斑在液面上按计算机指令逐点扫描，逐点固化（分层固化）2:54:2113一层扫描完成后，除该层及之前成型部分，其余仍是液态树脂。升降台带动工作台下降一层高度，成型面上又布满一层树脂。 刮平器刮平树脂液面，再进行下一层的扫描； 新固化的一层牢固地粘在前一层上。如此重复直到整个零件制造完毕，即得到一个三维实体模型。刮平器升降台工作台2:54:21142:54:2115气体激光型（气体激光型（he-cd 50mw)：lps250型型(a,b,c配置配置)lps350型型(a,b,c配置配置)lps600

6、型型(a,b,c配置配置)激光器寿命激光器寿命2000小时小时配用材料：配用材料：xh-1, 420元元/公斤公斤2:54:2116sl光固化快速成型设备光固化快速成型设备氦镉激光器氦镉激光器 扫描速度扫描速度 1m/s分层厚度分层厚度 0.05-0.5mm 升降机重复精度升降机重复精度 0.01mm液体光敏树脂液体光敏树脂 精度高、表面质量好精度高、表面质量好(精度在精度在0.1mm国内国内sla精精度在度在0.10.3mm之间，并且存在很大的波动性）；之间，并且存在很大的波动性）； ； 原材料利用率接近原材料利用率接近100%; 制造出来的原型件，可以制造各种模具。制造出来的原型件，可以制

7、造各种模具。成形速度较快、系统工作相对稳定成形速度较快、系统工作相对稳定 能制造形状能制造形状特别复杂（如空心零件）、特特别复杂（如空心零件）、特别精细（如首饰、工艺品等）的零件别精细（如首饰、工艺品等）的零件；2:54:2118 v 美国美国c. r. dechard 1989年发明年发明 sls工艺是利用粉末材料（金属粉工艺是利用粉末材料（金属粉末或非金属粉末）在激光照射下烧结的末或非金属粉末）在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成形。原理，在计算机控制下层层堆积成形。粉末平铺粉末平铺(工作台工作台)工作平台下降工作平台下降(约约0.1mm)粉末烧结粉末烧结(激光束扫描激光束扫描

8、)辊子刮平辊子刮平层与层烧结层与层烧结三维实体原型三维实体原型2:54:22232:54:2224 材料适应面广材料适应面广 塑料材料塑料材料 陶瓷、石蜡等材料陶瓷、石蜡等材料 直接制造金属零件直接制造金属零件 无需加支撑无需加支撑 没被烧结的粉末起支撑作用没被烧结的粉末起支撑作用 可烧结制造空心、多层镂空的复杂零件可烧结制造空心、多层镂空的复杂零件。零件的构建时间较短，可达到零件的构建时间较短，可达到1in/h高度高度 2:54:2226 v 美国美国helisys公司研制成功公司研制成功v 因为常用因为常用“纸纸”作原料，因此又称为作原料，因此又称为“纸纸片叠层法片叠层法”。片层表面涂热溶

9、胶片层表面涂热溶胶（当前工作表面）（当前工作表面）工作台下降工作台下降(成形片材与多余片材分开成形片材与多余片材分开)热压辊热压热压辊热压层与层粘结层与层粘结三维实体原型三维实体原型供料机构转动供料机构转动(收料轴收料轴/供料轴供料轴)新材料层移动新材料层移动激光束切割激光束切割(零件轮廓和工件外框架零件轮廓和工件外框架)2:54:23292:54:2330v lom工艺只需要在片材（如纸、塑料薄膜工艺只需要在片材（如纸、塑料薄膜等）上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整等）上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。因此易于制造大型、实体零件。个截面。因此易于制造大型、实体零件。v 工件外框与

10、截面轮廓之间的多余材料在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，故无需支撑。加工中起到了支撑作用，故无需支撑。 v 零件的精度较高（零件的精度较高（0.15mm）。）。2:54:2332fdm（fused(熔丝熔丝的的) deposition （沉沉积积）manufacturing） v 美国学者美国学者dr. scott crump 提出提出v 1988年年 美国美国stratasys推出商业化机器推出商业化机器 fdm工艺是利用热塑性材料的热熔工艺是利用热塑性材料的热熔性、粘接性，在计算机控制下层层堆性、粘接性，在计算机控制下层层堆积成型。积成型。抽丝抽丝(热塑性材料热塑性

11、材料)工作台下降工作台下降喷头运动喷头运动(沿零件截面轮廓和填充轨迹沿零件截面轮廓和填充轨迹)加热熔化加热熔化（喷头内）（喷头内）三维实体原型三维实体原型熔丝挤出熔丝挤出,固化固化2:54:2336 fdm工艺不需要激光工艺不需要激光工艺干净、简单、易于材作且不产生垃圾，使用、维护简工艺干净、简单、易于材作且不产生垃圾，使用、维护简单，制造系统可用于办公环境，没有毒气或化学物质的危险。单，制造系统可用于办公环境，没有毒气或化学物质的危险。 成本较低，原材料费用低，一般零件均低于成本较低，原材料费用低，一般零件均低于20美元；原美元；原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。材料以卷轴丝的形

12、式提供，易于搬运和快速更换。可快速构建瓶状或中空零件可快速构建瓶状或中空零件。 可选用多种材料，如可染色的可选用多种材料，如可染色的abs和医用和医用abs、浇铸用蜡、浇铸用蜡和人造橡胶。和人造橡胶。 2:54:2338（three dimension printing )v 麻省理工学院的麻省理工学院的emanual sachs等等提出提出 tdp工工 艺艺 与与sls工艺类似，采用工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末、金属粉末粉末材料成形，如陶瓷粉末、金属粉末、甚至淀粉和石膏粉末等。所不同的是、甚至淀粉和石膏粉末等。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而材料粉末不是通过烧结连接起来

13、的，而是通过喷头用粘接剂是通过喷头用粘接剂(如硅胶如硅胶)将零件的将零件的截面截面“印刷印刷”在材料粉末上面。在材料粉末上面。2:54:23423dp 快速成形技术的优点n1)3dp 快速成形机类似打印机，易于操作，工艺过程较为清洁，可作为计算机的外围设备用于办公环境。n2)可使用多种原材料，如淀粉加粘合剂、液态蜡，熔融塑料或光敏树脂等。n3)3dp 快速成形机的价格较为便宜。n4)成形速度较快，z 406 型tdp快速成形机单色每分钟可打印6 层(06mm 厚)。2:54:23433dp 快速成形技术的缺点n1)精度和表面粗糙度不够理想，主要用于制作概念模型，不适合构建结构复杂和细节较多的原

14、型。n2)由于材料从喷嘴中喷出，以微粒堆砌成为三维原型，微粒粘合力有限，原型的强度较小。2:54:2344cad前处理前处理快速造型快速造型后处理后处理三维模型三维模型生成生成stl文件文件建立支撑建立支撑切片切片造型造型除去支撑除去支撑清理表面清理表面稳定处理稳定处理成品成品2:54:24452:54:2446 成形工艺成形工艺 光敏树脂固化光敏树脂固化 薄材叠层制造薄材叠层制造 激光粉末烧结激光粉末烧结 三维打印三维打印 主要供应商主要供应商 3d systems 3d systems cubic cubic technologies technologies eos eos z zcor

15、poratiocorporation n 设备型号设备型号 sla 5000 sla 5000 lom 2030h lom 2030h eosint m 250 eosint m 250 z 6 l o z 6 l o 最大成行尺寸（最大成行尺寸（mmmm） 508508508508584 584 8l2x560 x508 8l2x560 x508 250250250250200 200 203203254254203 203 成形速度成形速度中等中等快快中等中等很快很快成形精度成形精度很高很高一般一般高高一般一般光洁度光洁度很高很高一般一般一般一般一般一般主要优点主要优点原型形状精确原型形状

16、精确原型尺寸大原型尺寸大原型较精确原型较精确成形速度快成形速度快设备类型较多设备类型较多材料便宜材料便宜材料多样化材料多样化彩色原型彩色原型主要缺点主要缺点需要支撑结需要支撑结后处理费事后处理费事设备价格高设备价格高原型强度低原型强度低构和后处理构和后处理原型精度低原型精度低表面光洁度低表面光洁度低表面光洁度低表面光洁度低v 堆砌材料堆砌材料 片状、粒状、液体片状、粒状、液体v 堆砌技术堆砌技术 胶粘剂粘结、光诱导粘结、激光熔胶粘剂粘结、光诱导粘结、激光熔合、高分子树脂固化、熔融材料固化合、高分子树脂固化、熔融材料固化v 我国于我国于20世纪世纪90年代初研究。年代初研究。v 研究机构研究机构

17、：l 华中科技大学快速制造中心华中科技大学快速制造中心l 陕西省激光快速成形与模具制造工程研究中心陕西省激光快速成形与模具制造工程研究中心l 西安交通大学先进制造技术研究所（卢秉恒）西安交通大学先进制造技术研究所（卢秉恒）l 北京清华大学殷华实业有限公司（颜永年）北京清华大学殷华实业有限公司（颜永年）l 快速成型技术的应用非常广泛快速成型技术的应用非常广泛(制造领域的制造领域的各个行业、医疗、人体工程、文物保护等各个行业、医疗、人体工程、文物保护等)。l 新产品验证（设计，功能，可制造性、新产品验证（设计，功能，可制造性、可装配性检验，市场验证）可装配性检验，市场验证）l 快速制模技术；快速制

18、模技术；l 反求工程与快速成型；反求工程与快速成型；l 医疗手术模拟；医疗手术模拟；p 使用快速成型技术快速制作产品的物理模使用快速成型技术快速制作产品的物理模型，以验证设计人员的构思，发现产品设计型，以验证设计人员的构思，发现产品设计中存在的问题。中存在的问题。p 使用传统方法制作原型意味着从绘图到工使用传统方法制作原型意味着从绘图到工装模具设计和制造，一般至少历时数月，经过装模具设计和制造，一般至少历时数月，经过多次返工和修改。采用快速成型技术则可节省多次返工和修改。采用快速成型技术则可节省大量时间和费用。大量时间和费用。 4.1 新产品设计验证新产品设计验证 使用快速成型技术制作的原型可

19、直使用快速成型技术制作的原型可直接进行装配检验、干涉检查和模拟产品接进行装配检验、干涉检查和模拟产品真实工作情况的一些功能试验，如运动真实工作情况的一些功能试验，如运动分析、应力分析、流体和空气动力学分分析、应力分析、流体和空气动力学分析等，从而迅速完善产品的结构和性能、析等，从而迅速完善产品的结构和性能、相应的工艺及所需工模具的设计。相应的工艺及所需工模具的设计。4.2 新品功能验证新品功能验证 快速成型技术是一种面向装配和制快速成型技术是一种面向装配和制造设计的配套技术，对开发结构复杂的造设计的配套技术，对开发结构复杂的新产品（如汽车、飞机、卫星、导弹新产品（如汽车、飞机、卫星、导弹等），

20、事先验证零件的可制造性、零件等），事先验证零件的可制造性、零件之间的相互关系以及部件的可装配性尤之间的相互关系以及部件的可装配性尤为重要。为重要。 4.3 可制造性、可装配性检验可制造性、可装配性检验 在新产品正式投产之前或按照定单制在新产品正式投产之前或按照定单制造时，需要制作产品的展览样品或摄制产造时，需要制作产品的展览样品或摄制产品样本照片，采用快速成型是理想的方法。品样本照片，采用快速成型是理想的方法。当客户询问产品情况时，能够提供物理原当客户询问产品情况时，能够提供物理原型无疑会加深客户对产品的印象。型无疑会加深客户对产品的印象。 4.4 新品市场验证新品市场验证 根据根据ct扫描信息，快速制作出实物模扫描信息，快速制作出实物模型，可以进行手术模拟、人体骨关节的配型，可以进行手术模拟、人体骨关节的配制，颅骨修复。制，颅骨修复。 4.5 医疗手术模拟医疗手术模拟 在许多情况下，人们希望快速成得到的在许多情况下，人们希望快速成得到的零件与最终零件具有相同的物理机械特性。零件与最终零件具有相同的物理机械特性。因此，需要用各种转换技术将