现代加工技术--快速原型制造课件

1、2014-3-8现代加工技术现代加工技术快速原型制造快速原型制造 ZZQ2014-3-8快速原型制造技术的背景快速原型制造技术的背景 进入80年代以后，随着计算机辅助设计（CAD）的应用，产品造型和设计能力得到了大幅度提高，然而在产品设计完成后批量生产前，必须制出样品以表达设计构想，快速获取产品设计的反馈信息并对产品设计和制造的先进性、可行性作出评估、验证。在市场竞争日趋激烈的今天，为了提高产品的市场竞争力占领市场先机，从产品开发到批量生产的整个过程都迫切需要提高速度和降低成本，尤其是做好产品的市场定位，在这种环境下应运而生的快速原型技术得到了迅速发展，为提高产品设计制造水平提供了有效手段。2

2、014-3-8快速原型制造技术的意义快速原型制造技术的意义l快速原型制造技术 (Rapid Prototyping and Manufacturing, 简称RPM)是80年代末期迅速发展起来的一种先进制造技术，集计算机技术、CAD、机械工程、数控技术、检测技术、激光技术和材料科学等高新技术, 它将成为21世纪制造技术的重要组成部分。由于它能将在计算机上“看得见、摸不着”的产品设计图形, 迅速、准确地变成“看得见、摸得到”的产品原型或直接制造零件,能够对产品的外形、性能进行测试和评估，因此对缩短产品开发的周期、减少开发费用、提高市场竞争能力都具有重要意义。2014-3-8快速原型制造技术的特点

3、快速原型制造技术的特点l快速原型制造技术有两个显著的特点, 就是用它加工的产品造价:几乎与生产批量无关 ;几乎与产品的复杂性无关。l因此,十几年来, 该技术在国内外得到了迅速的发展，已在广泛的领域中得到应用并显示出它的优越性，它不仅应用于IT产业、机械、汽车、航空航天、电子电器、轻工产品等制造业中 ,而且在医学、艺术、工业造型和建筑等领域中都开始发挥作用 ,取得了显著效果。 2014-3-8RPM技术的基本原理技术的基本原理l快速原型制造技术是用离散分层的原理（切片堆积）制作产品原型的总称，其过程为：产品三维CAD模型分层离散按离散后的平面几何信息逐层加工堆积原材料生成实体模型。即先在计算机中

4、建立三维实体模型，并将其切分成相互关联的一系列平面几何信息，以此控制激光束的扫描方向和速度，采用粘结、熔结、聚合或化学反应等手段逐层有选择地加工原材料，从而快速堆积制作出产品实体模型。 2014-3-8目前比较成熟的目前比较成熟的RP工艺工艺(1) 经过十来年的研究和发展, 开发了数十种RP加工方法和工艺,目前比较成熟的RP工艺有如下几种:(1)光敏液相固化法光敏液相固化法(Stereolithography Apparatus, 简称SLA):用激光束对液态光敏树脂进行逐层扫描固化, 最后形成三维实体。(2)选区粘结法选区粘结法(Laminated Object Manufacturing,

5、 简称LOM):用加热辊和激光束对背面涂有粘结剂的纸、塑料带、甚至金属带进行逐层粘结和切割, 以形成产品各层轮廓 ,经各层叠加以形成产品原型。2014-3-8目前比较成熟的目前比较成熟的RP工艺工艺( (2)(3)熔丝沉积制造法熔丝沉积制造法(Fused Deposition Modeling, 简称FDM):用逐步送进热融塑料丝的方法来堆积产品的各层轮廓。(4)选择性激光烧结法选择性激光烧结法(Selected Laser Sintering, 简称SLS):用激光束对塑料粉或金属粉进行扫描熔化 ,从而构成产品的各层轮廓。(5)三维实体打印法三维实体打印法（3D Printer）:利用喷墨打

6、印原理，热喷涂自然快速固化材料构成轮廓实体。2014-3-8托盘树脂槽零件光敏树脂Z轴升降台液体表面激光束扫描镜YX SL原理图2014-3-8X - Y 扫 描系 统光 路 系 统激 光 器加 热 辊纸 料零 件边 角 料滚 筒工 作平 台2014-3-8透 镜刮 平 辊 子激 光 器扫 描 镜激 光 束零件 Z 轴升降台铺粉装置2014-3-8铺撒粉末单层粘结下降活塞2014-3-82014-3-8RPM技术在模具制造中的应用技术在模具制造中的应用 l采用快速原型制造技术（RPM）的快速模具制造 (Rapid Tooling RT)主要用于制造铸造模具和塑料模具，与数控加工相比, RPM技

7、术可以更快、更好地设计并制造出各种复杂的原型，通常是将RP原型作为样件用于传统的模具制造工艺中, 一般可使模具制造成本和周期减少一半，将使模具制造过程发生革命性变化。 2014-3-8快速模具制造快速模具制造-硅橡胶模铸造法硅橡胶模铸造法 l如制造的零件批量件数较小（2050件）时，一般可以采用以RP原型作母模，采用室温硫化的有机硅橡胶浇注制作硅橡胶模。由于硅橡胶良好的柔性和弹性，对于结构复杂、花纹精细、无拔模斜度（甚至有一定倒拔模斜度）以及具有深凹槽的零件来说，制件浇注完成后均可直接取出。该工艺方法可以快速、容易而廉价地小批量生产各种塑料零件和石蜡模型，在航空航天、体育用品、玩具和装饰设备等

8、领域应用广泛。制作生产周期为1周左右。成本为钢模的1/201/15。2014-3-8硅橡胶模铸造法案例硅橡胶模铸造法案例 l望远镜外壳快速模具的开发制作：通过制作RP模型，采用硅橡胶模翻制ABS塑料样件，云南光学仪器厂快速地实现了新产品开发，含RP原型，制作生产周期为6天。 2014-3-8快速模具制造快速模具制造-锌铝合金软模具锌铝合金软模具 l当生产量为1001000件时,可采用环氧树脂模。当生产批量在10003000件时,采用锌铝合金软模具，即以RP原型作母模，将低熔点的熔化金属（如锌铝合金）充分雾化后以一定的速度喷射到母模的表面，形成模具型腔表面，充填背衬复合材料，制作锌铝合金软模具。

9、该工艺方法简单，周期短，型腔表面及其精细花纹一次同时形成。其制作周期为12周，成本为数控法加工钢模的1/51/3。 2014-3-8锌铝合金软模具案例锌铝合金软模具案例l滴灌用滴头快速模具的开发制作：国家节水灌溉中心通过制作滴头RP模型，采用金属喷涂制模法制作锌铝合金软模具，注塑成型1000件滴头产品，用于农业节水灌溉试验，快速地实现了新产品的试制，含RP原型，制作生产周期为2周。 2014-3-8快速模具制造快速模具制造-整体电极制作整体电极制作l当要求模具寿命在3000件以上时，可以采用以RP原型作母模，翻制由环氧树脂与碳化硅混合物构成的整体研磨轮（3D砂轮），在石墨电极成型机上研磨出整体

10、石墨电极，或利用电化学原理通过电铸的方法使铜沉积在RP原型表面约23mm厚，移去RP原型，得到电极壳体，充填背衬材料，制成整体铜电极。利用以上整体石墨电极或整体铜电极通过电火花加工制造钢模具。该模具制造工艺方法减少了CNC加工，节约了CNC编程及加工时间，复形精度也较高。其模具制作周期为34周，成本为数控法加工钢模的1/31/2。 2014-3-8整体电极制作案例整体电极制作案例l发动机用连杆快速模具的开发制作：某厂通过制作连杆RP模型，采用石墨电极整体成型技术制作连杆石墨电极，通过电火花加工制造连杆钢模具。制作生产周期为3周。 2014-3-8Rapid tooling aided by r

11、everse engineering to manufacture EDM electrodesThermoplastic RP wax patterns for investment casting2014-3-8Rapid tooling aided by reverse engineering to manufacture EDM electrodesla lLaser scanning to digitise the 3D models.2014-3-8Rapid tooling aided by reverse engineering to manufacture EDM elect

12、rodeslb lRange image from scanning the 3D model.2014-3-8Rapid tooling aided by reverse engineering to manufacture EDM electrodeslc 3D model generated via RE methodology2014-3-8Rapid tooling aided by reverse engineering to manufacture EDM electrodesla Investment casting ceramic shell mould to cast mo

13、lten copper alloys. lb EDM electrodes in copper alloy made via indirect rapid tooling2014-3-8Rapid tooling aided by reverse engineering to manufacture EDM electrodesCopper alloy mounted electrodes ready for EDM, made by indirect rapid tooling2014-3-8Rapid tooling aided by reverse engineering to manu

14、facture EDM electrodes EDM cavities in hardened tool steel. a Depth of 2.00 mm. b Depth of 2.25 mm. c Depth of 2.50 mm2014-3-8RPM技术在医学领域中的应用技术在医学领域中的应用 l世界上许多国家都十分重视RPM技术在医学领域中的应用, 并取得了好的效果。该方法将以数字成像技术为基础的CT(断层成像)、MRI(核磁共振)等诊断方法与RP系统相结合, 即把所获得的人体扫描的分层截面图像, 经计算机三维重建后的人体骨骼数据提供给RP系统, 复制得到人体局部或整体原型。这样就可

15、以显示该部位病变情况和实体结构, 可用于临床辅助诊断以便策划头颅、面部和牙齿等复杂外科手术, 或供教学使用。此外亦可利用RP原型制作假肢、假体和人工骨骼。 2014-3-8用用RP技术生产人工骨盆技术生产人工骨盆 l清华大学激光快速成型中心的技术人员已经自主开发了能够为病人量身定作假体的数据处理软件和成型设备。并与北大医院合作将此技术成功地应用在仿生人工骨盆量身定做方面。由于因人而异，通过激光快速成型量身定做骨盆的优势在于它能实现人工骨盆的用户化设计和制造。其工艺过程是：根据三维CT扫描的图像，经过数据的三维重构，得到了患者骨盆的CAD模型，然后进行镜像处理，根据其健康的左侧骨盆的形状，得到其

16、右侧半骨盆在健康状态下的形状，然后由激光快速成型制作出跟患者患病前的骨盆形状一模一样的假体。 2014-3-8基于基于RP技术的人工骨工程化制造技术的人工骨工程化制造 l西安交通大学与第四军医大学合作，进行基于快速成型技术的生物活性组织-人工骨的工程化制造研究。即对人体的骨骼进行CT扫描，然后进行骨骼内部结构的仿生CAD建模和骨骼外腔的三维反求，利用常温固化的羟基磷灰石等生物相容性和生物可降解性较好的材料，在快速成型机上制出具有生物活性的人骨替代骨。 2014-3-8用用3D3D打印头骨替打印头骨替代代75%75%自身头骨自身头骨 l北京时间2013年3月12日消息，据国外媒体报道，美国的一名

17、患者成功接受一例具有开创性的手术，用3D打印头骨替代75%的自身头骨。2014-3-8将人类胚胎干细胞用于三维打印将人类胚胎干细胞用于三维打印 l据物理学家组织网报道，英国赫瑞瓦特大学和一家干细胞技术公司合作，开发出一种真空阀门式（valve-based）三维（3D）打印技术，首次将3D打印拓展到人类胚胎干细胞范围。这一突破使得利用人类胚胎干细胞来“打造”移植用人体组织和器官成为可能，打印结构还能用于药物测试，加速改良测试过程。相关论文发表在2013 年2月5日出版的生物制造（Biofabrication）杂志上。 2014-3-8BioCell Printing lThe productio

18、n methodology of 3D constructs for tissue regeneration is usually a complex discontinuous process involving three different stages: (1) production of 3D matrices; (2) matrix sterilisation and cell seeding; (3) in vitro dynamic cell culture. This paper presents a novel automated bench-top manufacturi

19、ng system called BioCell Printing, designed for the integrated, continuous and fully automated production and in vitro dynamic culture of tissue engineering constructs. The BioCell aims at the rapid production of tissue-engineered substitutes with low risk of contamination, increasing the chances of

20、 direct clinical application.CAD model functional prototype2014-3-8SEM micrographs of 3D scaffolds Process conditions:lDeposition velocity 7mm/slLayer thickness 0.28mmlLiquefier temperature 80ClExtrusion velocity 84 rpmlNozzle tip size 0.3mmlFilament distance 0.650lLay-down pattern 0/90and 0/452014-

21、3-8RPM技术在医学中的其它应用技术在医学中的其它应用 美国有研究小组利用RP技术生产人工肺和人工心脏，而另一研究小组则在小光斑激光SLA系统上用一种类生物材料建造生物组织如肌肉等。还有利用RP技术帮助发展新的医疗器械等。 2014-3-8人工骨模型及其支架颌面骨模型颌面骨模型 狗骨盆多孔支架狗骨盆多孔支架 生物活性材生物活性材料骨支架料骨支架快速原型制造应用实例快速原型制造应用实例2014-3-8RPM技术在产品开发、工业设计中的应用技术在产品开发、工业设计中的应用l在工业设计方面, 新产品开发的设计阶段, 虽然可借助设计图纸和计算机模拟, 但并不能展现原型, 往往难以作出正确和迅速的判断

22、, 而这对于形状复杂要求外形美观的产品尤其重要。采用RPM技术可在不需要其他加工手段支撑的情况下, 在几小时或几天内将设计图纸或CAD模型制成RP三维实体原型。设计者可以根据此原型对外型、装配关系等方面的设计方案进行评定、模拟试验分析、性能测试分析和生产可行性评估, 并能迅速得到用户对设计方案的反馈信息, 这样, 可以把可能出现的问题解决在设计阶段, 使新产品开发的风险和时间显著减少。 2014-3-8快速原型制造应用实例快速原型制造应用实例2014-3-8新产品开发实例新产品开发实例-发动机缸盖发动机缸盖l美国 Detroit的一家制造商, 用RP系统及相应的快速精铸技术, 只用4天时间就制

23、造出福特公司的发动机缸盖精铸件样品, 在众多的竞争对手中抢先占领市场, 获得了3000万美元的定单。 l客户总是更乐意对实物原型“指手划脚”，提出对产品的修改意见，因此快速成型制作的模型成为设计制造商与客户交流沟通的基本条件。2014-3-8用用RPM原型进行模拟试验分析原型进行模拟试验分析l在新产品开发中, 如遇多种方案, 对各方案产品的性能和效果尚需经过实物试验才能可靠地确定时, 可用 RPM技术制成各种方案的原型制件, 再进行模拟试验分析和生产可行性评估, 从而找出好的设计方案。由于快速成型制作的原型具有一定的强度，可用于传热、流体力学试验，可用于产品受载应力应变的实验分析。例如，美国G

24、M在为其97年将推出的某车型开发中，直接使用快速成型制作的模型进行车内空调系统、冷却循环系统及冬用加热取暖系统的传热学试验，较之以往的同类试验节省花费达40以上。 2014-3-8用于弹道试验用于弹道试验的引信叶轮的引信叶轮l某国防厂引信叶轮的开发的传统流程为：设计-制作钢模具-尼龙66成型功能试验-设计修改，开发周期为35个月，费用为24万元，后来采用快速成型工艺制作叶轮的树脂模型，直接用于弹道试验，引信叶轮的临界转速高达50000rpm，制作时间为1.5小时，费用仅为400元，极大地加快了我国导弹引信的开发速度。 2014-3-8汽车空调汽车空调器叶轮器叶轮l江阴汽车空调器厂开发的汽车空调

25、器动叶轮与静叶轮，直接使用快速成型制作的模型进行空气动力学实验，后经改型设计达到理想要求，极大地缩短了开发周期、节省了开发成本。 2014-3-83D3D打印打印汽车汽车 l2011-09-24新华网报道：一辆部分利用3D打印技术制造的汽车在加拿大首次公开亮相。这辆车名叫Urbee,橙红色车身,三轮,双座位，扁长圆的外形显得小巧可爱。本月15日，它在加拿大温尼伯艺术画廊举行的展会上首次公开亮相。lUrbee由美国Stratasys公司和加拿大科尔生态公司联合设计，底盘为不锈钢制成，包括玻璃嵌板在内的所有外部组件都是通过Stratasys公司的大型3D打印设备生产。2014-3-8世界首辆时世界首辆时速超百公里速超百公里 3D3D打印赛车打印赛车l北京时间2012年8月30日消息，据国外媒体