快速成形技术1

1、一章 概述1.1快速成形技术的概念1.2快速成形技术的产生背景1.3快速成形的原理1.4快速成形技术的进展简史1.5快速成形的特点1.6快速成形技术的应用及展望幻灯片 3快速成形技术是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称。原称为快速原型（ Rapid Prototyping）技术，国际上简称为“RP”技术。分层实体工艺 (SSM) 制作的原双象瓶孔雀香炉幻灯片 8熔融挤压工艺（FDM) 制作的原型幻灯片 9时期背景技术背景幻灯片10上世纪 80 年代和整个90 年代是快速成形工艺、设备和材料蓬勃进展的年代。80 年代中期美国活着界上推出了第一台商品化的快速成形设备，

2、并专门快扩展到日本及欧州。我国是世界上比较早进入这一技术领域的国家，于上世纪与开发。90 年代初接踵进行了研究当前国际上快速成形工艺已达数十种，成形研究机构和效劳单位数百家。幻灯片 11较大规模的专业厂家数十家，遍及全世界的快速2003 年全世界的快速成形设备年安装数为1864 台，中国大陆2003 年安装了台快速成形设备，占世界同年安装总量的9.8% ，超过欧州任何一个国家，为世界上仅次于美、日的第三大快速成形设备年安装量的国家。1832004 年全世界快速成形设备安装量达11166 台套，其设备和效劳的产值达5.289 亿美元。快速成形技术进展的速度，整体来讲已超过上世纪50 年代末， 6

3、0 年代初进展起来的数控技术的进展速度。幻灯片 12时期背景快速成形技术是上世纪80 年代后期进展起来的先进制造技术之一，其产生的时期背景是现代工业生产正在从大规模批量化生产转变成小批量和个性化生产，产品的生命周期和投放市场的时刻愈来愈短。比如在汽车行业， 十年前开发一种新车型需要两年左右的时刻，而此刻同一个汽车制造厂商每半年乃至更少时刻就有一种新车型问世，而一种车型的产量已从过去的上百万辆下降到此刻的几万辆乃至几千辆。家电行业产品的更新换代就更快了。市场的竞争要求应尽可能缩短产品的设计和制造周期，以减少投资风险。1. 4 快速成形技术的进展历程自 1986 年第一台快速成形设备 SLA-1

4、显现至今， 近 20 年，世界上已有大约二十多种不同的成形方式和工艺，而且新方式和工艺不断地显现。幻灯片 361.SL (Stereolithography)工艺称为光固化或立体光刻，是最先显现的一种RP工艺，它采纳激光一点点照射光固化液态树脂使之固化的方式成形，是当前应用最普遍的一种高精度成形工艺。2.LOM (Laminated Object Manufacturing)工艺称为分层实体制造，它采纳激光切割箔材，箔材之间靠热熔胶在热压辊的压力和传热作用下熔化并实现粘接，一层层叠加制造原型。幻灯片 373.SLS (Selective Laser Sintering)工艺称为激光选区烧结，它

5、采纳激光逐点烧结粉末材料，使包覆于粉末材料外的固体粘接剂或粉末材料本身熔融粘连实现材料的成形。4.FDM (Fused Deposition Modeling)工艺称为熔融沉积成形，它采纳丝状热塑性成形材料，持续地送入喷头后在其中加热熔融并挤出喷嘴，慢慢堆积成形。幻灯片 381. 4. 1 要紧工艺进展情形5. 3DP (Three Dimensional Printing)工艺称为三维印刷，它采纳逐点喷射粘接剂来粘接粉末材料的方式制造原型， 该工艺能够制造彩色模型， 在概念型应用方面很有竞争力。6. PCM (Patternless Casting Manufacturing)工艺称为无木模

6、铸造，它采纳逐点喷射粘接剂和催化剂即两次同途径扫描的方式来实现铸造用树酯砂粒间的粘接并完成砂型自动制造。该工艺由清华大学等多家单位联合研发成功。幻灯片397. BPM (Ballistic Particle Manufacturing)工艺称为弹道粒子制造。它用一个压电喷射 ( 头 ) 系统来喷射并沉积熔化了的热塑性塑料的微小颗粒单元。BPM的喷头安装在一个 5 轴的运动机构上，关于零件中悬臂部份，由于改变喷射方向能够不加支撑。由于该系统价钱昂贵，毫无竞争力，当前已在RP市场上消失。幻灯片 401. 4. 1 要紧工艺进展情形8. 3D Plotting (Three Dimentional

7、Plotting)称为三维画图工艺，它采纳泵将必然温度熔融状材料通过极周密的喷嘴（直径为0.05mm）喷出而堆积成形。该工艺由美国Solidscape公司（原Sanders Prototyping公司）商品化并推向市场。9. MJS (Multiple Jet Solidification)工艺称为多路喷射固化，该工艺采纳活塞挤压熔融材料使其持续地挤出喷嘴的方式来堆积成形。由德国Manufacturing Engineering and Automation (IPA)和Materials Research (IFAM)一起开发。Institute forInstitute for Appli

8、ed幻灯片 4110. SGC (Solid Ground Curing)工艺称为实体磨削固化，它采纳掩膜版技术使一层光固化树脂整体一次成形，而不是SL 设备那样，每一层树脂是逐点照射固化成形的，如此就提高了原型制造速度。该工艺由以色列的Cubital 公司开发成功并推出商品机械。11. 3D Printer工艺称为三维打印机，它采纳块状固体热塑性成形材料，输入喷嘴后在其中加热并熔化，挤出喷嘴逐点堆积成形。美国Stratasys与 IBM 合作开发成功的Genisys 3D Printer作为桌面化的设备而推向市场。幻灯片 421. 4. 1 要紧工艺进展情形12. CC (Contour C

9、raft) 工艺称为轮廓成形工艺，它采纳堆积轮廓和浇铸熔融材料相结合的方式来成形， 在堆积轮廓时采纳了简单的刮刀， 刮板式装置， 形成原型的层片为准三维。美国南加州大学（University of Southern California）研究成功。13. RIPF（ Rapid Ice Prototype Forming）称为低温冰型快速成形工艺，采纳脉宽调制喷头高频喷射离散水滴，在低温下堆积冰原型。清华大学与美国Missouri-Rolla大学联合研发成功。幻灯片 431. 4. 1 要紧工艺进展情形14. SIS（ Seletine Inhibition Sintering ）选择性抑制烧

10、结，由美国南加州大学提出并进行研究。该工艺用喷墨喷头选择性地喷射抑制剂， 然后用热辐射加热器对该层加热，使非抑制部份专门快相互粘结而成形。上述 RP工艺能够按所用材料、堆积单元的几何形态、是不是需要另外设计支撑及材料状态进行适当分类。幻灯片 44分类1) 按所用材料形态分类2) 按堆积单元的几何形态分类3) 按是不是需另外设计支撑结构分类4) 按材料状态转变及其联接机理分类幻灯片 451) 按所用材料形态分类幻灯片 60GARPA所在国家（地域）和协会负责人9加拿大Vesna CotaPresident10丹麦Bent Mieritz11意大利Luca Iuliano12韩国Dongyol Y

11、ang (杨东烈 )13南非Deon de Beer14新西兰Walter Kruf15爱尔兰Michael Murphy16澳大利亚Noel Frost17香港Ian GibsonVice-Chairman幻灯片 61快速成形技术的要紧特点CAD 模型直接驱动，设计制造高度一体化；高度柔性，能够制造任意复杂形状的三维实体；成形进程无需专用夹具或工具；无需人员干与或较少干与，是一种自动化的成形进程；快速成形利用的材料具有多样性。成形全进程的快速性，适合现代猛烈的产品市场。幻灯片62从技术集成的角度， 能够说快速成形技术是数控技术、高能束技术 （激光束、电子束等）、微滴技术和材料科学等学科领域和

12、技术的技术集成。RP 的进展又增进了上述相关学科与技术的进展。快速成形之 “快” 并非是由于成形进程中机械运行速度快而引发，而是机械运行由零件CAD 模型直接驱动和成形工艺的高度柔性所致使的从设计到制造全进程的快速性。明白得和熟悉快速成形应从那个角度进行，不然就会陷入“快速成形不快”的疑问当中。幻灯片 631.6 快速成形技术的应用领域新产品的设计与开发快速工 /模具制造实验分析模型生物医学和组织工程建筑、航空航天、军事、汽车、机械、电子、电器、玩具、工艺品等许多领域幻灯片 64快速成形技术在新产品开发中的应用由于快速成形技术能够优化产品设计、 缩短产品开发周期、 提高生产效率、 改善产品质量

13、，因此从其诞生之日起，就受到了学术界和工业界的极大重视，并迅速在航空航天、汽车、机械、电子、电器、医学、玩具、建筑、艺术品等许多领域取得了普遍应用，取得了极大的功效。RP 技术最重要的应用确实是开发新产品。在新产品开发进程中，原型的用途要紧包括以下几方面：幻灯片 65快速成形技术在新产品开发中的应用外形设计：很多产品专门是家电、汽车等对外形的美观和新颖性要求极高。一样查验外形的方式是将产品图形显示于运算机终端， 但常常发生 “画出来好看而做出来不行看” 的现象，且由于“可看不可摸” ，很不直观。采纳 RP 技术能够专门快做出原型，供设计人员和用户从各类标准和角度进行审查，使得外形设计及查验更直

14、观有效快捷。幻灯片 66快速成形技术在新产品开发中的应用检查设计质量：以模具制造为例，传统的方式是依照几何造型在数控机床上开模，这关于一个价值数十万乃至数百万元的复杂模具来讲风险太大， 设计上任何不慎， 反映到模具上确实是不可挽回的损失。RP 方式可在开模前真实而准确地制造出零件原型，设计上的各类细微问题和错误就能够在模型上一目了然地显示出来，这就大大减少了开模风险。幻灯片 67快速成形技术在新产品开发中的应用功能检测：设计者能够利用原型快速进行功能测试以判明是不是最好地知足设计要求，从而优化产品设计。如：凡是涉及到空气动力学或流体力学实验的各类流线型设计均需做风洞实验，如飞行器、船舶、风扇、

15、叶轮、高速车辆的设计等，采纳RP 原型可精准地依照原设计将自由曲面模型迅速地制造出来进行测试，与数字模拟彼此配合，可取得最正确的流线型曲面、扇叶曲面和等自由曲面设计等。幻灯片 68快速成形技术在新产品开发中的应用手感：通过原型， 人们能触摸和感受实体， 这对照相机、手握电动工具等的持握部份设计极为重要，在人机工程应用方面具有普遍的意义。供货询价及用户评判等：由于能及时提供产品模型给用户评判，大大增加了产品的竞争力。幻灯片 69快速成形技术在新产品开发中的应用装配干与查验： 对有限空间内的复杂系统， 进行装配干与查验是极为重要的， 如导弹、卫星系统。原型能够用来做装配模拟， 观看工件之间如何配合

16、、 可能的彼此干与。 如汽车发动机上的排气管，由于安装关系极为复杂，通过原型装配模拟能够一次成功地完成设计。幻灯片 70快速成形技术在新产品开发中的应用实验分析模型： RP 技术还能够应用在计算分析与实验模型上。例如，对有限元分析的结果能够做出实物模型，从而帮忙了解分析对象的应力和变形散布情形。图为的模型。图为将有限元分析结果三维显示的彩色 RP模型幻灯片 71快速成形技术在新产品开发中的应用整体来讲， 通过快速制造出物理模型， 能够及早地对设计进行评估， 缩短设计反馈的周期，加速设计反馈，提高了产品开发的成功率，降低开发本钱，整体的开发时刻也缩短。幻灯片 72快速成形应用情形统计据 2004 年权威资料统计显示， RP 技术在各工业和学术研究中的应用已趋成熟化和规模化。其行业散布比例如以下图所示。幻灯片 73快速成形应用情形统计快速成形的应用部门幻灯片 74快速成形应用情形统计快速成形的各种应用比例政府及军事部其它门汽车及交通工8.9%科研机构9.0%具9.3%26.1%医学9.8%航空航天消费类产品商用设备8