热加工自动化

1、主编：清华大学 严绍华 主讲：张 建学时：30 热加工工艺基础热加工工艺基础（工程材料及机械制造基础（工程材料及机械制造基础）第一节第一节 快速原型技术快速原型技术一、快速原型技术简介一、快速原型技术简介 1.1.快速原型技术的概念快速原型技术的概念 快速原型技术：是由快速原型技术：是由CADCAD模型直接驱动的快速模型直接驱动的快速制制 造复杂形状三维实体零件技术造复杂形状三维实体零件技术 的总称。的总称。 成形原理：从成形角度看，将零件视为点、线、成形原理：从成形角度看，将零件视为点、线、 面的叠加而成。从面的叠加而成。从CADCAD模型中离散模型中离散 得到点、线、面的几何信息，再与得到

2、点、线、面的几何信息，再与 快速成形的工艺参数信息结合，控快速成形的工艺参数信息结合，控 制材料有规律地、精确地由点、线制材料有规律地、精确地由点、线 到面，由面到体地逐步堆积成零件。到面，由面到体地逐步堆积成零件。工艺过程：工艺过程：(1)(1)产品的产品的CADCAD建模：应用三维建模：应用三维CADCAD软件，根据产品要求设计软件，根据产品要求设计 三维模型，或采用逆向工程技术获取产品的三维模型。三维模型，或采用逆向工程技术获取产品的三维模型。(2)(2)三维模型的近似处理：用一系列小三角形平面来逼近模三维模型的近似处理：用一系列小三角形平面来逼近模 型上的不规则曲面，从而得到产品的近似

3、模型。型上的不规则曲面，从而得到产品的近似模型。(3)(3)三维模型的三维模型的Z Z向离散化向离散化( (即分层处理即分层处理):):将近似模型沿高度将近似模型沿高度 方向分成一系列具有一定厚度的薄片，提取层片的轮廓方向分成一系列具有一定厚度的薄片，提取层片的轮廓 信息。信息。(4)(4)处理层片信息，生成数控代码：根据层片几何信息，生处理层片信息，生成数控代码：根据层片几何信息，生 成层片加工数控代码，用以控制成形机的加工运动。成层片加工数控代码，用以控制成形机的加工运动。(5)(5)逐层堆积制造：在计算机控制下，根据生成的数控指令逐层堆积制造：在计算机控制下，根据生成的数控指令, , R

4、P RP系统中的成形头在系统中的成形头在X XY Y平面内按截面轮廓进行扫描，平面内按截面轮廓进行扫描， 固化液态树脂，从而堆积出当前的一个层片，并将当前固化液态树脂，从而堆积出当前的一个层片，并将当前 层与已加工好的零件部分粘合。然后，成形机工作台面层与已加工好的零件部分粘合。然后，成形机工作台面 下降一个层厚的距离，再堆积新的一层。如此反复进行下降一个层厚的距离，再堆积新的一层。如此反复进行 直到整个零件加工完毕。直到整个零件加工完毕。(6)(6)后处理：对完成的原型进行处理，使之达到要求。后处理：对完成的原型进行处理，使之达到要求。2.2.快速原形技术的特征快速原形技术的特征 (1)(1

5、)技术高度集成化技术高度集成化 快速成形技术是计算机技术、快速成形技术是计算机技术、 数控技术、控制技术、激光技术、材料技术和机数控技术、控制技术、激光技术、材料技术和机 械工程等多项交叉学科的综合集成。它以离散械工程等多项交叉学科的综合集成。它以离散 堆积为方法，在计算机和数控技术的基础上，追堆积为方法，在计算机和数控技术的基础上，追 求最大的柔性为目标。求最大的柔性为目标。(2)(2)高度柔性化高度柔性化 对整个制造过程，仅需改变对整个制造过程，仅需改变CADCAD模型模型 或反求数据结构模型，对成形设备进行适当的参或反求数据结构模型，对成形设备进行适当的参 数调整，即可在计算机的管理和控

6、制下制造出不数调整，即可在计算机的管理和控制下制造出不 同形状的零件或模型。同形状的零件或模型。(3)(3)设计制造一体化设计制造一体化 CADCADCAMCAM一体化。由于采用了一体化。由于采用了 离散离散/ /堆积的分层制造工艺，能够很好地将堆积的分层制造工艺，能够很好地将CADCAD、 CAMCAM结合起来。结合起来。(4)(4)大幅度缩短新产品的开发成本和周期大幅度缩短新产品的开发成本和周期 可减少可减少产产 品开发成本品开发成本303070%70%，缩短开发时间，缩短开发时间50%50%至更少。至更少。(5)(5)制造成形自由化制造成形自由化 可根据零件的形状，不受任可根据零件的形状

7、，不受任何何 专用工具或模具的限制而自由成形，也不受零件专用工具或模具的限制而自由成形，也不受零件 复杂程度的限制，能够制造任意复杂形状与结构、复杂程度的限制，能够制造任意复杂形状与结构、 不同材料复合的零件。不同材料复合的零件。(6)(6)材料使用广泛性材料使用广泛性 金属、纸张、塑料、树脂、金属、纸张、塑料、树脂、石石 蜡、陶瓷，甚至纤维等材料在快速原型制造领域蜡、陶瓷，甚至纤维等材料在快速原型制造领域 已有很好的应用。已有很好的应用。优势优势：(1)(1)从设计角度考虑从设计角度考虑 可以设计制造热门、任意复杂可以设计制造热门、任意复杂 的三维几何实体，不用考虑毛坯形状、工装卡具、的三维

8、几何实体，不用考虑毛坯形状、工装卡具、 时间和成本的限制；减少零件数量，不受刀具加时间和成本的限制；减少零件数量，不受刀具加 工能力的限制，同时用于精度、装配的时间减少。工能力的限制，同时用于精度、装配的时间减少。(2)(2)从制造角度考虑从制造角度考虑 用用CADCAD模型直接驱动，成形过程模型直接驱动，成形过程 无需人工干预或较少干预；通用成形设备无需专无需人工干预或较少干预；通用成形设备无需专 用夹具或工具；减少材料浪费，降低原材料储存用夹具或工具；减少材料浪费，降低原材料储存 运输费用等；采用参数化设计、参数化制造，零运输费用等；采用参数化设计、参数化制造，零 件一致性好。件一致性好。

9、(3)(3)从市场和用户角度考虑从市场和用户角度考虑 避免传统方法中复杂的避免传统方法中复杂的 中间加工制造环节和设计失误造成的损失，实时中间加工制造环节和设计失误造成的损失，实时 地根据市场需求而低成本、少风险地改变产品；地根据市场需求而低成本、少风险地改变产品； 产品多样化，可面向订单生产。产品多样化，可面向订单生产。二、快速原型工艺二、快速原型工艺 1.1.立体平版印刷工艺立体平版印刷工艺(Stereo lithograghy(Stereo lithograghy, SL), SL) SL SL工艺：是利用光固化树脂在一定频率单色光工艺：是利用光固化树脂在一定频率单色光 的照射下迅速固化

10、的特性进行工作的。的照射下迅速固化的特性进行工作的。 工艺原理是：工艺原理是：逐层扫描固化逐层扫描固化 从最底层开始，激光在光敏树脂从最底层开始，激光在光敏树脂 表面扫描，在扫描过程中，激光表面扫描，在扫描过程中，激光 的曝光量超过树脂固化所需的阈的曝光量超过树脂固化所需的阈 值能量的地方才会发生聚合反应值能量的地方才会发生聚合反应 形成固态。在计算机控制下，对形成固态。在计算机控制下，对 液态光敏树脂逐层扫描、固化，液态光敏树脂逐层扫描、固化， 完成原型的制作。完成原型的制作。特点：特点：(1)(1)尺寸精度高尺寸精度高SLASLA原型的尺寸精度可达原型的尺寸精度可达0.lmm0.lmm。(

11、2)(2)表面质量好。表面质量好。(3)(3)成形过程自动化程度高成形过程自动化程度高SLASLA系统非常稳定，加工系统非常稳定，加工 开始后，成形过程可以完全自动化，直至原型制开始后，成形过程可以完全自动化，直至原型制 作完成。作完成。(4)(4)原材料利用率高原材料的利用率将近原材料利用率高原材料的利用率将近100%100%。(5)(5)能制造形状特别复杂能制造形状特别复杂( (如空心零件如空心零件) )、特别精细、特别精细 ( (如首饰、工艺品等如首饰、工艺品等) )的零件。的零件。(6)(6)制作出来的原型件，可快速翻制各种模具。制作出来的原型件，可快速翻制各种模具。缺点：缺点：(1)

12、(1)成形过程中需要支撑，否则会引起制件变形；成形过程中需要支撑，否则会引起制件变形；(2)(2)设备运转及维护成本高等。设备运转及维护成本高等。2.2.分层实体制造工艺分层实体制造工艺(Laminated Object Manufac(Laminated Object Manufac- - turing turing，LOM)LOM) LOM LOM工艺：是通过逐层激光剪切薄纸材料制造零工艺：是通过逐层激光剪切薄纸材料制造零件件 的一种技术。的一种技术。 工作原理：工作原理：逐层粘接切割逐层粘接切割 采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等作采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等作 为成形材料，片材表面事先涂

13、覆上一为成形材料，片材表面事先涂覆上一 层热熔胶。加工时，用层热熔胶。加工时，用COCO2 2激光器激光器( (或或 刀刀) )在计算机控制下按照在计算机控制下按照CADCAD分层模型分层模型 轨迹切割片材，然后通过热压辊热轨迹切割片材，然后通过热压辊热 压，使当前层与下面已成形的工件层压，使当前层与下面已成形的工件层 粘接，从而堆积成型。粘接，从而堆积成型。特点：特点：(1)(1)生产效率高生产效率高 LOMLOM工艺只需在片材上切割出零件截面的轮工艺只需在片材上切割出零件截面的轮 廓，而不用对整个截面进行扫描。因此成形效率比其他廓，而不用对整个截面进行扫描。因此成形效率比其他 RPRP工艺

14、要高，非常适合于制作大型实体原型件。工艺要高，非常适合于制作大型实体原型件。(2)(2)零件精度较高零件精度较高 LOMLOM工艺过程中不存在材料相变，因此不工艺过程中不存在材料相变，因此不 易引起翘曲变形，零件精度较高，小于易引起翘曲变形，零件精度较高，小于0.15mm0.15mm。(3)(3)无需设计和制作支撑结构无需设计和制作支撑结构 工件外框与截面轮廓之间的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，所以无需加支撑。多余材料在加工中起到了支撑作用，所以无需加支撑。(4)(4)后处理工艺简单，成形后废料易于剥离，且不需后固化后处理工艺简单，成形后废料易于剥离，且不需后固化

15、处理。处理。(5)(5)原型制作成本低原型制作成本低 LOMLOM工艺常用的原材料为纸、塑料薄膜工艺常用的原材料为纸、塑料薄膜 等，这些材料价格便宜。等，这些材料价格便宜。(6)(6)制件能承受高达制件能承受高达200200的高温，有较高的硬度和较好的力的高温，有较高的硬度和较好的力 学性能，可以进行各种切削加工。学性能，可以进行各种切削加工。不足：不足：(1)(1)工件工件( (尤其是薄壁件尤其是薄壁件) )抗拉强度和弹性不够好；抗拉强度和弹性不够好；(2)(2)易吸湿膨胀，因此成形后应尽快做表面防潮处理等。易吸湿膨胀，因此成形后应尽快做表面防潮处理等。3.3.选择性激光烧结工艺选择性激光烧

16、结工艺(Selected Laser (Selected Laser Sintering Sintering，SLS)SLS) SLS SLS工艺：是利用激光所提供的能量有选择性地工艺：是利用激光所提供的能量有选择性地融融 化热塑性塑料以形成三维零件。化热塑性塑料以形成三维零件。 工作原理：逐层扫描熔化凝固工作原理：逐层扫描熔化凝固 SLSSLS工艺与工艺与SLSL工艺几乎相同，只是将工艺几乎相同，只是将 SLSL工艺中液态光固化树脂换成在激光工艺中液态光固化树脂换成在激光 照射下可烧结成型的粉末烧结材料。照射下可烧结成型的粉末烧结材料。特点：特点：(1)(1)可以采用多种材料：可采用加热时粘

17、度降低的任可以采用多种材料：可采用加热时粘度降低的任 何粉末材料，特别是可以直接制造金属零件。何粉末材料，特别是可以直接制造金属零件。(2)SLS(2)SLS工艺无需支撑：因为没有被烧结的粉末起到工艺无需支撑：因为没有被烧结的粉末起到 了支撑的作用，不需要支撑。不仅简化了设计、了支撑的作用，不需要支撑。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。件表面的品质。(3)(3)制件具有较好的力学性能，可直接用作功能测试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。或小批量使用的产品。(4)(4)材料利用率高，

18、未烧结的粉末可以重复利用。并材料利用率高，未烧结的粉末可以重复利用。并 且材料价格较便宜、成本低。且材料价格较便宜、成本低。不足：成形速度比较慢、成形式精度和表面质量不不足：成形速度比较慢、成形式精度和表面质量不 太高，而且成形过程中能量消耗较高。太高，而且成形过程中能量消耗较高。4.光掩膜工艺(Solid Ground Curing，SGC)5.5.熔化堆积工艺熔化堆积工艺(Fused Deposition Modeling(Fused Deposition Modeling，FDM)FDM) FDM FDM工艺：是利用热塑性细丝在移动头中进行熔化工艺：是利用热塑性细丝在移动头中进行熔化,

19、, 熔化后的材料在移动的过程中被挤压出熔化后的材料在移动的过程中被挤压出 来堆积零件。来堆积零件。 工作原理：采用一个加热头将热塑性材料细丝加热工作原理：采用一个加热头将热塑性材料细丝加热 成半液态，计算机控制下的成半液态，计算机控制下的FDMFDM喷嘴根喷嘴根 据据CADCAD模型所确定的几何信息将半液态模型所确定的几何信息将半液态 的热塑性材料挤出，沉积成薄层，层层的热塑性材料挤出，沉积成薄层，层层 堆积，从而将零件的几何设计变成真实堆积，从而将零件的几何设计变成真实 零件。零件。特点：特点：(1)(1)该工艺无需激光系统，设备使用、维护简便，成该工艺无需激光系统，设备使用、维护简便，成

20、本较低，其设备成本往往只是本较低，其设备成本往往只是SLASLA设备成本的设备成本的1 15 5。(2)(2)可以在办公室环境下使用。可以在办公室环境下使用。(3)(3)用蜡成形的零件原型，可直接用于失蜡铸造。用蜡成形的零件原型，可直接用于失蜡铸造。(4)(4)原材料成形过程中无化学变化，制件翘曲变形小。原材料成形过程中无化学变化，制件翘曲变形小。(5)(5)使用水溶性支撑材料时，支撑去除方便，效果好。使用水溶性支撑材料时，支撑去除方便，效果好。不足：不足：(1)(1)成形精度相对其他成形精度相对其他RPRP工艺较低；工艺较低；(2)(2)成形时间较长。成形时间较长。6.6.三维印刷工艺三维印

21、刷工艺(Three Dimension Printing(Three Dimension Printing，3DP) 3DP) 3DP 3DP工艺：是在计算机的控制下，利用喷头喷射粘工艺：是在计算机的控制下，利用喷头喷射粘 接剂，喷射粘接剂的路径材料被粘接在接剂，喷射粘接剂的路径材料被粘接在 一起，而其它地方仍为松散粉末，层层一起，而其它地方仍为松散粉末，层层 粘接得到最后的三维实体。粘接得到最后的三维实体。 工作原理：先涂敷一层陶瓷粉末，喷头在计算机控工作原理：先涂敷一层陶瓷粉末，喷头在计算机控 制下根据零件的截面形状喷粘结剂制下根据零件的截面形状喷粘结剂( (印印 刷一次刷一次) )，形成一层凝结粉末层，形成一层凝结粉末层( (没有喷没有喷 到粘结剂的粉末仍为分散状到粘结剂的粉末仍为分散状, ,在成形部在成形部 分间起支撑作用分间起支撑作用) )；这样一层一层重复；这样一层一层重复 循环，最终粘结形成一个三维实体；烧循环，最终粘结形成一个三维实体；烧 结后即可得到一个陶瓷壳用于浇注。结后即可得到一个陶瓷壳用于浇注。特点：特点：(1)(1)直接制模铸造，它通过电子模型制成固体的三维直接制模