特种加工第八章-快速成形技术课件

第八章快速成形技术快速成形技术一、快速成形原理二、快速成形设工艺种类三、快速成形特征、优势、应用四、快速成形实施案例五、视频展示同义词：

快速成形技术RapidPrototyping

增材制造AdditiveManufacturing

3D打印Three-dimensionalPrinting

一、快速成形的基本原理对STL分层切片转为STL文件三维CAD模型设计转机器代码，制造

快速成形技术的本质是用材料堆积原理制造三维实体零件。它是将复杂的三维实体模型“切”（Spice）成设定厚度的一系列片层，从而变为简单的二维图形，层层叠加而成。原型制作流程图CAD模型的近似处理STL文件:将三维实体表面用一系列相连的小三角形逼近.典型的

STL文件

逐层制造阶梯效应导致的形状误差很难避免自下而上层层叠加就成为三维实体7.1光敏树脂液相固化成型1988年美国3DSystem公司推出商品化样机SLA-1，这是世界上第一台快速成型技术成型机1、控制聚焦光斑在液面上按轨迹逐点扫描，即逐点固化2、下降一层高度，树脂淹上来3、刮板将树脂液面刮平4、下一层扫描固化优点：工艺稳定性高、成型精度高、成型零件表面质量好、原材料利用率接近100%，而且不产生环境污染，特别适合于制作含有复杂精细结构的零件缺点：固化收缩导致变；性能不如常用的工业塑料，较脆容易断裂，不适宜进行机械加工；液体树脂有气味和毒性，并需要遮光保护，以防聚变，所以选择有局限。光敏树脂液相固化成型特点7.2薄片分层叠加成型1、激光切割横截面轮廓2、无轮廓区切割成小方格3、工作下降一个层厚4、铺送新材料，热粘压，切割下一层7.2薄片分层叠加成型优点：成型速度快、无需支撑结构、缺点：1、有激光损耗，维护费用高昂；

2、可应用的原材料种类较少，目前常用的只是纸；3、必须进行防潮处理，纸制零件很容易吸湿变形，所以成型后必须立即进行树脂、防潮漆涂覆等

4、难以构建形状精细、多曲面的零件，仅限于结构简单的零件。

5、废料去除困难，所以该工艺不宜构建内部结构复杂的零件。

6、当加工室的温度过高时常有火灾发生。因此，工作过程中需要专职人员职守。7.3选择性激光粉末烧结成型7.4熔丝堆积成型优点是：

1、可用于办公环境，没有毒气或化学物质的污染；

2、一次成型、易于操作且不产生垃圾；

3、独有水溶性支撑技术，使得去除支撑结构简单易行

4、原材料以材料卷的形式提供，易于搬运和快速更换

5、可选用多种材料，如各种色彩的工程塑料ABS、PC、PPSF以及医用ABS等。缺点是：成型精度、光洁度比SLA低，最高精度0.127mm，成型速度也较慢

7.5激光近成形1、制造精度高，适合高度复杂形状制造；

2、应力、变形小，可得到细密晶粒组织，力学性能高于铸件；

3、生产效率低、成本高4、表面粗糙度仍达不到功能零件要求7.6电子束熔融7.8电弧增材制造増材制造金属零件的表面质量对比LENS(OptoMec)DLF(FhG,Dresden)EBM(Arcam)LAM(AeroMet)HLM(IITBombay)表面质量均不能满足大多数使役情况要求金属増材制造系统性能对比技术激光选区熔化电子束熔融电弧熔积成形制造商3DsystemArcamCranfieldUniv.HUST堆积效率

(cm3/h)5–2055–8050–200层高

20–100μm50–200μm0.5-3mm表面粗糙度

(μm)Ra11Ra25-35尺寸精度0.2mm0.4mm1.0mmTC4钛合金零件:屈服强度106循环最大应力1110

±

9

MPa[6]100-220MPa[7]881.5

±12.5MPa[8]700-810MPa[8]856-914MPa[9]780-860MPa[9]电弧熔积成形在堆积效率、设备成本、生产成本以及疲劳强度等方面具有优势，适用于中大型金属零件的直接制造。三、快速成形的特征、优势、应用

离散堆积原理材料添加制造实体自由成形制造高度数字化1、可以制造任意复杂形状，“所见即所造”2、可以制造功能梯度材料零件3、无需模具，节省成本4、短流程、柔性制造，理论上是“一步到位”的制造分层制造直接CAD制造快速制造高度柔性目前3D打印产品的主要应用领域1、快速原型，产品设计（手机等）2、快速模具（汽车）3、高端零部件制造（航空航天等）4、医疗保健（牙科、假肢、骨骼）这些应用集中在不计成本的设计行业、尖端制造、以及定制个性化服务方面。任意复杂形状（复杂曲面、格子结构、多孔材料等）材料制备与形状制造的一体化（功能梯度材料等）对产品结构设计的影响航空应用无模制造医学应用：辅助手术规划人体植入体、假肢、假牙、骨骼的制造增材制造技术应用领域情况（来源：WohlersReport2013）西北工业大学西安交通大学华中科技大学清华大学北京航空航天大学华南理工大学南京航空航天大学南昌航空大学上海交通大学单位代表人物专业工艺产品国家认可1北航王华明铸造材料激光熔融航空部件国家技术发明奖一等奖2华中科大史玉升材料激光烧结航空部件、汽车部件、骨骼、牙齿国家技术发明奖二等奖3西北工大黄卫东铸造激光熔融航空部件C919应用4清华颜永年机械容积成型塑料生物应用5西安交大卢秉恒机械光固化树脂、骨骼、芯片院士我国金属增材制造研究SoftwareandDataProcessing软件Modelingsoftware(Professional,AmateurSoftware)Scanninganddatacapturing扫描和数据采集Reverseengineering逆向工程BioCAD生物CADInspectionsoftware检测软件DatavalidationanddatasecurityE-supplychainforadditivemanufacturingDesign设计DesignprinciplesforAM增材制造设计规律Topologyoptimization拓扑优化Cellulardesignandcharacterization单元格设计Masscustomization大规模定制Biomimeticdesign仿生设计Functionallygradeddesign功能梯度设计MoldandtoolingdesignusingadditivemanufacturingMaterials材料Metals金属Polymers,includingphotopolymers聚合物Ceramics陶瓷Biomaterials生物材料Hydrogel水凝胶Bioinkorcellsforprinting生物墨水Compositesandnanocomposites复合材料Conductivematerials导电材料Application-specificmaterialsHigh-performanceandfuncionalizedmaterials高性能材料

EquipmentandNewTechniques设备Multi-materialsystems多材料系统MaterialremovalandadditiontechnologiesLasersystemsforadditivemanufacturingHybridmanufacturingLargescaleadditivemanufacturingBiofabricationNewtechniquesinadditivemanufacturingMeasurementScienceandMethods测量MaterialsanalysisandtestingMetrologyProcessmonitoringandcontroltechnologiesModelingandsimulationQualitysystemsandmanagementPost-processingtechniques

ApplicationsandIndustries工业应用Aerospace航天Biomedical生物和医学Food食品Marineandoffshoreengineering海洋工程Architectureandconstruction建筑Sportsresearch运动研究Fashion时尚Model-making食品Tooling模具研究方向四、应用案例

用于新产品的设计与试制。产品设计中的实际装配确认产品的性能分析与实验快速制模及快速铸造医疗中的快速成形技术三维复制RP在产品开发上的重要性CAID应用:

工业设计师在短时间內得到精确的原型与业者作造形研讨机构设计应用:

進行干涉验证，及提早发现设计错误以减少后面模具修改工作CAE功效:

快速模具技术以功能性材料制作功能性模具，以进行产品功能性测试与研讨快速模具(RapidTooling)应用:

快速翻制暂用模具或永久模具，做少量生产或量产

RP在产品开发上的重要性

视觉效果(visualization)

设计人員能在短时间之內便能看到设计的雛型，可作为进一步研发的基石设计确认(verification):

可在短时间內即可完成原型的制作，使设计人员有充分的时间对于设计的产品做详细的检证复制于最佳化设计(iteration&optimization)

可一次制作多个元件，可使每个元件针对不同的设计要求同时进行测试的工作，以在最短时间內完成设计的最佳化直接生产(fabrication):

直接生产小型工具，或作为翻模工具快速原型的经济效益

以缩短产品加工时间

增加使构想具体化能力

降低原型生产周期

降低设计错误的发生及所花费成本

增加在设计过程中了解产品机械特性的

能力RP技术在产品设计和制造中的作用观感评价销售模型功能测试CAD数据检查装配校核可制造性检查（一）快速原型模型实例1轿车车灯模型实例2电话机外壳（二）模具制造注射模具硅橡胶模树脂型复合模冲压模具消失模陶瓷型精铸模

模具实例1手机外壳橡胶模