现代制造技术讲座

现代制造技术讲座

机电工程学院

韩伟主要内容一、特种加工制造新技术二、数控加工制造的新技术应用三、快速成型和3D打印技术四、纳米技术中国航空馆

一、特种加工1、特种加工产生的原因及发展科技产品发展的客观要求：制造技术向高精度、高速度、高温度、高压、大功率、精微细化方向发展；使用的材料越来越难加工、零件形状越来越复杂、表面精度及粗糙度要求越来越高特种加工的定义和种类：

特种加工是将电能、热能、光能、声能和磁能等物理能量及化学能量或其组合乃至与机械能组合直接施加到被加工的部位上，从而实现产品结构形状的加工方法；以及应用现代科技手段进行精微细化和复合化加工的方法统称。特种加工的种类：电火花加工电火花线切割加工激光和电子束加工电化学加工超声波加工快速成型技术2、特种加工的产品和对象：哈勃太空望远镜精密芯片精密制作（intel酷睿4770K型CPU,在22纳米级别进行加工制作）飞机发动机叶片制作。医疗微机电产品。珠宝加工制作。可见和不可见的武器制作。

助熔剂法生长晶体的装置3、特种加工实例：超声波加工超声波加工是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法超声波加工是磨料在超声波振动作用下的机械撞击和抛磨作用与超声波空化作用的综合结果，其中磨料的连续冲击是主要的。通过不同介质时，在界面上发生波速突变，产生波的反射和折射现象整機特點

1.采用独特的变化控制技术，可调节焊接过程的

电流和时间

2.晶体管高頻感应加热，比电子管高频机节电三

分之二

3.特別适合金属件于塑胶件的感应焊接

4.感应圈可自由折裝，更换方便切割加工和微细钻孔加工对于难以用普通加工方法切割的脆硬材料如陶瓷、石英、硅、宝石等用超声波加工具有切片薄、切口窄、精度高、生产率高、经济性好等优点。超声波焊接振动通过焊接工作件传给粘合面振动摩擦产生热能使塑胶熔化，振动会在熔融状态物质到达其介面时停止，短暂保持压力可以使熔化物在粘合面固化时产生强分子键，整个周期通常不到一秒钟完成，但其焊接强度却接近一块连着的材料超声发生器将交流电转变为超声电振荡换能器将电振荡转变为机械振动变幅杆将振幅放大至.05~0.1mm，驱动工具作超声振动工具推动磨料高速撞击、抛磨工件。击碎工件表面材料，并使之去除工作液产生的液压冲击波和空化作用加快了表面材料的裂纹扩展和破坏超声波加工是机械撞击、抛磨、空化作用的综合结果。高档珠宝加工卡地亚珠宝系列二、数控加工制造的新技术应用1、多轴加工技术的普及发展：五轴加工中心和车铣复合机床2、将多轴数控技术与特种加工相结合五轴激光数控切割机录像MachineoverviewVersionXKUKA.avi可用CAD/CAM软件编程的多轴机器人加工3、柔性制造技术（FMT——FlexibleManufacturingTechnology）的发展应用

柔性制造系统（FMS）是集数控技术、计算机技术、机器人技术、现代管理技术为一体的现代制造技术，是数控机床或设备自动化的延伸，FMS是一个计算机控制的生产系统；系统采用半独立的NC机床；这些机床通过物料输送系统联成一体。其中，数控机床提供灵活的加工工艺，物料输送系统将数控机床互相联系起来，计算机则不断对设备的动作进行监控、检测，同时提供控制指令并进行工程记录，还可通过仿真来预示系统各部件的行为。(1)柔性制造单元(FMC——FlexibleManufacturingCell）由单台计算机控制的数控机床或加工中心、环形托盘输送装置或工业机器人组成。(2)柔性制造系统（FMS）它由两台或两台以上的数控机床或加工中心或柔性制造单元所组成,配有工件自动上下料装置（如托盘交换装置、机器人）、自动输送装置、自动化仓库等,由计算机控制系统进行加工控制、计划调度安排及工况监测。

4、计算机技术和智能加工技术融合于数控加工中CAD/CAM/CAE集成的数字化设计制造技术：一体化解决方案解决产品开发中最难的问题工业造型设计机械结构设计动态数字样机工装卡具设计线缆布置级进模设计注塑模设计逆向工程钣金设计冲压模设计5、计算机集成制造系统CIMS(ComputerIntegratedMakingSystem，)的发展推广在产品生命周期中，各项作业都已有了其相应的计算机辅助系统，如计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造（CAM)计算机辅助工艺规划（CAPP)、计算机辅助测试(CAT)、计算机辅助质量控制(CAQ)等。这些单项技术原来都是生产作业上的“自动化孤岛”，CIMS则是将他们集成的工程技术系统。◆CIM是一种哲理、思想、方法；◆

CIMS是CIM哲理的具体体现；◆

CIMS是一个计算机控制的闭环反馈系统，其输入是产品的需求和概念，输出的是合格的产品。信息集成自动化孤岛CAD生产管理CAPP/CAM财务管理将“自动化孤岛”集成在一起CIMS的组成框图管理信息分系统MIS质量保证分系统CAQ工程设计分系统CAD/CAPP/CAM制造自动化分系统MAS数据库分系统DBS网络分系统NETS支撑分系统功能分系统市场信息技术信息售后服务信息实施CIMS的效益主要体现在信息集成的效益上；由于系统集成度提高，使各功能分系统间的配合和参数配置更加优化，各种生产要素的潜力得到更有效的利用，减少实际存在于企业生产中的各种资源浪费，同时使管理科学化，提高企业对市场的响应能力。具体表现在：1）提高产品质量2）提高设备利用率3）提高科学管理水平。实施CIMS后，明显提高企业新品开发能力，提高企业市场竞争能力。产品质量明显提高，交货期短而准确，价格合理，企业的信誉随之提高

CIMS的效益三、快速成型技术和3D打印技术3D打印技术，即快速成形技术的一种，快速成型按制造工艺原理分类：立体印刷成型层合实体制造选域激光烧结熔融沉积制模三维喷涂粘结焊接成型数码累计造型1、快速原型制造技术的概念原型 原型（Prototype)是指用来建造未来模型或系统基础的一个初始模型或系统。它能基本代表零部件性质和功能，但不具备或不完全具备零部件的功能。快速原型制造 原型制造（Prototyping)是设计、建造原型的过程。一般来说，物体成型的方式分为三类：去除成型、添加成型和静尺寸成型，原型制造也是如此。3D打印机，即快速成形技术RPT的一种机器，快速成型（RapidPrototyping--RP）技术它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。快速原型制造技术发展历史与现状1892年美国人JFblanther获得了用层合方法制作三维地图模型的专利，可以说是近代分层制造方法的开端。1979年，日本东京大学生产技术研究所中川威雄教授发明叠层模型造型法。80年，小玉秀兰提出了光造型法，并于81年首次发表了快速原型制造技术的论文。1986年，美国人S.Crump提出了熔融沉积造型设想。90年代，快速原型制造技术服务中心年平均增长40%以上。在多家快速原型制造设备公司中，3DSystem公司生产的快速原型制造系统在国际上占有60%的份额。3D打印机主要有两种，一种是堆叠法，另一种是烧结。原理基本都是多层分片打印，而堆叠和烧结只是成型技术的区别。堆叠只能成型塑料、硅之类的材质，对固化反应速度有要求，而烧结可以利用激光的高温对金属粉末进行处理加工出金属材质的东西出来，现有的3D打印技术能够实现每层厚度只有0.01毫米，材料越细，每一层就更薄，做出来的东西精度就越高。激光分层实体制造技术

（LOM，LaminatedObjectManufacturing）

1、SLA工艺

（StereoLithographyApparatus）

光固化立体印刷成型工艺

立体印刷成型是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成型方法。 它以光敏树脂（如丙烯基树脂）为原料采用计算机控制下的紫外激光以预定原型各分层截面的轮廓为轨迹逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应后固化，从而形成的一个薄层截面。当一层固化后，向上（下）移动工作台，在刚固化的树脂表面布放一层新的液态树脂，再进行新一层扫描、固化。如此重复至整个原型制造完毕。光固化成型（SLA）是第一种快速成型工艺，由美国3D公司于1986年开发出来。纵向移动的工作台放置在光敏树脂液槽中。工件由工作台支撑，工作台每下降一个层高，就构造一层。激光束扫描每一层的形状并将树脂固化。

立体印刷成型的工艺过程模型设计对模型分层处理工作台置位激头照射光敏树脂后续处理重复三维CAD系统中造型STL格式←CAD模型系统控制系统操纵SLA设备2、SLS工艺选择性激光烧结

(SelectedLaserSintering)SLS工艺

SLS的原理是利用二氧化碳激光器扫描成型室内粉状材料，在瞬间高温状态结成固体，沿轨迹扫描一个层面，工作台下降一个层高的厚度，水平辊从相反方向移回铺粉。如此往复直到整个零件烧结完毕。

选择性激光烧结也被称为层合实体制造

层合实体制造又称分层实体造型、分层物体制造等。它采用激光器按照CAD分层模型所获得的数据，用激光束将单面涂有热溶胶的薄膜材料或其他材料的箔带切割成欲制原型在该层平面的内外轮廓，再通过加热辊加热，使刚刚切好的一层与下面已切割层粘接在一起。通过逐层切割、粘合，最后将不需要的材料剥离，得到欲求的原型。 层合实体制造工艺与立体印刷成型工艺的主要区别在于将立体印刷成型中的光致树脂固化的扫描运动变为激光切割薄膜运动，它使用低能二氧化碳激光器，成型的制件无内应力、无变形，因而精度较高。层合实体制造的工艺过程模型设计对模型切片处理工作台置位激光头切纸后续处理重复三维CAD系统中造型使用切片软件系统控制系统控制、提供数据3、选域激光烧结

选域激光烧结，借助精确引导的激光束使材料粉末烧结成熔融合凝固成三维原型或制件。即成型机按照计算机输出的原型分层轮廓，采用激光束在指定路径上选择性地扫描并熔融工作台上很薄（100～200μm）且均匀铺层的材料粉末，由分层图形所选择的扫描区域内的粉末被激光束熔融，连结在一起，而未在该区域内的粉末仍然是松散的。当一层扫描完毕，向上（或下）移动工作台，控制完成新一层烧结。全部烧结后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理便获得原型或零件。选域激光烧结的工艺过程模型设计对模型切片处理工作台置位激光烧结粉末后续处理重复三维CAD系统中造型使用切片软件系统控制系统控制、提供数据激光粉末烧结技术的基本原理

（lasersintering)4、现在的3DP技术实质是三维喷涂粘接

使用粉末材料和粘接剂，按原型或零件分层截面轮廓，喷头在每一层铺好的材料粉末层上有选择的喷吐粘接剂，喷过粘接剂的路径材料被粘接在一起，其他地方仍为松散粉末。层层粘接后就得到一个三维空间实体又称三维打印、多层打印，陶瓷壳法。

可以直接打印出彩色模型-主要用于概念和外型设计时，快速得到设计的雏型，以及非工业运用，如地理模型、医疗模型、建筑模型等成型时可以使用两种材料，内部可以使用栅格结构来节省材料，加快成型速度-水溶性支撑，去除方便-成型材料多样化，有ABS、PC、PPSF等-成型材料强度高，能直接用于装配验证和功能测试-工业产品中运用广泛，主要用于产品的外壳和结构类。3D打印制造离我们生活还有多远工业用的3D打印系统价格从1.5万美元左右起，最贵的要100多万美元。一方面是应用于工业的高端型号投入较大，材料应用范围有限，产品的材质可靠性等，行业投资人比较慎重，处于观望状态。另一方面，应用普及也就是从最近才开始，用户缺乏对3D打印有一个深入的认识，由于有些新闻在描述上运用了夸张的手法，大胆的预测，所以给人的感觉是电影中的情节。要成为主流的生产制造技术还需要CAD设计软件和测量扫描设备技术的配合。四、纳米材料与纳米级制造技术纳米科学与技术，有时简称为纳米技术，是研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。我们所熟知的长度单位有：m，cm，mm，um，nm，。纳米又称毫微米，1nm=10-9m即10亿分之一米。看似小草的微型探测器，其内装有敏感的超微电子侦察仪器、照相机和感应器，可侦测出百米以外的坦克、车辆等出动时产生的震动和声音。1、纳米材料的特性：纳米材料：当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。纳米级的碳复合材料对光的反射度极低，但对电磁波的吸收性能极强，是隐形技术的突破。。激光二极管，实现光电集成

莫斯科大学的研究人员为了弄清纳米管的受压强度，将少量纳米管置于29Kpa的水压下（相当于水下18000千米深的压力）做实验。不料未加到预定压力的1/3，纳米管就被压扁了。他们马上卸去压力，它却像弹簧一样立即恢复了原来形状。科学家得到启发，发明了用碳纳米管制成像纸一样薄的弹簧，用作汽车或火车的减震装置，可大大减轻车辆的重量。

用碳纳米管制成像纸一样

薄的弹簧2、纳米技术应用（1）材料改性应用。比如通过纳米材料的研究，我们在化纤制品中加入纳米微粒，可以除味、杀菌。通过纳米技术的运用，使建筑物外墙涂料的耐洗刷性由原来