增材制造技术

《先进制造技术》电子教案授课章节3.1增材制造技术概述授课章节3.1增材制造技术概述教知识目标1、 掌握增材制造技术的概念、原理2、 了解增材制造技术的分类3、 了解增材制造技术的关键技术及发展学目能力目标能够用增材制造技术制造出所需的三维零件标1、培养学生的学习兴趣，养成良好的学习习惯，提升自学能力情感目标2、引导学生掌握正确的分析方法，养成解决生产实际问题的思维习惯教学重点增材制造技术的概念与原理教学难点增材制造技术的关键技术3、培养学生在分析、应用过程中的条理性、协调性和严谨性教学重点增材制造技术的概念与原理教学难点增材制造技术的关键技术【第一环节】课程导入限时5分钟1 1i1、1 1i1、i11i组织教学 i11i2、！11!回顾第2章 i1）快速原形制造技术概述!2）先快速成形工艺 ！1 1L I13）快速原形制造的应用 |1 L;3、11 1!导入3.1增材制造技术概述 !考勤询问，鼓士气每个问题限时1分钟，可提问3名学生，待其回答完成后纠正错误，并就回答情况作简要评价限时2分钟【第二环节】授课过程限时80分钟11、增材制造技术的概念、原理与分类实施教学目标过程设计【第二环节】授课过程限时80分钟11、增材制造技术的概念、原理与分类实施教学目标过程设计I 12、增材制造技术的关键技术i3、增材制造技术的应用与发展限时30分钟。为重、难点内容，引导学生积极思考、理解、记忆，熟记增材制造技术的概念和原理。限时30分钟。为重、难点内容，引导学生积极思考、引深。限时20分钟。引导学生积极思考、理解、记忆。组织学生分组讨论其他领域的应用。【第三环节】归纳总结限时5分钟i1i1、［:课后小结 :1）增材制造技术的概念、原理与分1 w 11类 1:2）增材制造技术的关键技术 ，| 3）增材制造技术的应用与发展 |限时4分钟。串讲本次授课重点难点内容；简要评价本次授课学生的表现|2、|11!作业布直 ，1）预习3.23D打印技术、3.3发:展与展望 :；2）增材制造技术的概念与原理 ：限时1分钟【第一环节】课程导入快速原形制造技术概述RPM技术就是20世纪后期起源于美国，并很快发展起来的一种先进制造技术，RPM技术是近20年来制造技术领域的一次重大突破。1892年，Blanther主张用分层方法制作三维地图模型。分层制造三维物体的思想雏形，可追溯到4000年前，中国出土的鲁漆器，用黏结剂把丝、麻黏结起来铺敷在底胎上，待漆干后挖去底胎成形。考古也发现古埃及人在公元前就已将木材切成板后重新铺叠翻成叠合材料，类似现代的胶合板。1979年东京大学的川威雄教授，利用分层技术制造了金属冲裁模、成形模和注塑模。20世纪70年代末到80年代初，美国3M公司的AlanJ.Hebert（1978年）、日本的小玉秀一（1980年）、美国的Charlesw.Hull（1982年）和日本的丸谷洋二（1983年），各自独立地首次提出7RP的概念，即利用连续层的选区固化制作实体的新思想。而美国的Charlesw.Hull则完成了第一个RP系统一一StereolithographyApparatus,并于1984年获得专利，这是RP发展的一个里程碑，随后许多快速成形的概念、技术及相应的成形机才得以相继出现。由于快速原形制造的计算机系统只有接受三维CAD模型后，才能进行切片处理。三维CAD模型的获取方式：在PC机或图形工作站上用三维软件pro/E、UG、CATIA等设计；或将已有产品的二维三视图转换成三维CAD模型，或用扫描机对已有的零件实样进行扫描。其具体处理过程为：1） 三维模型的近似处理2） 三维模型的切片处理快速成形工艺RP系统可分为两大类：基于激光或其他光源的成形技术如：立体光造型、叠层实体制造、选择性激光烧结、形状沉积制造（ShapeDepositionManufacturing，SDM）等；基于喷射的成形技术如:熔融沉积制造、三维印刷制造等。快速原形制造的应用快速成型技术除了应用于快速制造模具之外，还应用于军事、文物、考古、医学等领域。【第二环节】授课内容增材制造技术诞生于20世纪80年代后期的美国。一开始，增材制造技术的诞生源于模型快速制作的需求，所以经常被称为“快速成型”技术。历经三十年日新月异的技术发展，增材制造已从概念（沟通）模型快速成型发展到了覆盖产品设计、研发和制造的全部环节的一种先进制造技术，已远非当初的快速成型技术可比。3.1.1概述概念增材制造（即AdditiveManufacturing，简称AM）：一种与传统的材料“去除型”加工方法截然相反的，通过增加材料、基于三维CAD模型数据，通常采用逐层制造方式，直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。增材制造的概念有“广义”和“狭义”之说。“广义”增材制造则以材料累加为基本特征，以直接制造零件为目标的大范畴技术群。而“狭义”的增材制造是指不同的能量源与CAD/CAM技术结合、分层累加材料的技术体系。原理与分类基本原理：首先将三维CAD模型模拟切成一系列二维的薄片状平面层。然后利用相关设备分别制造各薄片层，与此同时将各薄片层逐层堆积，最终制造出所需的三维零件。如果按照加工材料的类型和方式分类，又可以分为金属成形、非金属成形、生物材料成形等，激光粉末烧结成型、定向能量沉积成型等。3.1.2关键技术增材制造技术的成熟度还远不能同传统的金属切削、铸造、锻造、焊接、粉末冶金等制造技术相比，还有涉及到从科学基础、工程化应用到产业化生产的质量，诸如激光成型专用合金体系、零件的组织与性能控制、应力变形控制、缺陷的检测与控制、先进装备的研发等大量研究工作。材料单元的控制技术即如何控制材料单元在堆积过程中的物理与化学变化是一个难点，例如：采用激光束或电子束在材料上逐点形成增材单元进行材料累加制造的金属直接成形中，激光熔化的微小熔池的尺寸和外界气氛控制，直接影响制造精度和制件性能。设备的再涂层技术由于再涂层的工艺方法直接决定了零件在累加方向的精度和质量，因此，增材制造的自动化涂层是材料累加的必要工序之一。目前，分层厚度向0.01mm发展，而如何控制更小的层厚及其稳定性是提高制件精度和降低表面粗糙度的关键。高效制造技术增材制造正在向大尺寸构件制造技术发展，需要高效、高质量的制造技术支撑。如金属激光直接制造飞机上的钛合金框粱结构件，框粱结构件长度可达6口，目前制作时间过长，如何实现多激光束同步制造、提高制造效率、保证同步增材组织之间的一致性和制造结合区域质量是发展的关键技术。此外，为提高效率，增材制造与传统切削制造结合，发展增材制造与材料去除制造的复合制造技术是提高制造效率的关键技术。为实现大尺寸零件的高效制造，发展增材制造多加工单元的集成技术。如：对于大尺寸金属零件，采用多激光束（4〜6个激光源）同步加工，提高制造效率，成形效率提高10倍。对于大尺寸零件，研究增材制造与切削制造结合的复合关键技术，发挥各工艺方法的其优势，提高制造效率。增材制造与传统切削制造也可以相结合，提高制造的效率，发展材料累加制造与材料去除制造复合制造技术方法也是发展的方向和关键技术。例如：赫克Hurco）公司已经开发出一种增材制造适配器，与赫克控制软件相结合，可以把一台数控铣床变成3D打印机。用户可以在同一台机器上完成打印、塑料原型到金属零部件成品的过程，无需反复设置调校，也不用浪费昂贵的金属和原材料制作多个原型，如下图所示。数控铣床结合3D打印复合制造技术现阶段增材制造主要是制造单一材料的零件，如单一高分子材料和单一金属材料，目前正在向单一陶瓷材料发展。随着零件性能要求的提高，复合材料或梯度材料零件成为迫切需要发展的产品。如:人工关节未来需要Ti合金和CoCrMo合金的复合，既要保证人工关节具有良好的耐磨界面（CoCrMo合金保证），又要与骨组织有良好的生物相容界面（Ti合金），这就需要制造的人工关节具有复合材料结构。由于增材制造具有微量单元的堆积过程，每个堆积单元可通过不断变化材料实现一个零件中不同材料的复合，实现控形和控性的制造。3.1.3应用与发展增材制造技术的应用典型：1）设计验证方面的应用；2）模具制造方面的应用；3）个性化医疗方面的应用。未来增材制造技术将向着三个方向发展：一是日常消费品制造方向；二是功能零件制造方向；三是组织与结构一体化制造方向。【第三环节】归纳总结增材制造技术的概念、原理与分类增材制造（即AdditiveManufacturing,简称AM）：一种与传统的材料“去除型”加工方法截然相反的，通过增加材料、基于三维CAD模型数据，通常采用逐层制造方式，直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。增材制造的概念有“广义”和“狭义”之说。“广义”增材制造则以材料累加为基本特征，以直接制造零件为目标的大范畴技术群。而“狭义''的增材制造是指不同的能量源与CAD/CAM技术结合、分层累加材料的技术体系。基本原理：首先将三维CAD模型模拟切成一系列二维的薄片状平面层。然后利用相关设备分别制造各薄片层，与此同时将各薄片层逐层堆积，最终制造出所需的三维零件。如果按照加工材料的类型和方式分类，又可以分为金属成形、非金属成形、生物材料成形等。按照技术种类划分，则有喷射成型、粘接剂喷射成型、光敏