第11讲快速原型制造技术课件

2023/9/61

遇不如意事，须恬静忍耐以处之，若有一毫怨尤之意，便生出许多躁扰，不唯累心，亦且累事。

——夏锡畴

2023/8/31遇不如意事，须恬静忍耐以处之，若有2023/9/62Lecture8RapidPrototypingManufacturing

快速原型制造技术2023/8/32Lecture82023/9/63ContentPoints/

内容要点FundamentalPrinciple

ofRPM

/（快速原型制造的基本原理）MajorManufacturingProcessofRPM

/（快速原型制造的主要工艺）Characteristic

andApplicationofRPM/（快速原型制造的特点及应用）2023/8/33ContentPoints/内容要点2023/9/64

快速原型制造技术（RPM）于20世纪80年代后期产生于美国，又称快速成形制造技术、自由成形制造、直接CAD制造等。

2023/8/34快速原型制造技术（RPM）于20世2023/9/65传统加工模具模具设计铸造焊接锻压毛坯（大于工件）半成品半成品工件去除加工设计模具样品快速成形快速成型传统加工与快速成型2023/8/35传统加工模具模具设计铸造焊接锻压毛坯半成品2023/9/66

基本构思：任何三维零件都可看作许多等厚度的二维平面轮廓沿某一坐标方向叠加而成。

1.快速原型制造技术的基本原理

2023/8/361.快速原型制造技术的基本原理2023/9/67三维模型的离散处理三维CAD模型转换为STL文件格式三维CAD模型构造层截面的制造与逐层堆积快速原型制造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。快速原型制造是把计算机辅助设计（CAD）的三维模型输入到快速原型设备上，进行快速原型制造，其基本原理为：2023/8/37三维模型的离散处理三维CAD模型转换为ST2023/9/68两种方法：★在三维CAD设计软件（如Pro/E、UG、SolidWorks、SolidEdge等）中获得描述该零件的CAD文件。★通过三维扫描仪实体扫描1.1三维模型的构造2023/8/38两种方法：1.1三维模型的构造2023/9/69三维扫描仪2023/8/39三维扫描仪2023/9/610

STL（STereoLithographyinterfacespecification）模型是对实体曲面近似处理,即所谓面型化处理,是用平面三角面片近似模型表面。优点是大大地简化了CAD模型的数据格式,从而便于后续的分层处理1.2三维CAD模型转换为STL文件格式2023/8/310STL（STereoLitho2023/9/611(a)ch=0.05

(b)ch=0.2

如Pro/E软件是通过选定弦高值(ch-chordheight)作为逼近的精度参数，如下图为一球体,给定的两种ch值所转化的情况。2023/8/311(a)ch=0.052023/9/6121.3三维模型的离散处理

通过专用的分层程序将三维实体模型沿高度方向的水平面“切割”成一定厚度的片层.

切片层的厚度直接影响零件的表面粗糙度和整个零件的型面精度,一般约在0.1-0.2mm2023/8/3121.3三维模型的离散处理通过专用2023/9/6131.4层截面的制造与逐层堆积

在计算机控制下，快速成型系统中的成型头在X-Y平面内自动按截面轮廓进行层制造，得到一层层截面。每层截面成型后，下一层材料被送至已成型的层面上，进行后一层的成型，并与前一层相粘接，从而一层层的截面累加叠合在一起，形成三维零件。2023/8/3131.4层截面的制造与逐层堆积在计2023/9/614快速成形过程三维CAD模型成形材料按截面轮廓进行分层加工转换为控制成型机工作的NC代码各层截面轮廓的几何信息z方向分层切片叠加实体2023/8/314快速成形过程三维CAD模型成形材料按截面2023/9/6152.RPM的主要成形工艺2023/8/3152.RPM的主要成形工艺2023/9/6162.1立体光照成形法(SL,Stereolithography)

成形材料：液态光敏树脂。 液态光敏树脂在一定波长和强度的紫外光(如λ=325nm)的照射下能迅速发生光聚合反应,分子量急剧增大,材料也就从液态转变成固态。

采用的是将液态光敏树脂固化到特定形状的原理2023/8/3162.1立体光照成形法(SL,Stereo2023/9/617

成型开始时，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。当一层扫描完成后，升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又布满液态树脂，然后再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕。SLA工作原理2023/8/317成型开始时，聚2023/9/618

优点精度较高，精度控制在±0.1mm；表面质量好；能制造形状特别复杂、特别精细的零件原材料的利用率接近100％；缺点成形设备价格昂贵；选择的材料种类有限，材料价格较贵；容易发生翘曲变形；需要设计支撑；

2023/8/318优点精度较高，精度控制在±0.1mm；缺2023/9/6192.2分层实体制造(LOM,LaminatedObjectManufacturing)

通过逐层激光剪切箔材制造零件的一种技术

成形材料：表面涂覆热熔胶的箔材（如纸、塑料薄膜等）

2023/8/3192.2分层实体制造(LOM,Lamina2023/9/620LOM工作原理

首先在基板上铺上一层箔材，计算机控制CO2激光器按分层信息切出零件截面轮廓，并将多余部分切碎去除；加工完一层后，工作台带动已成形的部分下降，再重新铺上一层箔材，用热压辊热压，使之与下面已成形的工件粘接，再切割出该层形状。如此反复直至所有截面切割完。2023/8/320LOM工作原理 首先在基板上铺上一层箔2023/9/621优点无须设计和构建支撑；成型效率高；成型件的内应力和翘曲变形小，精度高；制造成本低。缺点材料利用率低；后处理难度大，可以选择的材料种类有限2023/8/321优点无须设计和构建支撑；缺点材料利用率低2023/9/6222.3选择性激光烧结(SLS,SelectedLaserSintering)

SLS是采用CO2激光器对粉末逐层地进行扫描加热，使其达到烧结温度，最后烧结出由粉末制成的立体实型。

成形材料：粉末材料（蜡粉、塑料粉、金属粉、陶瓷粉）。

2023/8/3222.3选择性激光烧结(SLS,Sele2023/9/623SLS工作原理

将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；用计算机控制CO2激光器有选择地烧结出零件截面，并与下面已成形的部分连接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，再烧结下层截面。

2023/8/323SLS工作原理将材料粉末铺2023/9/624

优点材料的选择性广泛，无毒,可循环利用不需支撑缺点零件精度和表面粗糙度较差2023/8/324优点材料的选择性广泛，无毒,可循环利用缺2023/9/6252.4熔丝沉积制造(FDM,FusedDepositionModeling)

利用热塑性细丝在移动头中进行熔化，熔化后的材料在移动的过程中被挤压出来堆积零件。

2023/8/3252.4熔丝沉积制造2023/9/626

材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出；材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。

成形材料：蜡、ABS、尼龙等热塑性材料。以丝状供料。2023/8/326 材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件2023/9/6272023/8/3272023/9/628优点不需要激光，系统成本低，制造速度快缺点

成形材料适用范围不广，由于喷头孔径不可能很小，从而成形精度相对较差2023/8/328优点缺点成形材料适用范围不广，由于喷2023/9/6292.5典型RPM工艺方法比较

工艺方法成形精度成形速度制造成本设备费用常用材料市场占有率/%SLA较高较快较高较高热固性光敏树脂等78LOM较高快低较低纸、金属箔、塑料薄膜等7.3SLS较低较慢较低较高石蜡、塑料、金属、陶瓷等粉末6.0FDM较低较慢较低较低石蜡、塑料、低熔点金属等6.12023/8/3292.5典型RPM工艺方法比较工艺方法成2023/9/6303.RPM的特点及应用2023/8/3303.RPM的特点及应用2023/9/631

高度柔性，可以制造任意复杂形状的三维实体CAD模型直接驱动，设计制造高度一体化成形过程无需专用夹具或工具需人员干预或较少干预，是一种自动化的成形过程3.1RPM的特点

2023/8/331高度柔性，可以制造任意复杂形状的三维实2023/9/6323.2RPM的的应用

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（1）产品开发2023/8/3323.2RPM的的应用观感评价销售模型2023/9/633模型实例1轿车车灯2023/8/333模型实例1轿车车灯2023/9/634模型实例2电话机外壳2023/8/334模型实例2电话机外壳2023/9/635模型实例3皮鞋底2023/8/335模型实例3皮鞋底2023/9/636（2）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2023/8/336（2）注射模具硅橡胶模树脂型复合模冲压模2023/9/637模具实例1手机外壳橡胶模

2023/8/337模具实例1手机外壳橡胶模

2023/9/638模具实例2拐头树脂型复合模2023/8/338模具实例2拐头树脂型复合模2023/9/639模具实例3电子产品注射模2023/8/339模具实例3电子产品注射模2023/9/640（3）模型制造医学模型艺