机械制造快速原型（RPM）技术.ppt

1、2020/7/23,快速原型（RPM）技术 Rapid Prototyping Technology,山东理工大学 精密模具省重点实验室 袁光明,2020/7/23,RPM用途 制造出零件，主要是单件或极少批量的零件。 （直接成型法） 直接制造出用于制作样件或零件的模具（如样件或零件材质为：石蜡、铸铁或铸钢等铸件）（间接成型法）,2020/7/23,快速原型技术的基本原理 快速原型技术是用离散分层的原理制作产品原型的总称， 其原理为：产品三维CAD模型分层离散按离散后的平面几何信息逐层加工堆积原材料生成实体模型。 分层原理动画演示 该技术集计算机技术、激光加工技术、新型材料技术于一体，依靠CA

2、D软件，在计算机中建立三维实体模型，并将其切分成一系列平面几何信息，以此控制激光束(或工作头)的扫描方向和速度，采用粘结、熔结、聚合或化学反应等手段逐层有选择地加工原材料，从而快速堆积制作出产品实体模型。,2020/7/23,快速原型技术的加工特点 快速原型技术突破了“毛坯切削加工成品”的传统的零件加工模式，开创了不用刀具制作零件的先河，是一种前所未有的薄层迭加的加工方法。与传统的切削加工方法相比，快速原型加工具有以下优点：（1）可迅速制造出自由曲面和更为复杂形态的零件，如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，大大降低了新产品的开发成本和开发周期。（2）不需要机床切削加工所必需的刀具和夹具，无刀具磨

3、损和切削力影响。 （3）无振动、噪声和切削废料。（4）可实现夜间完全自动化生产。（5）加工效率高，能快速制作出产品实体模型及模具。,2020/7/23,快速原型技术的发展 快速原型技术概念即RP(Rapid Prototyping Technology)概念的提出可追朔到1979年，日本东京大学生产技术研究所的中川威雄教授发明了叠层模型造型法，1980年小玉秀男又提出了光造型法，该设想提出后，由丸谷洋二于1984年继续研究，并于1987年进行产品试制。 1988年，美国3D System公司率先推出快速原型实用装置立体光固化成型系统即SLA (Stereo Lightgraphy Appara

4、tus),并以年销售增长率为30%40%的增幅在世界市场出售。近年来，随着扫描振镜性能的提高，以及材料科学和计算机技术的发展，快速原型技术已日趋成熟，并于1994年正式进入推广普及阶段。,2020/7/23,快速原型技术的分类 1.立体光固化成型系统(SLA) 立体光固化成形（stereo lithography apparatus, SLA）是最早发展的快速成形技术。自从1988年3D SYSTEM INC公司最早推出SLA商品化快速成形机以来，SLA已成为最为成熟而广泛应用的RP典型技术之一。SLA快速成形技术是根据某些材料在特定波长的激光照射下具有可固化性的特点，采用紫外（UV）激光为光

5、源，计算机按分层信息精密控制扫描振镜组，精确定位、扫描，在光敏树脂液面聚合、固化形成一个固化层面，顺序逐层扫描固化，直至完成整个零件的成形。,2020/7/23,立体光固化成型系统(SLA)工作原理 其工作原理为：由激光器发出的紫外光，经光学系统汇集成一支细光束，该光束在计算机控制下，有选择的扫描光敏树脂液体，激光器扫描镜升降装置容器光敏树脂表面，利用光敏树脂遇紫外光凝固的机理，一层一层固化光敏,脂，每固化一层后，工作台下降一精确距离，并按新一层表面几何信息使激光扫描器对液面进行扫描，使新一层树脂固化并紧紧粘在前一层已固化的树脂上，如此反复，直至制作生成一零件实体模型。,2020/7/23,快

6、速成型工艺动画演示 立体光固化成型系统(SLA),2020/7/23,立体光固化成型系统(SLA)样件,2020/7/23,立体光固化成型系统(SLA)样件,2020/7/23,立体光固化成型系统(SLA)样件,2020/7/23,快速原型技术的分类 2.分层实体制造（LOM） 目前研究LOM工艺的有Helisys公司、华中科技大学、清华大学、Kira公司、Sparx公司和Kin ergy公司。Helisys公司1992年推出LOM-1015（台面380 mm250 mm350 mm）机型后，于1 996年又推出台面达815 mm550 mm508 mm的LOM-2030H机型，成形时间比原来

7、缩短了30% 。Helisys公司除原有的LPH、LPS和LPF三个系列纸材品种以外，还开发了塑料和复合材料品 种。日本Kira公司的PLT-A4机型采用了一种超硬质刀切割和选择性粘接的方法 。清华大学推出了SSM系列成形机及成形材料。华中科技大学推出的HRP系列成形机和成形材 料，具有较高的性能价格比，其中HRP-IIA成形机售价仅20万元人民币。,2020/7/23,分层实体制造（LOM）原理图,2020/7/23,快速成型工艺动画演示 分层实体制造（LOM）,2020/7/23,分层实体制造（LOM）的制造过程,2020/7/23,分层实体制造（LOM）的制造过程,2020/7/23,分

8、层实体制造（LOM）样件,因LOM模型无相变和可以抵抗收缩。故可以用于制造精密硅胶模具。,2020/7/23,分层实体制造（LOM）样件,2020/7/23,分层实体制造（LOM）样件,2020/7/23,快速原型技术的分类 3.选择性激光烧结（SLS）研究SLS的有DTM公司、EOS公司、北京隆源公司、南京航空航天大学和华中理工大学等。华 中理工大学开发出HRPS-I型成形机。在材料方面，DTM公司每年有数种新产品问世，其中DuraForm GF材料生产的制件，精度更高，表面更光滑。最近开发的弹性聚合物Somos201材料，具有橡胶特性，并可耐热和抗化学腐蚀，用该材料造出了汽车上的蛇型管、密

9、封垫和门封等 防渗漏的柔性零件；用RapidSteel 2.0不锈钢粉制造的模具，可生产100,000 件注塑件；RapidTool2.0这种材料的收缩率只有 0.2%，其制件可以达到较高 的精度和表面光洁度，几乎不需要后续抛光工序。DTM Polycarbonate铜-尼龙 混合粉末，主要用于制作小批量的注塑模。EOS公司发展了一种新的尼龙粉末材料PA3200GF ，类似于DTM的DuraForm GF，用这种材料制作的零件精度和表面光洁度都较好 。,2020/7/23,选择性激光烧结（SLS）原理 激光烧结主要由两个过程组成：1.信息过程离散 在计算机上建模的CAD三维立体造型零件，或通过

10、逆向工程得到的三维实体图形文件，将其转换成STL文件格式。再用一离散（切片）软件从STL文件离散出一系列给定厚度的有序片层，或者直接从CAD文件进行切片。这些离散的片层按次序累积起来仍是所设计的零件实体形状。然后，将上述的离散（切片）数据传递到成型机中去，成型机中的扫描器在计算机信息的控制下逐层进行扫描烧结。,2020/7/23,2.物理过程叠加 成型系统的主体结构是在一个封闭的成型室中安装两个缸体活塞机构，一个用于供粉，另一个用于成型。成型过程开始，供粉缸内活塞上移一给定量，铺粉滚筒将粉料均匀地铺在成型缸加工表面上，激光束在计算机的控制下以给定的速度和能量对第一层信息进行扫描。激光束扫过之处

11、粉末被烧结固化为给定厚度的片层，未烧结的粉末被用来作为支撑，这样零件的第一层便制作出来。这时，成型缸活塞下移一给定量，供料缸活塞上移，铺粉滚筒再次铺粉，激光束再按第二层信息进行扫描，所形成的第二片层同时也被烧结固化在第一层上，如此逐层叠加，一个三维实体零件就制作出来了。,2020/7/23,选择性激光烧结（SLS）原理图,2020/7/23,快速成型工艺动画演示 选择性激光烧结（SLS）,2020/7/23,选择性激光烧结（SLS）应用案例,功能验证,上图为某摩托车厂制作的250型双缸摩托车汽缸头。这是一款新设计的发动机，用户需要10件样品进行发动机的模拟实验。该零件具有复杂的内部结构，传统机

12、加工无法加工，只能采用铸造成型。整个过程需经过开模、制芯、组模、浇铸、喷砂和机加等工序，与实际生产过程相同。其中仅开模一项就需三个月时间。这对于小批量的样品制作无论在时间上还是成本上都是难以接受的。采用选择性激光烧结技术，以精铸熔模材料为成型材料,在AFS成型机上仅用5天即加工出该零件的10件铸造熔模,再经熔模铸造工艺，10天后得到了铸造毛坯。经过必要的机加工，30天即完成了此款发动机的试制。,2020/7/23,选择性激光烧结（SLS）应用案例,某航空产品生产厂家，要生产几十件某战斗机型的控制手柄，该手柄为铝合金中空多孔结构，且外型为多曲面不规则形状，若开模生产，其成本相当可观。利用快速成型

13、设备，迅速拿到样件，经测评合格后，用快速成型机进行小批量生产，即减少了投资，又赢得了时间。 实践证明：AFS激光快速成型技术已被证明是解决小批量复杂铸造制造的非常有效的手段。迄今为止，人们已通过激光快速成型成功地生产了包括叶轮、叶片、发动机转子、泵体、发动机缸体、缸盖等复杂铸件。,小批量 无模生产,2020/7/23,快速原型技术的分类 4.熔融沉积成型制造（FDM） 研究FDM的主要有Stratasys公司和MedModeler公司。Stratasys公司于1993年开发出第一台F DM-1650机型后，先后推出了FDM-2000、FDM-3000和FDM -8000机型。其中FDM-800

14、0的台面达457 mm457 mm610 mm。清华大学推出了MEM机型。引人注目的是1998年Stratasys公司推出的FDM-Quantum机型，最大造型体积为600 mm500 mm 600 mm。由于采用了挤出头磁浮定位(Magna Drive)系统，可在同一时间独立控制2个挤,2020/7/23,出头，因此其造型速度为过去的5倍。Stratasys公司1998年与MedModeler公司合作开发了专用于一些医院和医学研究单位的MedModeler机型，使用ABS材料，并于1999年推出可使用聚脂热塑性塑料的Genisys型改进机型- Genisys Xs，造型体积达 305 mm2

15、03 mm 203 mm。 熔丝线材方面，其材料主要是ABS、人造橡胶、铸蜡和聚脂热塑性塑料。1998年澳大利亚的Swinburn工业大学，研究了一种金属-塑料复合材料丝。1999年Stratasys公司 开发出水溶性支撑材料，有效地解决了复杂、小型孔洞中的支撑材料难去除或无法去除的难题。,2020/7/23,熔融沉积成型制造（FDM）工作原理,2020/7/23,快速成型工艺动画演示 熔融沉积成型制造（FDM）,2020/7/23,熔融沉积成型制造（FDM）样件,2020/7/23,喷墨式立体打印系统,2020/7/23,专家认为喷墨技术是快速成型技术的未来趋势 快速成型技术使设计、生产和制

16、造工程师可以评估实体模型。“没有什么可以替代将模型握在手中去核实设计，评定配合，测试功能性。”许多工程师这样说。工业上是利用这三种评定标准对模型进行评估的： 形状、配合和功能。形状是指模型看上去如何； 配合是指部件对其它零件的适合性如何； 功能是指模型在真实条件下测试运行如何。RP系统有两个层面：低端概念造型者和高端快速成型系统。低端概念造型者可使用户能够看到并感受到模型，由此来校验形状；高端快速成型系统特别是喷墨系统可以提供更高的质量和更多的性能:,2020/7/23,RP的喷墨技术优点：低成本，效率高 当今市场上有几种RP技术，但专家一直认为喷墨技术是未来的趋势。设计者和工程师们说这种技术

17、是生产他们所需的三维模型的最佳和最简单的方法。 喷墨技术极具竞争性的优势包括： 使用更容易；最小培训需求。 具有复杂几何形状的精密件、小零件或大零件，或是复杂外形的零件，比如零件嵌套在零件中。 平滑的线条和精致的细节：较好系统的解决方案可以达到X方向600 dpi，Y方向300 dpi，层厚20微米(0.0008”)。,2020/7/23, 经济的价格，使中小企业从使用模型减少产品开发时间中获利，不占空间。 能够避免使用昂贵的激光零件。 洁净的工艺过程：材料在密封的容器内，所以无需触摸化学制品。 RP喷墨处理方法每小时大约可以喷制模型0.5英寸。可以节省大量时间，使制造商能够更快、更低成本地将

18、产品推向市场。,2020/7/23,喷墨式立体打印系统工作原理,2020/7/23,基于喷墨技术的“PolyJet”过程 设计者可以使用任何CAD程序，转换为STL文件。这种格式以平面三角展示三维表面 - 像宝石刻面 - 包括顶坐标和每个角的外法线方向。STL文件不能精确地展示曲面，但是如果你增加三角形的数量，就能大致表现出来，然而文件将会更大，更错综复杂并使层面更厚，将会花费更长的时间进行预处理和构建。下一步，就是使用RP系统的预处理程序选择构建定向，它将影响准确度和速度。如果零件与记录头宽度相符，构建一个小零件所花费的时间等同于构建整个层。在这种情况下，构建时间取决于物体最高部分的Z方向高

19、度。为了缩短创建时间，操作工把最短的尺寸放在Z方向，来减少喷制层的数量。如果零件大于记录头的宽度，那么将喷2到3次，或更多次，增加了生成时间。,2020/7/23,一旦用户选定构建方向， RP系统程序将根据文件将CAD模型切成几层薄层。 在Objet的喷墨RP系统中，STL文件会被切成20 微米(0.0008)的超薄层。然后模型创建准备就绪: 喷墨技术利用光栅处理生成感光性树脂模型 - 这是重要的生产力优势，因为利用这种技术创建几个模型的时间等同于利用其他技术生成一个模型的时间。复合式喷墨机的中心“喷射”机构(利用1536个喷嘴) 像行式打印机（X轴）那样来回穿梭，在每层喷射完后都立即把感光性

20、树脂存储到构建盘上，紫外灯泡和喷射桥发出紫外光，“修复”每一层。这一步消除了成型后额外修复的需要，而这种修复通常是别的技术所需要的。不同于其它技术，Objet的材料在创建阶段是干燥的，一旦“构建”过程完成，用户便能够立刻处理和使用模型。,2020/7/23,内部印染盘极其精确地向下移动，喷头开始创建下一层。重复这个过程直到模型完成。喷墨系统也能存储第二种材料来支持包含复杂几何形状的模型，例如精致的外形，内部孔穴和薄壁部分。 Objet几何喷墨RP系统具有有效使用支撑材料的能力和使用的简易性，这是加利福尼亚洛杉矶Mattel儿童医院外科医生使用这种技术创建三维模型来策划头部相连的双胞胎Quiej

21、-Alvarez的分体手术的原因之一。手术过程很复杂，复杂性在于需要整理出和重新安排双胞胎的供血路线。因为血管是十字交叉的，所以用标准的二维X光进行跟踪是不可能的。手术用了大约22个小时完成，而类似的过程过去要花97个小时之久，节约的这部分时间当然要归功于Objet喷墨RP模型。,2020/7/23,喷墨RP技术的应用 RP系统的主要用于汽车，航空，生活消费品，医药，电子和商业设备行业。 喷墨系统应用广泛: adidas- Salomon将Objet喷墨系统，用作一台在德国和美国设计中心的“3D 传真机”，与坐落在亚洲的签约工厂确认运动鞋鞋底设计；Ford Motors利用相同的喷墨系统创建母

22、型来成型半成品零件，“不仅仅是将他们作为概念来想象.”Ford也利用喷墨创建标准尺寸发动机部件，汽车格栅，缩小比例的零件，复杂零件，发动机组以及公司中小型汽车的其它零件和柴油机。,2020/7/23,过去，只有较大的公司才能买得起 RP 系统。随着喷墨技术的发展这一点也改变了: 因为这些系统的精确性，经济性，使用容易、不占空间, 中小企业开始购买这些系统并发现他们可以从中获利。 AP Racing，是遍布全球的为运动及专用汽车生产刹车/离合器的制造商, 在生产之前，使用 Objet的喷墨RP系统进行设计确认，配合和功能测试等，并向分承包商展示部件，提前进行加工方面的委托事项。AP Racing

23、发现这个系统在设计过程中可以节省大量的时间和费用：它能设计定制的离合器：多数离合器在整个竞赛过程中不断变化，要求快速、可靠而且高度精确的系统来适应一种产品。 在生产之前，让模型喷印一夜，第二天就可准备好一个新的原型以便客户进行确认。,2020/7/23,RP系统喷墨技术的前景 RP 系统喷墨技术将会得以不断发展，因为其以合理的费用提供了高端质量, 使用更快速、更容易。 公司无需雇佣经过专门培训的技术人员来操作系统。系统可以满足较大公司的需要，也能满足中小工程公司和设计工作室的要求。特别是PolyJet 的过程证明它是符合所有这些需求的平台。,2020/7/23,喷墨式立体打印系统样件,2020/7/23,几种典型快速成型工艺的比较,2020/7/23,间接制模方法（一） 软模 硅橡胶模（50件以下）,2020/7/23,利用各种方法制造成型原始模型，并检查尺寸。,2020/7/23,彻底清洁原始模型,2020/7/23,利用清洁的胶纸将原始模型的边缘围起来，以便将来分模,2020/7/23,将胶纸的边缘涂色，以便将来分模,2020/7/23,利用ABS或其他薄板构建容器并加上浇道,2020/7/23,将模型悬空于构建的容器中并预设通气管道,2020/7/23,将除气后的MCP硅胶立即倒入建造的容器中,2020/7/23,经过真空消除气泡后送入加热炉处理,2020/