第6章先进制造工艺技术.ppt

1、先进制造系统,第 1 章 先进制造系统总论 第 2 章 先进制造系统基本原理 第 3 章 先进制造模式 第 4 章 先进设计技术 第 5 章 先进制造装备及技术 第 6 章 先进制造工艺技术 第 7 章 绿色设计与制造 第 8 章 典型产品的制造系统 第 9 章 制造系统展望,第6章 先进制造过程技术,6.1 先进制造工艺技术的内涵 6.2 快速成形技术 6.3 高能束加工技术 6.4 超精密加工技术 6.5 微纳制造 6.6 生物制造,6.1 先进制造工艺技术的内涵,6.1.1 物体的成形方法 6.1.2 先进制造工艺技术的定义与内容,6.1.1 物体的成形方法,制造工艺技术(制造过程技术)

2、- 改变原材料的形状、尺寸、性能或相对位置，使之成为成品或半成品的方法和技术。其实质是与物料处理过程相关的各项技术。,6.1.1 物体的成形方法,6.1.1 物体的成形方法,制造工艺主要是研究物体成形方法。按构成物体的成形原理分，有下列四种方法： 受迫成形（Compelled Forming） 去除成形（Dislodge Forming） 添加成形（Adding Forming） 生成成形（Growth Forming）,6.1.2 先进制造工艺技术的定义与内容,1、先进制造工艺技术 是研究与物料处理过程和物料直接相关的各项技术，要求实现优质、高效、低耗、清洁和灵活。 2、先进制造工艺技术的特

3、点 优质 高效 低耗 清洁 灵活,6.1.2 先进制造工艺技术的定义与内容,3. 先进制造工艺技术的分类 基于成形方式的工艺分类 基于加工精度的 基于加工设备的 基于加工尺寸 基于加工材料 基于加工能量,6.2 快速成形制造（RPM）,6.2.1 快速成形制造的发展 6.2.2 RPM的原理与特点 6.2.3 几种常用的RPM工艺 6.2.4 RPM的发展趋势 6.2.5 RPM的应用,6.2.1 快速成形制造的发展,快速成形制造又称为快速原型制造。 20世纪80年代后期，快速成形制造（RPM）技术在美国首先产生并商品化。 RPM以离散堆积原理为基础和特征，即它首先将零件的电子模型软件离散化，

4、成为“层状”的离散面、离散线和离散点，而后采用多种手段，将这些离散的面、线段和点按层堆积形成零件的整体形状。 RPM工艺过程无需专用工具，工艺规划步骤简单，所以制造速度比传统方法简单得多。,6.2.2 RPM技术的原理与特点,RPM技术的原理 2. RPM技术的内涵 3. RPM技术的特点,1. RPM技术的原理,快速成形制造技术：是一种基于离散堆积成形思想的新型成形技术，是综合利用CAD技术、数控技术、激光加工技术和材料技术实现从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术。以微元迭加逐渐累积生成零件的方法。,6.2.2 RPM技术的原理与特点,RPM的成形流程图,图6-1 RPM的离散/堆积

5、成形流程,6.2.2 RPM技术的原理与特点,x,y,z,x,y,RPM技术的内涵主要表现在： 不使用一般意义上的模具或刀具，而是利用光、热、电等物理手段实现材料的转移与堆积； 原型是通过堆积不断增大，其力学性能不但取决于成型材料本身，而且与成形中所施加的能量大小及施加方式有密切关系； 在成形工艺控制方面，需要对多个坐标进行精确的动态控制。,2. RPM技术的内涵,6.2.2 RPM技术的原理与特点,实体自由成形制造（Solid Freeform Fabrication，SFF） 直接CAD制造（Direct CAD Manufacturing，DCM） 离散堆积制造（Dispersed Cu

6、mulate Manufacturing，DCM） 即时制造（Instant Manufacturing，IM） 分层制造（Layered Manufacturing，LM） 材料添加制造（Material Increase Manufacturing，MIM）,RPM技术的不同称谓,6.2.2 RPM技术的原理与特点,1）实体自由成形制造（SFF）,SFF 它表明RPM技术无需专用的模腔或夹具，零件的形状和结构也相应不受任何约束。RPM工艺是用逐层变化的截面来制造三维形体，在制造每一层片时都和前一层自动实现联接，不需要专用夹具或工具，使制造成本完全与批量无关，既增加了成形工艺的柔性，又节省了

7、制造工装和专用工具的成本。,6.2.2 RPM技术的原理与特点,DCM 反映了RPM是CAD模型直接驱动，计算机中的CAD模型通过接口软件直接驱动RPM设备，接口软件完成CAD数据向设备数控指令的转化和成形过程的工艺规划，成形设备则像打印机一样“打印”零件，完成三维输出。RPM由于采用了离散/堆积的加工工艺，CAD和CAM能够很顺利地结合在一起，可容易地实现设计制造一体化。,2）直接CAD制造（DCM）,6.2.2 RPM技术的原理与特点,3）离散堆积制造(DCM),离散堆积制造是现代成形学理论中在对成形技术发展进行总结的基础上提出的，表明了模型信息处理过程的离散性，强调了成形物理过程的材料堆

8、积性，体现了RPM技术的基本成形原理，具有较强的概括性和适应性。,6.2.2 RPM技术的原理与特点,4）即时制造（IM）,IM 它反映RPM技术的快速响应性。由于无需针对特定零件制定工艺操作规程，也无需准备专用夹具和工具，RPM技术制造一个零件的全过程远远短于传统工艺相应过程，使得RPM技术尤其适合于新产品的开发，显示了其适合现代科技和社会发展的快速反应的特征和时代要求。,6.2.2 RPM技术的原理与特点,LM 是将复杂的三维加工分解成一系列二维层片的加工，着重强调层作为制造单元的特点，每层可采取更低维单元进行累加或高维单元进行加工得到。,5）分层制造（ LM ）,6.2.2 RPM技术的

9、原理与特点,MIM 是将材料单元采用一定方式堆积、叠加成形，有别于车削等基于材料去除原理的传统加工工艺。,6）材料添加制造（MIM ）,6.2.2 RPM技术的原理与特点,3. RPM技术的特点,快速成形制造系统是与CAD集成的RPMS，属于CIMS的目标产品的范畴。具有以下特点： 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； 无需人员干预或较少干预，是一种自动化的成形过程； 成形全过程的快速性； 技术的高度集成性，带有鲜明的高新技术特征。,6.2.2 RPM技术的原理与特点,6.2.3 几种常用的RPM方法,1. 立体光刻

10、（SLA） 2. 分层实体制造（LOM） 3. 选择性激光烧结（SLS） 4. 熔融沉积成形（FDM）,1、立体光刻/立体印刷/光造型/光敏液相固（Stereo Lithography Apparatus，SLA）,基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。 这种液态材料在一定波长和强度的紫外光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。,6.2.3 几种常用的RPM方法,SLA法的工艺原理,6.2.3 几种常用的RPM方法,SLA设备和原型件示例,6.2.3 几种常用的RPM方法,2. 分层实体制造/叠层实体制造/层合实体制造（Laminated Object Manu

11、facturing，LOM）,在薄片材料涂覆上一层热熔胶。加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成形的工件粘结； 用CO2激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框； 激光切割完成后，工作台带动已成形的工件下降，与带状片材分离； 供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域； 工作台上升到加工平面； 热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚； 再在新层上切割截面轮廓。 如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完，得到分层制造的实体零件。,6.2.3 几种常用的RPM方法,LOM法的工艺原理,6.2.3 几种常用的RPM方法,3. 选择性激光烧结/选区激光烧结（Sele

12、ctive Laser Sintering，SLS）,利用粉末状材料成形的。 将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平； 用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面 材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，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，选择地烧结下层截面。,6.2.3 几种常用的RPM方法,SLS法的工艺原理,6.2.3 几种常用的RPM方法,SLS 设备和原型件示例,6.2.3 几种常用的RPM方法,4. 熔融沉积成形/熔丝沉积（Fused Deposition Modeling，FDM）,所用材料一般是热塑性材料，如蜡、A

13、BS、尼龙等。 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。,6.2.3 几种常用的RPM方法,FDM法的工艺原理,6.2.3 几种常用的RPM方法,FDM 设备和原型件示例,6.2.3 几种常用的RPM方法,RPM典型工艺比较,6.2.4 RPM技术的发展趋势,RPM技术的发展趋势： 开发概念模型机或台式机 开发新的成型能源 开发性能优越的成型材料 研究新的成型方法与工艺 集成化,6.2.5 RPM技术的应用,RPM技术的应用: 快速模具制造 快速制造金属零件 在医学中用于器官模型制作 与反求工程相结合形成快速设计制造闭

14、环系统,1. 快速模具制造,快速模具（RT）制造主要用于制造铸造模具和塑料模具。,1）间接制模 用RPM技术制造零件原型，与传统的制模工艺相结合的制模方法。 2）直接制模 是利用RPM技术将模具直接制造成形，它不需制作原型样件，是一种与传统的制模工艺完全不同的方法。,硅橡胶模具,6.2.5 RPM技术的应用,2. 快速制造金属零件,RPM技术与铸造技术相结合是由RPM原型转化为金属零件的最佳途径。其方法有通过RPM原型翻制压型、直接复制铸模或烧失型铸造熔模，亦可设计模型直接得到型壳、型芯。采用RPM原型得到烧失型铸造熔模是一种较快的精铸方法。,6.2.5 RPM技术的应用,3. 在医学中用于器

15、官模型制作,该方法是将以数字成像技术为基础的CT（断层成像）、MRI（核磁共振）等诊断方法与RPM系统相结合，即把所获得的人体扫描的分层截面图像，经计算机三维重建后的数据提供给RPM系统，得到人体局部或内脏器官。这样就可以显示该部位病变情况和实体结构，可用于临床辅助诊断和复杂手术方案的确定，或供教学使用。此外亦可利用RPM原型制作假肢。,6.2.5 RPM技术的应用,4. 与反求工程相结合形成快速设计制造闭环系统,在RPM技术中的反求，就是要在现有实物的基础上求出三维的CAD模型。某些产品零件的形状十分复杂，很难在CAD软件上设计出它们的实体模型，因此先制造出小比例的实物模型，再通过对模型测量

16、和数据处理，获得三维实体模型。通过反求工程还可以快速、准确地测量RPM原型，找出产品设计中的不足，重新设计，经过多次反复的迭代使产品更加完善。,6.2.5 RPM技术的应用,RPM技术的应用实例,车辆零件开发与试制,消费类产品开发与试制,玩具产品开发与试制,电子产品开发与试制,医疗产品研发和术前手术方案制定,文物和工艺品的复原与设计,6.2.5 RPM技术的应用,6.2 END,6.3 高能束加工技术,6.3.1 激光加工技术 6.3.2 电子束加工技术 6.3.3 离子束加工 6.3.4 高压水射流加工技术,激光是一种经受激辐射产生的加强光。通过光学系统可将激光束聚焦成直径为几十微米到几微米

17、的极小光斑，从而获得极高的能量密度。当激光照射到工件表面，光斑区域的温度可达10000以上，使材料熔化甚至汽化，随着激光能量的不断吸收，材料凹坑内的金属蒸气迅速膨胀，压力突然增大，并产生很强的冲击波，使被熔化的物质爆炸式地喷溅来实现材料的去除。,6.3.1 激光加工技术,几乎对所有材料都可加工。 加工效率高，可实现高速切割和打孔，也易于实现加工自动化和柔性加工。 加工作用时间短，除加工部位外、几乎不受热影响和不产生热变形。 非接触加工，工件无弹性变形，能加工易变形薄板和橡胶等工件。 易实现空间控制和时间控制，能进行微细的精密图形加工。 不存在工具磨损和更换问题。 在大气中无能量损失，故加工系统

18、的外围设备简单。 可通过空气、惰性气体或光学透明介质，故可对隔离室或真空室内工件进行加工。 加工时不产生振动和机械噪声。,激光加工具有以下特点,6.3.1 激光加工技术,主要用于改善金属制品的表面性能，它可以显著提高金属零件表面的硬度、强度、耐磨性、耐蚀性和高温性能等，从面大大提高产品的质量，延长产品的使用寿命，降低成本。 激光淬火 激光合金化 激光涂敷 激光非晶化和微晶化 激光冲击硬化,1) 激光表面改性,6.3.1 激光加工技术,激光焊接可以将直径只有0.1mm的细金属丝焊接在一起；把引线精确地连到比针尖还小的电子元件上；将米粒大的半导体芯片连接起来。随着激光功率的提高，激光焊接在飞机、汽

19、车、轮船制造业这类真正大型企业中也开始发挥作用。 例:福特公司用激光焊接汽车底盘，焊接速度可以达到2lcm/s，将4块大钢板焊接完成整块底盘只需要1min，而且焊接质量明显优于传统点焊技术。,2) 激光焊接,6.3.1 激光加工技术,3) 激光切割,6.3.1 激光加工技术,激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，在超过一定的功率密度的前提下，光束能量以及活性气体辅助切割过程附加的化学反应热能全部被材料吸收，由此引起照射处的材料温度急剧上升，到达沸点后，材料开始汽化，并形成孔洞。随着光束与材料的相对移动，最终使材料形成切缝，切缝处熔渣被具有一定压力的辅助气体吹掉。,图6-6 激光切割原

20、理 1辅助气体 2激光束 3工件 4熔渣,激光打孔的装置与激光焊接大致相似，打孔与焊接相比，要求聚焦后的激光束的功率密度更高，能把材料加热到气化温度，利用气化蒸发将材料去除。,4) 激光打孔,6.3.1 激光加工技术,激光打孔的优缺点:,优点： 它几乎可以在任何材料上打孔，软的如婴儿奶瓶盖上的胶嘴，硬的如天然钻石； 采用激光打孔可以比普通工艺节省许多工序； 激光打孔能加工极微细和特别深的孔，深度与孔径的比值可高达50以上； 利用不同形状的光斑还可以打出特殊形状的孔来。 激光打孔由于其打微细孔的优越性能，在印刷线路板的制作中也得到了广泛的应用。 缺点:是被加工孔的精度和光洁度不够理想。,6.3.

21、1 激光加工技术,打标是在产品的表面或外包装上打上各种标识性文字、图案及数字等。激光可以在各种质地、各种形状的产品上打上标记，特别是在微小物件上打标。许多集成电路芯片上都印有公司商标和有关数据，芯片的标记区域一般都只有几毫米到十几个毫米的大小，以往用油墨打标系统，存在着标志质量不高或不能永久保持等问题，改用激光打标后，标记清楚且不易脱落。,5) 激光打标,6.3.1 激光加工技术,半导体泵浦激光打标机,该机型采用阵列晶体作为发光源,6.3.1 激光加工技术,激光打标机,6.3.1 激光加工技术,6) 激光雕刻,雕刻是一门古老的艺术，传统工艺都是从外部刻起；激光却可以在不损伤工件外表面的情况下深

22、人其内部进行操作。1996年8月在美国丹佛举行的国际工程光学学会年会上，俄罗斯学者展示了一件高科技工艺品。它是一块比普通砖稍厚的玻璃砖，里面雕刻着克里姆林官内几座教堂式建筑，而砖表面则完整无缺，显示了激光雕刻的神气魅力。,6.3.1 激光加工技术,圆柱面雕刻机,6.3.1 激光加工技术,激光加工实例,6.3.1 激光加工技术,激光加工实例,6.3.1 激光加工技术,6.3.2 电子束加工技术,利用阴极发射电子，经加速、聚焦成电子束，直接射到放置于真空室中的工件上，按规定要求进行加工。,电子束加工的两类方法： 电子束高能量密度加工(热效应） 利用电子束热效应进行电子束加工，有热处理、区域精炼、熔

23、化、蒸发、穿孔、切槽、焊接等。 电子束低能量密度加工（化学效应） 几乎不会引起表面温升，入射的电子与高分子材料的分子碰撞时，会使它的分子链切断或重新聚合，从而使高分子材料的化学性质和分子量产生变化 应用：电子束焊接、打孔、表面改性、固化,6.3.2 电子束加工技术,在真空条件下把氩、氪、氙等惰性气体通过离子源产生离子束，经过加速、集速和聚焦后，投射到工件表面的加工部位，以达到加工处理的目的。 离子带正电荷，其质量比电子的质量大千万倍，故离子束加速轰击工件表面，将比电子束具有更大的能量。,6.3.3 离子束加工,图6-9 离子束加工设备原理 1阴极 2阳极 3电离室 4灯丝 5真空抽气口 6氩气

24、入口 7电磁线圈 8离子束流 9工件 10阴极,1) 离子束刻蚀/离子铣削,6.3.3 离子束加工,用能量为0.15keV的氩离子轰击工件，将其表面的原子逐个剥离(溅射效应)，这种工艺实质上是一种原于尺度的“切剥”加工。,采用能量为0.15keV的氩离子，不过并非用其轰击工件，而是轰击某种材料制成的靶，离子将靶材原子击出，使其沉积在靶材附近的工件上，使工件表面镀上一层薄膜。,2）离子束溅射沉积镀膜技术,6.3.3 离子束加工,在真空室中将离子源产生的离子引出，并在电场中加速，形成几十至几万电子伏能量的离子束，利用沉积原子和轰击离子之间一系列的物理化学作用，在常温下合成各种优质的薄膜。,3）离子

25、束辅助镀膜,6.3.3 离子束加工,将所添加的粒子在高真空中离子化，然后将其加速到几万至几兆电子伏特，直接轰击被加工材料，高能离子钻进被加工材料的表层，改变了工件表面层的化学成分，从而改变了工件表面层的机械性能。,4）离子注入技术,6.3.3 离子束加工,高压水射流加工是一种用水作为携带能量的载体，用高速水射流对各类材料进行切割、穿孔和表层板料去除的加工方法，其水喷射的流速要达到音速的23倍。,6.3.4 高压水射流加工技术,数控高压水力切割机,6.3.4 高压水射流加工技术,系统配备6轴机器人及可供部件重复定位的工作台，可完成特殊3维切割及修边。,6.3.4 高压水射流加工技术,机器人水刀切

26、割系统,6.3 END,第6章复习思考题 (6.16.3),1 物体成形方法有哪几种？并举例说明。 2 何谓先进制造工艺技术？其主要内容是什么？ 3 简述RPM的基本过程。 4 RPM与传统成形方式的区别主要表现在哪些方面？ 5 RPM的特点是什么？ 6 RPM的发展趋势是什么？ 7 简述SLA法的工艺原理及特点。 8 简述LOM法的工艺原理及特点。,第6章复习思考题 (6.16.3),9. 简述SLS法的工艺原理及特点。 10. 简述FDM法的工艺原理及特点。 11. RPM技术在模具制造方面的应用中 有哪些常用的工艺方法？ 12. 简述激光加工技术的原理和应用。 13. 简述电子束加工技术

27、的原理和应用。 14. 简述离子束加工技术的原理和应用。 15. 简述水射流加工技术的原理和应用。,6.4 超精密加工技术,6.4.1 超精密加工技术的发展 6.4.2 超精密加工技术的原理及特点,通常按加工精度划分，可将机械加工分为 一般加工 精密加工 超精密加工 由于生产技术的不断发展，划分的界限是变化的，过去的精密加工对今天来说已经是普通加工，因此，其划分的界限是相对的，其具体数值是变化的。,6.4.1 超精密加工技术的发展,1. 超精密加工的范畴,6.4.1 超精密加工技术的发展,要更精确地定义加工精度，除加工误差本身外，还必 须说明测定该误差的几何长度或形貌频率。,1. 超精密加工的

28、范畴,6.4.1 超精密加工技术的发展,6.4.1 超精密加工技术的发展,Langenbeck提出的定性分析微细加工时的曲线 图6-13 加工误差与几何长度的关系,超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家有美国、英国和日本。,美国主要研究以发展国防尖端技术为主要目标。 日本的研究以民品应用为主要对象。 我国的超精密加工技术在70年代末期有了长足进步，80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。Ra=0.0078m。在超精密加工的效率、精度可靠性，特别是规格和技术配套性方面与国外比还有相当大的差距。,2、超精密加工技术的国内外发展现状,6.4.1 超精密加工技术的发展,高精度，原子级精度的

29、加工。 大型化，满足航天航空、电子通信等领域的需要。 微型化，以适应微型机械、集成电路的发展。,3、超精密加工技术的发展趋势,6.4.1 超精密加工技术的发展,超精结构、多功能模块化、光机电一体化、加工检测一体化方向发展。 不断出现新工艺和复合加工技术，被加工的材料范围扩大。 在作业环境建造方面的诸如高性能的基础隔振技术、净化技术与环境温控技术将有更大发展。,3、超精密加工技术的发展趋势,6.4.1 超精密加工技术的发展,主要指金刚石刀具超精密车削,主要用于加工： 软金属材料：铜、铝及其合金，以及等 非金属材料：光学玻璃、大理石和碳素纤维板,1、超精密切削加工,6.4.2 超精密加工技术的原理

30、及特点,主要生产厂家: 美国的莫尔精密机床公司 普奈莫精密公司 90年代后，日本东芝机械,莫尔特种金刚石车床,莫尔立式金刚石回轮车床,利用细粒度的磨粒和微粉主要对黑色金属、硬脆材料等进行加工，是一种解决各种高尺寸精度、高表面质量、高形状精度的加工方法，并能显著地提高零件的加工效率。 固结磨料加工 游离磨料加工:加工时，磨粒或微粉成游离状态，如研磨时的研磨剂、抛光时的抛光液，其中的磨粒或微粉在加工时不是固结在一起的。,2、超精密磨削和磨料加工,6.4.2 超精密加工技术的原理及特点,（1）磨削技术,超精密磨削即是加工精度在0.1m以下、表面粗糙度Rm在0.025m以下的磨削方法。,6.4.2 超

31、精密加工技术的原理及特点,带磨削 电解在线修整 双端面精密磨 电泳磨削,1）带磨削技术,随着砂带制作质量的迅速提高，砂带上砂粒的等高性和微刃性较好，并采用带有一定弹性的接触轮材料，使砂带磨削具有磨削、研磨和抛光的多重作用，从而可以达到高精度和低表面粗糙度值。,6.4.2 超精密加工技术的原理及特点,2）电解在线修整（ELID）磨削技术,6.4.2 超精密加工技术的原理及特点,图6-16 ELID磨削原理 1电刷 2铁纤维结合剂的金刚石砂轮 3冷却液 4电源 5工件,阳极,电解液,砂轮和工具电极之间浇注电解液并加以直流脉冲电流，使作为阳极的砂轮金属结合剂产生阳极溶解效应而被逐渐去除，使不受电解影

32、响的磨料颗粒凸出砂轮表面，从而实现对砂轮的修整，并在加工过程中始终保持砂轮的锋锐性。,3）双端面精密磨削技术,双端面精磨的磨削运动和作行星运动的双面研磨一样，工件既作公转又作自转，磨具的磨料粒度也很细，在磨削过程中，微滑擦、微耕犁、微切削和材料微疲劳断裂同时起作用，磨痕交叉而且均匀，该磨削方式属控制力磨削过程，有和精密研磨相同的加工精度，相比研磨高得多的去除率，另外可获得很高的平面度和两平面的平行度，该技术目前取代金刚石车削成为磁盘基片等零件的主要超精加工方法。,6.4.2 超精密加工技术的原理及特点,4）电泳磨削技术,6.4.2 超精密加工技术的原理及特点,4）电泳磨削技术,6.4.2 超精

33、密加工技术的原理及特点,图6-17 电泳磨削原理,新的超精密及纳米级磨削技术 利用超细密粒的电泳特性，磨粒在电场力作用下向磨具表面运动，并在磨具表面沉积形成一起细磨粒吸附层，利用磨粒吸附层对工件进行磨削加工，同时新的磨粒又不断补充(如图6-8)。由于磨粒层表面凹陷处局部电流大，新磨粒更容易在凹陷处沉积，从而使磨粒层表面趋于均匀，保持良好的等高性，磨具每旋转一周，磨粒层表面都有大量新磨粒补充，使微刃始终保持锋利尖锐。,1）研磨是在被加工表面和研具之间置以游离磨料和润滑液，使被加工表面和研具产生相对运动并加压，磨料产生切削、挤压作用，从而去除表面凸处，使被加工表面的精度得以提高(可达0.025m)

34、，表面粗糙度参数值得以降低(达Ra 0.01m)。 主要的方法有： 磁流体精研技术 磁力研磨技术 电解研磨 机械化学研磨 超声研磨等复合研磨方法等。 应用：超精密研磨常作为精密块规、球面空气轴承、半导体硅片、石英晶体、高级平晶和光学镜头等零件的最后加工工序。,（2）超精密研磨与抛光技术（游离磨料加工）,6.4.2 超精密加工技术的原理及特点,典型的软质磨粒机械抛光是弹性发射加工，加工原理其实质是磨粒原子的扩散作用和加了速的微小粒子弹性射击的机械作用的综合结果。其最小切除量可以达原子级，即可小于0.001m，直至切去一层原子，而且被加工表面的晶格不致变形，能够获得极小表面粗糙度和材质极纯的表面。

35、,2）软质磨粒机械抛光,6.4.2 超精密加工技术的原理及特点,磁流体是由强磁性微粉(1015nm大小的Fe3O4)、表面活化剂和运载液体所构成的悬浮液，将非磁性材料的磨粒混入磁流体中，置于有磁场梯度的环境内，则非磁性磨粒在磁流体将受磁浮力作用向低磁力方向移动，与工件置产生相对运动，磨粒将对工件的表面产生抛光加工。,3）磁流体抛光,6.4.2 超精密加工技术的原理及特点,6.5 微纳制造,6.5.1 微纳制造的发展 6.5.2 微系统的关键技术 6.5.3 纳米加工技术 6.5.4 微纳制造例子,微纳制造技术是关于微系统和纳米技术的统称。 1）微系统 是指集成了微电子和微机械（或光学、化学、生

36、物等方面微元件）的系统。它以微米尺度理论为基础，用批量化的微电子技术和三维加工技术来完成信息获取、处理及执行等功能。微系统按特征尺寸范围可分为三类：1mm 10mm的微小机械，1m1mm的微机械，1n10m的纳米机械。 2）纳米技术 是指纳米级0.1nm100nm的材料、设计、加工、测量、控制和产品的技术。,6.5.1 微纳制造的发展,1. 微纳制造的概念,对工农业、信息、环境、生物医疗、空间、国防等领域的发展将产生重大影响。 传感器和调配药剂量的“药剂师”集于一身，制成微型“智能药丸”，通过口服或皮下注射进入人体，用以探测和清除人体内的癌细胞。 微系统可用于视网膜手术、修补血管等。 在工业领

37、域，在管路检修和飞机内部检修等狭窄空间和恶劣环境下进行诊断和修复工作。 在航空航天领域自适应性蒙皮，用以改善气流特性； 在汽车轮胎内嵌入微型压力传感器用以保持适当充气，避免无气过量或不足，仅此一项就可节油10，仅美国国防部系统就能节省几十亿美元的汽油费。,6.5.1 微纳制造的发展,2.纳制造技术的应用,6.5.2 微系统的关键技术,微系统是一个新兴的、多学科交叉的高科技领域，其涉及许多关键技术。当一个系统的特征尺寸达到微米级和纳米级时，将会产生许多新的科学问题。 微系统研究领域的前沿关键技术有： 微系统设计技术 微细加工技术 微系统组装和封装技术 微系统的表征和测试技术,6.5.3 纳米加工

38、技术,纳米加工技术主要有5个方面： 采用微化的定形整体刀具或非定形磨料工具进行机械加工：如车削、钻削、铣削和磨削。 采用电加工或在其基础上的复合加工，如微细电火花加工、线放电磨削加工、线电化磨削、电化加工等。 采用光、声等能量加工法，如微细激光束加工、微细超声加工。 采用光化掩模加工法，如光刻法，LIGA法。 采用层积增生法，如曲面的磁膜镀覆，多层薄膜镀覆和液滴层积。,1）光刻电铸（LIGA）技术,它的工艺过程为： 采用深层同步辐射光刻，涂覆光致抗蚀剂（图a），经X射线曝光蚀刻出图形（图b）； 电铸，以曝光蚀刻的图形实体作为电铸用胎模，用电沉积法在胎模上沉积金属（图c），生成微铸件（图d） 注

39、射成形，以微铸件为模具，即可加工所要求的微零件（图e）。,6.5.3 纳米加工技术,2）半导体加工技术,半导体加工技术即半导体表面和立体的微细加工，指在以硅为主要材料的基片上进行沉积、光刻与蚀刻的工艺过程。半导体加工技术使微系统的制作具有低成本、大批量生产的潜力。,6.5.3 纳米加工技术,3）集成电路（IC）技术,集成电路（IC）技术是一种发展十分迅速且较成熟的制作大规模电路的加工技术，在微机械加工中使用较为普遍，是一种平面加工技术。但该技术的刻蚀深度只有数百纳米，且只限于制作硅材料的零部件。,6.5.3 纳米加工技术,4）超微机械加工和电火花线切割加工,用小型精密金属切削机床及电火花、线切

40、割等加工方法，制作毫米级尺寸左右的微机械零件，是一种三维实体加工技术，加工材料广泛，但多是单件加工、单件装配，费用较高。,6.5.3 纳米加工技术,5）键合技术,键合技术是一种把两个固体部件在一定的温度与电压下直接键合在一起的封装技术，其间不用任何粘接剂，在键合过程中始终处于固相状态。,6.5.3 纳米加工技术,6）分子装配技术,20世纪80年代初发明的扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microsoft，STM）以及后来在STM基础上派生出来的原子力显微镜（Atomic Force Microsoft，AFM），使观察分子、原子的结构从宏观世界进入了微观世界。利用其探针的

41、尖端可以俘获和操纵分子和原子，并可以按照需要拼成一定的结构，进行分子和原子的装配制作微机械。,6.5.3 纳米加工技术,目前，集成电路已经从20世纪60年代的每个芯片上仅几十个器件发展到现在的每个芯片上可包含约10亿个器件，其集成度每3年提高4倍。这一增长速度不仅导致了半导体市场在过去30年中以平均每年约15%的速度增长，而且对现代经济、国防和社会也产生了巨大的影响。集成电路之所以能飞速发展，光刻技术的支持起到了极为关键的作用。,6.5.4 微纳制造应用案例,1.电子束光刻加工技术,电子束光刻的原理如图6-19所示，在由掩膜（其上有所需集成电路图形）、光致抗蚀剂涂层和半导体基片构成的三层材料上

42、，利用电子束透射掩膜，照射到光致抗蚀剂涂层上，由于化学反应，经显影后，在光致抗蚀剂涂层上就形成与掩膜相同的所需线路图形。随之，在基片上形成电路有两种处理办法：用离子束溅射去除，可得到凹形电路。用金属蒸镀方法，可形成凸形电路。,6.5.4 微纳制造应用案例,1.电子束光刻加工技术,1. 电子束光刻加工技术,6.5.4 微纳制造应用案例,图6-19 电子束光刻加工过程,2. 微型机械昆虫,加州大学布克莱分校的学者花了三年时间，研究自然界昆虫的特别飞行方式，并根据这种非稳定速度模式的气动学原理，制造了只有 25 毫米宽 (从一翼端至另一翼端) 的微型机械昆虫。 这机械昆虫有类似同类生物的灵活胸腔结构

43、，并在其中置有压电致动器，可作有力及高频率的振翅动作，只要装上锂电池或太阳能充电电池，便能像自然界中的昆虫一样自动不停的飞翔。,6.5.4 微纳制造应用案例,3. 世界最小的微型机械人,美国山迪亚国家实验室的科学家,成功研制了世界最小的微型机械人，其只有1/4立方寸，体重小於1盎司。科学家希望利用这种微型机械人，帮助侦查地雷，化学及生物武器的所在；由於机械人体积细小，可爬进建筑物的管道，找出化学品甚至人类所在，并将有关信息传送到指挥中心；科学家还可以部署一群微型机械人，进行不同的任务，比较体积大的机械人更灵活和有弹性。,6.5.4 微纳制造应用案例,4. 以微型加工技术制造的机械耳蜗,6.5.

44、4 微纳制造应用案例,机械耳蜗的作用原理与生物耳蜗相同，以薄膜结构模仿基底膜构造。密大的机械耳蜗有三个优点，首先是其尺寸大小如实体，其次是适合大量生产，最后是能以低功率机械方式进行声学信号处理。,5. 微型机械零件“自组织化”装配技术,东京大学山下勋教授日前开发出一种微型机械零件“自组织化”自动装配技术，利用自然界的“自组织化”现象把散乱零件结合到一起，对提高工作效率、增加微型机械产量大有帮助。 原子在硅酸化物基片上可以自然成形，这种现象被称为“自组织化”。山下教授受此启发，先在微型零件表面涂上化学物质，让他们具有溶水性或排水性，然后放入溶液中。结果，排水性零件互相吸引，而与溶水性零件互相排斥

45、。只要在零件表面涂料上下功夫，零件就会根据需要很好地结合在一起。 研究人员把直径仅为10微米的硅粒作为零件进行实验，硅粒排成一列，连成微小柱形，再在基片表面进行化学处理，成功地把硅粒柱敷设在基片上。这种技术在超大规模集成电路微型装置镶嵌中大有用武之地。,6.5.4 微纳制造应用案例,根据美国康乃尔大学奈米生物科技研究小组的研究，已成功地制造出与病毒大小差不多的分子马达。该生物分子马达是以200nm长、80nm直径宽的金属镍为轴，并以分子(F1-腺嘌呤核甘三磷酸合成酵素)作为马达，而以长750nm、直径为150nm的镍作为螺旋桨。据研究人员的观察，该分子马达被浸泡至ATP溶液中后，利用生物分子细

46、胞内的化学反应，以ATP 作为能源，每秒转速可达8圈，并可连续转动2.5小时。,研究人员相信，像这样的微型分子马达可作为纳米机器人或其它纳米组件零件的一部分，它的潜在应用价值是非常之大的。也许，将来利用该马达所作成的潜艇就可进入人类的血管之中，不必藉由传统的开刀方式，即可清除脑血管中的血块，清理血管壁上的沉积物质，以排除中风的危机。,6. 纳米生物科技-分子马达,6.5.4 微纳制造应用案例,7. 纳米齿轮 Nano Gear,此外，科学家利用苯甲基与C60的键结形成分子齿轮的雏型。因此，我们设想若能将多个分子以准确的位置键结至纳米碳管上，这样所形成的分子齿轮，将成为组成纳米机器非常有用的组件

47、。,6.5.4 微纳制造应用案例,由日本Morinobu Endo教授所领导的科技研究小组，于2002年2月初发表，利用纳米材料的组成，于现有的制作技术，已成功研制出世界上最小的齿轮。该齿轮直径仅有0.2mm，且具有良好的抗磨损、抗热、滑动特性，这无非为实现分子机器的实现又迈进了一大步。,8. 原子操纵术,原子操纵术可说是STM (扫描穿透显微镜)的专长，该工具具备微小且精密的操控能力。扫描穿透显微镜的主要构造部分有一根金属钨(W)至的探针针头仅有几个原子宽，探针针头仅有几个原子那么宽。探针与被观测样品并不接触，而是在其上方来回扫描，当距离很近（约10埃），针尖跟表面的偏压虽不大，但所产生的电

48、场可不容忽视。藉由针头和样品之间电场的吸引从而把样品中的原子拉离表面，并通过针头沿着表面移动到别处。如果对这种现象善加利用，就能对单个原子进行操作，从而将它们逐个按特定结构“组装”成纳米机械。,6.5.4 微纳制造应用案例,1990年美国IBM的一群科学家，首度将一颗颗氙原子在镍表面上拖曳，逐颗将37颗原子排成“IBM”三个英文字母，相当引人注目(如图)。,8. 原子操纵术,6.5.4 微纳制造应用案例,将一顆一顆的铁原子團,在Cu(111)表面上排列成“原子”二字。,将一顆一顆的一氧化碳原子團，在Pt(111)表面上排列成人的形狀。,9. 纳米材料的莲花效应,6.5.4 微纳制造应用案例,9

49、. 纳米材料的莲花效应,经过科学家的察研究，荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。经过电子显微镜的分析，莲花的叶面是由一层极细致的表面所组成，并非想象中的光滑。而此细致的表面的结构与粗糙度达微米至纳米尺寸的大小。叶面上布满细微的凸状物再加上表面所存在的蜡质，这使得在尺寸上远大于该结构的灰尘、雨水等降落在叶面上时，只能和叶面上凸状物形成点的接触。液滴在自身的表面张力作用下形成球状，藉由液滴在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这样的能力胜过人类的任何清洁科技。这就是莲花纳米表面“自我洁净”的奥妙所在。,6.5.4 微纳制造应用案例,6.6 生物制造,6.6.1 生物制造的发展 6.6.2

50、 生物制造的概念与内容 6.6.3 生物制造应用案例,日本三重大学和冈山大学率先开展了生物技术用于工程材料加工的研究，并初步证实了微生物加工金属材料的可行性。 目前已将快速成形制造技术人工骨研究相结合，为颅骨、颚骨等骨骼的人工修复和康复医学提供了很好的技术手段。 我国于1982年将生物技术列为八大重点技术之一。生物学科与制造学科这两个原来人们觉得毫不相干的学科，今天正在相互渗透、相互交叉，正在形成一个新的学科生物制造系统（Biological Manufacturing System，BMS）。 我国在2003年3月和2004年7月，先后两次召开了全国生物制造工程学术研讨会，专家们探讨的主要问

51、题有：生物制造工程的定义、内涵及意义；生物医学工程与生物制造的联系；生物制造的研究特点、方向及方法；生物制造的应用领域。,1. 生物制造系统正在形成,6.6.1 生物制造的发展,在机器人、微机电系统、微型武器方面，将更多地应用生物动力、生物感知、生物智能，使机器人越来越像人或动物。 在纳米技术方面，实现纳米尺度上裁剪或连接DNA双螺旋，改造生命特征;实现各种蛋白质分子和酶分子的组装，构造纳米人工生物膜，实现跨膜物质选择运输和电子传递。 在医疗方面，三维生物组织培养技术不断突破，人体各种器官将能得到复制，会大大延长人类的生命。 在生物加工方面，通过生物方法制造纳米颗粒、纳米功能涂层、纳米微管、功

52、能材料、微器件、微动力、微传感器、微系统等。,2. 生物制造的发展前景,6.6.1 生物制造的发展,1. 生物制造的概念,清华大学颜永年教授等把生物制造定义为： 通过制造科学与生命科学相结合，在微滴、细胞和分子尺度的科学层次上，通过受控组装完成器官、组织和仿生产品的制造之科学和技术总称。,6.6.2 生物制造的概念与内容,2. 生物制造的内容,生物制造工程的体系结构,6.6.2 生物制造的概念与内容,目前生物制造工程的研究方向是如何把制造科学、生命科学、计算机技术、信息技术、材料科学各领域的最新成果组合起来，使其彼此沟通起来用于制造业，是生物制造工程的主要任务。归纳下来，目前有如下两方面6个研

53、究方向： （1）仿生制造 生物组织和结构的仿生 生物遗传制造 生物控制的仿生,3. 生物制造工程的研究方向,6.6.2 生物制造的概念与内容,（2）生物成形制造 生物去除成形 生物约束成形 生物生长成形,包括生物活性组织的工程化制造和类生物智能体的制造。例如： 生物活性组织的工程化制造：将组织工程材料与快速成形制造结合，采用生物相容性和生物可降解性材料，制造生长单元的框架，在生长单元内部注入生长因子，使各生长单元并行生长，以解决与人体的相容性与个体的适配性，以及快速生成的需求，实现人体器官的人工制造。 类生物智能体的制造：利用可以通过控制含水量来控制伸缩的高分子材料，能够制成人工肌肉。类生物智

54、能体的最高发展是依靠生物分子的生物化学作用，制造类人脑的生物计算机芯片，即生物存储体和逻辑装置。,1）生物组织和结构的仿生,6.6.2 生物制造的概念与内容,随着DNA的内部结构和遗传机制的解密，借鉴基因技术的成果应用于制造领域，依靠生物DNA的自我复制，如何利用转基因实现一定几何形状、各几何形状位置不同的物理力学性能、生物材料和非生物材料的有机结合，并根据生成物的各种特征，采用人工控制生长单元体内的遗传信息为手段，直接生长出任何人类所需要的产品，如人或动物的骨骼、器官、肢体，以及生物材料结构的机器零部件等，将是这个方向的创新及前沿问题。,2）生物遗传制造,6.6.2 生物制造的概念与内容,应

55、用生物控制原理来计算、分析和控制制造过程。例如 人工神经网络 遗传算法 仿生测量研究 面向生物工程的微操作系统原理 设计与制造基础,3）生物控制的仿生,6.6.2 生物制造的概念与内容,目前已发现的微生物有10万种左右，尺度绝大部分为微/纳米级，具有不同的标准几何外形与亚结构、生理机能及遗传特性。这就有可能找到“吃”某些工程材料的菌种，实现生物去除成形(Bioremoving forming)；复制或金属化 不同标准几何外形与亚结构的菌体，再经排序或微操作，实现生物约束成形(Biolimited forming)；甚至通过控制基因的遗传形状特征和遗传生理特征，生长出所需的外形和生理功能，实现生

56、物生长成形(Biogrowing forming)。 生物去除成形 （Bioremoving Forming） 生物约束成形 （Biolimited Forming） 生物生长成形 （Biogrowing Forming）,（2）生物成形制造,6.6.2 生物制造的概念与内容,以氧化亚铁硫杆菌T9菌株去除纯铜、纯铁和铜镍合金等材料为例，说明生物去形的原理。氧化亚铁硫杆菌T9菌株是中温、好氧、嗜酸、专性无机化能自氧菌，其主要生物特性是将亚铁离子氧化成高铁离子以及将其他低价无机硫化物氧化成硫酸和硫酸盐。加工时，可掩膜控制去除区域利用，利用细菌刻蚀达到成形的目的。,1）生物去除成形,a） b） 图