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1、快速成形技术Rapid Prototyping Technology,基本原理 重要特征 技术特点 工艺分类,RP技术是借助计算机辅助设计或由实体逆向方法取得原型或零件几何形狀，进而以此建立数字化模型，再利用计算机控制的机电集成制造系统，逐点、逐面地进行材料“三维堆积”成型，再经过必要的后处理，使其在外观、強度和性能等方面达到设计要求，达到快速、准确地制造原型或实际零件之方法。,快速成形（Rapid Prototyping，简称RP）是80年代末期开始商品化的一种高新制造技术，是一种集计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数字控制（CNC）、激光、精密伺服驱动、新材料等先进
2、技术于一体的加工方法。,快速成形技术的基本原理,对STL文件切片处理,CAD模型的近似处理,三维CAD模型设计,逐 层 制 造,快速成形技术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。,原型制作流程图,快速成形的加工原理是依据计算机设计的三维模型（设计软件可以是常用的CAD软件，例如SolidWorks、Pro/E、UG、POWERSHAPE等。也可以是通过逆向工程获得的计算机模型），进行切片处理，逐层加工，层叠增长。,三维CAD模型设计,在PC机或图形工作站上用三维软件pro/E solid
3、worksUGCATIA 等设计零件的三维CAD模型。,CAD模型的近似处理,用STL文件格式进行数据转换，将三维实体表面用一系列相连的小三角形逼近，得到STL格式的三维近似模型文件。,典型的 STL 文件,对STL文件切片处理,切片是将模型以片层的方式来描述，片层的厚度通常在50m500m之间；无论零件形状多么复杂，对每一层来说却是简单的平面矢量扫描组（如图），轮廓线代表了片层的边界。,切片处理,原型制作流程图,快速成型的技术特点,高度柔性技术的高度集成设计、制造一体化快速性,高度柔性,产品制造过程几乎与零件的复杂性无关生产过程数字化，与 CAD 模型具有直接的关联，零件可大可小，所见即所得
4、，可随时修改，随时制造。,技术的高度集成,RP技术是计算机、数控、激光、材料和机械等技术的综合集成。CAD技术通过计算机进行精确的离散运算和繁杂的数据转换，实现零件的曲面或实体造型，数控技术为高速精确的二维扫描提供必要的基础，这又是以精确高效堆积材料为前提的，激光器件和功率控制技术使材料的固化、烧结、切割成为现实。快速扫描的高分辨率喷头为材料精密堆积提供了技术保证。,快速响应性,快速原型零件制造从CAD设计到原型(或零件)的加工完毕，只需几个小时至几十个小时，复杂、较大的零部件也可能达到几百小时，但从总体上看，速度比传统的成形方法要快得多。尤其适合于新产品的开发，RP技术已成为支持并行工程和快
5、速反求设计及快速模具制造系统的重要技术之一。,主要工艺分类,SLA工艺 LOM工艺 SLS工艺 FDM工艺 3DP工艺工艺特点及常用材料,光造型SLA工艺Stereolithography Apparatus,SLA技术是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(如=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。SLA工作原理图。SLA工艺方法是目前快速成型技术领域中研究最多的方法，也是技术上最为成熟的方法。,光造型SLA工艺优缺点,成型精度高、成型零件表面质量好、原材料利用率接近100%，而且不产生环境污染，特别适合于制作
6、含有复杂精细结构的零件；但这种方法也有自身的局限性，比如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂有一定的毒性等,SLA工作原理,液槽中盛满液态光固化树脂，激光束在偏转镜作用下，能在液态表面上扫描，扫描的轨迹及光线的有无均由计算机控制，光点打到的地方，液体就固化。,成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度，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，未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮平器将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下二层的扫描，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,得到一个
7、三维实体模型。,SLA成型过程,分层实体制造LOM 工艺Laminated Object Manufacturing,LOM工作原理,LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，热压辊、热压、片材，使之与下面已成形的工件粘接；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，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格；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(料带)分离。,LOM工作原理,供料机构转动带动收料轴和供料轴，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
8、，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。,LOM工艺只须在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。因此成形厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件。工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲变形，零件的精度较高，小于0.15mm。工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以LOM工艺无需加支撑。,LOM特点,选择性烧结SLS工艺 Selective Laser Sintering,SLS工艺是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
9、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(如图)。,SLS工作原理图,SLS工作原理,SLS工艺是利用粉末状材料成型的。将材料粉末铺洒在已成型零件的上表面，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，并与下面已成型的部分连接。当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，有选择地烧结下层截面。烧结完成后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理得到零件。,选择性烧结SLS工艺特点 Selective Laser Sintering,材料适应面
10、广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、蜡等材料的零件。特别是可以制造金属零件。这使SLS工艺颇具吸引力。SLS工艺无需加支撑，因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用。其缺点是：成形件结构疏松多孔，表面粗糙度较高；成形效率不高；得到的塑料、陶瓷或金属件远不如传统成形方法得到的同类材质工件，需进行渗铜等后 处理，但在后处理中难于保证制件尺寸精度。,熔融沉积制造(丝状材料选择性融覆)FDM工艺Fused Depostion Modeling,FDM的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、尼龙等。以丝状供料。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
11、围的材料凝结(如图)。,如果热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而成型的部分温度稍低于固化温度，就能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一个层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体造型。,FDM工作原理,丝状材料选择性熔覆（FDM）成型机,FDM的加工原材料是丝状热塑性材料（如ABS、MABS、蜡丝、尼龙丝等），加工时加热喷头在计算机的控制下，可根据截面轮廓信息，做X-Y平面的运动和高度Z方向的运动。丝状热塑性材料由供丝机构送至喷头，并在碰头加热至熔融状态，然后杯选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成了截面轮廓。一层成形完成后，喷
12、头上升一个截面层高度，再进行第二层的涂覆，如此循环，最终形成三维产品。,系统及运行成本：FDM工艺无需其他快速成形系统中昂贵的关键部件激光器，故MEM快速成形控制系统成本较低；成形材料相对其他快速成形系统价格低廉；MEM原型特有空隙结构，节约材料与成形时间。后处理：原型后处理简单，方便。工艺适用范围：FDM工艺适用于薄壳体零件及微小零件，如电器外壳、手机外壳、玩具等，都是现代社会比较实用流行的用品；而且原型强度比较好，近似于实际零件，可以作为概念型直接验证设计。,FDM特点,丝状材料选择性熔覆（FDM）成形机,FDM快速成形机适合加工中等大小的塑料件，它的优点是：能够直接作出ABS塑料件，有比
13、较好的综合力学性能；成本低,材料利用率高,无污染；设备体积小,适合办公环境内使用.它的不足之处在于：加工零件表面粗糙度比较大,有明显条纹；成形时间比较久；复杂零件需要加支撑结构，后处理工艺比较麻烦；,实验设备,系统主框架,控制机构,MEM-350控制系统由两部分组成：运动控制系统和温度控制系统。在系统中，计算机（PC）通过数控卡控制XYZ扫描运动系统，喷头及送丝机构也通过数控卡进行控制。,控制系统原理图,控制原理,数控卡：数控卡主要完成对XYZ轴电机，喷头等的运动控制以及系统的检测。运动系统：X和Y运动单元由伺服控制器、AC伺服驱动器、AC伺服电机和传动导向机构四部分构成。Z向运动单元由步进控
14、制器、直流步进驱动器、步进电机和传动导向机构四部分构成。喷头压力控制系统由步进电机及传动部件构成。温控系统：温控系统由加热器，温度传感器和智能温度控制表组成。温度控制精度为2。,实验方法及步骤,（一）数据准备（二）制造原型 1、成形准备工作 2、造型（三）后处理,数据准备,1、零件三维CAD造型，生成STL文件（使用Pro/E、UG、SolidWorks、AutoCAD2000软件）2、选择成型方向，添加支撑结构（使用Daphne数据处理软件）3、参数设置（分层厚度0.15mm,偏置半径0.2mm,填充间距0.5mm等）4、对STL文件进行分层处理，生成CLI文件（使用Daphne数据处理软件
15、）5、退出数据处理软件系统,制造原型,（1）打开电源、计算机。（2）材料及成形室预热，将成型材料逐步升温至265；将成型室温度逐步升温至70（3）运行控制软件，读出STL文件。对数控系统初始化。（4）挤丝,材料温度到达265后，按下“喷丝”按钮，将喷头中老化 的丝材吐完，直至ABS丝光滑。（5)工作台水平校准 用控制面板上的软按钮移动喷头至工作台的支承处，用调量块通过调平螺母调节高度。（6）工作台高度校准 将喷头移动到工作台中部，上升工作台，使之上表面接近喷嘴 微调工作台，使之间隙大约为0.1毫米，完成高度校准。,成形准备工作,尽量少开关数控按钮。关闭数控按钮后，应至少间 隔 1 分钟后才再次
16、打开数控按钮。一定要先启动计算机，再按下数控按钮。开关数控按钮后一定要进行数控系统初始化。校准水平升降工作台时一定要小心,低速，微调，注意喷头不能与量块相撞，如果相撞会损坏喷头。调高时严禁喷头与台面距离过小，或喷嘴扎进底板情况发生，这样可能会使喷头堵死。,注意事项,后处理,后处理包括设备降温、零件保温、去除支撑、表面处理等步骤。（1）设备降温 原型制作完毕后，如不继续造型。即可将系统关闭，为使系统充分冷却，至少于10分钟后再关闭散热按钮和总开关按钮。（2）零件保温 零件加工完毕，下降工作台，将原型留在成形室内，薄壁零件保温1520分钟大型零件2030分钟，过早取出零件会出现应力变形。（3）模型
17、后处理 用小铲子小心取出原型。去除支撑，避免破坏零件。用砂纸打磨台阶效应比较明显处。用小刀处理多余部分。用填补液处理台阶效应造成的缺陷。如需要可用少量丙酮溶液把原型表面上光,三维印刷3DP工艺Three Dimension Printing,3DP工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉末上面（如图）。用粘接剂粘接的零件强度较低，还须后处理。先烧掉粘接剂，然后在高温下渗入金属，使零件致密化。提高强度。,3DP工作原理,3DP工作原理,典型的RP技术特点及常用材料,RP在产品
18、开发上的重要性,CAID应用:工业设计师在短时间內得到精确的原型与业者作造形研讨机构设计应用:進行干涉验证，及提早发现设计错误以减少后面模具修改工作 CAE功效:快速模具技术以功能性材料制作功能性模具，以进行产品功能性测试与研讨快速模具(Rapid Tooling)应用:快速翻制暂用模具或永久模具，做少量生产或量产,RP在产品开发上的重要性,视觉效果(visualization)设计人員能在短时间之內便能看到设计的雛型，可作为进一步研发的基石设计确认(verification):可在短时间內即可完成原型的制作，使设计人员有充分的时间对于设计的产品做详细的检证复制于最佳化设计(iteration
19、&optimization)可一次制作多个元件，可使每个元件针对不同的设计要求同时进行测试的工作，以在最短时间內完成设计的最佳化直接生产(fabrication):直接生产小型工具，或作为翻模工具,快速原型的经济效益,以缩短产品加工时间 增加使构想具体化能力 降低原型生产周期 降低设计错误的发生及所花费成本 增加在设计过程中了解产品机械特性的 能力,快速成型的缺点,不适合大批量生产；产品强度有限，很多情况下不适合直接使用；设备价格相对比较昂贵，加工成本也比较贵；,RP技术在产品设计和制造中的作用,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,（一）快速原型,模型实例1
20、轿车车灯,模型实例2 电话机外壳,模型实例3 皮鞋底,（二）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,模具实例1 手机外壳橡胶模,模具实例2 拐头树脂型复合模,模具实例3 电子产品注射模,（三）模型制造,医学模型,艺术模型,生物模型,模型制作实例1 CT扫描股骨模型,模型制作实例2 艺术模型,快速成形技术的应用,用于新产品的设计与试制。产品设计中的实际装配确认 产品的性能分析与实验 快速制模及快速铸造 医疗中的快速成形技术 三维复制,工程应用实例,概念模型视觉造型组装验证与最佳化功能测试小批量制造快速模具,科学应用实例,古生物学模型生物模型考古研究模型,医学应用实例,人工骨头制作手术规划齿模制作义耳制作,快速成型在无需准备任何刀具模具和工装卡具情况下,基本上不需要考虑零件的加工工艺,直接接受产品(CAD)数据信息,快速制造 新产品的样件模具或模型.,HRP制件展示,thank you very much,谢谢大家!,
