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1、快速原形制造,1,贾宝贤,5687026,Rapid Prototyping ManufacturingRPM,课程内容大纲,2,1绪论2电火花加工3电火花线切割加工4电化学加工5超声波加工6磨料与水喷射加工7激光加工8快速原型制造9电子束、离子束加工10化学、等离子体、磁性磨料加工、挤压珩磨,8.3快速成型技术,3,一、快速成型技术概述1历史、2原理、3种类、4优势二、快速成型技术设备三、快速成型技术应用,一、快速成型技术概述,4,1历史2原理3种类4优势,1.快速原形制造历史,5,小批量、多品种产品需求不断增加，产品更新速度不断加快，对快速原形制造技术提出了需求；各项科学技术的发展为快速原
2、形制造技术提供了可能。第一台商业化的快速原形机，1987年11月，由美国3DSystem公司推出。我国的第一台快速成形机“M220多功能试验平台”于1993年诞生于清华大学。总之，RPM是20世纪80年代发展起来的，它综合了机械工程、CAD、数控技术、激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而大大缩短产品的研制周期。因而，被认为是近20来制造领域的一个重大突破。,2.快速原形制造原理,6,快速成形制造是指在计算机的控制下，根据零件的CAD模型或CT(Computed Tomography 计算机断层扫描)等数据，通过材料的精确堆积
3、，制造原形或零件的一种基于离散、堆积成形原理的新的数字化成形技术。其主要过程可以描述如下：,快速成形的全过程,7,1.前处理 计算机上 它包括工件的三维模型的构造、三维模型的近似处 理、模型成形方向的选择和三维模型的切片处理。软件：pro/E、Solidworks、UG、CATIA、AutoCAD等。2.分层叠加成形-成型机上 它是快速成形的核心，包括模型截面轮廓的制作与截面轮廓的叠合。3.后处理-成型机外 它包括工件的剥离、后固化、修补、打磨、抛光和 表面强化处理等。,对STL文件进行处理,CAD三维造型,CAD造型软件,前处理,监控软件,制造原型,后处理,数据处理工艺规划软件,原型制造流程
4、图,用Pro/E设计的零件模型,STL面片化的零件模型,3.快速原形制造主要种类,9,快速成形技术自诞生以来，已经发展了数十种工艺。其中典型的有SLAStereolithography Apparatus 立体光刻LOMLaminated Object Manufacturing 分层实体制造SLSSelective Laser Sintering 选择性激光烧结FDMFused Deposition Modeling 熔融沉积制造3DPThree Dimension Printing 三维打印现代制造技术(4)快速原型.ppt快速成形制造技术.ppt,1、SLA立体光刻,10,立体光刻(SL
5、AStereoLithography Apparatus),又称立体印刷,光成形。,SLA工艺于1984年获美国专利,1988年美国推出的商品化样机SLA-1，是世界上第一台快速原型技术成形机。目前,SLA各型成形机占据着RPM设备市场的较大份额。,SLA 光敏液相固化法.flv,1）SLA立体光刻-原理,11,基于液态光敏树脂的光聚合原理。将激光聚集到液态光固化材料(如光固化树脂)表面逐点扫描,令其有规律地固化,由点到线到面,完成一个层面的建造。而后升降移动一个层片厚度的距离,重新覆盖一层液态材料,进行第二层扫描,再建造一个层面,第二层就牢固地粘贴到第一层上,由此层层迭加成为一个三维实体。,
6、1）SLA立体光刻-特点,12,SLA方法是目前快速成形技术中研究得最多的方法，也是技术上最为成熟的方法。优点:制作精度高，精度达到0.10mm，并且与工件的复杂程度无关。成型能力强，对细小的结构、扣位、装饰线均能成型。后处理效果逼真，因为光敏树脂硬度不高，易打磨、修饰，并且制件本身的表面光洁度较好，产品透明美观。缺点: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、材料的强度低、不耐温，不适合做受力、受热的功能测试零件。光固化树脂价格昂贵，有一定的毒性；且产品不能溶解，不利于环保。,1）SLA立体光刻-样件,13,光树脂原型鼠标外壳激,照相机激光树脂原型,2）LOM分层实体制
7、造,14,分层实体制造(LOM)(Laminated Object Manufacturing)又称固体切片制造(SSM)(Solid Slicing Manufacturing),LOM工艺由美国亥里斯公司于1986年研制成功.实现这种方法的代表是该公司的LOM-1050和LOM-2030成形机。,LOM 分层实体制造.avi,2）LOM分层实体制造-原理,15,采用激光对箔材进行切割。先切割出工艺边框和原型的边缘轮廓，而后将不属于原型的材料切割成网格状。通过升降平台的移动和箔材的送给可以切割出新的层片并将其与先前的层片粘接在一起，这样层层迭加后得到一个块状物，最后将不属于原型的材料小块剥除
8、，就获得所需的三维实体。这里所说的箔材可以是涂覆纸（涂有粘接剂覆层的纸），涂覆陶瓷箔、金属箔或其他材质基的箔材。,分层实体制造技术（1）,分层实体制造技术（2）,2）LOM分层实体制造-特点,18,由于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,因此工艺简单,成型速度快,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,激光切割为0.1mm,刀具切割为0.15mm，控制激光的光强和切割速度，可保证良好的切口质量和切割深度；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；材料广泛,成本低,用纸制原料还有利于环保
9、；力学性能差,只适合做外形检查。,2）LOM分层实体制造-样件,19,3）SLS选择性激光烧结,20,选择性激光烧结(SLS)(Selective Laser Sintering），又称激光熔结（LF)(Laser Fusion）。,该工艺由美国德克萨斯大学奥斯汀分校于1989年研制成功，已被美国DTM公司商品化，推出SLS Model125成形机。德国EOS公司和我国的北京隆源自动成形系统有限公司也分别推出了各自的SLS工艺成形机。,SLS 选区激光烧结法.flv,3）SLS选择性激光烧结原理,21,选择性粉末熔结粘接是利用粉末状材料成形的。先在工作台上铺上一层有很好密实度和平整度的粉末，用
10、高强度的CO2激光器在上面扫描出零件截面，有选择地将粉末熔化或粘接，形成一个层面，利用滚子铺粉压实，再熔结或粘接成另一个层面并与原层面熔结或粘接，如此层层叠加为一个三维实体。成型后，将多余粉末去除。,3）SLS选择性激光烧结特点,22,1.材料适应面广,不仅能制造塑料零件,还能制造陶瓷、蜡等材料的零件。特别是可以制造出能直接使用的金属零件。这使SLS工艺颇具吸引力。2.SLS工艺不需加支撑,因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用。3.精度不高。平均精度为0.15-0.2mm,表面粗糙度不好,不宜做薄壁件。,激光粉末烧结技术(1),激光粉末烧结技术(2),激光粉末烧结技术(3),激光粉末烧结技术(4
11、),激光粉末烧结技术(5),4）FDM熔融沉积制造,29,熔融沉积成形(FDM)(Fused Deposition Modeling)又称熔融挤压成形(MEM)(Melted Extrusion Modeling),熔融沉积成形工艺于1988年研制成功,后由美国推出商品化3D Modeler1000和FDM1600等规格的系列产品。最新产品是制造大型ABS原型的FDM800Quantum等型号的产品。,FDM 熔融挤压成形.flv,4）FDM熔融沉积制造原理,30,将热熔性材料（ABS、尼龙或蜡）通过喷头加热器熔化；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；材料迅速凝固冷却后,与
12、周围的材料凝结形成一个层面；然后将第二个层面用同样的方法建造出来,并与前一个层面熔结在一起,如此层层堆积而获得一个三维实体(不需激光系统)。,4）FDM熔融沉积制造特点,31,1.FDM工艺不用激光器件,因此使用、维护简单,成本较低。2.精度可达0.12mm,适合做薄壁件。3.污染小,材料可以回收。,用蜡成形的零件原型，可直接用于失蜡铸造。用ABS制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。由于熔融材料堆积成形工艺具有一些显著优点，该类工艺发展极为迅速。,5）3DP三维打印歧义,32,三维印刷，有三种含义：1.在平面上印刷出有三维视觉效果的图像，如三维立体画、红蓝立体画
13、等；2.将画面印刷在三维实体上；3.制造出三维实体三维打印。http:/,3DP 喷涂粘结成型 高清0：08-3：28.mp4,5）3DP三维打印原理,33,三维喷涂粘结快速成型工艺是由美国麻省理工学院开发成功的，它的工作过程类似于喷墨打印机，其工艺原理如右图所示。首先铺粉或铺基底薄层（如纸张），利用喷嘴按指定路径将液态粘结剂喷在预先铺好的粉层或薄层上特定区域，,逐层粘结后去除多余底料便得到所需形状制件。也可以直接逐层喷涂陶瓷或其他材料粉浆，硬化后得到所需形状的制件。下图给出的是采用该工艺制作的结构陶瓷制品和注射模具。,5）3DP三维打印特点,34,（1）速度快速度快是3DP的最大优点。因为不
14、需要特殊的刀具、夹具、模型和模具，只要有了零件的CAD模型就可以直接制造零件，因此可以快速地制造零件。有资料介绍从计算机模型到零件生产只要15min。（2）适于制造复杂形状的零件3DP技术和其他快速原型技术一样，对零件的复杂性几乎没有限制，只要能提供合适的CAD模型，就可以制造出相应的零件。（3）可用于制造复合材料或非均质材料的零件3DP技术在制造零件过程中可以改变材料，因此可以生产各种不同材料、颜色、机械性能、热性能组合的零件。（4）可适合于制造小批量零件,5）3DP三维打印样件,35,5）3DP三维打印样件,36,快速原形制造各种工艺对比,37,4.快速原形制造的优势,38,1高速度高柔性
15、 2.技术高度集成和设计制造一体化3制造的自由性,五、快速原形制造最新应用,39,1.快速原形制造最早应用于机械零件或产品整体的设计效果的直观物理效果实现。因为只是用来审查最终产品的造型、结构和装配关系等目的，因此，造型树料要求较低。2.制造用于造型的模型如陶瓷型精铸模、熔模铸造模、冷喷模和电铸模等。3.最终产品，如采用金属粉直接成形机械零件和压力加工模具等。,快速成形技术的应用领域,40,产品快速设计/制造设计：新产品的设计与开发制造：快速工/模具制造、快速铸造分析：试验分析模型生物制造：生物医学和组织工程工艺品：与美学有关的各工程领域,快速成型技术的主要应用状况,41,汽车、摩托车:外形及
16、内饰件的设计、改型、装配试验，发动机、汽缸头试制。家电:各种家电产品的外形与结构设计，装配试验与功能验证，市场宣传，模具制造。通讯产品:产品外形与结构设计，装配试验，功能验证，模具制造。航空、航天:特殊零件的直接制造，叶轮、涡轮、叶片的试制，发动机的试制、装配试验。轻工业:各种产品的设计、验证、装配，市场宣传，玩具、鞋类模具的快速制造。医疗:医疗器械的设计、试产、试用，CT 扫描信息的实物化，手术模拟，人体骨关节的配制。国防:各种武器零部件的设计、装配、试制，特殊零件的直接制作，遥感信息的模型制作。,生物制造的主要应用,42,制作生物体模型生物假体制造生物相容不降解永久植入体制造生物相容降解植
17、入体制造,制作生物体模型,43,头骨模型,44,RPM在艺术领域应用实例,45,仿文物,孔雀香炉,双象瓶,工艺品,46,工艺品,工艺品,47,待研究和开发的课题,48,（1）改善快速成形系统的可靠性、生产率和制作大件能力，尤其是提高快速成形系统的制作精度（2）开发经济型的快速成形系统；（3）快速成形方法和工艺的改进和创新；（4）快速模具制造的应用；（5）开发性能好的快速成形材料；（6）开发快速成形的高性能软件；（7）快速成形技术与CAD、CAE、CAPP、CAM以及高精度自动测量、逆向工程的一体化集成。,49,7.3.2 快速原型制造,快速原型制造（Rapid Photograph Manuf
18、acturing RPM），又称“快速成形技术”（Rapid Photograph RP）或“分层制造”（Layer Manufacturing LM），是20世纪80年代后期迅速发展起来的一种新型制造技术。它将计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数控（CNC）、精密伺服驱动、新材料等先进技术集于一体，依据计算机上构成的产品三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓。按照这些轮廓，激光束选择性地切割一层层的箔材（或固化一层层的液态树脂，或烧结一层层的粉末材料），或喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔材料等，形成一个个薄层，并逐步迭加成三维实体。,50,7.3.2
19、 快速原型制造,51,7.3.2 快速原型制造,52,7.3.2 快速原型制造,快速成型机床及快速成型件,53,7.3.2 快速原型制造,由CAD模型直接驱动；可快速成形任意复杂的三维几何实体，不受传统机械加工方法中刀具无法达到某些型面的限制；采用“分层制造”方法，通过分层，将三维成形问题变成简单的二维平面成形；成形设备为计算机控制的通用机床，无需专用工模具；成形过程无需人工干预或很少人工干预；节省原材料。,54,7.3.2 快速原型制造,用快速原型直接制造产品样品，一般只需传统加工方法 3050%的工时，2035%的成本。这种样品与最终产品相比，虽然材质可能有所差异，但形状与尺寸完全相同，且
20、有较好的机械强度。经适当的表面处理后，与真实产品一模一样。不仅可供设计者和用户进行直观检测、评判、优化，而且可在零件级和部件级水平上，对产品工艺性能、装配性能及其他特性进行检验、测试和分析。例GM公司在97年推出的新车型中，使用RP生成的模型进行车内空调系统传热学试验，节省费用40%以上。Chrysler则直接利用RP制造的车体原型进行高速风洞流体动力学试验，节省成本达70%。RP是生产厂家与客户或订购商的最佳交流手段，RP生成的模型亦是工程部门与非工程部门交流的理想中介物。RP利用材料累加法亦可用来直接制造塑料、陶瓷、金属及各种复合材料零件。,产品开发,55,7.3.2 快速原型制造,直接制
21、作模具快速成形件具有较好的机械强度和稳定性，且能承受一定的高温（约200），可直接用作某些模具，如砂型铸造木模的替代模、低熔点合金铸造模、试制用注塑模，以及熔模铸造的蜡模的替代模，或蜡模的成形模。复制软模具用快速成形件作母模，可浇注蜡、硅橡胶、环氧树脂、聚氨脂等软材料，构成软模具；或先浇注硅橡胶、环氧树脂模（蜡模成形模），再浇注蜡模。蜡模用于熔模铸造，硅橡胶模、环氧树脂模可用作试制用注塑模，或低熔点合金铸造模。复制硬模具用快速成形件作母模，或据其复制的软模具，可浇注（或涂覆）石膏、陶瓷、金属、金属基合成材料，构成硬模具（如各种铸造模、注塑模、蜡模的成形模、拉伸模等。制作电加工机床用电极用快速成
22、形件作母体，通过喷镀或涂覆金属、粉末冶金、精密铸造、浇注石墨粉或特殊研磨，可制作金属电极或石墨电极。,模具制造,56,7.3.2 快速原型制造,在医学上的应用快速原型制造系统可利用 CT 扫描或 MRI 核磁共振图象的数据，制作人体器官模型，以便策划头颅、面部、牙科或其他软组织的手术，进行复杂手术操练，为骨移植设计样板，或将其作为X光检查的参考手段。在建筑上的应用利用快速原型制造系统制作建筑模型，可以帮助建筑设计师进行设计评价和最终方案的确定。在古建筑的恢复上，可以根据图片记载，用快速成形技术复制原建筑。,其他领域应用,57,RPM 应用领域,7.3.2 快速原型制造,RPM应用领域,58,7
23、.3.2 快速原型制造,RPM应用领域,RPM 行业占有率,59,7.3.2 快速原型制造,分层实体制造（Laminated Object Manufacturing-LOM）,分层实体制造示意图1-激光器 2-热压辊 3-计算机 4-供纸卷 5-收纸卷 6-块体 7-层框和碎小纸块 8-透镜系统,根据零件分层信息，用数控激光机在铺上的一层箔材上切出本层轮廓，将该层非零件图样部分切成小块，以便以后去除；再铺上一层箔材，用加热滚辗压，以固化粘接剂，使新铺上的一层箔材牢固地粘结在成形体上，再切割新层轮廓，如此反复直至加工完毕。使用材料为一种特殊的纸，也可用金属箔等。,60,7.3.2 快速原型制造
24、,光固化立体造型（Stereo Lithography-SL）,又称立体印刷（Stereo Lithography Apparatus-SLA）、激光立体光刻（Laser Photolithography-LP）,立体印刷示意图1-成形零件 2-紫外激光器 3-环氧或丙烯酸光敏树脂 4-升降台 5-液面,如图示，液槽中盛有紫外激光固化液态树脂，开始成型时，工作台台面在液面下一层高度，聚焦的紫外激光光束在液面上按该层图形进行扫描，被照射的地方就固化，未被照射的地方仍然是液态树脂。然后升降台带动工作台下降一层高度，第二层上布满了液态树脂，再按第二层图形进行扫描、新固化的一层被牢固地粘在前一层上，如
25、此重复直至零件成型完毕。,61,7.3.2 快速原型制造,选择性激光烧结（Selected Laser Sintering-SLS）,又称激光熔结（Laser Fusion-LF）,选择性激光烧结1-光栅扫描器 2-激光束 3-激光器 4-已烧结粉末 5-未烧结粉末 6-新层 7-水平辊 8-前层,如图示，先在工作台上铺一层一定厚度的金属粉末，用水平辊辗压，使其具有很好密实度和平整度，将激光束聚焦在层面上，按所需层面图样进行数控扫描，即可进行激光烧结而形成层面，再在其上铺上一层粉末，进行另一层烧结，如此叠加形成一个粉末烧结零件。,62,7.3.2 快速原型制造,熔融沉积成形（Fused Dep
26、osition Modeling-FDM）,又称熔融挤压成形（Melted Extrusion Modeling-MEM）,如图示，将丝状热熔性材料加热，由喷头挤压出丝，按层面图样要求沉积出一个层面，然后如法生成下一个层面，并与前一个层面熔接在一起，这样层层扫描堆成三维零件。,优点：无需激光系统，设备简单，成本较低，其热熔性材料比较广泛，如工业用蜡、尼龙、塑料等高分子材料，以及低熔点合金等，特别适合于大型、薄壁、薄壳成形件。关键技术：控制熔丝温度，使其处于半流动状态,63,7.3.2 快速原型制造,喷射印刷成形（Jet Printing Modeling-JPM）,也可以在工作台上铺上一层均匀的密实的可粘接粉末，由喷头喷射粘接剂而形成层面，再逐层叠加形成零件。喷头可以是单个，也可以是多个（可多达96个）这种方法不采用激光，但成形设备要求较高（需5轴联动）。,又称三维打印（Three Dimension Printing-3DP）,将热熔成形材料（如工程塑料）熔融后由喷头喷出，扫描形成层面，经逐层堆积而形成零件，如图示。,64,7.3.2 快速原型制造,喷射印刷成形,65,7.3.2 快速原型制造,国内主要RPM系统,
