第8章快速成型技術(shù)ppt課件

.,快速成形技術(shù),第八章,.,1.快速成形技術(shù)概述,在制造業(yè)中各種零件的制造工藝按加工后原材料體積的變化分為：去除成形（DislodgeForming）傳統(tǒng)的的車、銑、刨、磨等工藝方法就屬于去除成性，它是制造業(yè)最主要的零件成型方式。受迫成形（ForcedForming）按其加工材料的自然狀態(tài)又分為固態(tài)成形法（鍛造、沖剪、擠壓、拉拔等）、液態(tài)成形法（鑄造）和半液態(tài)成形法（注塑）。添加成形（AdditiveForming）八十年代初一種全新的制造概念。通過添加材料來達到零件設(shè)計要求的成形方法，這種新型的零件生產(chǎn)工藝就是RP（快速成形）的主要實現(xiàn)手段。,1.1.零件成形方法分類,.,1.快速成形技術(shù)概述,快速成型(RapidPrototyping)是上世紀80年代末及90年代初發(fā)展起來的高新制造技術(shù)，是由三維CAD模型直接驅(qū)動的快速制造任意復(fù)雜形狀三維實體的總稱。它集成了CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等現(xiàn)代科技成果，是先進制造技術(shù)的重要組成部分。由于它把復(fù)雜的三維制造轉(zhuǎn)化為一系列二維制造的疊加，因而可以在不用模具和工具的條件下生成幾乎任意復(fù)雜的零部件，極大地提高了生產(chǎn)效率和制造柔性。,1.1.快速成形技術(shù)概念,.,1.快速成形技術(shù)概述,與傳統(tǒng)制造方法不同，快速成型從零件的CAD幾何模型出發(fā)，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，用激光束或其他方法將材料一層層堆積而形成實體零件。通過與數(shù)控加工、鑄造、金屬冷噴涂、硅膠模等制造手段相結(jié)合，已成為現(xiàn)代模型、模具和零件制造的強有力手段，在航空航天、汽車、機械、電子、電器、醫(yī)學、建筑、玩具、工藝品等很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。,1.1.快速成形技術(shù)概念,.,1.快速成形技術(shù)概述,快速成形的工藝過程一般包括以下幾個步驟：（1）產(chǎn)品三維建模（2）三維模型的近似處理（3）三維模型的分層切片和生產(chǎn)加工路徑（4）成型加工（5）成形零件的后處理,1.2.快速成形技術(shù)過程,.,1.快速成形技術(shù)概述,（1）高度柔性化、自由成形化RP技術(shù)從“電子模型”直接制造零件，將三維實體離散，可以成形任意復(fù)雜的零件，制造工藝與零件的幾何形狀無關(guān)，設(shè)計及加工的柔性（適用性）極大，能夠制造任意復(fù)雜形狀與結(jié)構(gòu)，或不同材料復(fù)合而成的零件。,1.2.快速成形技術(shù)特點,.,.,.,1.快速成形技術(shù)概述,（2）技術(shù)高度集成化RP技術(shù)是計算機技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學技術(shù)、激光技術(shù)和機加工技術(shù)等多項交叉學科的綜合集成。它采用離散-堆積的方法，在計算機和數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ)上，追求最大的柔性為目標。,1.2.快速成形技術(shù)特點,.,.,1.快速成形技術(shù)概述,（3）產(chǎn)品開發(fā)快速化RP技術(shù)建立在高度技術(shù)集成的基礎(chǔ)上，從CAD設(shè)計到成形加工的完成只需幾小時至幾十小時，從而大大縮短了產(chǎn)品設(shè)計、開發(fā)的周期，降低了新產(chǎn)品的開發(fā)成本和風險。尤其適合于小批量、復(fù)雜的新產(chǎn)品的開發(fā)，充分體現(xiàn)了其“快速”的優(yōu)越性。,1.2.快速成形技術(shù)特點,.,1.快速成形技術(shù)概述,（4）材料使用廣泛性理論上RP技術(shù)適用的材料并無限制，金屬及非金屬均可使用，隨著該技術(shù)的發(fā)展越來越廣泛，各類金屬、樹脂、塑料、紙張、石蠟、陶瓷等材料在RP技術(shù)領(lǐng)域已有很好的應(yīng)用。,1.2.快速成形技術(shù)特點,.,.,2.快速成形工藝,按照成形原理的不同，快速成形技術(shù)可分為兩大類：,2.1.快速成形工藝方法,.,2.快速成形工藝,2.2.1.SL工藝原理立體光刻成形(Stereo-Lithography，SL)是目前最為成熟和廣泛應(yīng)用的一種快速成型制造工藝。,2.2.立體光刻成形（SL）,.,2.快速成形工藝,2.2.1.SL工藝原理該工藝以液態(tài)光敏樹脂為原材料，計算機控制紫外激光按預(yù)定零件各分層截面的輪廓軌跡對液態(tài)樹脂逐點掃描，使被掃描區(qū)的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合(固化)反應(yīng)，從而形成零件的一個薄層截面。完成一個掃描區(qū)域的液態(tài)光敏樹脂固化層后，工作臺下降一個層厚，使固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂然后重復(fù)掃描、固化，新固化的一層牢固地粘接在一層上，如此反復(fù)直至完成整個零件的固化成型。,2.2.立體光刻成形（SL）,.,2.快速成形工藝,2.2.2.SL工藝過程SL成形工藝過程總體包括4個過程，如下圖,2.2.立體光刻成形（SL）,制造數(shù)據(jù)獲取,層準備,層固化并堆積,后處理,CAD模具離散,再涂層,激光束掃描液面,拆除支撐及清洗,.,2.快速成形工藝,2.2.3.SL成形材料1）材料的基本要求光敏樹脂是立體成形工藝的基材，其性能對成形零件的質(zhì)量具有決定性影響。光敏性樹脂應(yīng)具有特性：黏度低固化速度快固化收縮小一次固化程度高濕態(tài)強度高溶脹小毒性小,2.2.立體光刻成形（SL）,.,2.快速成形工藝,2.2.3.SL成形材料2）材料種類（按反應(yīng)機理）自由基光固樹脂固化速度快，生產(chǎn)周期短，但固化收縮嚴重，易受氧阻聚陽離子光固化樹脂固化收縮較小，不易受氧阻聚，但固化速度慢，工作效率低混雜型光固化樹脂,2.2.立體光刻成形（SL）,.,2.快速成形工藝,2.2.4.SL成形工藝特點優(yōu)點是精度較高，一般尺寸精度可控制在0.01mm;表面質(zhì)量好;原材料利用率接近100%;能制造形狀特別復(fù)雜、精細的零件;設(shè)備市場占有率很高。缺點是需要設(shè)計支撐;可以選擇的材料種類有限;制件容易發(fā)生翹曲變形;材料價格較昂貴。該工藝適合比較復(fù)雜的中小型零件的制作。,2.2.立體光刻成形（SL）,.,.,2.快速成形工藝,2.3.1.SLS工藝原理選區(qū)激光燒結(jié)(SelectiveLaserSintering，SLS)又稱為選擇性激光燒結(jié)、粉末材料選擇性燒結(jié)等。SLS成形機的主體結(jié)構(gòu)是安裝兩個活塞機構(gòu)的成形工作缸，一個用于供粉，另一個用于成形，如圖。,2.3.選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）,.,2.快速成形工藝,2.3.1.SLS工藝原理在開始加工之前，先將充有氮氣的工作室升溫，并保持在粉末的熔點以下。成型時，送料筒上升，鋪粉滾筒移動，先在工作平臺上鋪一層粉末材料，然后激光束在計算機控制下按照截面輪廓對實心部分所在的粉末進行燒結(jié)，使粉末溶化繼而形成一層固體輪廓。第一層燒結(jié)完成后，工作臺下降一截面層的高度，在鋪上一層粉末，進行下一層燒結(jié)，如此循環(huán)，形成三維的原型零件。最后經(jīng)過5-10時冷卻，即可從粉末缸中取出零件。,2.3.選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）,.,2.快速成形工藝,2.3.2.SLS成形材料目前SLS的材料主要有以下幾種：高分子粉末材料金屬粉末材料陶瓷粉末材料覆膜砂粉末材料,2.3.選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）,.,2.快速成形工藝,2.3.4.SLS成形系統(tǒng)選區(qū)激光燒結(jié)快速成形系統(tǒng)一般由主機、控制系統(tǒng)和冷卻器三部分組成。主機：主要由成形工作缸、廢料桶、鋪粉輥裝置、送料工作缸、激光器、振鏡式動態(tài)聚焦掃描系統(tǒng)、加熱裝置、機身與機殼等組成。計算機控制系統(tǒng)：主要由計算機、應(yīng)用軟件、傳感檢測單元和驅(qū)動單元組成。冷卻器：由可調(diào)恒溫水冷卻器及外管路組成，用于冷卻激光器，以提高激光能量的穩(wěn)定性。,2.3.選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）,.,2.快速成形工藝,2.3.5.SLS工藝特點優(yōu)點是原型件機械性能好，強度高;無須設(shè)計和構(gòu)建支撐;可選材料種類多且利用率高(100%)。缺點是制件表面較粗糙，需要進行后處理;成形速度較慢;制造成本高。采用各種不同成分的金屬粉末進行燒結(jié)，經(jīng)滲銅等后處理特別適合制作功能測試零件;也可直接制造金屬型腔的模具。采用蠟粉直接燒結(jié)適合于小批量比較復(fù)雜的中小型零件的熔模鑄造生產(chǎn)。,2.3.選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）,.,.,2.快速成形工藝,2.4.1.FDM工藝原理熔融沉積制造（FusedDepositionModeling，F(xiàn)DM），又稱絲狀材料選擇性溶覆、熔融擠出成模，由美國學者ScottCrump博士于1988年研制成功，并由美國Stratasys公司推出商品化的機器。,2.4.熔融沉積制造工藝（FDM）,.,2.快速成形工藝,2.4.1.FDM工藝原理FDM工藝是利用熱塑性材料的熱熔性、粘結(jié)性，在計算機控制下層層堆積成形。如圖所示，加熱噴頭在計算機的控制下，可根據(jù)截面輪廓的信息，作X-Y平面運動和高度Z方向的運動。絲狀熱塑性材料（如ABS及MABS塑料絲、蠟絲、聚烯烴樹脂、尼龍絲、聚酰胺絲）由供絲機構(gòu)送至噴頭，并在噴頭中加熱至熔融態(tài)，然后被選擇性地涂覆在工作臺上，快速冷卻后形成截面輪廓。一層截面完成后，噴頭上升一截面層的高度，再進行下一層的涂覆。如此循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品。,2.4.熔融沉積制造工藝（FDM）,.,2.快速成形工藝,2.4.2.FDM成形材料FDM工藝對成形材料的要求是熔融溫度低、粘度低、粘結(jié)性好、收縮率小。影響材料擠出過程的主要因素是粘度。材料的粘度低、流動性好，阻力就小，有助于材料順利的擠出。材料的流動性差，需要很大的送絲壓力才能擠出，會增加噴頭的啟停響應(yīng)時間，從而影響成形精度。FDM工藝選用的材料為絲狀熱塑性材料，常用的有石蠟、塑料、尼龍絲等低熔點材料和低熔點金屬、陶瓷等的線材或絲材。在熔絲線材方面，主要材料是ABS、人造橡膠、鑄蠟和聚酯熱塑性塑料。目前用于FDM的材料主要是美國Stratasys的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物細絲（ABSP400）、甲基丙酸烯-丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物細絲（ABSiP500，醫(yī)用）、消失模鑄造蠟絲（ICW06wax）、塑膠絲（ElastomerE20）。,2.4.熔融沉積制造工藝（FDM）,.,2.快速成形工藝,2.4.3.FDM工藝特點熔融沉積制造工藝作為非激光快速原型制造系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點：成形材料廣泛。FDM工藝的噴嘴直徑一般為0.11mm，所以，一般的熱塑性材料如塑料、蠟、尼龍、橡膠等，適當改性后都可用于熔融沉積工藝。設(shè)備成本及加工成本低。熔融沉積造型技術(shù)用液化器代替了激光器，相比其他使用激光器的工藝方法，制作費用大大減低。使用、維護簡單。成形過程對環(huán)境無污染。FDM工藝所用的材料一般為無毒、無味的熱塑性材料，因此對周圍環(huán)境不會造成污染。設(shè)備運行時噪聲也很小。,2.4.熔融沉積制造工藝（FDM）,.,.,.,2.快速成形工藝,2.4.3.FDM工藝特點基于上述優(yōu)點，F(xiàn)DM工藝應(yīng)用廣泛，且發(fā)展迅速。但FDM技術(shù)也存在著一些問題：只適合成形中、小塑料件；成形件的表面有較明顯的條紋，質(zhì)量不如SL成形件好；沿成形軸垂直方向的強度比較弱，需設(shè)計、制作支撐結(jié)構(gòu)；需對整個截面進行掃描涂覆，成形時間較長，為此，可采用多個熱噴頭，同時進行涂覆，以便提高成形效率。,2.4.熔融沉積制造工藝（FDM）,.,.,.,2.快速成形工藝,2.5.1.LOM工藝原理分層實體制造（LaminatedObjectManufacturing，LOM）又稱疊層實體制造或薄形材料選擇性切割，由美國Helisys公司的MichaelFeygin于1986年研制成功，并推出商品化的機器LOM-1050和LOM-2030等。,2.5.分層實體制造工藝（LOM）,.,2.快速成形工藝,2.5.1.LOM工藝原理LOM工藝采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一層熱熔膠。加工時，熱壓輥熱壓材料，使之與下面已成形的工件粘結(jié)。用CO2激光器在剛粘接的新層上切割出零件截面輪廓和工件外框，并在截面輪廓與外框之間多余的區(qū)城內(nèi)切割出上下對齊的網(wǎng)格；激光切割完成后，工作臺帶動已成形的工件下降，與帶狀片材（料帶）分離；供料機構(gòu)轉(zhuǎn)動收料軸和供料軸，帶動料帶移動，使新層移到加工區(qū)域；工作臺上升到加工平面；熱壓輥熱壓，工件的層數(shù)增加一層，高度增加一個料厚；再在新層上切割截面輪廓。如此反復(fù)直至零件的所有截面切割、粘接完，最后將不需要的材料剝離，得到三維實體零件。,2.5.分層實體制造工藝（LOM）,.,2.快速成形工藝,2.5.2.LOM成形材料LOM材料一般由薄片材料和熱熔膠兩部分組成。薄片材料可分為：紙片材、金屬片材、陶瓷片材、塑料薄膜和復(fù)合材料片材。薄片材料性能：抗?jié)裥裕ūＷC原料不會因時間長而吸水，可用紙的施膠度表示）；良好的浸潤性（保證良好的涂膠性能）；抗拉強度（保證在加工過程中不被拉斷）；收縮率?。ūＷC熱壓過程中不會因部分水分損失而導致變形，可用伸縮率表示）；剝離性能好，表面光滑并有較好的穩(wěn)定性熱熔膠按基體樹脂劃分：乙烯-醋酸乙烯酯共聚物型熱熔膠、聚酯類熱熔膠、尼龍類熱熔膠或其混合物。熱熔膠要求有如下性能：良好的熱熔冷固性能（室溫下固化）；在反復(fù)“熔融-固化”條件下其物理化學性能穩(wěn)定；熔融狀態(tài)下與薄片材料有較好的涂掛性和涂勻性；足夠的粘接強度；良好的廢料分離性能。,2.5.分層實體制造工藝（LOM）,.,2.快速成形工藝,2.5.3.LOM工藝特點與其他快速成形工藝方法相比，LOM法具有以下優(yōu)點：制件精度高（.15mm）。薄形材料選擇性切割成形時，在原材料中，只有極薄的一層膠發(fā)生狀態(tài)變化，即由固態(tài)變?yōu)槿廴趹B(tài)，而主要的基底材料仍保持固態(tài)不變，因此翹曲變形較小，無內(nèi)應(yīng)力。分層實體制造中激光束只需按照分層信息提供的截面輪廓線切割而無需對整個截面進行掃描，且無需設(shè)計和制作支撐，所以制作效率高、成本低。結(jié)構(gòu)制件能承受高達200的溫度，有較高的硬度和較好的機械性能，可進行各種切削加工。,2.5.分層實體制造工藝（LOM）,.,2.快速成形工藝,2.5.3.LOM工藝特點而其存在的缺點是：由于材料質(zhì)地原因，加工的原型件抗拉性能和彈性不高；易吸濕膨脹，需進行表面防潮處理；薄壁件、細柱狀件的廢料剝離比較困難；工件表面有臺階紋，需進行打磨處理。,2.5.分層實體制造工藝（LOM）,.,2.快速成形工藝,2.5.4.LOM的應(yīng)用LOM成形件主要用于：直接制作紙質(zhì)功能制件，用作新產(chǎn)品開發(fā)中工業(yè)造型的外觀評價、結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證。利用材料的粘接性能，可制作尺寸較大的制件，也可制作復(fù)雜薄壁件。通過真空注塑機制造硅橡膠模具，試制少量新產(chǎn)品?？焖僦颇＃翰捎帽〔寞B層制件與轉(zhuǎn)移涂料技術(shù)制作鑄件和鑄造用金屬模具；采用薄材疊層方法制作鑄造用消失模；制造石蠟件的蠟?zāi)！⑷勰＞荑T造中的消失模（用環(huán)氧樹脂和金屬粉末制作出鑄造用石蠟鑄型的模具，這種模具能夠承受60以上的溫度，適于批量加工石蠟?zāi)Ｐ停?2.5.分層實體制造工藝（LOM）,.,幾種快速成形方法的特點及常用材料,.,2.快速成形工藝,2.6.1.三維打印三維打?。?DPThreeDimension