《快速成型技術(shù)及應(yīng)用》課件第1章 概論

1.1快速成型技術(shù)（RP）的成型過程1.2快速成型技術(shù)（RP）的技術(shù)體系1.3快速成型技術(shù)（RP）系統(tǒng)分類1.4快速成型技術(shù)的特點(diǎn)1.5快速成型技術(shù)的優(yōu)越性主要內(nèi)容1.6快速成型技術(shù)的應(yīng)用1.7快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1.1快速成型技術(shù)（RP）的成型過程

快速成型技術(shù)（RP）的成型過程見圖1-2所示。首先建立目標(biāo)件的三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD3D）模型,然后對(duì)該實(shí)體模型在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行模擬切片分層,沿同一方向（比如Z軸）將CAD實(shí)體模型離散為一片片很薄的平行平面;把這些薄平面的數(shù)據(jù)信息傳輸給快速成型系統(tǒng)中的工作執(zhí)行部件,將控制成型系統(tǒng)所用的成型原材料有規(guī)律地一層層復(fù)現(xiàn)原來的薄平面,并層層堆積形成實(shí)際的三維實(shí)體,最后經(jīng)過處理成為實(shí)際零件。1.1快速成型技術(shù)（RP）的成型過程1.2快速成型技術(shù)（RP）的技術(shù)體系一個(gè)比較完整的快速成型技術(shù)的技術(shù)體系包含CAD造型、反求工程、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、原型制造以及物性轉(zhuǎn)換等基本環(huán)節(jié)。1.三維CAD造型三維造型包括實(shí)體造型和曲面造型。利用各種三維CAD軟件進(jìn)行幾何造型,得到零件的三維CAD數(shù)學(xué)模型，這是快速成型制造技術(shù)的重要組成部分，是獲得初始信息的最常用方法，也是制造過程的第一步。1.2快速成型技術(shù)（RP）的技術(shù)體系2.反求工程物理形態(tài)的零件是快速成型制造技術(shù)中零件幾何信息的另一個(gè)重要來源。這里既包括天然形成的各種幾何形體，也包括利用各種技術(shù)手段，如鍛造、鍛壓、焊接、車、銑、刨、磨、堆積等傳統(tǒng)工藝加工而成的幾何實(shí)體。幾何實(shí)體包含了零件的幾何信息,但這些信息必須經(jīng)過反求工程將三維物理實(shí)體的幾何信息數(shù)字化,將獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理后,實(shí)現(xiàn)三維重構(gòu)而得到CAD三維模型。1.2快速成型技術(shù)（RP）的技術(shù)體系3.數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換

快速成型系統(tǒng)比繪圖儀、打印機(jī)要復(fù)雜得多，同時(shí)設(shè)備工藝也具有更大的多樣性，因此利用快速成型系統(tǒng)制造零件并不像使用打印機(jī)、繪圖儀那樣簡(jiǎn)單，只要將CAD系統(tǒng)的文件發(fā)送過去就行了。三維CAD造型或反求工程得到的數(shù)據(jù)必須進(jìn)行大量處理，才能用于控制RP成型設(shè)備制造零件。數(shù)據(jù)處理的主要過程包括表面離散化，生成STL文件或CFL文件，分層處理生成SLC、CLI、HPGL等層片文件，根據(jù)工藝要求進(jìn)行填充處理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)和修正并轉(zhuǎn)換為數(shù)控代碼。1.2快速成型技術(shù)（RP）的技術(shù)體系4.原型制造

即利用快速成型設(shè)備將原材料堆積成為三維物理實(shí)體。材料、設(shè)備、工藝是快速原型制造中密切相關(guān)的三個(gè)基本方面。不同的工藝要求不同的材料，要求不同的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。這里材料問題是一個(gè)基本的問題。目前許多制造商可以提供多種快速原形設(shè)備，而且新的工藝設(shè)備也在不斷出現(xiàn)。常見的系統(tǒng)有3DSystems的SLA-250，Helisys的LOM-2030，Stratasys的FDM1650，F(xiàn)DM2000，F(xiàn)DM8000，國(guó)內(nèi)清華大學(xué)激光快速成型中心的MRPMS-Ⅱ等。各種設(shè)備具有不同的特點(diǎn)和局限，有著不同的應(yīng)用范圍。1.2快速成型技術(shù)（RP）的技術(shù)體系5.物性轉(zhuǎn)換通過快速原形系統(tǒng)制造的零件的力學(xué)、物理性質(zhì)往往不能直接滿足需要，仍然需要進(jìn)一步的處理，即對(duì)其物理性質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。該環(huán)節(jié)是RP&M實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，包括精密鑄造、金屬噴涂制模、硅膠模鑄造、快速EDM電極、陶瓷型精密鑄造等多項(xiàng)配套制造技術(shù)，這些技術(shù)與RP技術(shù)相結(jié)合，形成快速鑄造、快速模具制造等新技術(shù)。在目前RP制造技術(shù)尚不能直接制造滿足工業(yè)要求的結(jié)構(gòu)和功能零件的情況下，這是RP技術(shù)走向工業(yè)應(yīng)用的重要橋梁。1.3快速成型技術(shù)（RP）系統(tǒng)分類

快速成型技術(shù)的工藝方法目前已有十余種。根據(jù)所使用的材料和建造技術(shù)的不同，目前應(yīng)用比較廣泛的方法有：采用光敏樹脂材料通過激光照射逐層固化的光固化成型法（StereolithographyApparatus，SLA）、采用紙材等薄層材料通過逐層粘接和激光切割的疊層實(shí)體制造法（LaminatedObjectManufacturing，LOM）、采用粉狀材料通過激光選擇性燒結(jié)逐層固化的選擇性激光燒結(jié)法（SelectiveLaserSintering，SLS）和熔融材料加熱熔化擠壓噴射冷卻成型的熔融沉積制造法（FusedDepositionManufacturing，F(xiàn)DM）等。1.3快速成型技術(shù)（RP）系統(tǒng)分類1.4快速成型技術(shù)的特點(diǎn)1.自由成型制造2.制造過程快速3.添加式和數(shù)字化驅(qū)動(dòng)成型方式4.技術(shù)高度集成5.突出的經(jīng)濟(jì)效益6.廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域1.5快速成型技術(shù)的優(yōu)越性1.設(shè)計(jì)者受益采用快速成型技術(shù)之后，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)的最初階段,就能拿到實(shí)在的產(chǎn)品樣品，在單個(gè)零件和裝配部件的級(jí)別上，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)和優(yōu)化，并可在不同階段快速地修改、重做樣品，甚至做出試制用工具、模具及少量的產(chǎn)品。這將給設(shè)計(jì)者創(chuàng)造一個(gè)優(yōu)良的設(shè)計(jì)環(huán)境，提供一個(gè)快捷、有力的物理模擬手段，無需多次反復(fù)思考、修改，即可盡快得到優(yōu)化結(jié)果，從而能顯著地縮短設(shè)計(jì)周期和降低成本。1.5快速成型技術(shù)的優(yōu)越性2.制造者受益制造者在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最初階段也能拿到實(shí)在的產(chǎn)品樣品，甚至試制用的工具、模具及少量產(chǎn)品，這使得他們能及早地對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出意見,做好原材料、標(biāo)準(zhǔn)件、外協(xié)加工件、加工工藝和批量生產(chǎn)用工具、模具等的準(zhǔn)備工作，最大限度地減度少失誤和返工，大大節(jié)省工時(shí)、降低成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量。1.5快速成型技術(shù)的優(yōu)越性3.推銷者受益推銷者在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最初階段也能拿到實(shí)在的產(chǎn)品樣品，甚至少量產(chǎn)品，這使得他們能據(jù)此及早、實(shí)在地向用戶宣傳和征求意見，以及進(jìn)行比較準(zhǔn)確的市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)，而不是僅憑抽象的產(chǎn)品描述或圖樣、樣本來推銷。所以快速成型技術(shù)的應(yīng)用可以顯著地降低新產(chǎn)品的銷售風(fēng)險(xiǎn)和成本，大大縮短其投放市場(chǎng)的時(shí)間和提高競(jìng)爭(zhēng)能力。1.5快速成型技術(shù)的優(yōu)越性4.用戶受益用戶在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最初階段，也能見到產(chǎn)品樣品甚至少量產(chǎn)品，這使得用戶能及早、深刻地認(rèn)識(shí)產(chǎn)品，進(jìn)行必要的測(cè)試，并及時(shí)提出意見，從而可以在盡可能短的時(shí)間內(nèi)，以最合理的價(jià)格得到性能最符合要求的產(chǎn)品。1.5快速成型技術(shù)的優(yōu)越性1.設(shè)計(jì)者受益采用快速成型技術(shù)之后，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)的最初階段,就能拿到實(shí)在的產(chǎn)品樣品，在單個(gè)零件和裝配部件的級(jí)別上，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)和優(yōu)化，并可在不同階段快速地修改、重做樣品，甚至做出試制用工具、模具及少量的產(chǎn)品。這將給設(shè)計(jì)者創(chuàng)造一個(gè)優(yōu)良的設(shè)計(jì)環(huán)境，提供一個(gè)快捷、有力的物理模擬手段，無需多次反復(fù)思考、修改，即可盡快得到優(yōu)化結(jié)果，從而能顯著地縮短設(shè)計(jì)周期和降低成本。1.6快速成型技術(shù)的應(yīng)用1.工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)及樣件試制（1）在國(guó)外，快速原型即首版的制作，已成為供應(yīng)商爭(zhēng)取訂單的有力工具。美國(guó)Detroit的一家制造商，利用2臺(tái)不同型號(hào)的快速成型機(jī)以及快速精鑄技術(shù)，在接到Nord公司標(biāo)書后的4個(gè)工作日內(nèi)生產(chǎn)出了第一個(gè)功能樣件，從而拿到了Ford公司年生產(chǎn)總值300萬美元的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋精鑄件的合同。1.6快速成型技術(shù)的應(yīng)用1.工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)及樣件試制（2）在RP系統(tǒng)中，一些使用特殊材料制作的原型(如光敏樹脂等)可直接進(jìn)行裝配檢驗(yàn)、模擬產(chǎn)品真實(shí)工作狀況的部分功能試驗(yàn)。Chrysler直接利用RP技術(shù)制造的車體原型進(jìn)行高速風(fēng)洞流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，節(jié)省成本達(dá)70%。（3）結(jié)合逆向工程、并行工程，RP顯示出了更大的發(fā)展空間。1.6快速成型技術(shù)的應(yīng)用2.快速模具(RapidTooling)制造RP技術(shù)可用于制作注塑模、鑄造模、陶瓷模、硬質(zhì)合金模、鍛模和沖壓模等等，其各種工藝方法都可直接或是間接地用于快速模具制造。例如，LOM法可用于制造下列用途的模具，灌注石蠟鑄造蠟?zāi)５哪＞摺⑹喑尚湍?、塑料壓鑄成型模和低熔點(diǎn)合金鑄造模等；SLS法可直接燒結(jié)金屬模具或陶瓷模具，用作注塑、壓鑄、擠塑等塑料成型模及沖壓成型模，SLS制作的模具經(jīng)浸銅后，還可直接用作金屬模具。1.6快速成型技術(shù)的應(yīng)用3.在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

由于醫(yī)學(xué)上一些嚴(yán)重面容畸形的形態(tài)特殊（如先天性唇裂，面容的多發(fā)性骨折等）其周圍解剖關(guān)系復(fù)雜，往往通過二維平面的觀察很難確定病變范圍。這給醫(yī)生制定手術(shù)方案帶來很大的困難。因此，如果在手術(shù)前，利用逆向工程應(yīng)用螺旋CT或MRI獲得缺損骨連續(xù)性缺損三維數(shù)據(jù)模型，在計(jì)算機(jī)上模擬重建三維圖像，可以直觀地對(duì)骨性疾病做出正確的診斷。然后將三維數(shù)據(jù)模型通過快速成型技術(shù)轉(zhuǎn)化為二維仿真生物模型后，為術(shù)者提供了手術(shù)平臺(tái)，術(shù)前能夠?qū)€(gè)體化實(shí)體模型直觀地進(jìn)行分析、測(cè)量，并預(yù)演整個(gè)手術(shù)過程，明確截骨范圍，熟悉手術(shù)過程，縮短了手術(shù)時(shí)間，簡(jiǎn)化手術(shù)，從而減少手術(shù)并發(fā)癥狀的發(fā)生。1.7快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1.新型分層疊加成型方法的研究與開發(fā)口?？焖俪尚偷幕A(chǔ)是分層制造、積分疊加成型，然而，用什么材料進(jìn)行分層疊加，以及如何進(jìn)行分層疊加卻大有文章可做。因此，除了常見的SLA、SLS、LOM、FDM、TDP等方法外，現(xiàn)正在研究開發(fā)一些新的分層疊加成型方法，以便進(jìn)一步改善制件的性能、精度和成型效率。1.7快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1.新型分層疊加成型方法的研究與開發(fā)口。快速成型的基礎(chǔ)是分層制造、積分疊加成型，然而，用什么材料進(jìn)行分層疊加，以及如何進(jìn)行分層疊加卻大有文章可做。因此，除了常見的SLA、SLS、LOM、FDM、TDP等方法外，現(xiàn)正在研究開發(fā)一些新的分層疊加成型方法，以便進(jìn)一步改善制件的性能、精度和成型效率。1.7快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)2.快速成型技術(shù)的進(jìn)一步研究和開發(fā)的方向RP技術(shù)雖然有其巨大的優(yōu)越性，但是也有它的局限性，由于可成型材料有限，零件精度低，表面粗糙度高；原型零件的物理性能較差，成型機(jī)的價(jià)格較高，運(yùn)行制作的成本高等，所以在一定程度上成為該技術(shù)的推廣普及的瓶頸。1.7快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)3.研究新的成型方法與工藝在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，拓展RP技術(shù)的應(yīng)用，開展新的成型技術(shù)的探索。新的成型方法層出不窮，如三維微結(jié)構(gòu)制造、生物活性組織的工程化制造、激光三維內(nèi)割技術(shù)、層片曝光方式等。對(duì)于RP微型制造的研究主要集中于：RP微成型機(jī)理與方法、RP系統(tǒng)的精度控制、激光光斑尺寸的控制以及材料的成型特性等方面。目前制作的微零件僅是概念模型，并不能稱之為功能零件，更談不上微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），要達(dá)到MEMS還需克服很多的問題，如：隨著尺寸的減小，表面積與體積之比相對(duì)增大，表面力學(xué)、表面物理效應(yīng)將起主導(dǎo)作用；微摩擦學(xué)、微熱力學(xué)、微系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試等。1.7快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)4.開發(fā)新的成型材料成型材料是決定快速成型技術(shù)發(fā)展的基本要素之一。加工對(duì)