第6章 快速成形技術(shù)

1、第六章 快速成形技術(shù),一、快速成形技術(shù)的形成與發(fā)展 1、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)要求：縮短產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到成品的周期 2、計(jì)算機(jī)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)只能提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量 3、對(duì)于復(fù)雜形狀和難加工材料，用傳統(tǒng)方法（機(jī)械加工或CNC加工）得到產(chǎn)品原型很困難。 80年代中期以來(lái)，先后在美國(guó)、日本、西歐出現(xiàn)了一種集計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、精密機(jī)械、數(shù)控、激光技術(shù)和材料科學(xué)為一體的全新的造型技術(shù)：快速成型技術(shù)（Rapid Prototyping & manufacturing 簡(jiǎn)稱RPM）,美國(guó)自1990年、西歐自1992年每年舉行一次專門的RPM學(xué)術(shù)會(huì)議。美國(guó)工程師協(xié)會(huì)專門成立了RPM分會(huì)。 美國(guó)開(kāi)發(fā)了第一套快速成型系統(tǒng)：立體光照印刷

2、成型系統(tǒng)（Stereo Lithography ApparatusSLA），成立了相應(yīng)的研究開(kāi)發(fā)公司。 Helisys公司首創(chuàng)分層物體制造方法（Laminated Object ManufacturingLOM） DTM公司推出選擇性激光燒結(jié)方法（Selective Laser SinteringSLS） Stratasys公司開(kāi)發(fā)了熔絲沉積制造方法（Fused Deposition ManufacturingFDM） 麻省理工學(xué)院三維印制法（Three Dimension PrintingTDP）,日本：三菱商社與SLA類似的光照成型系統(tǒng)：紫外光掃描立體生成法（Short for Solid

3、 Object Ultraviolet Laser PlotterSOUP）并 率先在日本市場(chǎng)出售。 SONY、三井造船、帝人制機(jī)投入開(kāi)發(fā)行列。 德國(guó)：EOS公司的Stereos Eosint系統(tǒng)。 以色列：Cubital公司的Solider系統(tǒng)。 應(yīng)用實(shí)例：1、德國(guó)大眾汽車公司采用分層物體制造法（Laminated Object Manufacturing-LOM)，成功地制造了異常復(fù)雜的Golf Passat轎車的齒輪箱體原型，精度超過(guò)傳統(tǒng)方法。時(shí)間由8周縮短為2周。用此原型作為鑄模生產(chǎn)金屬齒輪箱體鑄件。,美國(guó)Ford公司采用RPM系統(tǒng)原型和精密鑄造工藝結(jié)合的方法生產(chǎn)出注塑模模腔鑲塊。所化

4、時(shí)間和費(fèi)用僅為傳統(tǒng)工藝的一半。 美國(guó)一設(shè)計(jì)高爾夫球桿的公司：原來(lái)采用手工藝人和設(shè)計(jì)者共同工作，用黃銅制做模型，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，只制做3個(gè)方案。購(gòu)買一臺(tái)LOM1015型RPM機(jī)，一年之內(nèi)制做90多個(gè)物理模型，可在短時(shí)間內(nèi)嘗試眾多方案。確定后，用LOM機(jī)加工出注射模供制造蠟?zāi)＃儆萌勰ｈT造的方法鑄出不銹鋼或鈦的球桿頭部模型。 預(yù)測(cè)：隨著RPM的技術(shù)完善，制造注塑模的時(shí)間可減少到三周，費(fèi)用降低60。,RPM設(shè)備1988年問(wèn)世，但全世界生產(chǎn)快速成型設(shè)備的公司很多，銷售量增長(zhǎng)速度很快： 到94年：銷售891臺(tái) 到95年：銷售891521臺(tái) 我國(guó)：90年代開(kāi)展相應(yīng)的研究和應(yīng)用，引進(jìn)了幾臺(tái)國(guó)外的RPM系統(tǒng)。一些部

5、門開(kāi)始研究、制造： 清華大學(xué)：吐絲（熔絲）式；紙基疊層式。 華中理工大學(xué)：選擇性激光燒結(jié)式；紙基層疊式。 西安交大：光敏式（可能是發(fā)展方向） 隆源公司：選擇性激光燒結(jié),二、快速成形技術(shù)的基本原理,基本思想：采用材料添加法，把計(jì)算機(jī)三維CAD模型快速地轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w物質(zhì)構(gòu)成的三維實(shí)體原型。 原理：將計(jì)算機(jī)三維實(shí)體模型沿某一方向進(jìn)行平面“分層”離散化，然后通過(guò)專有系統(tǒng)將成形材料一層層加工并堆積成形。,CAD模型,模型Z向離散（分層）,層面信息處理,層面加工與粘結(jié),逐層堆積,應(yīng)用,1、CAD模型： 采用一般的CAD軟件，要求有較強(qiáng)的三維幾何造型能力。常用的軟件有：Pro/E、AutoCAD、CATIA、

6、EUCLID、CADKEY、SDRC、Unigraphics。 CAD系統(tǒng)將形成的曲面或?qū)嶓w模型自動(dòng)轉(zhuǎn)化成易于切片處理的表面三角形模型。 對(duì)于SLA、FDM等成形方法還要考慮在模型中加進(jìn)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 2、模型Z向離散： 分層過(guò)程。根據(jù)有利于零件堆積制造而優(yōu)選的特殊方位，橫截成一系列具有一定厚度的薄層，得到每一層內(nèi)外輪廓等幾何信息。厚度通常為：0.050.4mm。也可各層不一。,3、層面信息處理： 根據(jù)層面的幾何信息，通過(guò)層面內(nèi)外輪廓識(shí)別及補(bǔ)償、廢料區(qū)的特性判斷等，生成成形機(jī)工作的數(shù)控代碼，以便成形機(jī)的激光頭或噴口對(duì)每一層進(jìn)行精確加工。 4、層面加工與粘接： 根據(jù)生成的指令，對(duì)當(dāng)前層進(jìn)行加工，

7、并把加工好的當(dāng)前層與已加工好的部分粘合。 5、逐層堆積： 每一層加工結(jié)束并和上一層粘接后，零件下降一個(gè)層面，再加工新的一層。反復(fù)進(jìn)行。 6、深度固化、清理、修磨、著色、表面噴鍍。,三、 快速成形技術(shù)的特點(diǎn),1、傳統(tǒng)原型制作方法一般采用電腦數(shù)控加工或手工造型，采用RPM技術(shù)能由產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙、CAD數(shù)據(jù)、或由測(cè)量機(jī)測(cè)得的現(xiàn)有產(chǎn)品幾何數(shù)據(jù)，直接制成所描繪模型的塑料件或金屬件，不需要任何模具、NC加工和人工雕刻。 2、由于快速成形技術(shù)采用將三維形體轉(zhuǎn)化為二維平面分層制造機(jī)理，對(duì)工件的幾何構(gòu)成復(fù)雜性不敏感，因而能制造任意復(fù)雜的零件，充分體現(xiàn)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，尺寸和形狀精度大為提高，不需進(jìn)一步機(jī)加工。,3、快速制

8、造模具。 1）借助電鑄、電弧噴涂等，由塑料件制造金屬模具。 2）制作的原型作消失模，進(jìn)行精密鑄造。 3）快速制作高精度的木模，進(jìn)一步澆注金屬件 4）通過(guò)原型制造石墨電極。電極加工模具。 5）直接加工陶瓷型殼進(jìn)行精密鑄造。 4、新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，快速評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)的可行性。 1）外形設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)。 2）檢驗(yàn)設(shè)計(jì)質(zhì)量。 3）功能檢測(cè)。,5、能根據(jù)有限元分析(計(jì)算機(jī)輔助模擬CAE）的結(jié)果。制作實(shí)體，檢驗(yàn)仿真分析的正確性。短時(shí)間內(nèi)，對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行多次修改，制作相應(yīng)的模型驗(yàn)證，使產(chǎn)品達(dá)到完美。 6、制作過(guò)程不需要工裝模具的投入，其成本只與成形機(jī)的運(yùn)行費(fèi)、材料費(fèi)及操作者的工資有關(guān)。與產(chǎn)品的批量無(wú)關(guān)。 7、快速造型中的反

9、求工程具有廣泛的應(yīng)用。結(jié)合三維激光掃描儀、自動(dòng)斷層掃描儀等設(shè)備，能快速進(jìn)行RPM加工。包括：現(xiàn)有產(chǎn)品的復(fù)制和改進(jìn)；醫(yī)學(xué)應(yīng)用：制造假肢、人造骨骼、手術(shù)計(jì)劃模型；人體頭像立體攝影,由此可見(jiàn)RPM技術(shù)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造程式，使得產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程有可能并行進(jìn)行，共成于一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。,四、快速成形技術(shù)典型方法介紹,1、立體光照成形SLA法 采用紫外激光束硬化光敏樹(shù)脂生成三維物體。,特點(diǎn)： 1、第一種投入商業(yè)應(yīng)用的RPM技術(shù)，能制造精細(xì)的零件，表面質(zhì)量好，可直接制造塑件。 2、SLA設(shè)備昂貴（30萬(wàn)美元以上），紫外激光管壽命短。 3、光敏樹(shù)脂貴（100美元/公斤），且有一定的毒性，需采取防護(hù)措

10、施。 4、固化層易漂浮，需采取支撐機(jī)構(gòu)與原型制件一道固化。 5、固化過(guò)程中材料發(fā)生相變，收縮產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，引起翹曲和變形。 6、材料是丙烯酸脂或環(huán)氧樹(shù)脂，不能反復(fù)加熱熔化，在消失鑄造時(shí)只能燒掉。,2、分層物體制造LOM法 通過(guò)對(duì)原料紙進(jìn)行層合與激光切割來(lái)形成零件。,由于激光只切割每層的內(nèi)外輪廓，所以成形速度比較高，制成后用聚胺酯噴涂即可使用。 膠紙片的厚度為0.070.1mm。 特點(diǎn)： （1）設(shè)備價(jià)格低廉，壽命長(zhǎng)。 （2）材料為涂有熱熔樹(shù)脂及添加劑的紙，制造過(guò)程中無(wú)相變，幾乎不存在收縮和翹曲變形，剛度好，精度高，幾何穩(wěn)定性好。 （3）造型材料成本低。（國(guó)產(chǎn)30元/公斤） （4）只對(duì)輪廓切割，成型

11、速率高，制作時(shí)間短 （5）無(wú)需支撐設(shè)計(jì)，軟件工作量小。 （6）能制造大尺寸制件，工業(yè)應(yīng)用面廣。 （7）代替蠟材，燒失時(shí)不膨脹，便于熔模鑄造。,3、選擇性激光燒結(jié)SLS法 在鋪設(shè)的一層（0.10.2mm)熱塑性粉末（也可以是金屬粉外覆蓋一層熱塑性材料并加熱到略低于融化溫度，然后采用激光根據(jù)每層的幾何信息選擇性地進(jìn)行燒結(jié)，一層完后，再鋪新的一層。,SLS法與SLA法相比的特點(diǎn)： （1）材料的選擇性廣泛，可配合不同的用途。 （2）材料一般無(wú)毒。 （3）不需要支撐（靠未燒結(jié)的粉末撐托工件） 常用材料有： （1）標(biāo)準(zhǔn)的鑄造蠟材。用于失蠟鑄造。 （2）聚碳酸脂：制作原型、堅(jiān)固的鑄芯、復(fù)制用的母模、沙模鑄造

12、用的鑄芯。堅(jiān)固、耐熱。 （3）尼龍：制造功能測(cè)試用的原型。耐用、耐熱、耐化學(xué)腐蝕。 （4）金屬：鋼銅合金。制作模腔及模芯的鑲塊，直接用做注塑模具的型腔。,4、熔絲沉積制造FDM法,原理：噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下將熔融的材料按零件截面輪廓擠壓出，并很快凝固，形成精確的層 （厚度：0.0250.762MM），多層相疊，形成整體。,運(yùn)動(dòng)：噴頭受水平分層控制，作x-y方向聯(lián)動(dòng)，噴完一層后再沿z方向進(jìn)給。 工藝關(guān)鍵：保持半流動(dòng)成形材料剛好在凝固點(diǎn)之上。（通常控制在比凝固溫度高1度左右） 所用材料：聚碳酸脂、鑄造蠟材、ABS。 應(yīng)用：塑料零件的無(wú)模成形。 特點(diǎn)：不采用激光、成本低，制作速度快，但精度較差。,5

13、、三維印刷系統(tǒng)TDP法,原理：噴頭在鋪好的一層粉末材料上選擇性地噴射粘接劑，有粘接劑的地方粉末材料被粘接在一起其他地方仍為粉末，這樣層層粘接得到一個(gè)空間實(shí)體，去除多余粉末并進(jìn)行燒結(jié)得到要求的零件。,特點(diǎn)：不采用激光，制作速度非?？?，成本低。但制作出的零件表面粗糙。 應(yīng)用：主要用來(lái)制作陶瓷模。 五、快速制造系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo) 1、最大零件尺寸（長(zhǎng)、寬、高） LOM法得到的零件尺寸最大：813*559*508mm 2、零件精度 RPM方法精度最高約為：0.1mm 3、激光器 激光的類型、功率、激光器使用壽命、光束直徑、冷卻系統(tǒng) 4、激光的切割速度 5001000m/S 功率大小、加工材料、光斑定位機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度,5、造型材料類型 6、造型機(jī)占地空間 7、計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng) 8、輸入文件的格式。（CAD模型數(shù)據(jù)一般采用STL格式） 六、快速成形技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用 1、噴涂法 在得到的零件原型上噴涂霧狀金屬粉末，將產(chǎn)生的金屬硬殼分離下來(lái)，用填充鋁的環(huán)氧樹(shù)脂或硅橡膠支撐，即可制作出較為精密的注射模。 特點(diǎn)：省略了傳統(tǒng)方法的詳細(xì)繪圖、機(jī)械加工、熱處理等費(fèi)時(shí)工序。模具壽命可達(dá)到10000次。,2、研磨法 將環(huán)氧樹(shù)脂和碳化硅按一定比例混合后，澆附在RPM模型上，固化后得到一印模，