先进制造技术

CAD/CAM部分

1．CAD/CAM：CAD/CAM的涵义（P35）

CAD: Computer Aided Design CAM：Computer Aided Manufacturing

using computers in the design and manufacturing processes

CAD/CAM：指产品设计和制造技术人员在计算机系统的支持下，根据产品设计和制造流程进行设计与制造的一项技术。

Computer graphics(CG) 计算机图形学 Computer-aided engineering(CAE) 计算机辅助工程分析Computer-aided process planning(CAPP) 计算机辅助工艺规程设计Computer-aided design and drafting(CADD)

2．CAD的系统组成部分：科学计算、图形系统和工程数据库等组成。现代的CAD系统是以交互式计算机图形学Interactive computer graphics （ICG）作为基础.

CAM典型的CAM技术包括：计算机数控制造和编程、工艺过程设计、计算机控制的机器人制造和装配、柔性制造系统生产管理等。广义的CAM是利用计算机辅助完成从毛坯到产品整个制造过程中的直接和间接活动。

CAD/CAM

由人(the human designer )、硬件(hardware)和软件(software)组成的CAD／CAM系统将实现设计和制造各功能模块之间的信息传输和交换，并对各功能模块的运行进行统一管理和控制。

CAD/CAM基本原理

优点：Increased productivity提高的生产率Better quality 更好的质量 Better communication 更方便的通讯Common database 有与制造相关的公用数据库 Reduced prototype costs 降低原型制作费用Faster response to customers 对客户的更快速的反应CAD的四个阶段：Design Modeling 设计建模 Design Analysis 设计分析Design Review设计审核 Design Documentation设计存档设计建模三种显示形式two-dimensional or 2-D two-and-a-half-dimensional or 2.5-D three-dimensional or 3D

2维的表达Orthographic representation正交（平面）投影表达

3维造型的两种形式：线框造型(Wireframe Modelling) 实体造型(Solid Modelling)

设计分析具体要做什么？

ADAMS 、DADS主要用来分析所设计的装配体的运动学、动力学及大位移响应；NASTRAN、 ANSYS用于分析承受集中载荷和热应力机械构件的应力和温度分布情况。当构件受动载荷作用时也可进行振动分析。大型通用有限元分析软件ANSYS是美国ANASYS公司研制，该软件融合了结构、热、流体、电磁、声学于一体.

有限元法(Finite Element Method)基本思想：将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。有限元法基本思想是“一分一合”，分是为了进行单元分析，合则是为了对整体结构进行综合分析。即用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法。

设计审核常借助的功能模块：semiautomatic dimensioning尺寸驱动、layering图层分层、interference checking.干涉检查、Zoom放大CAD/CAM 的硬件：cpu 输入设备、输出设备

(CPU,中央处理单元), various output devices such as plotters（绘图仪） and printers （打印机）,a secondary storage capability (辅助存储设备) ,a graphics terminal （图形终端）, and various input devices.

CAD/CAM 的软件的五大功能1) Producing graphic images 产生图像文件Manipulation of graphic images 对图像进行操作Controlling the terminal display 控制终端显示Performing editing functions 完成编辑功能Performing input functions 输入数据3D实体建模的两种基本方法：Constructive solid geometry (CSG, 构造实体几何法) 构造实体几何法:是采用基本的体素经过集合运算(交、并、差)构造出复杂的形体。基本体素常定义为长方体、圆柱体等由平面、二次曲面构成的有界实体。 Boundary representation (B-rep, 边界表示法) 边界表示法:着重物体的外表面描述。在边界表示法中，一个物体被看作是由有界的平面或曲面子集构成的，每个面又通过它的边界边和顶点来组成，经过各种几何运算和操作，达到构成物体的目的。

数控部分

数控加工与传统加工的比较优点：

More accurate than manually operated machines Producing parts more uniformly

More faster than the manual operation More lower cost of the long-run tooling

数控机床的组成部分：主机、数控装置、驱动装置、辅助装置

数控的三种模式：direct numerical control (DNC)直接式数控 distributed numerical control（DNC）分布式数控 computer

numerical control (CNC)计算机数控

对于开闭环的理解：开环：In the open-loop system, the signals are sent to the servomotor by the controller, but the movements and final positions of the work table are not checked for accuracy. 开环控制；即不带位置反馈装置的控制方式。闭环The closed-loop system is equipped with various transducers（传感器）,sensors （敏感元件），and counters that measure accurately the position of the work table. Through feedback control, the position of the work table is compared against the signal. 闭环控制；是

在机床的最终的运动部件的相应位置直接直线或回转式检测装置，将直接测量到的位移或角位移值反馈到数控装置的比较器中与输入指令移

量进行比较，用差值控制运动部件，使运动部件严格按实际需要的位移量运动。

数控机床的工作原理：是数控装置内的计算机对以数字和字符编码方式所记录的信息进行一系列处理后，向机床进给等执行机构发出命令，

执行机构则按其命令对加工所需各种动作，如刀具相对于工件的运动轨迹、位移量和速度等实现自动控制，从而完成工件的加工。

数控系统的系统控制类型：point-to-point system （点位控制系统）点位控制数控机床的特点是机床的运动部件只能够实现从一个位置到

另一个位置的精确运动，在运动和定位过程中不进行任何加工工序。如数控钻床、数控坐标镗床、数控焊机和数控弯管机等。 contouring system （轮廓控制系统）能够对两个或两个以上的坐标轴进行连续相关的控制，不仅能控制机床移动部件的起点和终点坐标，而且还要控

制整个加工过程中每一点的速度和位移，以加工出任意斜线、圆弧、抛物线及其他曲线或曲面。

加工中心的主要优点：increased productivity versatility

加工中心的类型：Vertical machining center Horizontal machining center Universal machining center

加工中心的优点：Improved flexibility and reliability Increased feeds, speeds, and overall machine construction and rigidity Reduced loading, tool-changing, and other non-cutting time

Greater MCU (machine control unit) capability and compatibility with systems Reduced operator involvement Improved safety features and less noise

柔性制造部分

制造竞争的六大要素：(1)交货期短(T：Time to Market) 产品上市快 (2)质量优良(Q：Good Quality) (3)价格低廉(C：Low Cost) (4)

服务优质(S：High Service) (5)环境清洁(E：Clean Environment) (6)知识创新(K：Knowledge Creation)

制造系统的概念：一个制造系统可以定义为一系列将原材料转变成更有用的形式,直至最终产品的增值的制造加工过程。

柔性制造系统：柔性制造系统是由一台或一组机床在计算机控制的自动物料储运系统下工作，具有工具运储能力。由于其工具运储能力和计

算机控制，这样系统可以被连续用来加工多品种零件。

柔性制造系统中人的任务：Equipment troubleshooting, maintenance, and repair

Tool changing and setup Loading and unloading the systems Data input Changing of parts programs Development of programs 柔性制造系统计算机的任务： Providing a tool for human to development NC programs

Controlling all level in an FMS Data collection, storage, retrieval System monitoring

Tool management

柔性制造系统的优点： Flexibility within a family of parts生产同一零件族的产品时具有足够的柔性 Random feeding of parts 零

件可随机上料 Simultaneous production of different parts可以同时生产不同零件Decreased setup time and lead time 减少了安

装调整和生产准备时间 more efficient machine usage提高了设备利用率Decreased direct and indirect labor costs

降低了直接和间接劳务成本 Ability to handle different materials 能加工不同物料Ability to continue some production if one machine breaks down 如果一台机器停产，还可继续生产

柔性制造系统的构成：机床设备、（专用系统，通用系统）控制系统、Control system（控制系统）为FMS提供许多不同的控制功能：Storage and distribution of parts programs零件加工程序的存储和分配Work flow control and monitoring 工作流控制与监控Production control

生产控制System/tool control/monitoring 系统与工具的控制/监测

物料储运系统、主要完成两种不同的工作：（1）零件毛坯、原材料、工具和配套件等由外界搬运进系统，以及将加工好的成品及工具换下来

从系统中搬运走；（2）零件、工具和配套件等在系统内部的搬运和存储。

物料系统的组成：运输设备（机器人及机器手，运输小车agv、传输带、自重输送）储存设备（物料进出站、立体仓库、托盘站、刀具库）

CIM部分

现代制造涉及的活动：Identifying a need for a product. 产品需求的确认(2) Designing a product to meet the needs.设计产品满足

市场需求(3) Obtaining the raw materials needed to produce the product.获取制造产品所需的原材料(4) Applying appropriate processes

to transform the raw materials into finished products.运用恰当的工艺方法将原材料转换成最终产品(5) Transporting products to the market.将产品投放市场(6) Maintaining the product to ensure proper performance in the field. 产品性能的维护

CIM定义：CIM作为一种组织、管理与进行企业生产的哲理，它在计算机和网络支撑下，综合运用现代管理、制造、信息、自动化和系统工程等领域的技术，将企业生产全部过程中有关人、技术、经营管理要素及其信息流与物流有机地集成并优化运行，以实现产品高质量、低成本、上市快，从而使企业赢得市场竞争。通俗理解：用计算机通过信息集成实现现代化的生产制造理念。工具：计算机内容：制造核心：信息的集成 CIMS是基于CIM理念构成的优化运行的企业制造系统。

CIM的优点：Product quality increases 产品质量提高 Lead times are reduced 定货到交货时间缩短Inventories are reduced 库存量减少Direct labor costs are reduced 降低直接劳务成本Overall productivity increases 整体生产力提高Design quality increases 提高设计质量Product development times are reduced 缩短产品开发周期

CIM的相关标准：Manufacturing automation protocol (MAP) 制造自动化协议。。MAP是为了实现由不同商家提供的制造系统之间的兼容性而开发出的一种通信标准，可实现不同机器之间的信息交换。Technical and Office Protocol (TOP) 技术事务协议：TOP是为了促使办公室环境下的集成化而建立的一种标准。它的目的是使CIM轮图中各业务部门的自动化孤岛之间能相互进行交流，这种交流不仅仅局限在业务内部之间，而且要与那些包含在制造部门内的信息孤岛进行交流，甚至制造部门内的信息孤岛之间也存在着信息交流。Initial Graphics Exchange Specification (IGES) 它主要用来实现由不同供货商提供的CAD系统之间的信息交流，并且仅限于轮图中的产品和工艺定义部门采用。初始图形交换标准Standard for the Exchange of Product Data( STEP产品数据交换标准：STEP标准是一种计算机可理解的关于产品数据的表达和交换的国际标准，是对IGES接口的进一步改进和发展。其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期中的产品数据，产品生命周期包括产品的设计、制造、使用、维护、报废等整个周期。

成组技术：成组技术是一种制造哲学，它涉及对具有相似或相关属性的零件进行标识和分组，这样便可以在设计和/或制造阶段得益于它们的相似性。将企业生产的多种产品、部件和零件，按照一定的相似性准则分类成组，并以这种分组为基础组织生产，从而实现产品设计、制造和生产管理的合理化及高效益。

零件分组使用准则：设计相似性和制造相似性

零件分组的方法：Sight inspection 目测法Route sheet inspection 制造流程观测法（Production Flow Analysis 生产流程分析法）Parts classification and coding 编码分类法

最常用的是编码分类法。

三种属性分类：设计属性组、制造属性组、综合属性组。

工艺规程的基本任务：根据产品零件的技术要求，为被加工零件制定合理的加工方法和加工顺序。

工艺规程应包括的内容：选择毛坯、加工方法、机床、装夹定位方法、加工顺序、刀具量具等工艺技术装备、确定切削用量和制造公差、工时定额、编制工艺过程工作文件。

Automated Process Planning自动工艺设计：计算机辅助工艺规程设计，即 Computer Aided Process Planning，简称CAPP，是通过计算机技术辅助工艺设计人员，以系统、科学的方法确定零件从毛坯到成品的整个技术过程，即工艺规程。

CAPP工作原理：利用CAD/CAM系统对零件进行设计，描述该零件的数学模型以电子数据的格式从CAD/CAM系统传给CAPP系统。利用存储在CAPP中的信息，计算机将被加工件的各种特征与车间的生产设备和工艺进行比较，然后CAPP会打印出组成工艺规程的工艺卡和工艺流程卡。CAPP系统在工作原理上有3种不同的工艺规划方法：Variant approach (变异式或检索式) Generative approach(创成式方法) Artificial Intelligent approach(人工智能方法)

智能制造部分

智能制造的研究目标：以机器智能取代人的部分脑力劳动作为主要目标，强调整个企业生产经营过程大范围的自我组织和自我控制能力；信息和制造智能的集成与共享，强调智能集成的自动化

智能制造组成部分：智能制造技术（IMT）、智能制造系统（IMS）

智能制造技术：指在制造工业的各个环节，以一种高度柔性和高度集成的方式通过计算机来模拟人类专家的制造智能活动。它可对制造问题进行分析、判断、推理、构思和决策，旨在取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动并对人类专家的制造智能进行收集、存储、完善、共享、继承和发展。

智能制造系统：(Intelligent Manufacturing System, IMS)：是智能制造技术集成应用的环境，是智能制造模式展现的载体。是一种由智能机器和专家共同组成的人机一体化智能系统，将专家系统、模糊推理、人工神经网络等人工智能技术应用于制造中。

专家系统：是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统

专家系统一般结构：（推理机、工作存储器、知识库、解释器、外部程序）专家系统与传统的计算机程序系统有着完全不同的体系结构，通常它由知识库、推理机、综合数据库、知识获取机制、解释机制和人机接口等几个基本的、独立的部分所组成，其中尤以知识库与推理机相互分离而别具特色。

专家系统的主要类型：基于规则、基于框架、基于模型的专家系统

IMS的特点：系统的自组织能力。系统的自律能力。人机一体化。虚拟技术

，系统的自学习和自维护能力。系统注重整个制造环境的智能集成。

IMS与CIMS的关系：CIMS 注重企业内部物料流和信息流的集成，而IMS则注重大范围内的整个制造过程的自组织能力，因而难度更大。然而CIMS中有许多研究内容正是IMS发展的基础，而IMS又对CIMS提出更高的要求。总之，集成是智能的基础，而智能又推动集成达到更高水平，即智能集成。

敏捷制造部分

敏捷性：它是一个企业对快速变化、不断细分、追求高质量、高性能并由客户定制的产品与服务的全球市场所提出的挑战的综合响应能力。敏捷制造：以柔性生产技术和动态组织结构为特点，以高素质、协同良好的工作人员为核心，实施企业间网络集成，形成快速响应市场的社会化制造体系。

The production operations of a successful agile company, its organizational structure, management philosophy, personnel requirements, and technology investments, are all “pulled” by the customer-opportunity-centered business strategies. In an agile competitive environment, there is no one right way to organize and operate a company.

一个成功的敏捷公司的生产经营活动以及它的组织机构，管理理念，对员工的要求和技术投资等都是被以客户机遇为中心的商业策略所“拉动”的。在敏捷竞争的环境下，没有一种最合适的方式组织和经营公司。

Management can adopt the mix of multiple, concurrent strategies that will be most profitable for that company, given the variety of customers it serves and the various changing markets in which it competes.

No one strategy, no one mode of organization or operation, will be successful for long.

在公司的管理上，只要给定它所服务的客户种类以及各个它参与竞争的变化的市场，就可采用能给公司带来最大盈利的多种、并行的策略。可以说没有一种策略，没有一种组织和经营模式会永久有效。

与其他先进制造模式相比较，敏捷制造的主要特征：

以满足用户要求，获得利润为目标。2)以竞争能力和信誉为依据，选择组成动态公司的合作

伙伴。3)基于合作间的相互信任、分工协作、共同目标来有力地增强整体实力。4)把知识、技艺、信息投入最底层生产线。

与传统的大量生产方式相比，敏捷制造主要特征

1)全新的企业合作关系——虚拟企业(virtual enterprise)或动态联盟。2)大范围的通讯基础结构。 3)为订单而设计、为订单而制造的生产方式。4)高度柔性的、模块化的、可伸缩的生产制造系统。5)柔性化、模块化的产品设计方法。6)“高质量”的产品。 7) 有知识、有技术的人是企业成功的关键因素 8) 基于信任的雇佣关系。9) 基于任务的组织与管理。10) 对社会的正效应。

虚拟企业：是虚拟制造系统的一个方面，是以某一产品开发为核心，以规范化协议为基础，以网络为联系的由多个相关的具有优势的企业、公司和研究部门组成一种临时的动态联盟，以达到集中优势技术和加工能力，以最快的速度响应用户的需求和适应市场的变化。

虚拟企业的特点：功能的虚拟化。组织的虚拟化。地域的虚拟化。

For reasons of cost, speed, and access to expertise, facilities, or markets, new business capabilities may best be synthesized by forming alliances with other companies that already possess the resources required.

In addition to participating in traditional alliances such as partnerships and joint ventures, companies are exploiting a dynamic type of alliance called a virtual company. P162

由于制造成本、生产速度、可使用的专业知识、生产设施或市场等原因，最好通过和其他已具有所需生产资源的公司形成联盟，以获得新的生产经营能力。除了和传统的联盟形式，如合作和合资企业构成联盟组织外，一些公司正在建立一种称之为虚拟公司的动态联盟。

促使敏捷制造发展的原因：市场细分、按任意批量订单生产、将大批客户个体化对待的信息处理能力、不断缩短的产品生命周期、物理产品和服务的融为一体、全球化生产网络

公司之间的合作与竞争并存、大量定制模式下的销售渠道、公司重组狂潮、主流社会价值观给产品生产带来的压力.

?markets of all kinds are fragmenting at what seems like an accelerating pace. Magazines, beer, soft drinks, and snack foods; radio stations and cable TV channels; audio and video equipment; cameras, fax machines and copiers, printers,

and scanners all come in a bewildering array.

? Companies are “sneakerizing” their products, transforming them from relatively low-priced commodities to relatively high-priced specialty items.

各类市场都在以越来越快的速度进一步细分，杂志、啤酒、饮料、快餐食品以及广播电台与电视频道、音像设备、照相机、传真机和复印机、打印机，还有扫描仪等都在蜂拥而至。

各公司的产品都发生了像过去“帆布胶底运动鞋”一样的现象——他们将原来的产品从相对而言还算价廉的大众化商品变成了高价的专用品。

●Companies are segmenting markets according to function, exploiting economies of scope made possible primarily by the

popularization of microelectronics technologies.

● In a sense, the extraordinary range of computer chip-based consumer, commercial, and industrial products is an expression

of the packagability of this technology. (P.166)

各种公司正在按照产品功能对市场进行细分，并主要是通过推广微电子技术发展经济范围。

从一定意义上来说，大量涌现的基于计算机芯片的消费品、商业用品和工业用品都反映了这种微电子技术的“可包装性”。

●Individualized production increases competition in existing markets, opens new markets, and creates competitive

advantages by offering to mass-market customers individualized goods and services at as close to mass-production prices as a company chooses to price them.

个性化商品的生产提高了现有市场的竞争能力，开辟了新的市场，并通过以公司自行决定的几乎接近于大规模生产的价格给大量市场用户提供个性化的产品和服务创造了竞争优势。

●In addition, more and more companies are discovering that they can produce customer-configured products to order instead

of to forecast. Doing so generates benefits far beyond savings from the elimination of inventories.

●Finally, production equipment innovations continue to provide greater and greater functionality at smaller scales and

at significantly lower costs.

此外，越来越多的公司发现，它们可以按订单而不是根据预测为客户生产定制的产品。这样做获得的盈利远远超过了消除库存量而节省的资金。

最后，生产设备的革新使得这些设备在成本不断降低，尺寸不断缩小的情况下，其功能却变得越来越强。

●It becomes the producer’s job to help customers express their needs and their requirement. This includes “growing”

customers-------knowing enough about what customers do, what they want to do, and what they should want to do, being able to show them how they can benefit from a product customized to their needs.

在敏捷制造环境下，帮助客户表达他们的需求已成为制造商的任务。这就是所谓“培养”自己的客户——制造商要充分了解客户在做什么，他们想做什么以及他们将会做什么等等，能够让客户知道怎样才会从按他们要求定制的产品中获利。

●The decreasing lifetime of products, increasing proliferation of models, and accelerating pace of the introduction of

new or improved models are among the most brutal facts of contemporary competition.

●By integrating business functions, creating interactive relationships with customers and suppliers, and rethinking

company operations and processes, companies can often reduce their product cycle time dramatically.

当代竞争环境下最严峻的事实是：产品生命周期越来越短，产品种类越来越多，新产品或改良型产品更新步伐越来越快。

通过将公司的业务功能合并，并在客户和供应商之间建立起一种密切关系，同时对公司的生产经营活动重新考虑，可以大大减少产品的生产周期。

The addition of high-capacity information and communication systems to existing global transportation systems opens every market to any producer for whom the economics is attractive. Furthermore, it is increasingly easy to integrate design, production, marketing, and distributing resources distributed around the world into a coherent “Virtual” production facility. As a result, every company has the potential for linking some portion of its capabilities with complementary capabilities of other companies regardless of their location.

高容量的信息与通信系统再加上现有的全球运输系统为制造商打开了有利可图的每一个市场。而且，将设计、生产、市场营销和分布在全球的制造资源集成起来形成一个有凝聚力的“虚拟”生产设施越来越容易。因此，每个公司都有潜力将它的某些部分的生产能力与其他公司的

互补的制造能力结合起来，而不考虑其他公司的地理位置。

敏捷制造的主要实施策略：企业组织（企业内部重构、企业外部动态联盟）企业管理（内部分布式计划和调度系统、外部供应链管理）产品开发、财务决策系统、给员工授权。

快速原型制造部分

快速原型制造出现的原因：（1）substantial reduction of product development time （2)improvement on flexibility for manufacturing small batch size products and a variety of types of products

The prototype part is produced by adding materials rather than removing materials, that is, a part is first modeled by a geometric modeler such as a solid modeler, and then is mathematically sectioned (sliced) into a series of parallel cross-section pieces. For each piece, the curing or binding paths are generated. These curing or binding paths are directly used to instruct the machine for producing the part by solidifying or binding a line of material. After a layer is built, a new layer is built on the previous one in the same way. Thus, the model is built layer by layer from the bottom to top.

样件是通过增加材料而不是去除材料的方式生产出来的。也就是说，零件首先通过几何建模（实体建模）工具建立模型，然后将这些模型进行数学分割，分割为一系列平行的截面。每个截面都对应生成固化或粘结路径，并直接用这些路径指导机床通过固化或粘结材料进行零件加工。每完成一层，新的一层以同样方式在前一层表面生成。就这样一个样件从下到上逐层制造生产出来了。

快速原型制造技术：是由三维CAD 模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的技术总称。

快速原型制造技术特征是： 1）可以制造任意复杂的三维几何实体；2）由三维CAD 实体模型生成的STL 格式文件直接驱动快速成形机制造出实物样件；3）快速成形制造过程中，成形设备无需专用夹具或工具；

4）成形过程中无人干预或较少干预。

快速原型制造的过程：3D CAD model 三维模型—Slicing 切片处理——NC code 数控代码——Laser / Heat head 激光头/热源头——Additive machining 增加加工法（SL ( 光固化立体造型)、SLS (选择性激光烧结、FDM (熔融沉积造型、3D Printing (三维打印)、LOM （叠层实体制造）)——3D product 三维产品——后处理（零件的移走、清洗、后固化、修整）

快速成形技术基于材料累加原理，其过程是：先由三维CAD 软件设计出所需零件的计算机三维曲面（有厚度）或实体模型（数字模型），然后根据成形工艺要求，将其按一定厚度进行分层，把原来的三维数字模型变成厚度很薄的二维平面模型（截面信息），即离散化过程；再将分层后的数据进行一定的处理（如截面形状一定要封闭），加入加工参数，产生数控代码，在计算机控制下，数控系统以平面加工方式有序地连续加工出每个薄层并使它们自动粘接而成形，这就是材料堆积的成形过程 CAD 模型 切片 层片信息处理 路径规划

单层片加工

层片迭加 原型 零件 模型离散

材料迭加

快速成形的离散－迭加过程

光固化成型的步骤：

1．将某种感光聚合物维持在液态，这种聚合物接受光源照射会发生固化；

2. 一个可升降的工作台被定位在离液面只有单层厚度的聚合物液体中；

3. 一定波长的激光束按计算机控制指令在液面上有选择地进行扫描，使工作台上的聚合物固化成与零件对应截面一致的形状；

4. 升降台下降一层的厚度，让聚合物液体淹没已固化的零件，以准备下一次的扫描；

5. 重复第3步、第4步，直到零件的最顶层被扫描固化完成；

6. 进行后固化处理使零件完全固化。

光固化成型的特点：

1) Material.

It is photopolymer (感光性树脂) that is a kind of acrylate (丙烯酸脂).

2) Support.

因为原型是在液体中生成的，则在生成过程中，在零件上面的未支撑的部分可能下沉或漂移。因此，原型需要一些预先设计好的支撑体。这些支撑体可能是梁柱型、桥型或框架型等。

3) Model accuracy and performance.

精度大约是原型整体尺寸的0.1％，但是不能超过0.5％。层的厚度在0.004和0.03英寸之间。感光性树脂制造的原型是易碎的，不能承受高压力测试。甚至，材料的收缩也会导致原型的变形。

4) Capacity.

盛液体树脂的容器的大小决定了能制作的原型的尺寸。目前来说，该尺寸越来越大。

5) Recycling.

感光性树脂是热固性材料，不能再熔化以再利用。

选择性激光烧结制作零件的步骤：

用于快速原型制造的粉末材料通过送料筒（feed cylinder）撒在工作台上，再由整平滚子铺平、压实；

2. 二氧化碳激光器选择性地进行扫描烧结已铺平的粉末，受激光扫描加热的粉末微粒被烧结在一起，形成与几何模型截面对应的形状；（这一步也是由底层截面开始）

3. 工作台下降单层的厚度，并铺上新一层粉末；

4. 新一层粉末再次被激光扫描烧结，使其形状与零件截面相对应，并与前一层截面烧结在一起；

5. 重复第3步、第4步，直到完成零件的最顶层；

6. 对于某些材料，要用到后固化处理。

选择性激光烧结制作零件的特点：

1) Material. SLS uses a wide range of materials for model production including polycarbonate, PVC (polyvinyl chloride), ABS (acrylonirile-butadine-styrene), nylon, resin, polyster, polypropane, polyurethane and investment casting wax.

SLS 使用一大类材料生产模型。这些材料包括：聚碳酸酯、PVC（聚氯乙烯）、ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）、尼龙、树脂、聚丙烯、聚亚安酯等。

2) Support.

SLS系统不需要预先设计的支撑体。在每一层上的没有被烧结的粉末就作为下一层的支撑体。

3) Model accuracy and performance.

平均精确度可达±0.005到±0.015英寸。层的厚度在0.003和0.02英寸之间。由于烧结和冷却，产品可能收缩和变形。这两种因素可以通过选择合适的粉末部分地消除，如粉末微粒要细、高于粉末软化点的气流温度等。

4) Capacity.

最大的零件尺寸是12英寸的直径和15英寸深。

5) Recycling.

原型能被研细成粉末后再利用。

Fused Deposition Modelling: FDM（熔融沉积造型）的特点

1) Material. FDM technology allows a variety of modeling materials and colors for model building. Available materials are wax-filled plastic adhesive material, proprietary nylon, and investment casting wax. All the materials are non-toxic and can be in different colors.

FDM使用的成形材料有铸造石蜡、尼龙（聚脂塑料）、ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）塑料及MABS，可实现塑料零件无注塑成形制造。所有的材料都是无毒的，而且是可以有不同的颜色。

2) Support. In many cases, the FDM process does not need support to produce part. For overhanging parts, a support may still be required to reduce part distortion.

SLS系统不需要预先设计的支撑体。但是对于有悬臂的零件，还是需要支撑体以减少零件变形。

3) Model accuracy and performance.

综合公差可达±0.005英寸。层的厚度在0.001和0.05英寸之间，壁厚在0.01到0.25英寸之间。用FDM工艺生产的原型最大有1.2％的收缩变形。

4) Capacity.

最大的零件尺寸是12英寸×12英寸×12英寸。

LOM叠层实体制造制作零件的步骤：

将薄层材料放置在逐层叠加的零件块上，通过加热和施压的方法制造出新层。薄层材料是由机器一侧的原料供应卷提供，并由另一侧的回收卷回收（薄层材料附到零件块上时，工作台将下降单层厚度的高度）；

2. 放好薄层材料后，激光会根据当前层截面形状在该层薄片上扫描；

3. 该层中除轮廓线区域以外的部分会被激光切开;

4. 重复第1步 第3步，直到最顶层被层叠和切割；

5. 所有的层被堆积和切割之后，得到的就是包裹在支撑结构中的零件，然后沿切割线把支撑材料打碎去除；

6. 给得到的零件涂上一层密封胶以免受潮。

LOM叠层实体制造制作零件的特点：

1) Material. Virtually any foil (sheet material) can be applied: paper, metals, plastics, fibers, synthetic materials, glass or composites.

事实上，任何薄片都能使用：纸、金属、塑料、光纤、合成材料、玻璃和其他合成物。

2) Support. The LOM process uses solid-state materials and therefore usually does not need predesigned support structure. LOM 工艺使用固态的材料，因此系统通常也不需要预先设计的支撑体。

3) Model accuracy and performance.

原型构造的精度可达±0.005英寸。由于使用薄片材料，原型也不会收缩和扭曲变形。连续的层的厚度在0.002和0.02英寸之间。制作模型的原材料没有感光树脂材料脆。

4) Capacity.

LOM 加工使用二氧化碳激光束。能构造的原型的尺寸是15英寸×10英寸×15英寸。因为只有需要加工的轮廓才需要加工速度快。 Three-dimensional Printing: 3D Printing （三维打印）的过程：铺撒粉末 选择性打印 活塞下降 中间阶段 最后层打印 成品零件 三维打印制作零件的步骤：

1．将工作台置于适当位置，使得可以在其上面刚好能铺一层厚度的粉末材料，如陶瓷粉末、金属粉末；

2. 用打印头对陶瓷粉末层进行选择性扫描，并将液态粘合剂喷洒于粉末上，使粉末微粒粘结在一起，形成与横截面一致的形状（由最底层截面开始）；

3. 工作台下降一层的厚度，再由滚筒铺上新一层粉末；

4. 用打印头扫描新一层粉末，使其形状与该层截面形状一致，并与前一层截面粘合在一起；

5. 重复第3步、第4步，直到完成零件的最顶层；

6. 进行加热后处理使零件固化。

三维打印制作零件的特点：

Material. The 3-D Printing process can use aluminum oxide and alumina-silica ceramic powders. The binder material is amorphous or colloidal silicon carbide (SiC).

三维打印工艺使用氧化铝和铝硅陶瓷粉末为原型材料，粘结材料是无定形的或胶状的碳化硅（SiC ）。

2) Support. With the 3-D Printing technique, the design of support structure for the part is not needed, since the unbonded powder of each layer remains to form a natural support during the layering process.

利用三维打印技术，原型零件的支撑结构体的设计是不必要的。这是因为在层叠过程中，每一层未粘结的金属粉末形成一个自然的支撑体。

3) Model accuracy and performance.

原型的层的厚度是178微米，最小的特征尺寸是0.017英寸。

4) Capacity.

三维打印工艺能用于生产功能性零件和工具的原型。现在最大零件的尺寸是12英寸×12英寸×24英寸。 材料形态 液态 固态粉末

固态片材 固态丝材 非金属

金属 材料名称 光固化树脂(光敏树脂) 蜡粉

塑料粉

陶瓷粉

等 金属粉 等 纸 塑料+粘结剂 金属箔+粘结剂等 石蜡丝 塑料丝（ABS 丝）低熔点金属丝等

成形方法 SLA 3D-printing ，SLS LOM FDM

光敏树脂的特性：

①黏度低，低黏度有利于成形中树脂较快流平。

②固化收缩小，固化收缩导致零件产生变形、翘曲、开裂等，从而影响到成形零件的精度，低收缩性树脂有利于成形出高精度零件。 ③一次固化程度高，这样可以减少后固化收缩，从而减少后固化变形。

④湿态强度高，较高的湿态强度可以保证后固化过程不产生变形、膨胀、及层间剥离。

⑤溶胀小，湿态成形件在液态树脂中的溶胀造成零件尺寸偏大。

⑥毒性小，这有利于操作者的健康和不造成环境污染。

⑦无污染或污染小。光敏树脂稀释用的单体参与固化反应基本上100％固含量，几乎没有VOC(volatile organic contents挥发性有机物)排放。

快速成形技术的发展趋势

1. 开发概念模型机或台式机。

有两个发展方向：一是工业化大系统，用于制造高精度、高性能零件；二是自动化的桌面小型系统，主要用于制造概念模型。

2. 开发新的成形能源。

目前已有采用半导体激光器、紫外灯等低廉能源代替昂贵的激光器系统，也有相当多的系统不采用激光器而通过加热成形材料堆积出成形件。

3. 开发性能优越的成形材料

RP技术的进步依赖于新型快速成形材料的开发和新设备的研制。发展全新的RP材料，特别是复合材料，如纳米材料、非均质材料、其他传统方法难以制作的复合材料已是当前RP成形材料研究的热点。

4. 研究新的成形方法与工艺

新的成形方法层出不穷，如三维微结构制造、生物活性组织的工程化制造、激光三维内割技术、层片曝光方式等。

同时, 原型的制造尺寸呈增大的趋势。可以预测将来的RP市场将有一定比例为大型原型制造所占据。

与此成鲜明对比的是SL的一个重要发展方向是微米印刷（Micro Stereolithography）以制造微米零件（Micro Scale Parts），如静脉阀、集成电路零件等。

5. 集成化

制造科学与其他科学交叉是一种发展趋势。并行工程（CE）、虚拟技术（VT）、快速模具（RT）、反求工程（RE）、快速成形（RP）、网络（Internet/Intranet）相结合而组成快速反应集成制造系统，将为RP的发展提供有力的技术支持。

绿色制造部分

1. 绿色设计与绿色制造的含义

绿色设计是指在产品及其生命周期全过程的设计中，充分考虑对资源和环境的影响，在考虑产品的功能、质量、开发周期和成本的同时，优化各有关设计因素，使产品及其制造过程对环境的总体影响减到最小。绿色设计又称为面向环境的设计 (Design For Environment，DFE)。绿色设计是“可持续生产”设计，是实现清洁化生产和生产出绿色产品的设计手段。

绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的负面影响最小，资源效率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。

绿色产品设计包括以下主要内容：

（1）绿色材料及其选择

绿色材料是指在满足一般功能要求的前提下，具有良好的环境兼容性的材料。绿色材料在制备、使用以及用后处置等生命周期的各阶段，具有最大的资源利用率和最小的环境影响。

绿色材料选择的三个原则：

①优先选用可再生材料，尽量选用回收材料。提高资源利用率，实现可持续发展；②尽量选用低能耗、少污染的材料；③尽量选择环境兼容性好的材料及零部件，避免选用有毒、有害和有辐射特性的材料。所用材料应易于再利用、回收、再制造或易于降解。

（2）产品可回收性设计（Design For Recycling，DFR）针对零部件的再使用和材料的再使用提出了几种设计策略：①可回收材料；②可回收性结构设计；③可回收工艺与方法；④可回收经济评估。

（3）产品的可拆卸性设计（Design For Disassembly，DFD）

可拆卸性设计的主要策略有：①减少拆卸的工作量；②可预测的产品构造；③易于拆卸；④易于分离；⑤减少零件的多样性。

（4）绿色包装

绿色包装技术就是从环境保护的角度，优化产品包装方案，使得资源消耗和废弃物产生最少。

目前这方面的研究很广泛，大致可以分为包装材料、包装结构和包装废弃物回收处理 3个方面。

当今世界主要工业国要求包装应做到“3R1D”:

Reduce------减量化;Reuse------可重用;Recycle------可回收循环再生;Degradable------可降解。

产品的绿色制造：

（1）低物耗的绿色工艺技术：①绿色材料②少无切削。③节水制造技术④减少加工余量⑤新型刀具材料⑥回收利用：

（2）低能耗的绿色制造技术：①技术节能：②工艺节能：③管理节能：④适度利用新能源：⑤绿色设备

（3）废弃物少的绿色制造技术：①切削液的回收再利用②磨屑二次资源利用：③快速原型制造技术（RPM）

（4）少污染的绿色制造技术：①少大气污染②少水污染③少其它污染：

绿色产品：在其生命周期全过程（包括原材料、设计、制造、包装、运输、使用、回收、处理、再用）中，能经济性地实现节约资源和能源，对生态环境无害或危害极小，且对劳动者具有良好保护性的产品。

2、绿色产品的基本特征

（1）技术先进性（2）环境保护性（3）材料、资源利用最优性（4）安全性（safety）（5）人机和谐性（6）良好的可拆卸性（disassembly）（7）经济性（8）多生命周期（lifecycle）

●绿色设计与传统设计的比较

比较因素传统设计绿色设计

设计依据依据用户对产品提出的功能、性能、质

量及成本要求来设计

依据环境效益和生态指标与产品

功能、性能、质量及成本要求来设

计

设计人员设计人员很少或没有考虑有效的资源

再生利用及对生态环境的影响

必须考虑降低能耗、资源重复利用

和保护生态环境

设计技术或工艺在制造和使用过程中很少考虑产品回

收，仅考虑有限的贵重金属材料回收

在制造和使用过程中可拆卸、易回

收，不产生毒副作用及保证产生最

少的废弃物

设计目的以需求为主要设计目的为需求和环境而设计，满足可持续发展的要求

产品普通产品绿色产品或绿色标志产品

Nanotechnology and Micro-machine部分

纳米技术定义：在0.1-100nm范围之间尺寸和公差具有关键作用的技术。

纳米技术通常指有关纳米级（0.1～100ｎｍ）的材料、设计、制造、测量和控制技术。涉及机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学等多个领域。

纳米技术研究的主要内容包括：纳米测量技术纳米级加工技术纳米材料纳米级传感与控制技术微型与超微型机械

微机械具有以下几个基本特点：

体积小，精度高，重量轻其体积可小至亚微米以下，尺寸精度可达纳米级，重量可达纳克量级。性能稳定，可靠性高微机械器件体积极小，封装后几乎不受膨胀、噪声和挠曲等因素的影响，具有较高的抗干扰性，可以在较差的环境下稳定工作。能耗低，灵敏性和工作效率高。多功能和智能化。适于大批量生产，制造成本低廉。

微机械的微细加工技术（Micromachining Technology ）具备以下特点：

（1）从加工对象上看，微细加工不但加工尺度极小，而且被加工对象的整体尺寸也很微小。

（2）由于微机械对象的微小性和脆弱性，仅仅依靠控制和重复宏观的加工相对运动轨迹达到加工目的，已经很不现实。必须针对不同对象和加工要求，具体考虑不同的加工方法和手段。

（3）微细加工在加工目的、加工设备、制造环境、材料选择与处理、测量方法和仪器等方面都有其特殊要求。

微细加工大致分为以下四类：

●分离加工：将材料的某一部分分离出去的加工方式，如分解、蒸发、溅射、破碎等

●结合加工：同种或不同材料的附和加工或相互结合加工，如蒸镀、淀积、掺入、生长、黏结等

●变形加工：使材料形状发生改变的加工方式

●材料处理或改性：如一些热处理或表面改性等

光刻加工技术：光刻加工：用照相复印的方法将光刻掩膜上的图形印刷在涂有光致抗蚀剂的薄膜或基材表面，然后进行选择性腐蚀，刻蚀出规定的图形。

光刻加工的工艺过程：氧化、涂胶、曝光、显影、腐蚀、去胶、扩散

光刻电铸法（LIGA）

三个主要工序：1、以同步加速器放射的波长小于1nm（短波长）、很高平行性的X射线作为曝光光源，在厚度达0.5mm的光致抗蚀剂上生成曝光图形的三维实体；2、用曝光蚀刻图形实体做电铸模具，生成铸型3、以生成的铸型作为注射模具，加工出所需微型零件

LIGA法具有以下特点：

●用材广泛，可以是金属及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等；

●可以制作高度达0.1~0.5mm，高宽比大于200的三维微结构，形状精度达亚微米，使制出的零件有较大实用性；

●可以实现大批量复制，成本较低。

Research concerning the development of methods and techniques in ECD&M has grown tremendously in the past decade. The National Center for Manufacturing Sciences created an ECM program to identify and solve major environmental problems (for example, to improve the quality of life, to help the industry collaboratively solving the environmental problem, and to replace obsolete and harmful procedures with environmentally safe alternatives).

在过去的十几年里，有关ECD&M的方法与技术开发方面的研究取得了很大的进展。国家制造科学中心已对ECM进行立项以调查和解决重大环境问题（比方改善人们生活质量，帮助工业界解决环境问题，用环境安全的生产过程代替陈旧有害的加工方法。）

●Two approaches are used to reduce the environmental impact of manufacturing processes： eliminate or reduce the use

of hazardous substances in the processes, and analyze the mechanisms of waste generation in different alternative manufacturing processes. In the first approach, most research focuses on the material substitution and selection, while the second approach attempts to improve the safety of manufacturing process.

两种手段可用来减少制造工艺对环境的有害影响：一是停止或减少有害材料的使用，二是分析不同制造工艺过程中废料的产生机理。第一种方法强调材料的替代和选择，而第二种方法主要是要改善制造工艺的安全性。

Material selection during the design process for chemical separation can be an aid to the recycling process. Good material and manufacturing process selection can improve technical efficiency and productivity, as well as reduce the environmental impact. 在进行化学分离的设计过程中，适当选择材料有利于以后的产品回收。合理的材料与制造工艺的选择可提高技术效率和产量，并减少对环境的有害影响。