现代机械加工新技术

六、快速成形技术的优势
► 它可以在无需准备任何模具、刀具和工装卡
具的情况下，直接接受产品设计（CAD）数据， 快速制造出新产品的样件、模具或模型。
► RP技术的推广应用可以大大缩短新产品开发
周期、降低开发成本、提高开发质量。
► 由传统的"去除法"到今天的"增长法"，由有
模制造到无模制造，这就是RP技术对制造业产 生的革命性意义。
快速成型技术之二
——典型工艺
一、典型工艺方法
➣ 液态光敏聚合物选择性固化（光固法） （Stereo Lithography Apparatus——SLA） ➣ 薄形材料选择性切割（叠层法） （Laminated Odject Manufacturing —— LOM） ➣ 丝状材料选择形融覆 （Fused Deposition Modeling —— FDM ） ➣ 粉末材料选择性烧结 （Selected Laser Sintering —— SLS ）
SLA方法是目前快速成形技术领域中研究得最多的方法， 也是技术上最为成熟的方法。
缺点：
❐ 制件易翘曲，尺寸精度不易长时间保持 ❐ 成形时间长,不适合做厚实体件 ❐ 须设计、制做支撑结构 ❐ 往往需二次固化 ❐ 紫外线气体激光管寿命为2000h，运行成本高
（四）应用
东方机械厂 快速开发新型导弹 的叶轮
快速成型：
ΔM＞0（材料累加）
Δ M: 成形过程材料体积变化
三、快速成形技术的历史
► 1892年，J.E.Blanther提出利用分层法构成地 形图
► 1986年，Charles W Hull提出利用激光照射液 态光敏树脂分层制作三维模型 ► 1988年，美国3D Systems公司推出第一台快速 成形机
（4）支持同步（并行）工程的实施 ——使设计、交流和评估更加形象化，使新 产品设计、样品制造、市场定货、生产准备等工 作能并行进行 （5）支持技术创新、改进产品外观设计 ——有利于优化产品设计，对工业外观设计 尤为重要。 （6）成倍降低新产品研发成本 ——节省了大量的开模费用 （7）快速模具制造可迅速实现单件及小批量生产， 使新产品上市时间大大提前，迅速占领市场。
Finishing 修整
Final Product
最终工件
Post- Treatment
Hale Waihona Puke Baidu
后处理
成型制作
STL模型 CAD模型 *实体造型方法 *STL输出接口 *其它数据接口
加工文件
*模型制作定向 *分层处理 *加支撑
数据准备处理 CAD造型系统
成型过程 成型零件
快速成型系统 图1.1 快速成型技术工艺过程示意图
➣ 多喷头热塑喷射法(Thermal Multi-nozzle Jetting) ➣ 掩模固化法（SGC—Solid Ground Curing） ➣ 三维印刷法（3DP—Three Dimensional Printing）
典型工艺方法
Laser Inducing
激光诱发
Laser Cutting 激光切割
快速成型技术是支持产品创新的一项关键 使能技术，应用RP技术的重要意义具体如下：
（1）大大缩短新产品研制周期，确保新产品上 市时间 ——使模型或模具的制造时间缩短数倍甚至 数十倍
（2）提高了制造复杂零件的能力 ——使复杂模型的直接制造成为可能 （3）显著提高新产品投产的一次成功率 ——可以及时发现产品设计的错误，做到早 找错、早更改，避免更改后续工序所造成的大 量损失；
三、制造方法的分类
1、去除成形法； 传统加工法 2、受迫成形法； 3、离散/堆积成形法（快速成形 法）； 4、生长成形法；
制造方法一 — 去除成形法
概念解释：切削去除余量材料而成形，如车、
铣、刨、钻、电火花加工、等离子切割、化学腐 蚀、水射流强力侵蚀等；
成形特点：
1）成形精度高，是目前大批量生产的主要成形 手段；
◢ 制造业企业的产品开发策略之一： “生产一代，储备一代，研制一代” 。 ◢ 我国“八五”期间所开发成功的2361种主要 新产品，平均开发周期为18个月，产品的生命 周期为10.5年。 ◢ 美国1990年已实现“三个三”，即产品的生 命周期为三年，产品的试制周期为三个月，产 品的设计周期为三个星期。 ◢ 1995年，美国制造业的新产品贡献率已达到 国内生产总值的52%左右；而我国1997年仅为 5.9%。 产品创新技术是提高企业竞争力的关键
（三）主要工艺
➣ 液态光敏聚合物选择性固化（光固法） （Stereo Lithography Apparatus——SLA） ➣ 薄形材料选择性切割（叠层法） （Laminated Odject Manufacturing —— LOM） ➣ 丝状材料选择形融覆 （Fused Deposition Modeling —— FDM ） ➣ 粉末材料选择性烧结 （Selected Laser Sintering —— SLS ）
重庆电子设备公司 制作车灯，获650万元订单
家电：电视、手机、面板、器件
轻工：玩具、鞋模、鞋楦、器材
汽车：车身模具、车灯、增加器、发动机壳、缸盖
工艺品
三维人像系统
节水产品
微滴管样件
微滴片样件
医疗康复：人工钛合金骨、数字化人体
SLA工艺制作风洞隧道测试模型
SLA工艺制作考古模型
SLA工艺制作功能原型
SLA
Liquid Photo Resin 液态光敏树脂 Plastic / Metal Powder 塑料/金属粉末 Paper 纸 Plastic Filament 塑料丝
LOM
Laser Sintering 激光烧结
Heating 加热
FDM
SLS
TDP
五、快速成形技术的特点
❐无需准备任何模具、刀具和工装卡具 ❐直接由CAD 数据制成三维实体，并成功的解决了计算 机辅助设计中三维造型“看得见、摸不着”的问题 ❐ 材料制备和成形过程紧密结合； ❐不受零件加工形状复杂程度的限制，可成形梯度结构， 适应多种不同材料； ❐成形精度适中； ❐ 高度柔性 , 高度集成化：成形柔性在各种成形手段中 最高；整合了信息处理技术和物理成形技术，并正朝着 更紧密结合的方向发展； ❐成本为传统加工的1/3～1/5 ❐周期缩短为1/5～1/10 ❐是大批量定制生产的主要生产模式；
三、典型工艺方法
—— LOM
（一）基本原理
LOM(Laminated Object Manufacturing)称叠层实体 制造或分层实体制造。 LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材表 面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，热压辊热压片材，使 之与下面已成形的工件粘接；用CO2激光器在刚粘接的新层 上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框 之间多余的区域内切割出上下对齐的网格；激光切割完成 后，工作台带动已成形的工件下降，与带状片材(料带)分 离；供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新 层移到加工区域；工作台上升到加工平面；热压辊热压， 工件的层数增加一层，高度增加一个料厚；再在新层上切 割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完 得到分层制造的实体零件
七、应用RP技术的重要意义
当前，全球制造业呈现如下发展趋势： ⑴ 生产、经营及市场全球化； ⑵ 顾客需求个性化，多样化； ⑶ 产品生命周期缩短，更新换代加速；
⑷ 产品高科技化；
⑸ 市场竞争激烈化。
产品竞争的焦点是：质量、成本、交货期以 及服务。而在激烈的竞争中，如何保证新产品 的上市时间（或交货期）在很多情况下已成为 竞争的第一要素。
快速成形技术之一
—— 概述
一、什么是快速成形技术
快速成形 (RP-Rapid Prototyping)技术： 是八十年代末发展起来的一项先进制 造技术，是为制造业企业新产品开发服务 的一项关键共性技术。是一种基于离散堆 积成形思想的新型成形技术，是综合利用 计算机、数控、激光和新材料等最新技术 的技术集成以实现从零件设计到三维实体 原型制造一体化的系统技术。被认为是近 20年里制造技术领域的一次重大突破。 ◢ “分层制造，逐层叠加” ◢ 类似于数学上的积分过程。
2）成形形状受到刀具干涉的限制，无法成形弯 曲贯 通之内孔，无法制造具有材 料梯度之结构；
3）成形过程与材料制备过程无关（大大限制了 其应用领域）；
制造方法二 — 受迫成形法
概念解释： 材料在型腔的约束下成形，如铸
造、锻压、
注塑等；
成形特点：
1）成形过程中需要制造模具，周期长，成本高， 成形的柔性很低，仅适用于大批量生产； 2）成形形状可以十分复杂，但成形精度低； 3）成形过程与材料的制备有一定程度的结合；
RP 如何成形？
形象的比喻： 快速成形系统就像是一台 " 立体打印机"。
二维计算机数据 产品的三维实体CAD数据模型
打印机
快速成形系统
二维图片
三维实体样件
二、RP 的产生背景
◢ 随着全球市场一体化的形成，产品的 开发速度日益成为竞争的主要矛盾。 ◢ 制造业需要满足日益变化的用户需求， 又要求制造技术有较强的灵活性，能够以 小批量甚至单件生产而不增加产品的成本。 产品开发的速度和制造技术的柔性变 得十分关键，RP在这样的社会背景下应运 而生。
SLA原理图
X 扫描系统 Y Z 轴升降台
激光束 零件 托板
树脂槽
光敏树脂
播放动画
（二）技术特点
优点：
❐ 直接得到塑料产品 ❐表面光洁度好 ❐光固化树脂材料 ■ 利用率近100％ ■ 经过适当制备，材料可达到不同机械或物理特性 ■ 无毒，不浪费，环境友好 ❐可制作及其精细特征的零件(如1.5mm薄壁或2mm柱孔) ❐制作精度最高，制作效率仅取决于光斑扫描速度 ❐可制作任意形状零件(如中空结构等) ❐后处理容易
RP的离散/堆积成形过程
快速成形的原理图
Product 工件
Free Forming layer by layer 分层自由成形 Slicing 切片 Additive 层层叠加
播放动画
（二）基本流程
3D Modeling with CAD Software 用CAD软件设计工件的三维模型 Object 实物 CT Scanning CT扫描 Laser Scanning 激光扫描
四、快速成形技术的原理
（一）基本原理
采用材料累加制造原理，根据三维CAD模型数据， 无需任何刀具和工装，可快速制造出任意复杂程度的 产品原型。具体步骤如下： （1）由CAD软件设计出所需零件的计算机三维曲面或 实体模型； （2）将三维模型沿一定方向（通常为Z向）离散成一 系列有序的二维层片（习惯称为分层）； （3）根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参 数，自动生成数控代码； （4）成形机制造一系列层片并自动将它们联接起来， 得到三维物理实体。
Converting to STL File 转换成STL格式文件
Slicing Layer by Layer 逐层切片，求得每层截面轮 廓 Rapid Prototyping Layer by Layer 逐层快速成形 3D Prototype 三维样品
Pre-Treatment 前处理
Free Forming 自由成形
制造方法四 — 生长成形
概念解释：通过细胞的可控复制、装配而堆积
成形，生长物具有特定的形状，能够完成特定的 功能；
成形特点：
1）信息处理过程和物理成形过程紧密结合； 2）材料制备与材料成形紧密结合，是材料成形 的最高水平；
快速成形与传统加工的差别
传统加工：
去除成形法（车、铣、刨） ΔM＜0（材料去除） 受迫成形法（铸造、锻压） ΔM＝0（等量材料）
其他 ➣ 多喷头热塑喷射法(Thermal Multi-nozzle Jetting) ➣ 掩模固化法（SGC—Solid Ground Curing） ➣ 三维印刷法（3DP—Three Dimensional Printing）
二、典型工艺方法
—— SLA
（一）基本原理
SLA(Stereolithography Apparatus) 也称光造型或 立体光刻。SLA技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工 作的。这种液态材料在一定波长和强度的紫外光(如λ= 325nm)的照射下能迅速发生光聚合反应, 分子量急剧增大 材料也就从液态转变成固态。 液槽中盛满液态光固化树脂，激光束在偏转镜作用下 在液态表面上扫描, 扫描的轨迹及光线的有无由计算机控 制。光点打到之处液体固化。成型开始时，工作平台在液 面下一个确定的深度，聚焦后的光斑在液面上按指令逐点 扫描，逐点固化。当一层扫描完成后，未被照射的地方仍 是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度，已成型 的层面上又布满一层树脂，刮平器将粘度较大的树脂液面 刮平，然后再进行下二层的扫描，新固化的一层牢固地粘 在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕, 得到一个 三维实体模型。