快速成型制造技术

特种加工特种加工Non-traditional MachiningNon-traditional Machining 主讲：马苏常天津工程师范学院机械制造教研室第八章第八章 快速成型制造技术快速成型制造技术一、 简介 在新产品的开发过程中，总是需要对所设计的零件或整个系统在投入大量资金组织加工或装配之前加工一个简单的例子或原型。在准备制造和销售一个复杂的产品系统之前，工作原型可以对产品设计进行评价、修改和功能验证。 一个产品的典型开发过程是从前一一个产品的典型开发过程是从前一代的原型中发现错误或从进一步研究中代的原型中发现错误或从进一步研究中发现更有效和更好的设计方案，而一件发现更有效和更好的设计方案，而一件原型的生产极其费时，模具的准备需要原型的生产极其费时，模具的准备需要几个月，一个复杂的零件用传统方法加几个月，一个复杂的零件用传统方法加工非常困难。工非常困难。 第八章第八章 快速成型制造技术快速成型制造技术 快速成型快速成型(Rapid Prototyping)(Rapid Prototyping)技术技术是近年来发展起来的直接根据是近年来发展起来的直接根据CADCAD模型快模型快速生产样件或零件的成组技术总称，它速生产样件或零件的成组技术总称，它集成了集成了CADCAD技术、数控技术、激光技术和技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。技术的重要组成部分。第八章第八章 快速成型制造技术快速成型制造技术 与传统制造方法不同，快速成型从与传统制造方法不同，快速成型从零件的零件的CADCAD几何模型出发，通过软件分层几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他离散和数控成型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。由于方法将材料堆积而形成实体零件。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。极大地提高了生产效率和制造柔性。第八章第八章 快速成型制造技术快速成型制造技术快速原型技术的优点：快速原型技术的优点：1.1.快速原型快速原型作为一种使设计概念可视化的重作为一种使设计概念可视化的重要手段，计算机辅助设计的零件的实物模要手段，计算机辅助设计的零件的实物模型可以在很短时间内被加工出来，从而可型可以在很短时间内被加工出来，从而可以很快对加工能力和设计结果进行评估。以很快对加工能力和设计结果进行评估。2.2.由于它是将复杂的三维型体转化为两维截由于它是将复杂的三维型体转化为两维截面来解决，因此，它能制造任意复杂型体面来解决，因此，它能制造任意复杂型体的高精度零件，而无须任何工装模具。的高精度零件，而无须任何工装模具。第八章第八章 快速成型制造技术快速成型制造技术3.3.快速原型快速原型作为一种重要的制造技术，采作为一种重要的制造技术，采用适当的材料，这种原型可以被用在后用适当的材料，这种原型可以被用在后续生产操作中以获得最终产品。续生产操作中以获得最终产品。4.4.快速原型快速原型操作可以应用于模具制造，可操作可以应用于模具制造，可以快速、经济地获得模具。以快速、经济地获得模具。5.5.产品制造过程几乎与零件的复杂性无关，产品制造过程几乎与零件的复杂性无关，可 实 现可 实 现 自 由 制 造自 由 制 造 ( F r e e F o r m ( F r e e F o r m Fabrication)Fabrication)，这是传统制造方法无法，这是传统制造方法无法比拟的。比拟的。第八章第八章 快速成型制造技术快速成型制造技术二、二、 快速成型的基本原理快速成型的基本原理 基于材料累加原理的快速成型的操作基于材料累加原理的快速成型的操作过程实际上是一层一层地离散制造零件。过程实际上是一层一层地离散制造零件。快速成型有很多种工艺方法，但所有的快速成型有很多种工艺方法，但所有的快速成型工艺方法都是一层一层地制造快速成型工艺方法都是一层一层地制造零件，区别是制造每一层的方法和材料零件，区别是制造每一层的方法和材料不同而已。不同而已。第八章第八章 快速成型制造技术快速成型制造技术第八章 快速成型制造技术快速成型的一般工艺过程原理如下：快速成型的一般工艺过程原理如下：1.1.三维模型三维模型的构造。的构造。 在三维在三维CADCAD设计软件（设计软件（如如Pro/EPro/E、UGUG、SolidWorksSolidWorks、SolidEdgeSolidEdge等）中获得描述等）中获得描述该零件的该零件的CADCAD文件。文件。第八章 快速成型制造技术 目前一般快速成型支持的文件输出目前一般快速成型支持的文件输出格式为格式为STLSTL模型，即对实体曲面近似处理模型，即对实体曲面近似处理, ,即所谓即所谓面型化面型化(Tessallation(Tessallation) )处理处理, ,是用是用平面三角面片近似模型表面。这样处理平面三角面片近似模型表面。这样处理的优点是大大地简化了的优点是大大地简化了CADCAD模型的数据格模型的数据格式式, ,从而便于后续的分层处理。从而便于后续的分层处理。 第八章 快速成型制造技术图图 7-1 7-1 不同不同chch值时的效果值时的效果(a)ch(a)ch=0.05=0.05 (b) ch(b) ch=0.2=0.2第八章 快速成型制造技术 在三维在三维CADCAD设计软件对设计软件对CADCAD模型进行模型进行面型化处理时面型化处理时, ,一般软件系统中有输出精一般软件系统中有输出精度控制参数，通过控制该参数，可减小度控制参数，通过控制该参数，可减小曲面近似处理误差。如曲面近似处理误差。如Pro/EPro/E软件是通过软件是通过选定弦高值选定弦高值(ch(ch-chord height)-chord height)作为逼作为逼近的精度参数，如图近的精度参数，如图7-17-1为一球体为一球体, ,给定给定的两种的两种chch值所转化的情况。值所转化的情况。 第八章 快速成型制造技术2.2.三维模型的离散处理。三维模型的离散处理。 通过专用的分层程序将三维实体模通过专用的分层程序将三维实体模型分层（图型分层（图7-2b7-2b），通过一簇平行平面），通过一簇平行平面沿制作方向与沿制作方向与CADCAD模型相截模型相截, ,所得到的截所得到的截面交线就是薄层的轮廓信息面交线就是薄层的轮廓信息, ,而实体信息而实体信息是通过一些判别准则来获取的是通过一些判别准则来获取的。第八章 快速成型制造技术图图7-2 7-2 快速成型原理图快速成型原理图(a) (a) 零件的三零件的三维模型维模型(b) (b) 零件被分零件被分层离散层离散(c) (c) 支撑材料支撑材料(d) (d) 采用熔积法对图采用熔积法对图(c) A-A(c) A-A截面加工的挤压路径截面加工的挤压路径第八章 快速成型制造技术 分层切片分层切片是在选定了制作是在选定了制作( (堆积堆积) )方方向后向后, ,需对需对CADCAD模型进行一维离散模型进行一维离散, ,获取每获取每一薄层片截面轮廓及实体信息。一薄层片截面轮廓及实体信息。 平行平面之间的距离就是分层的厚度平行平面之间的距离就是分层的厚度, ,也就是成型时堆积的单层厚度。也就是成型时堆积的单层厚度。 轮廓轮廓是由求交后的一系列交点顺序是由求交后的一系列交点顺序连成的折线段构成。连成的折线段构成。第八章 快速成型制造技术 由于分层，破坏了切片方向由于分层，破坏了切片方向CADCAD模型模型表面的连续性表面的连续性, ,不可避免地丢失了模型的不可避免地丢失了模型的一些信息一些信息, ,导致零件尺寸及形状误差的产导致零件尺寸及形状误差的产生。切片层的厚度直接影响零件的表面生。切片层的厚度直接影响零件的表面粗糙度和整个零件的型面精度。粗糙度和整个零件的型面精度。 第八章 快速成型制造技术 分层后所得到的模型轮廓是近似的分层后所得到的模型轮廓是近似的, ,而层层之间的轮廓信息已经丢失而层层之间的轮廓信息已经丢失, ,层厚大层厚大, ,丢失的信息多丢失的信息多, ,导致在成型过程中产生了导致在成型过程中产生了型面误差。为提高零件精度型面误差。为提高零件精度, ,应该考虑更应该考虑更小的切片层厚度。小的切片层厚度。第八章 快速成型制造技术3.3.层截面的制造与累加层截面的制造与累加 在计算机控制下，快速成型系统中在计算机控制下，快速成型系统中的成型头在的成型头在X-YX-Y平面内自动按截面轮廓进平面内自动按截面轮廓进行层制造，得到一层层截面。每层截面行层制造，得到一层层截面。每层截面成型后，下一层材料被送至已成型的层成型后，下一层材料被送至已成型的层面上，进行后一层的成型，并与前一层面上，进行后一层的成型，并与前一层相粘接，从而一层层的截面累加叠合在相粘接，从而一层层的截面累加叠合在一起，形成三维零件。一起，形成三维零件。 第八章 快速成型制造技术三、快速成型的工艺方法三、快速成型的工艺方法 目前快速成型主要工艺方法及其分目前快速成型主要工艺方法及其分类见图类见图7-37-3所示。所示。 液体材料液体材料SLLTPBISHISRP RP 工艺方法及其分类工艺方法及其分类粉状材料粉状材料BMP3DWFDMSDMSLSGPD3DPTSFSF片状材料片状材料LOMSFPSGCES图图7-3 7-3 目前快速成型主要目前快速成型主要工艺方法及其分类工艺方法及其分类液体树液体树脂固化脂固化熔融材熔融材料固化料固化激光熔激光熔合材料合材料粘结剂粘结剂粘结材料粘结材料粘性片材粘性片材的粘结的粘结UVUV粘结粘结片状材料片状材料第八章 快速成型制造技术1.1.熔积成型法（熔积成型法（Fused Deposition Fused Deposition ModelingModeling） 在在熔积成型法熔积成型法（FDMFDM）的过程中（图）的过程中（图7-47-4）龙门架式的机械控制喷头可以在工）龙门架式的机械控制喷头可以在工作台的两个主要方向移动，工作台可以作台的两个主要方向移动，工作台可以根据需要向上或向下移动。热塑性塑料根据需要向上或向下移动。热塑性塑料或蜡制的熔丝从加热小口处挤出。最初或蜡制的熔丝从加热小口处挤出。最初的一层是按照预定的轨迹以固定的速率的一层是按照预定的轨迹以固定的速率将熔丝挤出在泡沫塑料基体上形成的。将熔丝挤出在泡沫塑料基体上形成的。当第一层完成后，工作台下降一个层厚当第一层完成后，工作台下降一个层厚并开始迭加制造一层。并开始迭加制造一层。 第八章 快速成型制造技术(b) (b) 熔积成型熔积成型50005000，熔积成，熔积成型设备。型设备。(a) (a) 熔积法成型的示意图熔积法成型的示意图图图7-4 7-4 熔积成型法原理图熔积成型法原理图第八章 快速成型制造技术 FDM FDM 制作复杂的零件时，必须添加制作复杂的零件时，必须添加工艺支撑。如图工艺支撑。如图7-57-5（a a）所示）所示(b) (b) 在快速原型机器中在快速原型机器中 常用的支撑结构常用的支撑结构(a)(a) 有一个突出截面需要有一个突出截面需要 支撑材料的零件支撑材料的零件图图7-5 7-5 快速原型支撑结构图快速原型支撑结构图第八章 快速成型制造技术 FDM FDM的优点是材料的利用率高；材的优点是材料的利用率高；材料的成本低；可选用的材料种类多；工料的成本低；可选用的材料种类多；工艺干净、简单、易于操作且对环境的影艺干净、简单、易于操作且对环境的影响小。缺点是精度低；结构复杂的零件响小。缺点是精度低；结构复杂的零件不易制造；表面质量差；成型效率低，不易制造；表面质量差；成型效率低，不适合制造大型零件。不适合制造大型零件。 该工艺适合于产品的概念建模以及该工艺适合于产品的概念建模以及它的形状和功能测试，中等复杂程度的它的形状和功能测试，中等复杂程度的中小原型。中小原型。第八章 快速成型制造技术2.2.光固化法（光固化法（StereolithographyStereolithography） 光固化法光固化法是目前应用最为广泛的一种是目前应用最为广泛的一种快速原型制造工艺。快速原型制造工艺。原理如图所示原理如图所示 图图7-6 7-6 光固化成型原理图光固化成型原理图第八章 快速成型制造技术 光固化采用的是将液态光敏树脂固化光固化采用的是将液态光敏树脂固化到特定形状的原理。以光敏树脂为原料，到特定形状的原理。以光敏树脂为原料，在计算机控制下的紫外激光按预定零件各在计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂逐点扫分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面。应，从而形成零件的一个薄层截面。 光固化成形光固化成形所能达到的最小公差取所能达到的最小公差取决于激光的聚焦程度；通常是决于激光的聚焦程度；通常是0.0125mm0.0125mm。 第八章 快速成型制造技术 SLSL工艺优点是精度较高，一般尺寸工艺优点是精度较高，一般尺寸精度控制在精度控制在0.1mm0.1mm；表面质量好；原材；表面质量好；原材料的利用率接近料的利用率接近100100；能制造形状特别；能制造形状特别复杂、特别精细的零件；设备的市场占复杂、特别精细的零件；设备的市场占有率很高。有率很高。 缺点是需要设计支撑；可以选择的缺点是需要设计支撑；可以选择的材料种类有限；容易发生翘曲变形；材材料种类有限；容易发生翘曲变形；材料价格较贵。该工艺适合比较复杂的中料价格较贵。该工艺适合比较复杂的中小件。小件。第八章 快速成型制造技术3.3.激光选区烧结（激光选区烧结（Selective Laser Selective Laser SineringSinering） 激光选区烧结激光选区烧结（简称（简称SLSSLS）是一种将）是一种将非金属（或普通金属）粉末有选择地烧非金属（或普通金属）粉末有选择地烧结成单独物体的工艺。此工艺中的一些结成单独物体的工艺。此工艺中的一些基本原理如图基本原理如图7-77-7所示。该法采用所示。该法采用CO2CO2激激光器作为能源，目前使用的造型材料多光器作为能源，目前使用的造型材料多为各种粉末材料。为各种粉末材料。第八章 快速成型制造技术 图图7-7 7-7 激光选区烧结工艺路线图激光选区烧结工艺路线图第八章 快速成型制造技术 SLSSLS工艺工艺特别适合制作功能测试零特别适合制作功能测试零件。可用于直接制造金属模具。由于该件。可用于直接制造金属模具。由于该工艺能够直接烧结蜡粉，与熔模铸造工工艺能够直接烧结蜡粉，与熔模铸造工艺相接特别适合进行小批量比较复杂的艺相接特别适合进行小批量比较复杂的中小零件的生产。中小零件的生产。 第八章 快速成型制造技术b) b) 由叠层制造法制造由叠层制造法制造的机轴零件图的机轴零件图图图7-8 7-8 叠层制造法原理图叠层制造法原理图a) a) 叠层制造工艺原理图叠层制造工艺原理图第八章 快速成型制造技术 LOM LOM工艺优点是无须设计和构建支工艺优点是无须设计和构建支撑；激光束只是沿着物体的轮廓扫描，撑；激光束只是沿着物体的轮廓扫描，无需填充扫描，成型效率高；成型件的无需填充扫描，成型效率高；成型件的内应力和翘曲变形小；制造成本低。内应力和翘曲变形小；制造成本低。 缺点是材料利用率低；表面质量差；缺点是材料利用率低；表面质量差；后处理难度大，尤其是中空零件的内部后处理难度大，尤其是中空零件的内部残余废料不易去除；可以选择的材料种残余废料不易去除；可以选择的材料种类有限，目前常用的主要是纸；对环境类有限，目前常用的主要是纸；对环境有一定的污染。有一定的污染。 第八章 快速成型制造技术 LOM LOM工艺适合制作大中型原型件，翘工艺适合制作大中型原型件，翘曲变形小和形状简单的实体类零件。通曲变形小和形状简单的实体类零件。通常用于产品设计的概念建模和功能测试常用于产品设计的概念建模和功能测试零件，且由于制成的零件具有木质属性，零件，且由于制成的零件具有木质属性，特别适用于直接制作砂型铸造模。特别适用于直接制作砂型铸造模。第八章 快速成型制造技术四、基于快速成型的快速模具技术（四、基于快速成型的快速模具技术（Rapid Rapid Tooling,Tooling,简称简称RTRT） 快速模具及快速复制技术是近几年快速模具及快速复制技术是近几年在国内外发展起来的一种快速制造技术。在国内外发展起来的一种快速制造技术。该项技术融合了高分子复合材料应用、该项技术融合了高分子复合材料应用、快速成型技术、快速翻制工艺以及快速成型技术、快速翻制工艺以及CNCCNC加加工等新技术、新工艺，可快速、低成本工等新技术、新工艺，可快速、低成本地制造非金属模具，用于地制造非金属模具，用于10-100010-1000件批量件批量产品的快速制造，受到了市场的欢迎。产品的快速制造，受到了市场的欢迎。第八章 快速成型制造技术 适用于产品开发过程中的小批量试适用于产品开发过程中的小批量试制，以及小批量生产的、结构较简单的制，以及小批量生产的、结构较简单的覆盖件生产。覆盖件生产。 按模具制造方式来分，可分为直接按模具制造方式来分，可分为直接制模法和间接制模法。制模法和间接制模法。第八章 快速成型制造技术1.1.直接制模法直接制模法(Direct Tooling(Direct ToolingDT)DT) 直接制模法直接制模法是指将模具是指将模具CADCAD的结果的结果由由RPRP系统直接制造成型。即在系统直接制造成型。即在RPRP系统上系统上直接制造出模具供生产使用。直接制造出模具供生产使用。 这种方法不需要这种方法不需要RPRP原型作样件，也原型作样件，也不依赖传统的模具制造工艺，对金属模不依赖传统的模具制造工艺，对金属模具的制造尤其快捷，是一种有开发前景具的制造尤其快捷，是一种有开发前景的快速模具制造方法的快速模具制造方法。第八章 快速成型制造技术2.2.间接制模法间接制模法 间接间接RTRT法法是以是以RPRP原型作样件间接制原型作样件间接制造模具的方法。造模具的方法。 RPMRPM技术克服了传统样件技术克服了传统样件( (模样模样) )制作制作的缺点，能够更快、更好、更方便地设的缺点，能够更快、更好、更方便地设计并制造出各种复杂的原型计并制造出各种复杂的原型( (样件样件) )。一。一般可使模具制造周期和制造成本降低般可使模具制造周期和制造成本降低1/21/2，大大提高了生产效率和产品质量。大大提高了生产效率和产品质量。 第八章 快速成型制造技术 间接间接RTRT法已日臻成熟。其方法则根法已日臻成熟。其方法则根据零件的生产批量的大小而不同。常用据零件的生产批量的大小而不同。常用的有：的有：用用RPRP原型制作简易模具原型制作简易模具1)1)用快速成型件作母模，制作硅橡胶模用快速成型件作母模，制作硅橡胶模 当制造的零件件数较少（批量在当制造的零件件数较少（批量在20205050件）时，一般采用这种硅橡胶模。件）时，一般采用这种硅橡胶模。第八章 快速成型制造技术 工艺过程为：以工艺过程为：以RPRP原型作样件，采用原型作样件，采用室温硫化的有机硅橡胶浇注制作硅橡胶室温硫化的有机硅橡胶浇注制作硅橡胶模。模。 独特之处：由于硅橡胶良好的柔性和独特之处：由于硅橡胶良好的柔性和弹性，对于结构复杂、花纹精细、无拔弹性，对于结构复杂、花纹精细、无拔模斜度以及具有深凹槽的零件来说，制模斜度以及具有深凹槽的零件来说，制件浇注完成后均可直接取出。件浇注完成后均可直接取出。 制作周期为制作周期为1 1周左右。周左右。 第八章 快速成型制造技术2)2)以快速成型件作母模，进行树脂型复合以快速成型件作母模，进行树脂型复合制模制模 以液态的环氧树脂与有机或无机材以液态的环氧树脂与有机或无机材料复合为基体材料，以料复合为基体材料，以RPRP原型为基准浇原型为基准浇铸模具的一种制模方法。铸模具的一种制模方法。 制造的模具寿命为制造的模具寿命为10010010001000件。为件。为延长模具寿命，通常在环氧树脂中添加延长模具寿命，通常在环氧树脂中添加各种添加剂。各种添加剂。第八章 快速成型制造技术 具有工艺简单、模具传导率高、强具有工艺简单、模具传导率高、强度高及型面不加工的特点，适于塑料注度高及型面不加工的特点，适于塑料注射模、薄板拉伸模及吸塑模和聚氨酯发射模、薄板拉伸模及吸塑模和聚氨酯发泡成型模。泡成型模。 制作周期为制作周期为1 12 2周。周。第八章 快速成型制造技术3)3)金属喷涂（金属喷涂（Metal SprayingMetal Spraying）制模法）制模法 以以RPRP原型作样件，将低熔点的熔化原型作样件，将低熔点的熔化金属充分雾化后以一定的速度喷射到样金属充分雾化后以一定的速度喷射到样件的表面，形成模具型腔表面，充填背件的表面，形成模具型腔表面，充填背衬复合材料的制模技术。衬复合材料的制模技术。 这种模具用于这种模具用于30003000件以下的注塑件件以下的注塑件生产。生产。 制作周期为制作周期为3 34 4周。周。第八章 快速成型制造技术 特点：工艺简单，周期短；型腔表面特点：工艺简单，周期短；型腔表面及其精细花纹一次同时形成；不需机及其精细花纹一次同时形成；不需机加工；模具尺寸精度高。加工；模具尺寸精度高。 第八章 快速成型制造技术 通常将硅橡胶模、环氧树脂模、金通常将硅橡胶模、环氧树脂模、金属喷涂模等称为软模具（属喷涂模等称为软模具（Soft Tooling Soft Tooling ）或叫经济模具（或叫经济模具（Economical ToolingEconomical Tooling）。）。一般用于批量小的零件生产或者用于产一般用于批量小的零件生产或者用于产品试制阶段，并非一定用钢铁材料制作品试制阶段，并非一定用钢铁材料制作的成本较低的模具。的成本较低的模具。 第八章 快速成型制造技术用用RPRP原型快速制作钢模原型快速制作钢模1)1)陶瓷型精密铸造法制造钢陶瓷型精密铸造法制造钢/ /铁型腔铁型腔 过程：制作钢过程：制作钢/ /铁型腔，将铁型腔，将RPRP原型置于陶原型置于陶瓷沙浆中，形成模壳瓷沙浆中，形成模壳在炉中固化模壳，在炉中固化模壳，烧去烧去RPRP原型原型在炉中预热模壳在炉中预热模壳在模壳在模壳浇铸钢浇铸钢/ /铁型腔铁型腔型腔表面抛光型腔表面抛光加入浇加入浇注系统和冷却系统等注系统和冷却系统等批量生产用注塑批量生产用注塑模。模。第八章 快速成型制造技术2)2)消失模铸消失模铸生产模具生产模具 利用利用RPRP原型或由原型翻制的硅橡胶原型或由原型翻制的硅橡胶模模/ /金属树脂复合模金属树脂复合模/ /聚氨酯材料制成的聚氨酯材料制成的蜡模的成形模，然后用成形模生产蜡模，蜡模的成形模，然后用成形模生产蜡模，用于失蜡铸造工艺制造钢用于失蜡铸造工艺制造钢/ /铁型腔模具。铁型腔模具。另外在单件生产复杂模具时，也可直接另外在单件生产复杂模具时，也可直接用用RPRP原型代替蜡模。原型代替蜡模。第八章 快速成型制造技术 消失模铸造具有工艺简单和尺寸精度消失模铸造具有工艺简单和尺寸精度高的特点，广泛应用于生产汽车覆盖件高的特点，广泛应用于生产汽车覆盖件模具。模具。 这种制模方法可用于大型、复杂的模具。这种制模方法可用于大型、复杂的模具。