第三章,快速成型制造技术
19 05 2020 1 第三章快速成型制造技术 快速成型技术的原理快速成型技术的特点快速成型材料快速成型技术的工艺方法快速成型技术的工业应用 19 05 2020 2 快速快速成型技术的原理 1 快速原型制造技术 RapidPrototypingManufacturing RPM 20世纪80年代后期源于美国 是近20年来世界制造技术领域的 次重大突破 2 RPM是机械工程 计算机技术 数控技术及材料科学等技术的集成 3 它能将已具数学几何模型的设计迅速 自动地物化为具有一定结构和功能的原型或零件 4 快速原型技术的不同称谓 如分层制造技术 LayeredManufacturingTechnique LMT 实体自由形状制造 SolidFreeFabrication SFF 直接CAD制造 DirectCADManufacturing DCM 桌面制造 DesktopManufacturing DTM 即时制造 InstantManufacturing IM 19 05 2020 3 快速快速成型技术的原理 RPM技术获得零件的途径不同于传统的材料去除或材料变形方法 而是在计算机控制下 基于离散 堆积原理采用不同方法堆积材料最终完成零件的成形与制造的技术 从制造角度看 它根据CAD造型生成零件三维几何信息 转化成相应的指令传输给数控系统 通过激光束或其他方法使材料逐层堆积而形成原型或零件 无需经过模具设计制造环节 极大地提高了生产效率 大大降低生产成本 特别是极大地缩短生产周期 被誉为制造业中的一次革命 19 05 2020 4 快速快速成型技术的原理 19 05 2020 5 快速快速成型技术的原理 快速成形的前提条件之一是构造三维数学模型 一般用于快速成形的CAD模型可以是实体模型 曲面模型和线框模型 通常的应用以实体模型为主 在CAD系统中完成三维造型后 就要把数学模型转化成快速原型系统能够识别的文件格式 常用的有面片模型文件 如STL CFL文件等 或层片模型文件 如HPGL LEAF CLI文件等 不同快速原型技术在制造工艺方面不尽相同 但其基本思想都是利用计算机将复杂的三维物体转化为二维层 然后由点 线构成面 层 逐层成形得到最终的三维零件模型 19 05 2020 6 快速快速成型技术的原理 离散运用离散软件将模型切成一系列指定厚度的薄片 扫描扫描固化零件的截面 分层得到的截面信息是轮廓数据 要进行内部充填 必须由轮廓数据生成填充路径 进给把工作台沿着z轴方向下降一定的距离 下降的距离取决于每次成形的厚度 重复上一步骤和本步骤 直到零件完全成形 后处理根据不同应用场合的需要 分别对零件进行后固化 上漆 烧结 渗铜等处理 19 05 2020 7 快速快速成型技术的原理 快速成形工艺流程图 1 计算机辅助设计 CAD 快速成形 RP 快速制模 RT 2 反求工程 RE 快速成形 RP 快速制模 RT 19 05 2020 8 快速快速成型技术的特点 1 高度柔性取消了专用工具 在计算机管理和控制下可以制造出任意复杂形状的零件2 技术的高度集成快速原型技术是计算机技术 数控技术 激光技术与材料技术的综合集成3 设计制造一体化4 快速性5 自由形状制造不受任何专用工具 或模腔 的限制而自由成形 不受零件任何复杂程度的限制 6 材料的广泛性 19 05 2020 9 快速成型所用材料 与快速原型的四个使用目的 概念型 测试型 模具型 功能零件 相对应 对成形材料的要求有所不同 概念型对材料成形精度和物理 化学特征性的要求不高 主要要求成形速度快 如读光树脂 要求较低的临界曝光功率 较大的穿透深度和较低的粘度 测试型对于材料成形后的强度 刚度 耐温性 抗蚀性等有一定要求 如果用于装配测试 则对于材料成形的精度还有一定的要求 模具型要求材料还应具备模具制造要求 如对于消失模铸造用原型 模样材料易于去除 快速功能零件要求材料具有较好的力学性能和化学性能 从解决的途径看 种是研究专用材料以适应专门需要 另一种是根据用途分类 研究几类通用材料以适应多种需要 19 05 2020 10 快速原型技术的工艺方法 1 光固化立体成形 StereoLithographyApparatus SLA 光固化立体成形 StereoLithographyApparatus SLA 由美国3DSystems公司在20世纪80年代后期推出 是在树脂液槽中盛满液态光敏树脂 使其在激光束的照射下快速固化 然后 工作台下降一层薄片的高度 进行第二层激光扫描固化 如此重复 直到整个产品成形完毕 19 05 2020 11 快速原型技术的工艺方法 2 分层实体制造 LaminatedObjectManufacturing LOM 供料机构将底面涂有热熔胶的箔材 段段地送至工作台的上方 激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓用CO2激光束对箔材沿轮廓线将工作台上的纸割出轮廓线 并将纸的无轮廓区切割成小碎片 19 05 2020 12 快速原型技术的工艺方法 3 选区激光烧结工艺 SelectiveLaserSintering SLS 选择性激光烧结采用CO2激光器对粉末材料 塑料粉 陶瓷与粘结剂的混合粉 金属与粘结剂的混合粉等 进行选择性烧结 是一种由离散点一层层堆积成三维实体的工艺方法 19 05 2020 13 快速原型技术的工艺方法 4 熔积成形 FusedDepositionModeling FDM 熔积成形 FusedDepositionModeling FDM 工艺是一种不依靠激光作为成形能源 而将各种丝材加热熔化的成形方法 19 05 2020 14 快速原型技术的工业应用 在模具制造中的应用 1 硅胶模具 软模具 用快速原型制母模 浇注蜡 硅橡胶 环氧树脂 聚氨脂等软材料 可构成软模具 以原型为原样件 采用硫化的有机硅橡胶浇注 直接制造硅橡胶模具 并且由于硅橡胶具有良好的柔性和弹性 对于结构复杂 花纹精细 无拔模斜度或具有倒拔模斜度以及具有深凹槽的零件来说 制件浇注完成均可直接取出 这是其相对于其他模具的独特之处 19 05 2020 15 快速原型技术的工业应用 在模具制造中的应用 2 金属喷涂模 硬模具 以原型为模样 将高熔点的熔化金属雾化后以一定的速度喷射到模样表面 形成模具型腔表面 背衬充填复合材料 19 05 2020 16 在快速铸造中的应用能够快捷地提供铸造所需的蜡样可消失熔模木模或砂模 用于砂型铸造的 与传统铸造技术的结合 实现了铸造生产的低成本和高效益 达到了快速制造的目的 形成快速铸造 QC 技术 快速原型技术的工业应用 19 05 2020 17 快速铸造技术 QC 直接铸造 一次转制和二次转制 19 05 2020 18 快速铸造技术 QC 壳型铸造 shellmoldcasting 用薄壳铸型生产铸件的铸造方法 壳型铸造是德国人J 克罗宁于1943年发明的 工艺过程用一种遇热硬化的型砂覆盖在加热的金属模板上 使其硬化为薄壳 薄壳厚度一般为6 12毫米 具有足够的强度和刚度 因此将上下两片型壳用夹具卡紧或用树脂粘牢后 不用砂箱即可构成铸型 金属模板的加热温度一般为300 左右 使用的型砂为树脂砂 减少使用的型砂数量 获得的铸件轮廓清晰 表面光洁 尺寸精确 可以不用机械加工或仅少量加工 19 05 2020 19 1 直接铸造直接铸造主要是指由RP技术直接成形铸造用的型壳 型芯或砂型 然后进行金属浇注 铸造出金属零件 由于从原型到金属零件不经过造型转化 故称直接铸造 该类工艺方法一般用于单件 复杂零件的制造 基于微滴喷射的RP铸型制造 清华大学和佛山峰华公司的无木模铸型制造技术和美国ProMetal公司的快速铸型制造技术基于激光束的RP铸型制造 华中科技大学和北京隆源公司及德国EOS公司的覆膜砂激光选区烧结技术 DirectCast 快速铸造技术 QC 19 05 2020 20 2 一次转制一次转制主要是指由RP技术 如FDM法 LOM法 SLS法 SLA法等 提供的原型作为模型或模样 可直接与普通砂型铸造 熔模铸造 消失模铸造等铸造工艺结合 制造金属零件 由于从原型到金属零件要经过一次转化 故称一次转制法 砂型铸造消失模该类工艺方法一般用于单件 小批量零件生产 快速铸造技术 QC 19 05 2020 21 3 二次转制二次转制主要是指用RP提供的原型直接作蜡模浇注蜡样 或作为母模制作硅橡胶模 环氧树脂模 聚氨脂模等软模具 再用软模具与熔模铸造 陶瓷型铸造 石膏型铸造或涂料转移法铸造等相关铸造工艺相结合 铸造金属零件 由于从原型到金属零件要经过二次或二次以上转制 所以称为二次转制 此种方法一般应用于批量生产 快速铸造技术 QC 19 05 2020 22 模具电火花加工电极制作精密铸造法用快速原型系统制造母模 在母模中充入蜡 构成蜡模 用失蜡铸造工艺构成紫铜电极 电铸法用快速原型系统制造母模 通过电解液使铜沉淀在原型表面 与原型分离 得到电极壳体 在电极壳体的下工作表面镀紫铜 构成金属电极 粉末冶金法用快速原型系统制造母模 在母模中充人钨铬合金钢 或铜钨合金 粉 用液压机压实合金粉 从母模中取出压实后的合金粉模 在高温炉中烧结合金粉模 构成金属电极 浇注法用快速原型系统制造母模 在母模中充入石墨粉与粘结剂的混合物 固化石墨粉 构成石墨电极 快速原型技术的工业应用 19 05 2020 23 快速制造的工艺流程 快速制造工艺流程图1快速制造工艺流程图2 19 05 2020 24 本章结束 谢谢配合