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1、第4章 快速成型技术概述,4.1 快速成型的原理 4.2 快速成型制造工艺的分类 4.2 快速成型技术的应用 4.3 快速成型技术的研究现状及发展趋势,4.1 快速成型的原理,4.1.1 快速成型制造的基本概念 4.1.2 快速成型的过程 4.1.3 快速成型技术的特点,快速成型（Rapid Prototype，简称RP)又称快速原型 .,craft-based method (Clay Prototype),CNC machining,Rapid Prototyping,物体成型方式有四种基本,去除成形 受迫成形 堆积成形 生长成形,4.1.1 成型的分类,去除成型： 运用分离的方法，把一部
2、分材料有序地从基体上分离出去而成型的方法。 传统的车、铣、刨、磨、钻、电火花加工、激光切割等都属于去除成型。是目前最主要的成型方式。,受迫成型： 利用材料的可成型性在特定的外界约束（边界约束或外力约束）下成型。 传统的锻压、铸造、粉末冶金等都属于受迫成型。多用于毛坯制造。但也有直接用于最终零件成型，精密铸造、精密锻造属净成型或近净成型。,堆积成型： 把材料（气、液、固相）有序地堆积起来的成型。RP属于堆积成型（先离散再堆积）近净成型工艺。,生长成型： 利用材料的活性进行成型的方法。自然界中的生物（植物、动物）个体发育均属于生长成型。这是最高层次的成型方法。,快速成型基于离散/堆积的思想，将一个
3、物理实体复杂的三维加工，离散成一系列二维层片,然后逐点、逐面进行材料的堆积成型。 是一种降维制造或者称增材制造技术。,4.1.2 快速成型的过程,4.1.2 快速成型的过程,组合过程,4.1.3 快速成型技术的特点,1）可以制造任意复杂的三维几何实体。离散/堆积成型的原理，将十分复杂的三维制造过程简化为二维过程的叠加,2）快速原型产品单价与原型的复杂程度和原型的数量均无关,2）高度柔性。成型过程无需专用工具或夹具，通过对CAD模型的修改重组就可获得新零件的设计和加工信息 。 3）快速性。从CAD设计到原型(或零件)加工完毕，只需几十分钟至几十小时 4）成形过程中信息过程和材料过程的一体化，尤其
4、适合成形材料为非均质的原型。 5）技术的高度集成。 集成了CAD、CAM、CNC、激光、材料等技术。与反求工程（RE）、网络技术等结合，成为产品开发的有力工具。,4.2 快速成型制造工艺的分类,一、按制造工艺所使用的材料的状态、性能特征分为： 液态聚合、固化：原材料是液态的，利用光能或热能使特殊的液态聚合物固化从而形成所需的形状 粉末烧结与粘结：原材料是固态粉末，分别通过激光烧结或用粘结剂粘结把材料粉末连接起来,丝材、线材熔化粘结：原材料为固态的丝材、或线材，通过升温使其熔化并按指定的路线堆砌出需要的形状 膜、板材层合：原材料是固态的板或膜，通过粘结把各片簿层板粘结在一起，或者是利用塑料膜的光
5、聚合作用而把各层膜片粘结起来。,二、按制造工艺原理分以下几种,4.3 快速成型技术的应用,4.3.1 快速成型在新产品开发中的应用 4.3.2 快速成型在模具制造中的应用 4.3.3 快速成型在快速铸造中的应用 4.3.4 快速成型在艺术领域的应用 4.3.5 快速成型在医学领域的应用,4.3.1快速成型在新产品开发中的应用,在现代产品设计中，设计手段日趋先进，计算机辅助设计使得产品设计快捷、直观，但由于软件和硬件的局限，设计人员仍无法直观地评价所设计产品的效果和结构的合理性以及生产工艺的可行性。每一个设计环节都可能存在着一些人为的设计缺陷，如果不及早发现就会影响后续工作。RP 原型将CAD
6、数字模型可视化，可以进行设计评价、干涉检验，甚至某些功能测试，将设计缺陷消灭在初步设计阶段，减少损失。,1. 概念模型的可视化、零件的观感评价 2. 结构设计验证与装配效验 3. 性能和功能测试,应用一： 概念模型的可视化、零件的观感评价,消费品,应用二：结构设计验证与装配效验,外形 功能 装配干涉检验 设计合理性验证,吸尘器,应用三：性能和功能测试,4.3.2 RP在模具制造中的应用,快速模具制造技术(Rapid Tooling ,简称RT)是用快速成型工艺及相应的后续加工，来快速制作模具的技术。 1. 可以根据CAD 模型直接将复杂的型腔曲面制造出来。 2. 在最终生产模具开模之前进行新产
7、品试制与小批量生产，可以大大提高产品开发的一次成功率,节约开发费用 3. 制造周期仅为原来的1/31/10 左右,生产成本仅为原来的1/31/5,4.3.2 RP在模具制造中的应用,利用快速原型技术制造快速模具可以分为直接模具制造与间接模具制造两大类。主要用于制造塑料模、冲压模和铸模等。把熔模铸造、喷涂法、陶瓷模法、研模法、电铸法等先进模具制造技术和快速原型制造结合起来，就可以快速地制造出各种简易模具和永久性钢模来。,直接模具,指的是利用不同类型的快速原型技术直接制造出模具本身，然后进行一些必要的后处理和机加工以获得模具所要求的机械性能、尺寸精度和表面粗糙度。直接快速模具制造是用SLS、FDM
8、、LOM、3DP等工艺直接制造出树脂模、陶瓷模、金属模等模具。,1SLA工艺直接制模,利用SLA工艺制造树脂模，可作为小批量塑料零件的制造模具。 SLA制模的特点是： 1）可以直接得到塑料模具。 2）模具的表面粗糙度低，尺寸精度高。 3）适用小型模具的生产。 4）模具易发生翘曲，在成型过程中需设计支撑结构，尺寸精度不易保证。 5）成型时间长，往往需要二次固化,1SLA工艺直接制模,利用SLA工艺制造树脂模，可作为小批量塑料零件的制造模具。 SLA制模的特点是： 1）可以直接得到塑料模具。 2）模具的表面粗糙度低，尺寸精度高。 3）适用小型模具的生产。 4）模具易发生翘曲，在成型过程中需设计支撑
9、结构，尺寸精度不易保证。 5）成型时间长，往往需要二次固化,2LOM工艺直接制模,采用特殊的纸质，利用LOM工艺方法可直接从模具的三维CAD模型制成纸质模具，其坚如硬木，并可耐200的高温，经表面打磨处理可用作低熔点合金的模具，或样件试制用的注塑模以及精密铸造用的蜡模成型模，还可代替砂型铸造用的木模。,直接用LOM制造的模具型芯和型腔接,LOM模具的特点是： （1）模具翘曲变形小，成型过程无需设计和制作支撑结构。 （2）有较高的强度和良好的力学性能，但薄壁件的抗拉强度和弹性不够好。 （3）适用于制造中大型模具。 （4）后续打磨处理耗时费力，模具制造周期增加，成本提高,3. SLS工艺直接制模,
10、SLS工艺采用树脂、陶瓷和金属粉等多种材料直接制造模具，这也是SLS技术的一大优势 SLS制模技术的特点 (1)制件的强度高，在成型过程中无需设计、制作支撑结构。 (2)能直接成型塑料、陶瓷和金属制件。 (3)适合中、小模具的制作 (4)成型件结构疏松、多孔，且有内应力，制件易变形,间接快速制模,指利用快速原型制造技术首先制作模芯，然后用此模芯复制硬模具(如铸造模具)，或采用喷涂金属法获得轮廓形状，或者制作母模复制软模具（如硅胶模）等。对快速原型制造技术得到的原型表面进行特殊处理后代替木模，直接制造石膏型或陶瓷型，或是由原型经硅橡胶模过渡转换得到石膏型或陶瓷型，再由石膏型或陶瓷型浇注出金属模。
11、,间接制模方法则根据零件生产批量大小而不同。常用的有： 硅胶模（批量50件以下） 环氧树脂模（数百件以下） 金属冷喷涂模（3000件以下） 快速制作EDM电极加工钢模（5000件以上）等 间接制模法生产出来的模具一般又分为软质模具和硬质模具两大类,按模具材料的不同，间接快速制模分为：非金属模具、半金属模具、金属模具 1）非金属模具有RP原型直接翻制获得。主要有：硅橡胶模、环氧树脂模 2）金属模具一般通过RP原型结合浇注、烧结、铸造、电加工等方法获得 3）半金属模具一般通过电铸或金属喷涂方法形成金属薄壳，然后用非金属材料或复合材料进行补强的工艺方法获得。,软质模具,软质模具因其所使用的软质材料（
12、如硅橡胶、环氧树脂、低熔点合金、锌合金、铝等）有别于传统的钢质材料，也可称简易钢模。制造成本相对较低。 这类模具一般用RP技术制作零件原型，然后根据该原型翻制成硅橡胶模、金属树脂模和石膏模,1）硅橡胶模具,优点： 硅胶模具有很好的弹性、复印性和一定的强度, 便于脱模，能够制作结构复杂、花纹精细、无拔模斜度甚至具有倒拔模斜度以及具有深凹槽类的零件，制作浇注完成后均可直接取出 。 硅橡胶可用作试制小批量生产用注塑模、精铸蜡模和其他间接快速模具制造技术的中间过渡模,RP原型,表面打磨,硅胶计量,型框制作,真空脱泡,硅胶注入型框、二次脱泡 硅胶,硅胶硬化,开模修整,取出原型,合模固定,硅胶模具的制作工
13、艺流程,硅胶模,2）环氧树脂模具,环氧树脂模具是将液态的环氧树脂与有机或无机复合材料作为基体材料，以原型为基准浇注模具的一种间接制模方法 环氧树脂模具与传统注塑模具相比，成本只有传统方法的几分之一，模具寿命如钢模，但比硅胶模高,3）金属树脂模具,用环氧树脂加金属粉(铁粉或铝粉)作填充材料，也有的加水泥、石膏或加强纤维作填料。这种简易模具也是利用RP原型翻制而成，强度和耐温性比高温硅橡胶更好。,4）金属喷涂模具,金属喷涂制模技术的应用领域非常广泛，包括注射模(塑料或蜡)、吹塑模、旋转模塑模、反应注射模(RIM)、吸塑模、浇铸模等。金属喷涂模尤其适合于低压成型过程，如反应注塑、吹塑、浇铸等。如用于
14、聚胺酯制品生产时，件数能达到10万件以上,将雾状金属喷涂到RP原型上，产生约2cm厚的金属硬壳，然后用填充的环氧树脂或硅橡胶支撑，将壳与原型分离，得到精密的模具。 1）模型准备用快速原型机制作初样模 2）金属喷涂模型 3）制作模具框架 4）浇注模具的填充材料 5）脱模及模具型腔表面抛光处理,5）电铸制模法,电铸模是一种结合快速原型和传统电铸的快速模具技术。它的基本过程为: （1）对RP 原型表面进行必要的处理,如打磨、抛光、涂敷导电层等； （2）置入电铸槽中,通过常温电铸获得金属壳层,该壳层的内表面精确地复制出了RP 原型的外表面 （3）高温烧结去除金属壳内的原型 （4）在模具框和金属壳外侧之
15、间浇铸低熔点合金或铝粉 树脂混合材料背衬,即可得到电铸模。 特点：模具复制性好且尺寸精度高，适用于精度要求较高、形态均匀一致和形状花纹不规则的型腔模具，,硬质模具,硬质模具属于钢质模具，利用RPM原型制作钢质模具的主要方法有陶瓷型精密铸造法、熔模铸造法、砂型铸造法、电火化加工法等。,1）电火花（EDM）加工钢模,RP制作的原型往往不导电，无法直接用作电火花加工的工件电极。火花加工法是利用RP原型制作EDM电极，然后利用电火花加工制作钢模，其制作过程一般为： 零件原始信息 立体CAD模型 快速成型 RP原型翻制研具研磨电极电火花加工钢模 电火花技术加工模具正成为一种常规的方法,2）陶瓷型精密铸造
16、法,适用于单件生产或小批量生产钢模 基本原理是以快速成型系统制作的模型，用特制的陶瓷浆料制成陶瓷铸型，利用铸造方法制作钢模具 工艺过程为：制造RP原型母模浸挂陶瓷浆在焙烧炉中固化模壳烧去母模预热模壳浇铸钢(铁)型腔抛光加入浇注、冷却系统制成生产注塑模 周期不超过4周，制造的模具可生25000个塑料产品,3）熔模精密铸造法,RP原型或根据原型翻制的硅橡胶、金属树脂复合材料或聚氨酯制成蜡模或树脂模的压型，然后用该压型批量制造蜡模和树脂消失模,4）砂型铸造法,专用覆膜砂，利用SLS成型技术可以直接制造砂型（芯），通过浇注可得到形状复杂的金属模具,直接快速模具与间接快速模具技术的比较,直接快速模具制造工艺简单、工期短，特别适合需要复杂形状的内流道冷却的模具与零件；但是，它在模具精度和性能控制方面比较困难，特殊的后处理设备与工艺使成本提高较大，模具的尺寸也受到较大的限制 间接快速模具根据不同的应用要求，选择不同复杂程度和成本的工艺，可以较好地控制模具的精度、表面质量、机械性能与使用寿命，也可以满足经济性的要求,4
