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1、先进制造系统,第 1 章 先进制造系统总论 第 2 章 先进制造系统基本原理 第 3 章 先进制造模式 第 4 章 先进设计技术 第 5 章 先进制造装备及技术 第 6 章 先进制造工艺技术 第 7 章 绿色设计与制造 第 8 章 典型产品的制造系统 第 9 章 制造系统展望,第6章 先进制造过程技术,6.1 先进制造工艺技术的内涵 6.2 快速成形技术 6.3 高能束加工技术 6.4 超精密加工技术 6.5 微纳制造 6.6 生物制造,6.1 先进制造工艺技术的内涵,6.1.1 物体的成形方法 6.1.2 先进制造工艺技术的定义与内容,6.1.1 物体的成形方法,制造工艺技术(制造过程技术)
2、- 改变原材料的形状、尺寸、性能或相对位置，使之成为成品或半成品的方法和技术。其实质是与物料处理过程相关的各项技术。,6.1.1 物体的成形方法,6.1.1 物体的成形方法,制造工艺主要是研究物体成形方法。按构成物体的成形原理分，有下列四种方法： 受迫成形（Compelled Forming） 去除成形（Dislodge Forming） 添加成形（Adding Forming） 生成成形（Growth Forming）,6.1.2 先进制造工艺技术的定义与内容,1、先进制造工艺技术 是研究与物料处理过程和物料直接相关的各项技术，要求实现优质、高效、低耗、清洁和灵活。 2、先进制造工艺技术的特
3、点 优质 高效 低耗 清洁 灵活,6.1.2 先进制造工艺技术的定义与内容,3. 先进制造工艺技术的分类 基于成形方式的工艺分类 基于加工精度的 基于加工设备的 基于加工尺寸 基于加工材料 基于加工能量,6.2 快速成形制造（RPM）,6.2.1 快速成形制造的发展 6.2.2 RPM的原理与特点 6.2.3 几种常用的RPM工艺 6.2.4 RPM的发展趋势 6.2.5 RPM的应用,6.2.1 快速成形制造的发展,快速成形制造又称为快速原型制造。 20世纪80年代后期，快速成形制造（RPM）技术在美国首先产生并商品化。 RPM以离散堆积原理为基础和特征，即它首先将零件的电子模型软件离散化，
4、成为“层状”的离散面、离散线和离散点，而后采用多种手段，将这些离散的面、线段和点按层堆积形成零件的整体形状。 RPM工艺过程无需专用工具，工艺规划步骤简单，所以制造速度比传统方法简单得多。,6.2.2 RPM技术的原理与特点,RPM技术的原理 2. RPM技术的内涵 3. RPM技术的特点,1. RPM技术的原理,快速成形制造技术：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CAD技术、数控技术、激光加工技术和材料技术实现从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术。以微元迭加逐渐累积生成零件的方法。,6.2.2 RPM技术的原理与特点,RPM的成形流程图,图6-1 RPM的离散/堆积
5、成形流程,6.2.2 RPM技术的原理与特点,x,y,z,x,y,RPM技术的内涵主要表现在： 不使用一般意义上的模具或刀具，而是利用光、热、电等物理手段实现材料的转移与堆积； 原型是通过堆积不断增大，其力学性能不但取决于成型材料本身，而且与成形中所施加的能量大小及施加方式有密切关系； 在成形工艺控制方面，需要对多个坐标进行精确的动态控制。,2. RPM技术的内涵,6.2.2 RPM技术的原理与特点,实体自由成形制造（Solid Freeform Fabrication，SFF） 直接CAD制造（Direct CAD Manufacturing，DCM） 离散堆积制造（Dispersed Cu
6、mulate Manufacturing，DCM） 即时制造（Instant Manufacturing，IM） 分层制造（Layered Manufacturing，LM） 材料添加制造（Material Increase Manufacturing，MIM）,RPM技术的不同称谓,6.2.2 RPM技术的原理与特点,1）实体自由成形制造（SFF）,SFF 它表明RPM技术无需专用的模腔或夹具，零件的形状和结构也相应不受任何约束。RPM工艺是用逐层变化的截面来制造三维形体，在制造每一层片时都和前一层自动实现联接，不需要专用夹具或工具，使制造成本完全与批量无关，既增加了成形工艺的柔性，又节省了
7、制造工装和专用工具的成本。,6.2.2 RPM技术的原理与特点,DCM 反映了RPM是CAD模型直接驱动，计算机中的CAD模型通过接口软件直接驱动RPM设备，接口软件完成CAD数据向设备数控指令的转化和成形过程的工艺规划，成形设备则像打印机一样“打印”零件，完成三维输出。RPM由于采用了离散/堆积的加工工艺，CAD和CAM能够很顺利地结合在一起，可容易地实现设计制造一体化。,2）直接CAD制造（DCM）,6.2.2 RPM技术的原理与特点,3）离散堆积制造(DCM),离散堆积制造是现代成形学理论中在对成形技术发展进行总结的基础上提出的，表明了模型信息处理过程的离散性，强调了成形物理过程的材料堆
8、积性，体现了RPM技术的基本成形原理，具有较强的概括性和适应性。,6.2.2 RPM技术的原理与特点,4）即时制造（IM）,IM 它反映RPM技术的快速响应性。由于无需针对特定零件制定工艺操作规程，也无需准备专用夹具和工具，RPM技术制造一个零件的全过程远远短于传统工艺相应过程，使得RPM技术尤其适合于新产品的开发，显示了其适合现代科技和社会发展的快速反应的特征和时代要求。,6.2.2 RPM技术的原理与特点,LM 是将复杂的三维加工分解成一系列二维层片的加工，着重强调层作为制造单元的特点，每层可采取更低维单元进行累加或高维单元进行加工得到。,5）分层制造（ LM ）,6.2.2 RPM技术的
9、原理与特点,MIM 是将材料单元采用一定方式堆积、叠加成形，有别于车削等基于材料去除原理的传统加工工艺。,6）材料添加制造（MIM ）,6.2.2 RPM技术的原理与特点,3. RPM技术的特点,快速成形制造系统是与CAD集成的RPMS，属于CIMS的目标产品的范畴。具有以下特点： 高度柔性，可以制造任意复杂形状的三维实体； CAD模型直接驱动，设计制造高度一体化； 成形过程无需专用夹具或工具； 无需人员干预或较少干预，是一种自动化的成形过程； 成形全过程的快速性； 技术的高度集成性，带有鲜明的高新技术特征。,6.2.2 RPM技术的原理与特点,6.2.3 几种常用的RPM方法,1. 立体光刻
10、（SLA） 2. 分层实体制造（LOM） 3. 选择性激光烧结（SLS） 4. 熔融沉积成形（FDM）,1、立体光刻/立体印刷/光造型/光敏液相固 （Stereo Lithography Apparatus，SLA）,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。,6.2.3 几种常用的RPM方法,SLA法的工艺原理,6.2.3 几种常用的RPM方法,SLA设备和原型件示例,6.2.3 几种常用的RPM方法,2. 分层实体制造/叠层实体制造/层合实体制造 （Laminated Object Ma
11、nufacturing，LOM）,在薄片材料涂覆上一层热熔胶。加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成形的工件粘结； 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； 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。,6.2.3 几种常用的RPM方法,LOM法的工艺原理,6.2.3 几种常用的RPM方法,3. 选择性激光烧结/选区激光烧结 （S
12、elective Laser Sintering，SLS）,利用粉末状材料成形的。 将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平； 用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面 材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分连接； 当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面。,6.2.3 几种常用的RPM方法,SLS法的工艺原理,6.2.3 几种常用的RPM方法,SLS 设备和原型件示例,6.2.3 几种常用的RPM方法,4. 熔融沉积成形/熔丝沉积 （Fused Deposition Modeling，FDM）,所用材料一般是热塑性材料，
13、如蜡、ABS、尼龙等。 材料在喷头内被加热熔化。 喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出 材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。,6.2.3 几种常用的RPM方法,FDM法的工艺原理,6.2.3 几种常用的RPM方法,FDM 设备和原型件示例,6.2.3 几种常用的RPM方法,RPM典型工艺比较,6.2.4 RPM技术的发展趋势,RPM技术的发展趋势： 开发概念模型机或台式机 开发新的成型能源 开发性能优越的成型材料 研究新的成型方法与工艺 集成化,6.2.5 RPM技术的应用,RPM技术的应用: 快速模具制造 快速制造金属零件 在医学中用于器官模型制作 与反求工程相结合形成快速设
14、计制造闭环系统,1. 快速模具制造,快速模具（RT）制造主要用于制造铸造模具和塑料模具。,1）间接制模 用RPM技术制造零件原型，与传统的制模工艺相结合的制模方法。 2）直接制模 是利用RPM技术将模具直接制造成形，它不需制作原型样件，是一种与传统的制模工艺完全不同的方法。,硅橡胶模具,6.2.5 RPM技术的应用,2. 快速制造金属零件,RPM技术与铸造技术相结合是由RPM原型转化为金属零件的最佳途径。其方法有通过RPM原型翻制压型、直接复制铸模或烧失型铸造熔模，亦可设计模型直接得到型壳、型芯。采用RPM原型得到烧失型铸造熔模是一种较快的精铸方法。,6.2.5 RPM技术的应用,3. 在医学
15、中用于器官模型制作,该方法是将以数字成像技术为基础的CT（断层成像）、MRI（核磁共振）等诊断方法与RPM系统相结合，即把所获得的人体扫描的分层截面图像，经计算机三维重建后的数据提供给RPM系统，得到人体局部或内脏器官。这样就可以显示该部位病变情况和实体结构，可用于临床辅助诊断和复杂手术方案的确定，或供教学使用。此外亦可利用RPM原型制作假肢。,6.2.5 RPM技术的应用,4. 与反求工程相结合形成快速设计制造闭环系统,在RPM技术中的反求，就是要在现有实物的基础上求出三维的CAD模型。某些产品零件的形状十分复杂，很难在CAD软件上设计出它们的实体模型，因此先制造出小比例的实物模型，再通过对模型测量和数据处理，获得三维实体模型。通过反求工程还可以快速、准确地测量RPM原型，找出产品设计中的不足，重新设计，经过多次反复的迭代使产品更加完善。,6.2.5 RPM技术的应用,RPM技术的应用实例,车辆零件开发与试制,消费类产品开发与试制,玩具产品开发与试制,电子产品开发与试制,医疗产品研发和术前手术方案制定,文物和工艺品的复原与设计,6.2.5 RPM技术的应用,
