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1、快速成形制造RPM-Rapid PrototypingManufacturingl 产生的背景产生的背景l 技术原理（要求掌握）技术原理（要求掌握）l 分类（要求掌握）分类（要求掌握）l 应用场合应用场合u快速成型技术快速成型技术v 全全球球市市场场一一体体化化，制制造造业业竞竞争争激激烈烈，使得产品更新换代日益加快。使得产品更新换代日益加快。1. 1. 产生背景产生背景v 企企业业的的竞竞争争力力将将主主要要体体现现在在根根据据市市场场要要求，不断地推出新产品。求，不断地推出新产品。传统制造方法的瓶颈传统制造方法的瓶颈 机床设备和工模具，费时又费钱。机床设备和工模具，费时又费钱。 有有些些企
2、企业业往往往往由由于于缺缺乏乏产产品品成成形形制制造造能能力力而而造造成成产产品品设设计计不不尽尽合合理理或或上上市市太太慢，错过大好的市场机遇慢，错过大好的市场机遇。v Rapid Prototyping-RP快速成型技术快速成型技术v RP技技术术是是20世世纪纪80年年代代后后期期发发展展起起来的一项高科技成果。来的一项高科技成果。v RP技术对制造业的影响可以和技术对制造业的影响可以和20世纪世纪5060年代发展起来的数控技术相媲美。年代发展起来的数控技术相媲美。 RP技术是基于离散技术是基于离散(discrete)和堆积和堆积(deposit)原理，将零件的原理，将零件的CAD模型按
3、一定模型按一定方式离散，成为可加工的离散面、离散线方式离散，成为可加工的离散面、离散线和离散点，而后采用物理或化学手段，将和离散点，而后采用物理或化学手段，将这些离散的面、线段和点堆积而形成零件这些离散的面、线段和点堆积而形成零件的整体形状。的整体形状。 增材制造增材制造Additive Manuf.2. 技术原理技术原理*8零件的快速成形零件的快速成形零件在零件在CAD/CAM中的处理过程中的处理过程零件的快速成形零件的快速成形l SLA 光固化立体造型法，三维光固化立体造型法，三维光刻法光刻法,l SLS 激光粉末烧结法；激光粉末烧结法；l LOM薄片叠层法；薄片叠层法；l FDM熔丝堆积
4、法；熔丝堆积法；3. RP工艺方法的分类工艺方法的分类v SL-Stereo (铅版铅版, 立体照片立体照片) Lithogra-phy(平版印刷术平版印刷术) Apparatusv SL法最成熟，也是市场的最大占有者。法最成熟，也是市场的最大占有者。v 美国美国3D Systems公司公司1988年年 制造第一台制造第一台原型机原型机 （SLA-1）v 发明人发明人Charles Hul ，1984年获美国专利年获美国专利3. 1 三维光刻法三维光刻法 基于液态光敏基于液态光敏(photosensitive)树脂树脂(resin)的光聚合的光聚合( polymerize )原理。原理。 光敏
5、树脂在一定波长和功率的紫外激光敏树脂在一定波长和功率的紫外激光的照射下能够迅速发生光聚合反应，光的照射下能够迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也能从液态转变分子量急剧增大，材料也能从液态转变为固态。为固态。三维光刻法的工作原理三维光刻法的工作原理*12液体材料容器紫外光液态光敏树脂液面成形开始时，工作台在液面下的一个确定深度，工作台液面始终处于激光的焦平面，聚焦后的光斑在液面上按计算机指令逐点扫描，逐点固化（分层固化）三维光刻工艺的工作原理*13一层扫描完成后，除该层及之前成型部分，其余仍是液态树脂。升降台带动工作台下降一层高度，成型面上又布满一层树脂。 刮平器刮平树脂液面，再进行下一层
6、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，即得到一个三维实体模型。刮平器升降台工作台三维光刻工艺的工作原理*14原理演示*15SLA成型机产品LPS系列气体激光型（气体激光型（He-Cd 50mw)：LPS250型型(A,B,C配置配置)LPS350型型(A,B,C配置配置)LPS600型型(A,B,C配置配置)激光器寿命激光器寿命2000小时小时配用材料：配用材料：XH-1, 420元元/公斤公斤*16SL光固化快速成型设备光固化快速成型设备氦镉激光器氦镉激光器 扫描速度扫描速度 1m/s分层厚度分层厚度 0.05-0.5mm 升降机重复精度升降机重复精度 0.
7、01mm液体光敏树脂液体光敏树脂 精精度度高高、表表面面质质量量好好(精精度度在在0.1mm国国内内SLA精精度在度在0.10.3mm之间，并且存在很大的波动性）；之间，并且存在很大的波动性）； ； 原材料利用率接近原材料利用率接近100%; 制造出来的原型件，可以制造各种模具。制造出来的原型件，可以制造各种模具。成形速度较快、系统工作相对稳定成形速度较快、系统工作相对稳定 能能制制造造形形状状特特别别复复杂杂（如如空空心心零零件件）、特特别精细（如首饰、工艺品等）的零件别精细（如首饰、工艺品等）的零件；三维光刻法的工艺特点三维光刻法的工艺特点*18SLA 快速成型快速成型技术缺点 n n1
8、1、需要专用的实验室环境需要专用的实验室环境，成型件需要后处理，比如：，成型件需要后处理，比如：二次固化，防潮处理等工序。二次固化，防潮处理等工序。n n2 2、尺寸稳定性差尺寸稳定性差，随着时间推移，树脂会吸收空气中的，随着时间推移，树脂会吸收空气中的水分，导致软薄部分的翘曲变形，进而极大地影响成型件水分，导致软薄部分的翘曲变形，进而极大地影响成型件的整体尺寸精度的整体尺寸精度（圆会不像圆是圆会不像圆是SLASLA最大的缺陷，竖向）最大的缺陷，竖向） ；n n3 3、氦氦- -镉激光管的寿命仅镉激光管的寿命仅30003000小时，价格较昂贵小时，价格较昂贵，由于需，由于需对整个截面进行扫描固
9、化，成型时间较长，因此制作成本对整个截面进行扫描固化，成型时间较长，因此制作成本相对较高。相对较高。n n4 4、 可选择的材料种类有限可选择的材料种类有限，必须是光敏树脂。由这类树，必须是光敏树脂。由这类树脂制成的工件在大多数情况下都不能进行耐久性和热性能脂制成的工件在大多数情况下都不能进行耐久性和热性能试验，且光敏树脂对环境有污染，使皮肤过敏。试验，且光敏树脂对环境有污染，使皮肤过敏。n n5 5、 需要设计工件的支撑结构需要设计工件的支撑结构，以便确保在成型过程中制，以便确保在成型过程中制作的每一个结构部位都能可靠定位，支撑结构需在未完全作的每一个结构部位都能可靠定位，支撑结构需在未完全
10、固化时手工去除，容易破坏成型件。固化时手工去除，容易破坏成型件。 v SLS-Selective（选择性的）（选择性的） Laser（激光）（激光） Sintering (烧结烧结) v 美国美国C. R. Dechard 1989年发明年发明 3. 2 选择性激光粉末烧结法选择性激光粉末烧结法 SLS工艺是利用粉末材料（金属粉工艺是利用粉末材料（金属粉末或非金属粉末）在激光照射下烧结的末或非金属粉末）在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成形。原理，在计算机控制下层层堆积成形。SLS工艺的工作原理工艺的工作原理SLS工艺的工作过程工艺的工作过程粉末平铺粉末平铺(工作台工作台)工作平台
11、下降工作平台下降(约约0.1mm)粉末烧结粉末烧结(激光束扫描激光束扫描)辊子刮平辊子刮平层层与与层层烧烧结结三维实体原型三维实体原型SLS工艺的工作过程工艺的工作过程*23原理演示*24实物演示 材料适应面广材料适应面广 塑料材料塑料材料 陶瓷、石蜡等材料陶瓷、石蜡等材料 直接制造金属零件直接制造金属零件 无需加支撑无需加支撑 没被烧结的粉末起支撑作用没被烧结的粉末起支撑作用 可烧结制造空心、多层镂空的复杂零件可烧结制造空心、多层镂空的复杂零件。零件的构建时间较短，可达到零件的构建时间较短，可达到1in/h高度高度 SLS的工艺特点的工艺特点*26SLS快速原型技术缺点快速原型技术缺点 n
12、n1 1、需要专门实验室环境，维护费用高昂。、需要专门实验室环境，维护费用高昂。n n2 2、在加工前，要花近、在加工前，要花近2 2小时的时间将粉末加热到小时的时间将粉末加热到熔点以下，当零件构建之后，还要花熔点以下，当零件构建之后，还要花5-105-10小时冷小时冷却，然后才能将零件从粉末缸中取出。却，然后才能将零件从粉末缸中取出。 n n3 3、成形件强度和表面质量较差，精度低。表面、成形件强度和表面质量较差，精度低。表面的粗糙度受粉末颗粒大小及激光光斑的限制，一的粗糙度受粉末颗粒大小及激光光斑的限制，一般般不适宜做比较小的部件不适宜做比较小的部件 。n n4 4、 零件的表面多孔性，为
13、了使表面光滑必须进零件的表面多孔性，为了使表面光滑必须进行渗蜡等后处理。在后处理中难于保证制件尺寸行渗蜡等后处理。在后处理中难于保证制件尺寸精度，后处理工艺复杂，样件变型大，无法装配。精度，后处理工艺复杂，样件变型大，无法装配。n n5 5、 需要对加工室不断充氮气以确保烧结过程的需要对加工室不断充氮气以确保烧结过程的安全性，加工的成本高。安全性，加工的成本高。n n6 6、 该工艺产生有毒气体，污染环境。该工艺产生有毒气体，污染环境。v LOM（Laminated（薄片的薄片的） Object Manufacturing） v 美国美国Helisys公司研制成功公司研制成功v 因为常用因为常
14、用“纸纸”作原料，因此又称为作原料，因此又称为“纸片纸片叠层法叠层法”。3. 3 薄片分层叠加成形法薄片分层叠加成形法片层表面涂热溶胶片层表面涂热溶胶（当前工作表面）（当前工作表面）工作台下降工作台下降(成成形形片片材材与与多多余余片片材材分分开开)热热压压辊辊热热压压层层与与层层粘粘结结三维实体原型三维实体原型供料机构转动供料机构转动(收料轴收料轴/供料轴供料轴)新材料层移动新材料层移动激光束切割激光束切割(零件轮廓和工件外框架零件轮廓和工件外框架)薄片分层叠加成形法的工作过程薄片分层叠加成形法的工作过程*29原理演示*30实物演示v LOM工工艺艺只只需需要要在在片片材材（如如纸纸、塑塑料
15、料薄薄膜膜等等）上上切切割割出出零零件件截截面面的的轮轮廓廓，而而不不用用扫扫描描整整个截面。因此易于制造大型、实体零件。个截面。因此易于制造大型、实体零件。v 工工件件外外框框与与截截面面轮轮廓廓之之间间的的多多余余材材料料在在加工中起到了支撑作用，故无需支撑。加工中起到了支撑作用，故无需支撑。 v 零件的精度较高（零件的精度较高（0.15mm）。）。薄片分层叠加成形法的工艺特点薄片分层叠加成形法的工艺特点*32Lom快速原型技术的缺点快速原型技术的缺点 n n1 1、 需要专门需要专门实验室环境实验室环境，维护费用高昂。，维护费用高昂。n n2 2、可实际应用的原材料种类较少，尽管可选用若
16、干原、可实际应用的原材料种类较少，尽管可选用若干原材料，例如纸、塑料、陶土以及合成材料，但材料，例如纸、塑料、陶土以及合成材料，但目前常目前常用的只是纸用的只是纸，其他箔材商在研制开发中。，其他箔材商在研制开发中。n n3 3、表面比较粗糙表面比较粗糙，工件表面有明显的台阶纹，成型后，工件表面有明显的台阶纹，成型后要进行打磨；且纸制零件很容易吸潮，必须立即进行要进行打磨；且纸制零件很容易吸潮，必须立即进行后处理、上漆后处理、上漆。n n4 4、 难以构建精细形状的零件，即难以构建精细形状的零件，即仅限于结构简单的零仅限于结构简单的零件件。n n5 5、 由于难以（虽然并非不可能）去除里面的废料，该由于难以（虽然并非不可能）去除里面的废料，该工艺工艺不宜构建内部结构复杂的零件不宜构建内部结构复杂的零件。n n6 6、当加工室的温度过高时常有火灾发生。因此，工作、当加工室的温度过高时常有火灾发生。因此，工作过程中需要过程中需要专职人员职守专职人员职守。v FDM（Fused(熔丝熔丝的的) Deposition （沉沉积积）Manufacturing） v 美国学者美国学者Dr. Scot
