先进制造术先进工艺

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1、先进制造技术导论先进制造技术导论第三章第三章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术学习目标学习目标理解理解各先进制造工艺方法的内涵各先进制造工艺方法的内涵熟悉熟悉各种先进制造工艺的关键技术各种先进制造工艺的关键技术了解了解各先进制造工艺技术的应用及发展趋势各先进制造工艺技术的应用及发展趋势重点：各先进制造工艺方法重点：各先进制造工艺方法的内涵及关键技术的内涵及关键技术学习内容学习内容超高速加工技术超高速加工技术1超精密加工技术超精密加工技术2微细加工技术微细加工技术3高能束加工技术高能束加工技术4快速原型制造技术快速原型制造技术53.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术3.1.1 3.1.1

2、超高速加工技术的产生超高速加工技术的产生泰勒-“金属切削奠基人”研究者对泰勒公式质疑物理学家萨洛蒙进行高速切削试验3.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术3.4.1 3.4.1 超高速加工技术的产生超高速加工技术的产生超高速切削概念示意图超高速切削概念示意图3.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术超高速加工技术是指采用超高速加工技术是指采用超硬材料刀具和磨具超硬材料刀具和磨具，利，利用能可靠地实现用能可靠地实现高速运动高速运动的高精度、高自动化和高的高精度、高自动化和高柔性的柔性的制造设备制造设备，以，以提高切削速度提高切削速度来达到提高材料来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的先

3、进加工技术。切除率、加工精度和加工质量的先进加工技术。3.4.2 3.4.2 超高速加工技术的内涵超高速加工技术的内涵目前世界各国尚未统一对超高速切削速度范围的认目前世界各国尚未统一对超高速切削速度范围的认 识，但通常把切削速度比常规高出识，但通常把切削速度比常规高出5 51010倍以上的倍以上的 切削加工称为超高速切削。切削加工称为超高速切削。3.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术高速切削高速切削的核心是速度与精度，由于刀具材料、的核心是速度与精度，由于刀具材料、工件材料和加工工艺的多样性，对高速切削不可工件材料和加工工艺的多样性，对高速切削不可能用一个确定的速度指标来定义。对于铣刀等

4、回能用一个确定的速度指标来定义。对于铣刀等回转刀具，通常以刀具或主轴的转速作为衡量标准，转刀具，通常以刀具或主轴的转速作为衡量标准，根据不同的刀具直径，现阶段一般把转速根据不同的刀具直径，现阶段一般把转速10000r/min10000r/min以上视为高速切削。以上视为高速切削。3.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术超高速车削超高速车削超高速铣削超高速铣削1 1超高速铣削超高速铣削2 23.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术（1 1）随着切削速度的大幅度提高，进给速度也）随着切削速度的大幅度提高，进给速度也相应提高相应提高 5 51010倍，从而提高了加工效率和设备倍，从而提高了加

5、工效率和设备利用率，缩短了生产周期。利用率，缩短了生产周期。 （2 2）在超高速切削速度范围内，随切削速度的）在超高速切削速度范围内，随切削速度的提高切削力平均可降低提高切削力平均可降低3030以上，单位功率材料以上，单位功率材料切除率的提高，有利于延长刀具使用寿命。切除率的提高，有利于延长刀具使用寿命。3.4.3 3.4.3 超高速加工技术的优越性超高速加工技术的优越性3.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术（3 3）由于切屑可以很高的速度被排出，带走大量的热由于切屑可以很高的速度被排出，带走大量的热量，提高工件的加工精度。量，提高工件的加工精度。（4 4）使得加工过程平稳，有利于提高加

6、工表面质量。）使得加工过程平稳，有利于提高加工表面质量。（5 5）高速切削可加工硬度高达）高速切削可加工硬度高达HRC45HRC456565的淬硬钢铁的淬硬钢铁件，因此对淬硬后的模具等复杂零件，可直接铣成，件，因此对淬硬后的模具等复杂零件，可直接铣成，省去省去 后续的传统放电加工或磨削加工。这就是所谓的后续的传统放电加工或磨削加工。这就是所谓的“一次过一次过” ” 技术。技术。 3.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术对刀具材料的基本要求：对刀具材料的基本要求： 较高的硬度和耐磨性；较高的强度和韧性；较高的硬度和耐磨性；较高的强度和韧性； 耐热性；较好的工艺性能和经济性。耐热性；较好的工艺

7、性能和经济性。 超高速切削的刀具材料的更高要求：超高速切削的刀具材料的更高要求： 可靠性；高的耐热性和抗热冲击性能；可靠性；高的耐热性和抗热冲击性能； 良好的高温力学性能；适应新型材料的加工良好的高温力学性能；适应新型材料的加工3.4.4 3.4.4 超高速切削的相关技术超高速切削的相关技术1. 1. 超高速切削的刀具技术超高速切削的刀具技术3.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术涂层刀具涂层刀具金属陶瓷刀具金属陶瓷刀具陶瓷刀具陶瓷刀具立方氮化硼（立方氮化硼（CBNCBN）聚晶金刚石聚晶金刚石(PCD)(PCD)刀具等刀具等适合于超高速切削的刀具材料主要有：适合于超高速切削的刀具材料主要有

8、：3.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术涂层刀具涂层刀具金属陶瓷刀具金属陶瓷刀具陶瓷刀具陶瓷刀具立方氮化硼立方氮化硼聚晶金刚石刀具聚晶金刚石刀具3.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术2. 2. 超高速切削的机床技术超高速切削的机床技术（1 1）主轴系统）主轴系统（2 2）机床的进给系统）机床的进给系统 （3 3）刀具夹持系统）刀具夹持系统3.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术 主轴电机与主轴合二为一的结构形式。即采用无外主轴电机与主轴合二为一的结构形式。即采用无外壳电机，将其空心转子直接套装在机床主轴上，带壳电机，将其空心转子直接套装在机床主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴

9、单元的壳体内，形成有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内，形成内装式电机主轴，简称内装式电机主轴，简称“电主轴电主轴” 。返回返回3.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术要求超高速切削机床的进给系统不仅要能达到很高的进要求超高速切削机床的进给系统不仅要能达到很高的进给速度，还要求有大的加速度以及高的定位精度。给速度，还要求有大的加速度以及高的定位精度。传统机床采用旋转电机带动滚珠丝杠的进给方案，由于传统机床采用旋转电机带动滚珠丝杠的进给方案，由于其工作台的惯性以及受螺母丝杠本身结构的限制，进给其工作台的惯性以及受螺母丝杠本身结构的限制，进给速度和加速度一般比较小。要获得更高的进给加速度，速

10、度和加速度一般比较小。要获得更高的进给加速度，只有采用直线电机直接驱动的形式。只有采用直线电机直接驱动的形式。3.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术返回返回3.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术目前普遍应用的是目前普遍应用的是7 7：2424锥度的刀柄系统随着超高锥度的刀柄系统随着超高速切削技术的发展，此类刀柄系统暴露出以下不速切削技术的发展，此类刀柄系统暴露出以下不足：足：刚性不足；刚性不足；自动换刀的重复精度不稳定；自动换刀的重复精度不稳定；当主轴高速转动时，主轴前端孔径在离心力作当主轴高速转动时，主轴前端孔径在离心力作用下会增大，易导致主轴与刀柄锥面脱离，用下会增大，易导致主

11、轴与刀柄锥面脱离，刀柄的锥部较长，不利于快速换刀及机床的小刀柄的锥部较长，不利于快速换刀及机床的小型化。型化。 3.1 3.1 超高速加工技术超高速加工技术为解决上述问题，一些研究机构和刀具企业开发为解决上述问题，一些研究机构和刀具企业开发了一种可使刀柄在主轴内孔锥面和端面同时定位了一种可使刀柄在主轴内孔锥面和端面同时定位的新型连接方式的新型连接方式两面定位刀柄系统，两面定位刀柄系统，其中最其中最具代表性的是日本的具代表性的是日本的BIG-PLUSBIG-PLUS刀柄系统和德国的刀柄系统和德国的HSKHSK刀柄系统。刀柄系统。HSKHSK刀柄刀柄BIG-PLUSBIG-PLUS刀柄刀柄3.2

12、3.2 超精密加工技术超精密加工技术3.2.1 3.2.1 精密和超精密加工的加工范畴精密和超精密加工的加工范畴精密和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段，精密和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段，精密和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段，精密和超精密加工代表了加工精度发展的不同阶段，通常，按加工精度划分，可将机械加工分为通常，按加工精度划分，可将机械加工分为通常，按加工精度划分，可将机械加工分为通常，按加工精度划分，可将机械加工分为一般加一般加一般加一般加工、精密加工、超精密加工工、精密加工、超精密加工工、精密加工、超精密加工工、精密加工、超精密加工三个阶段。三个阶段。三个阶段。三

13、个阶段。精密加工：加工精度在精密加工：加工精度在精密加工：加工精度在精密加工：加工精度在0.10.10.10.11 1 1 1 m m m m，加工表面粗糙度，加工表面粗糙度，加工表面粗糙度，加工表面粗糙度在在在在Ra0.02Ra0.02Ra0.02Ra0.020.10.10.10.1 m m m m之间的加工方法称为精密加工；之间的加工方法称为精密加工；之间的加工方法称为精密加工；之间的加工方法称为精密加工；超精密加工：加工精度高于超精密加工：加工精度高于超精密加工：加工精度高于超精密加工：加工精度高于0.10.10.10.1 m m m m，加工表面粗糙，加工表面粗糙，加工表面粗糙，加工表

14、面粗糙度小于度小于度小于度小于Ra0.01Ra0.01Ra0.01Ra0.01 m m m m之间的加工方法称为超精密加工之间的加工方法称为超精密加工之间的加工方法称为超精密加工之间的加工方法称为超精密加工 超例如：金刚石刀具切削刃钝圆半径的大小是金刚石超例如：金刚石刀具切削刃钝圆半径的大小是金刚石刀具超精密切削的一个关键技术参数，日本声称已达刀具超精密切削的一个关键技术参数，日本声称已达到到2nm2nm，而我国尚处于亚微米水平，相差一个数量级；，而我国尚处于亚微米水平，相差一个数量级；又如金刚石微粉砂轮超精密磨削在日本已用于生产，又如金刚石微粉砂轮超精密磨削在日本已用于生产，使制造水平有了大

15、幅度提高，突出地解决了超精密磨使制造水平有了大幅度提高，突出地解决了超精密磨削磨料加工效率低的问题。削磨料加工效率低的问题。3.2.2 3.2.2 精密和超精密加工技术的地位与作用精密和超精密加工技术的地位与作用超精密加工是国家制造工业水平的重要标志之一超精密加工是国家制造工业水平的重要标志之一 3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键精密和超精密加工是先进制造技术的基础和关键 3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术作为制造技术的主战场，作为真实产品的实际制造，作为制造技术的主战场，作为真实产品的实际制造，必然要靠精密加工和超精密加工技术，例

16、如，计算必然要靠精密加工和超精密加工技术，例如，计算机工业的发展不仅要在软件上，还要在硬件上，即机工业的发展不仅要在软件上，还要在硬件上，即在集成电路芯片上有很强的能力，应该说，当前，在集成电路芯片上有很强的能力，应该说，当前，我国集成电路的制造水平约束了计算机工业的发展。我国集成电路的制造水平约束了计算机工业的发展。美国制造工程研究者提出的汽车制造业的美国制造工程研究者提出的汽车制造业的“两毫米两毫米工程工程”使汽车质量赶上欧、日水平，其中的举措都使汽车质量赶上欧、日水平，其中的举措都是实实在在的制造技术。是实实在在的制造技术。超精密加工技术与国防工业关系密切，如陀螺仪的超精密加工技术与国防

17、工业关系密切，如陀螺仪的加工涉及多项超精密加工，导弹系统的陀螺仪质量加工涉及多项超精密加工，导弹系统的陀螺仪质量直接影响其命中率，直接影响其命中率，1kg1kg的陀螺转子，其质量中心的陀螺转子，其质量中心偏离其对称轴偏离其对称轴0.0005m0.0005m，则会引起，则会引起100m100m的射程误的射程误差和差和50m50m的轨道误差。的轨道误差。3.2.3 3.2.3 精密和超精密加工的需求精密和超精密加工的需求国防工业上的需求国防工业上的需求3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术红外线探测器反射镜，其抛物面反射镜形状精度红外线探测器反射镜，其抛物面反射镜形状精度为为1m1m，表面粗

18、糙度为，表面粗糙度为Ra0.01mRa0.01m，其加工精度直，其加工精度直接影响导弹的引爆距离和命中率。接影响导弹的引爆距离和命中率。激光核聚变用的曲面镜，其形状精度小于激光核聚变用的曲面镜，其形状精度小于1m1m，表面粗糙度小于表面粗糙度小于Ra0.01mRa0.01m，其质量直接影响激光，其质量直接影响激光的光源性能。的光源性能。大型天体望远镜的透镜、直径达大型天体望远镜的透镜、直径达2.4m2.4m，形状精度，形状精度为为0.01m0.01m，如著名的哈勃太空望远镜，能观察，如著名的哈勃太空望远镜，能观察140140亿光年的天体。（亿光年的天体。（图图） 3.2 3.2 超精密加工技术

19、超精密加工技术服役的哈勃望远镜服役的哈勃望远镜狮子座螺旋星系狮子座螺旋星系宇宙深处的星体宇宙深处的星体银河系环形星群银河系环形星群3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术 计算机上的芯片、磁板基片、光盘基片等都需要超计算机上的芯片、磁板基片、光盘基片等都需要超精密加工技术来制造。录像机的磁鼓、复印机的感精密加工技术来制造。录像机的磁鼓、复印机的感光鼓、各种磁头、激光打印机的多面体、喷墨打印光鼓、各种磁头、激光打印机的多面体、喷墨打印机的喷墨头等都必须进行超精密加工，才能达到质机的喷墨头等都必须进行超精密加工，才能达到质量要求。量要求。信息产品中的需求信息产品中的需求计算机上的芯片计算机上的

20、芯片录像录像机的机的磁鼓磁鼓 现代小型、超小型的成像设备，如摄相机、照相现代小型、超小型的成像设备，如摄相机、照相机等上的各种透镜，特别是光学曲面透镜，激光机等上的各种透镜，特别是光学曲面透镜，激光打印机、激光打标机等上的各种反射镜都要靠超打印机、激光打标机等上的各种反射镜都要靠超精密加工技术来完成。至于超精密加工机床、设精密加工技术来完成。至于超精密加工机床、设备和装置当然更需要超精密加工技术才能制造。备和装置当然更需要超精密加工技术才能制造。民用产品中的需求民用产品中的需求3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术(1)(1)美国是开展研究最早的国家。美国是开展研究最早的国家。加利福尼亚

21、大学的加利福尼亚大学的 LLNLLLNL国家国家实验室和美国空军合作研制出的大型光学金刚实验室和美国空军合作研制出的大型光学金刚石车床石车床(Large Optics Diamond Turning Machine(Large Optics Diamond Turning MachineLODTM)LODTM)是为镜面加工大直径光学镜头而开发的是为镜面加工大直径光学镜头而开发的 。(2)(2)日本是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。日本是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。日本在工科大学里，大多设置了精密工学科，十分注重日本在工科大学里，大多设置了精密工学科，十分注重培养精密加工方面

22、的高级人材。许多著名的企业，如东培养精密加工方面的高级人材。许多著名的企业，如东芝、精工、三菱电气、西铁城等，在超精密加工设备、芝、精工、三菱电气、西铁城等，在超精密加工设备、测量系统等方面卓有成效。测量系统等方面卓有成效。3.2.4 3.2.4 超精密加工现状及发展趋势超精密加工现状及发展趋势国内外现状国内外现状3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术英、德等欧洲国家在超精密加工机床的制造与精密英、德等欧洲国家在超精密加工机床的制造与精密测量方面也处于世界的先进行列。如：当今世界上测量方面也处于世界的先进行列。如：当今世界上最大的超精密大型最大的超精密大型CNCCNC光学零件磨床光学零件

23、磨床“OAGM2500OAGM2500”大大型非球面反射镜型非球面反射镜 (3)(3)我国的超精密加工技术在我国的超精密加工技术在7070年代末期有了长足进年代末期有了长足进步，步，8080年代中期出现了具有世界水平的超精密机床年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。和部件。3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术LODTMOAGM2500北京机床研究所研制北京机床研究所研制北京机床研究所研制北京机床研究所研制哈尔滨工业大学研制哈尔滨工业大学研制哈尔滨工业大学研制哈尔滨工业大学研制高精度高精度 超精密加工技术的终极目标是超精密加工技术的终极目标是 “移动原子移动原子”，实现原子级精度

24、的加工。，实现原子级精度的加工。大型化大型化 研制各种大型超精密加工设备，以满足航研制各种大型超精密加工设备，以满足航天航空等领域的需要。天航空等领域的需要。发展趋势发展趋势3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术微型化微型化 向微型化发展，以适应微型机械、集成电路向微型化发展，以适应微型机械、集成电路等发展的需要。等发展的需要。光机电一体化、加工检测一体化。光机电一体化、加工检测一体化。 新工艺与复合加工技术新工艺与复合加工技术 面对越来越多的高硬度、面对越来越多的高硬度、高脆性的难加工材料以及低刚度的零件，激光加工、高脆性的难加工材料以及低刚度的零件，激光加工、粒子束加工等新工艺将会得

25、到更多的发展和应用。粒子束加工等新工艺将会得到更多的发展和应用。3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术 近年来，在传统加工方法中，金刚石刀具超精密切削、近年来，在传统加工方法中，金刚石刀具超精密切削、金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密高速切削、精密砂金刚石微粉砂轮超精密磨削、精密高速切削、精密砂带磨削等已占有重要地位；在非传统加工中，出现了带磨削等已占有重要地位；在非传统加工中，出现了电子束、离子束、激光束等高能加工、微波加工、超电子束、离子束、激光束等高能加工、微波加工、超声加工、蚀刻、电火花和电化学加工等多种方法，特声加工、蚀刻、电火花和电化学

26、加工等多种方法，特别是复合加工，如磁性研磨、磁流体抛光、电解研磨、别是复合加工，如磁性研磨、磁流体抛光、电解研磨、超声珩磨等，在加工机理上均有所创新。超声珩磨等，在加工机理上均有所创新。加工机理加工机理 3.2.5 3.2.5 超精密加工的关键技术超精密加工的关键技术3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术 用于精密和超精密加工的零件，其材料的化学成分、用于精密和超精密加工的零件，其材料的化学成分、物理力学性能、加工工艺性能均有严格要求，要求物理力学性能、加工工艺性能均有严格要求，要求被加工材料质地均匀，性能稳定，无外部及内部微被加工材料质地均匀，性能稳定，无外部及内部微观缺陷。观缺陷。

27、被加工材料被加工材料 3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术( (1 1) )高精度。高精度。(2)(2)高刚度。高刚度。 (3)(3)高稳定性。高稳定性。 (4)(4)高自动化。高自动化。 加工设备的质量与基础元部件，如主轴系统、导轨、加工设备的质量与基础元部件，如主轴系统、导轨、直线运动单元和分度转台等密切相关，应注意这些直线运动单元和分度转台等密切相关，应注意这些元部件质量。此外，夹具、辅具等也要求有相应的元部件质量。此外，夹具、辅具等也要求有相应的高精度、高刚度和高稳定性。高精度、高刚度和高稳定性。加工设备及其基础元部件加工设备及其基础元部件 3.2 3.2 超精密加工技术超精密

28、加工技术加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技术。用金加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技术。用金刚石刀具超精密切削，值得研究的问题有：金刚刚石刀具超精密切削，值得研究的问题有：金刚石刀具的超精密刃磨，其刃口钝圆半径应达到石刀具的超精密刃磨，其刃口钝圆半径应达到2 24nm4nm，同时应解决其检测方法，刃口钝圆半径，同时应解决其检测方法，刃口钝圆半径与切削厚度关系密切，若切削的厚度欲达到与切削厚度关系密切，若切削的厚度欲达到10nm10nm，则刃口钝圆半径应为，则刃口钝圆半径应为2nm2nm。 加工工具加工工具3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削，磨具

29、当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削，这种砂轮有磨料粒度、粘接剂、修整等问题，通这种砂轮有磨料粒度、粘接剂、修整等问题，通常，采用粒度为常，采用粒度为W20W20W0.5W0.5的微粉金刚石，粘接剂的微粉金刚石，粘接剂采用树脂、铜、纤维铸铁等。采用树脂、铜、纤维铸铁等。3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术环境环境温度温度可根据加工要求控制在可根据加工要求控制在110.020.02，甚，甚至达到至达到0.00050.0005。 在恒温室内，一般在恒温室内，一般湿度湿度应保持在应保持在55%55%60%60%，防止机器的，防止机器的锈蚀、石材膨胀，以及一些仪器，如激光干涉仪的零点锈蚀、石材

30、膨胀，以及一些仪器，如激光干涉仪的零点漂移等。漂移等。 洁净度洁净度要求要求10001000100100级，级，100100级是指每立方英尺空气中级是指每立方英尺空气中所含大于所含大于0.5m0.5m的尘埃不超过的尘埃不超过100100个，依此类推。个，依此类推。 工作环境工作环境3.2 3.2 超精密加工技术超精密加工技术3.3 3.3 微细加工技术微细加工技术 微型机械加工或称微型机电系统或微型系统是指可微型机械加工或称微型机电系统或微型系统是指可以批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执以批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、甚至外围接口、通行器以及信号

31、处理和控制电路、甚至外围接口、通讯电路和电源等于一体的微型器件或系统。讯电路和电源等于一体的微型器件或系统。3.3.1 3.3.1 概述概述微型机械概念微型机械概念3.3 3.3 微细加工技术微细加工技术体积小（特征尺寸范围为：体积小（特征尺寸范围为：1m-10mm1m-10mm）、重量轻、）、重量轻、耗能低、性能稳定；耗能低、性能稳定；有利于大批量生产，降低生产成本；有利于大批量生产，降低生产成本；集约高技术成果，附加值高。集约高技术成果，附加值高。微型机械特点微型机械特点3.3 3.3 微细加工技术微细加工技术微型机械加工技术微型机械加工技术是指制作为机械装置的微是指制作为机械装置的微细加

32、工技术。细加工技术。起源于半导体制造工艺，原来指加工尺度约起源于半导体制造工艺，原来指加工尺度约在微米级范围的加工方式。在微米级范围的加工方式。微细加工技术概念微细加工技术概念3.3 3.3 微细加工技术微细加工技术从基本加工类型看，微细加工可大致分四类从基本加工类型看，微细加工可大致分四类: : 分离加工分离加工将材料的某一部分分离出去的将材料的某一部分分离出去的加工方式，如分解、蒸发、溅射、破碎等；加工方式，如分解、蒸发、溅射、破碎等； 接合加工接合加工同种或不同材料的附和加工或同种或不同材料的附和加工或相互结合加工，如蒸镀、淀积、掺入、生长、粘相互结合加工，如蒸镀、淀积、掺入、生长、粘结

33、等；结等；3.3 3.3 微细加工技术微细加工技术变形加工变形加工使材料形状发生改变的加工方式，如使材料形状发生改变的加工方式，如塑性变形加工、流体变形加工等；塑性变形加工、流体变形加工等；材料处理或改性材料处理或改性，如一些热处理或表面改性等。，如一些热处理或表面改性等。 3.3 3.3 微细加工技术微细加工技术目前微型加工技术主要目前微型加工技术主要有硅平面加工和体加工有硅平面加工和体加工工艺，工艺，LIGALIGA加工（微型加工（微型铸模电镀工艺）、准铸模电镀工艺）、准LIGALIGA加工，超微细加工、加工，超微细加工、微细电火花加工微细电火花加工（EDMEDM）等技术。）等技术。三维微

34、细加工三维微细加工埃菲尔铁塔微模型埃菲尔铁塔微模型3.3 3.3 微细加工技术微细加工技术3.3.2 微细加工技术微细加工技术1.硅微加工技术硅微加工技术硅微细加工技术硅微细加工技术主要是指以硅材料为基础制作各种主要是指以硅材料为基础制作各种微机械零部件。分为：微机械零部件。分为：体微机械加工体微机械加工表面微机械加工表面微机械加工3.3 3.3 微细加工技术微细加工技术体微机械加工技术体微机械加工技术是针对整块材料通过是针对整块材料通过刻蚀刻蚀去除去除部分基体或衬底材料，从而得到所需元件的体构部分基体或衬底材料，从而得到所需元件的体构形。形。刻蚀工艺分为刻蚀工艺分为干法刻蚀干法刻蚀和和湿法刻

35、蚀湿法刻蚀返回返回3.3 3.3 微细加工技术微细加工技术表面微机械加工技术表面微机械加工技术就是利用集成电路中的平面就是利用集成电路中的平面化制造技术来制造微机械装置化制造技术来制造微机械装置如如牺牲层技术牺牲层技术 2020世世 纪纪8080年代美国年代美国U.C.U.C. Berkeley Berkeley发明了表发明了表 面牺牲层工艺，并面牺牲层工艺，并 采用该工艺制备了采用该工艺制备了 可动的微型静电马可动的微型静电马 达。达。 世世界界上上第第一一个个MEMSMEMS器器件微型静电马达件微型静电马达3.3 3.3 微细加工技术微细加工技术获得更复杂的三维微结构，可以连续添加牺牲层获

36、得更复杂的三维微结构，可以连续添加牺牲层和结构层，并分别采用恰当的光刻和刻蚀技术。和结构层，并分别采用恰当的光刻和刻蚀技术。采用五层多晶硅工艺采用五层多晶硅工艺备的微型传动结构备的微型传动结构3.3 3.3 微细加工技术微细加工技术LIGALIGA是德文的是德文的平版印刷术平版印刷术该工艺在该工艺在8080年代初创立年代初创立于德国的卡尔斯鲁厄原子核研究所，是为制造喷于德国的卡尔斯鲁厄原子核研究所，是为制造喷嘴而开发出来的。嘴而开发出来的。 2. LIGA3.3 3.3 微细加工技术微细加工技术b) b) 组组装装后后的的电电磁磁驱驱动动微微马马达达的的SEM SEM 照照片片，由由牺牺牲牲层

37、层和和LIGALIGA技技术术获获得得，转转子子直直径径为为150150 m m， 三三 个个 齿齿 轮轮 的的 直直 径径 分分 别别 为为7777 m,100m,100 m m和和150150 m ma) a) LIGALIGA工工艺艺得得到到的的三三个个镍镍材材料料的微型齿轮，每个齿轮高的微型齿轮，每个齿轮高100100 m m威斯康星大学通过威斯康星大学通过LIGALIGA方法制作的微齿轮方法制作的微齿轮和组装后的微马达和组装后的微马达3.3 3.3 微细加工技术微细加工技术电火花加工是利电火花加工是利用工件和工具电用工件和工具电极之间的脉冲性极之间的脉冲性火花放电，产生火花放电，产生

38、瞬间高温使工件瞬间高温使工件材料局部熔化和材料局部熔化和气化，从而达到气化，从而达到蚀除的目的。电蚀除的目的。电火花加工由于其火花加工由于其非机械接触的特非机械接触的特点，因而适合于点，因而适合于微细加工。微细加工。 3. 微细电火花加工微细电火花加工3.3 3.3 微细加工技术微细加工技术4. 微细切削加工技术微细切削加工技术 微型阶微型阶梯轴梯轴微型微型螺纹螺纹 微小微小铣刀铣刀 微小微小螺旋螺旋槽槽 3.3.3.3.3 3 微细加工技术的应用微细加工技术的应用谁谁来来做做 微微电电子子生生产产装装备备？谁来做谁来做喷墨头？喷墨头？标准喷墨打印头喷墨面积14平方毫米喷嘴3072个直径15微

39、米打印时加热器在十万分之一秒内升温至三百多度，使喷嘴内形成约100大气压由此从喷嘴中喷出直径为20微米、体积为4微微升的墨滴，速度每秒24000滴这还这还只是微米技术只是微米技术微器件微器件比比蚂蚂蚁蚁小小许许多多的的微微齿齿轮轮光光交换机交换机DWDM模块模块以太网光纤以太网光纤全全光开关光开关波分复用器波分复用器DWDM测试仪测试仪光光通信元器件通信元器件压电传感器压电传感器压电传感器压电传感器制造压力传感器要用晶片的深度蚀刻制造压力传感器要用晶片的深度蚀刻制造压力传感器要用晶片的深度蚀刻制造压力传感器要用晶片的深度蚀刻共振压力传感器共振压力传感器共振压力传感器共振压力传感器4 4吋晶片上

40、的吋晶片上的吋晶片上的吋晶片上的1600016000个传感器个传感器个传感器个传感器微微纳制造制造应用广用广阔轿车上的上的微型微型传感器感器用于加速度、光亮度、用于加速度、光亮度、位置、温度、湿度、扭位置、温度、湿度、扭矩、负荷、重量、空气矩、负荷、重量、空气流量、氧气含量等测量流量、氧气含量等测量控制控制Analog Devices公司截止2002年已制造出一亿只MEMS加速度传感器 新华网洛杉矶新华网洛杉矶20072007年年1010月月2222日专电：日专电： 据据纽约时报纽约时报报道，美国科学家莱斯大学教授报道，美国科学家莱斯大学教授詹姆斯詹姆斯托尔等人耗费年时间研制成了世界上第一托尔

41、等人耗费年时间研制成了世界上第一辆辆“纳米车辆纳米车辆”。科学家说，未来这种车辆可用来运。科学家说，未来这种车辆可用来运输单个的分子，成为输单个的分子，成为“纳米生产纳米生产”中的有用工具。这中的有用工具。这种种“纳米车辆纳米车辆”不过至纳米见方，不到头发丝直不过至纳米见方，不到头发丝直径的万分之一，却拥有完整的底盘、轮轴和车轮。径的万分之一，却拥有完整的底盘、轮轴和车轮。 它的轮轴能像汽车的轮轴一样平滑旋转，而轮轴它的轮轴能像汽车的轮轴一样平滑旋转，而轮轴末端是个末端是个“巴基球巴基球”做成的轮子。做成的轮子。“巴基球巴基球”是由是由个碳原子构成的纳米级球状分子。个碳原子构成的纳米级球状分子

42、。 无限风光在无限风光在“微小微小”3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术高能密度束流加工主要方法高能密度束流加工主要方法: :激光加工激光加工电子束加工电子束加工离子束加工离子束加工3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术高能束流加工的共同特点：高能束流加工的共同特点：1.1.加工速度快，热流输入少，对工件热影响极少，加工速度快，热流输入少，对工件热影响极少，工件变形小。工件变形小。2.2.束流能够聚焦且有极高的能量密度，激光加工、束流能够聚焦且有极高的能量密度，激光加工、电子束加工可使任何坚硬、难熔的材料在瞬间熔融电子束加工可使任何坚硬、难熔的材料在瞬间熔融汽化，而离子束加工是以

43、极大能量撞击零件表面，汽化，而离子束加工是以极大能量撞击零件表面，使材料变形、分离破坏。使材料变形、分离破坏。3.3.工具与工件不接触，无工具变形及损耗问题。工具与工件不接触，无工具变形及损耗问题。4.4.束流控制方便，易实现加工过程自动化。束流控制方便，易实现加工过程自动化。3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术激光加工（激光加工（laser beam machininglaser beam machining，LBMLBM）是在光热效）是在光热效应下产生的高温熔融和冲击波的综合作用过程。应下产生的高温熔融和冲击波的综合作用过程。 激光加工原理激光加工原理3.4.1 3.4.1 激光加

44、工激光加工影影 片片3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术激光加工属非接触加工，无明显机械力，也无工具激光加工属非接触加工，无明显机械力，也无工具损耗，工件不变形，加工速度快，热影响区小，可损耗，工件不变形，加工速度快，热影响区小，可达高精度加工，易实现自动化。达高精度加工，易实现自动化。激光加工的特点激光加工的特点因功率密度是所有加工方法中最高的，所以不受因功率密度是所有加工方法中最高的，所以不受材料限制，几乎可加工任何金属与非金属材料。材料限制，几乎可加工任何金属与非金属材料。3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术激光加工可通过惰性气体、空气或透明介质对工激光加工可通过惰性气体

45、、空气或透明介质对工件进行加工，如可通过玻璃对隔离室内的工件进件进行加工，如可通过玻璃对隔离室内的工件进行加工或对真空管内的工件进行焊接。行加工或对真空管内的工件进行焊接。激光可聚焦形成微米级光斑，输出功率大小可调激光可聚焦形成微米级光斑，输出功率大小可调节，常用于精密细微加工。节，常用于精密细微加工。能源消耗少，无加工污染，在节能、环保等方面能源消耗少，无加工污染，在节能、环保等方面有较大优势。有较大优势。3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术用于特殊材料或特殊工件上的孔加工，如仪表中的宝用于特殊材料或特殊工件上的孔加工，如仪表中的宝石轴承、陶瓷、玻璃、金刚石拉丝模等非金属材料和石轴承

46、、陶瓷、玻璃、金刚石拉丝模等非金属材料和硬质合金、不锈钢等金属材料的细微孔的加工。硬质合金、不锈钢等金属材料的细微孔的加工。激光打孔的效率非常高，打孔时间可缩短至传统切削激光打孔的效率非常高，打孔时间可缩短至传统切削加工的百分之一以下，生产率大大提高。加工的百分之一以下，生产率大大提高。激光打孔的尺寸公差等级可达激光打孔的尺寸公差等级可达IT7IT7，表面粗糙度，表面粗糙度RaRa值可值可达达0.160.160.080.08。激光加工应用激光加工应用（1 1）激光打孔）激光打孔影影 片片3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术激光束焊接是以聚集的激光束作为能源的特种熔化激光束焊接是以聚集的

47、激光束作为能源的特种熔化焊接方法。焊接方法。激光器将电能转化为光能，激光波长均一，方向一激光器将电能转化为光能，激光波长均一，方向一致，强度非常高。经聚焦后，激光束的能量更为集致，强度非常高。经聚焦后，激光束的能量更为集中，将焦点调节到焊件结合处，光能迅速转换成热中，将焦点调节到焊件结合处，光能迅速转换成热能，使金属瞬间熔化，冷却凝固后成为焊缝。能，使金属瞬间熔化，冷却凝固后成为焊缝。（2 2）激光焊接）激光焊接影影 片片3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术激光切割是激光加工中应用最广泛的技术，利用激光切割是激光加工中应用最广泛的技术，利用激光聚焦以后的高功率密度，连续照射工件，光激光

48、聚焦以后的高功率密度，连续照射工件，光束与工件相对移动，使材料形成切缝。束与工件相对移动，使材料形成切缝。（3 3）激光切割）激光切割影影 片片3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术（4 4 4 4）激光表面热处理）激光表面热处理）激光表面热处理）激光表面热处理激光热处理工艺简单，生产率高，对环境无污染，激光热处理工艺简单，生产率高，对环境无污染，硬度比常温淬火高约硬度比常温淬火高约15%15%20%20%；耗能少，工件变；耗能少，工件变形小，适合精密局部表面硬化及内孔或形状复杂形小，适合精密局部表面硬化及内孔或形状复杂零件表面的局部硬化处理。零件表面的局部硬化处理。电子束加工是在真空条

49、件下，电子束加工是在真空条件下，利用电子枪中产生的电子经加利用电子枪中产生的电子经加速、聚焦后能量密度为速、聚焦后能量密度为10106 610109 9w/cmw/cm2 2的极细束流高速冲击的极细束流高速冲击到工件表面上极小的部位，并到工件表面上极小的部位，并在几分之一微秒时间内，其能在几分之一微秒时间内，其能量大部分转换为热能，使工件量大部分转换为热能，使工件被冲击部位的材料达到几千摄被冲击部位的材料达到几千摄氏度，致使材料局部熔化或蒸氏度，致使材料局部熔化或蒸发，来去除材料。发，来去除材料。 电子束加工原理电子束加工原理3.4.2 3.4.2 电子束加工电子束加工1-1-发射阴极发射阴极

50、 2-2-控制栅极控制栅极 3-3-加速加速阳极阳极 4-4-聚焦系统聚焦系统 5-5-电子束斑点电子束斑点 6-6-工件工件 7-7-工作台工作台3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术1 1）高功率密度）高功率密度 属非接触式加工，工件不受机械力作属非接触式加工，工件不受机械力作用，很少产生应力变形，不存在工具损耗问题。用，很少产生应力变形，不存在工具损耗问题。2 2）电子束强度、位置、聚焦可精确控制，可在工件上电子束强度、位置、聚焦可精确控制，可在工件上以任何速度行进，便于自动化控制。以任何速度行进，便于自动化控制。3 3）环境污染少环境污

51、染少 适合加工纯度要求很高的半导体材料适合加工纯度要求很高的半导体材料及易氧化的金属材料。及易氧化的金属材料。电子束加工特点电子束加工特点不锈钢宝石、陶瓷、玻璃等各种材料上的小孔、深孔。不锈钢宝石、陶瓷、玻璃等各种材料上的小孔、深孔。最小加工直径可达最小加工直径可达0.003mm0.003mm，最大深径比可达，最大深径比可达1010。像机翼吸附屏的孔、喷气发动机套上的冷却孔，此类像机翼吸附屏的孔、喷气发动机套上的冷却孔，此类孔数量巨大（高达数百万），且孔径微小，密度连续孔数量巨大（高达数百万），且孔径微小，密度连续分布而孔径也有变化，非常适合电子束打孔。分布而孔径也有变化，非常适合电子束打孔。

52、 塑料和人造革上打许多微孔，令其象真皮一样具有透塑料和人造革上打许多微孔，令其象真皮一样具有透气性。气性。还可凭借偏转磁场的变化使电子束在工件内偏转方向还可凭借偏转磁场的变化使电子束在工件内偏转方向加工出弯曲的孔。加工出弯曲的孔。电子束加工应用电子束加工应用 3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术(1)(1)电子束打孔电子束打孔3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术可对各种材料进行切割，切口宽度仅有可对各种材料进行切割，切口宽度仅有3 36m6m。利用电子束再配合工件的相对运动，可加工所需要利用电子束再配合工件的相对运动，可加工所需要的曲面。的曲面。 （2 2 2 2）电子束切割）

53、电子束切割）电子束切割）电子束切割 3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术电子束加工曲面、弯孔电子束加工曲面、弯孔3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术电子束加工的喷丝头异形孔3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术用计算机控制，对陶瓷、半导体或金属材料进用计算机控制，对陶瓷、半导体或金属材料进行电子刻蚀加工；异种金属焊接；电子束热处行电子刻蚀加工；异种金属焊接；电子束热处理等。理等。（4 4 4 4）其它应用）其它应用）其它应用）其它应用 离子束加工是在真空条件下利用离子源产生的离子离子束加工是在真空条件下利用离子源产生的离子经加速聚焦形成高能的离子束流投射到工件表面，经加速

54、聚焦形成高能的离子束流投射到工件表面，使材料变形、破坏、分离以达到加工目的。使材料变形、破坏、分离以达到加工目的。因为离子带正电荷且质量是电子的千万倍，且加速因为离子带正电荷且质量是电子的千万倍，且加速到较高速度时，具有比电子束大得多的撞击动能，到较高速度时，具有比电子束大得多的撞击动能，因此，离子束撞击工件将引起变形、分离、破坏等因此，离子束撞击工件将引起变形、分离、破坏等机械作用，而不像电子束是通过热效应进行加工。机械作用，而不像电子束是通过热效应进行加工。 离子束加工原理离子束加工原理3.4.3 3.4.3 离子束加工离子束加工3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术3.4 3.4

55、高能束加工技术高能束加工技术1 1）加工精度高。离子束流密度和能量可得到精确控制。）加工精度高。离子束流密度和能量可得到精确控制。2 2）在较高真空度下进行加工，环境污染少。特别适合）在较高真空度下进行加工，环境污染少。特别适合加工高纯度的半导体材料及易氧化的金属材料。加工高纯度的半导体材料及易氧化的金属材料。3 3）加工应力小，变形极微小，加工表面质量高，适合）加工应力小，变形极微小，加工表面质量高，适合于各种材料和低刚度零件的加工。于各种材料和低刚度零件的加工。离子束加工特点离子束加工特点3.4 3.4 高能束加工技术高能束加工技术离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀膜及离子离子束加工方式包

56、括离子蚀刻、离子镀膜及离子溅射沉积和离子注入等。溅射沉积和离子注入等。离子束加工应用离子束加工应用3.5 3.5 快速成形制造快速成形制造技术技术CADCAD建模建模 分层切片分层切片层面信息处理层面信息处理层面加工与粘接层面加工与粘接层层堆积层层堆积 后处理后处理 根据每层轮廓信息，进根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代参数，自动生成数控代码码清理零件表面，清理零件表面，去除辅助支撑去除辅助支撑结构结构由由CAD软件设计出所软件设计出所需零件的计算机三维需零件的计算机三维曲面或实体模型曲面或实体模型将三维模型沿一定将三维模型沿一定方向离散成一系列方

57、向离散成一系列有序的二维层片有序的二维层片成形机制造一系列层片并自动将它们联接起来，得到三维物理实体3.5.1 快速成形制造的主要方法快速成形制造的主要方法 选择性层片粘接选择性层片粘接（LOM）选择性激光烧结选择性激光烧结（SLS）熔融沉积成形熔融沉积成形（FDM）选择性液体固化选择性液体固化（SLA）3.5 3.5 快速成形制造快速成形制造技术技术选择性液体固化的基本原理选择性液体固化的基本原理将激光聚集到液态光固化材料将激光聚集到液态光固化材料（如光固化树脂）表面逐点扫描，（如光固化树脂）表面逐点扫描，令其有规律地固化，由点到线到令其有规律地固化，由点到线到面，完成一个层面的建造。而后面

58、，完成一个层面的建造。而后升降移动一个层片厚度的距离，升降移动一个层片厚度的距离，重新覆盖一层液态材料，进行第重新覆盖一层液态材料，进行第二层扫描，再建造一个层面，第二层扫描，再建造一个层面，第二层就牢固地粘贴到第一层上，二层就牢固地粘贴到第一层上，由此层层迭加成为一个三维实体。由此层层迭加成为一个三维实体。选择性液体固化工艺选择性液体固化工艺( (SLA) SLASLA工工艺艺于于19841984年年获获美美国国专专利利，19881988年年美美国国3D 3D SystemSystem公公司司推推出出的的商商品品化化样样机机SLASLA1 1，是是世世界界上上第第一一台台快快速速原原型型技术

59、成形机。技术成形机。立体光刻立体光刻（SLA SLA Stereo Stereo Lithography Apparatus)Lithography Apparatus)又称又称立体印刷立体印刷 光成形光成形 激光印刷激光印刷 光固化立体造型光固化立体造型SLA工艺成形的产品特点工艺成形的产品特点鼠鼠标标外外壳壳激激光光树树脂脂原原型型照相机激光树脂原型照相机激光树脂原型 SLA SLA方法是目前快速成形技方法是目前快速成形技术领域中研究得最多最为成术领域中研究得最多最为成熟的方法。熟的方法。 SLA SLA 工艺成形的零件精度较工艺成形的零件精度较高，能达到高，能达到0.1mm0.1mm；产

60、品透；产品透明美观，可直接做力学实验。明美观，可直接做力学实验。但这种方法也有自身的局限但这种方法也有自身的局限性，比如需要支撑、树脂收性，比如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树缩导致精度下降、光固化树脂价格昂贵，有一定的毒性。脂价格昂贵，有一定的毒性。选择性液体固化工艺选择性液体固化工艺( (SLA)返回返回选择性层片粘接的基本原理选择性层片粘接的基本原理 采用激光或刀具对片材进行切割。采用激光或刀具对片材进行切割。首先切割出工艺边框和原型的边缘首先切割出工艺边框和原型的边缘轮廓线，而后将不属于原型的材料轮廓线，而后将不属于原型的材料切割成网格状。片材表面事先涂覆切割成网格状。片材表面

61、事先涂覆上一层热熔胶。通过升降平台的移上一层热熔胶。通过升降平台的移动和箔材的送给动和箔材的送给, ,并利用热压辊辗并利用热压辊辗压将后铺的箔材与先前的层片粘接压将后铺的箔材与先前的层片粘接在一起，再切割出的层片。这样层在一起，再切割出的层片。这样层层迭加后得到下一个块状物，最后层迭加后得到下一个块状物，最后将不属于原型的材料小块剥除，就将不属于原型的材料小块剥除，就获得所需的三维实体。获得所需的三维实体。选择性层片粘接（选择性层片粘接（LOMLOM）分层实体制造分层实体制造（ (Laminated Object (Laminated Object Manufacturing- Manufac

62、turing- LOMLOM) LOMLOM工工艺艺由由美美国国HelisysHelisys公公司司于于19861986年年研研制制成成功功。 这这种种方方法法的的代代表表是是美美国国HelisysHelisys公公司司的的LOM-1050LOM-1050和和LOM-2030LOM-2030成形机，日本成形机，日本KiraKira公司的公司的KSC-50KSC-50成形机。成形机。 选择性层片粘接工艺选择性层片粘接工艺1.1.由由于于LOMLOM工工艺艺只只须须在在片片材材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个截截面面，因因此此工工艺艺简简单单，成成型型速速

63、度度快，快，易于制造大型零件易于制造大型零件；2.2.工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲变形，零件的变形，零件的精度较高，精度较高，激光切割为激光切割为0.1mm0.1mm，刀具刀具切割为切割为0.15mm0.15mm；3.3.工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以到了支撑作用，所以LOMLOM工艺工艺无需加支撑无需加支撑；4.4.材料广泛，材料广泛，成本低，成本低，用纸制原料还有利于环保；用纸制原料还有利于环保；5.5.力学性能差，力学性能差，只适合做外形检查。只适合做外形检查。

64、LOM产品的特点品的特点选择性层片粘接（选择性层片粘接（LOMLOM）返回返回选择性激光烧结的基本原理选择性激光烧结的基本原理 SLSSLS工工艺艺是是利利用用粉粉末末状状材材料料成成形形的的。先先在在工工作作台台上上铺铺上上一一层层有有很很好好密密实实度度和和平平整整度度的的粉粉末末，用用高高强强度度的的COCO2 2激激光光器器在在上上面面扫扫描描出出零零件件截截面面，有有选选择择地地将将粉粉末末熔熔化化或或粘粘接接，形形成成一一个个层层面面，利利用用滚滚子子铺铺粉粉压压实实，再再熔熔结结或或粘粘接接成成另另一一个个层层面面并并与与原原层层面面熔熔结结或或粘粘接接，如如此此层层层层叠叠加加

65、为为一一个三维实体。个三维实体。选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLS）选择性选择性激光烧结激光烧结(SLS)(SLS)Selective Laser SinteringSelective Laser Sintering激光激光熔结熔结 （LFLF）Laser FusionLaser Fusion 选择性激光烧结工艺由选择性激光烧结工艺由美国德克萨斯大学奥斯汀分美国德克萨斯大学奥斯汀分校于校于19891989年研制成功，已被年研制成功，已被美国美国DTMDTM公司商品化，推出公司商品化，推出SLS Model125SLS Model125成形机。成形机。影片影片1.1.材料适应面广材料适应面广

66、，不仅能制造塑料，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、蜡等材料零件，还能制造陶瓷、蜡等材料的零件。特别是可以制造出能直的零件。特别是可以制造出能直接使用的接使用的金属金属零件。零件。2. SLS2. SLS工艺工艺不需加支撑，不需加支撑，因为没有因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用。烧结的粉末起到了支撑的作用。SLSSLS的产品特点的产品特点 3. 3. 精度不高。平均精度为精度不高。平均精度为0.150.150.2mm0.2mm， 表面粗糙度不好，不宜做薄壁件。表面粗糙度不好，不宜做薄壁件。选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLSSLS）返回返回熔融沉熔融沉积成形成形的基本原理的基本原理将热熔性材

67、料（将热熔性材料（ABSABS、尼龙、尼龙或蜡）通过喷头加热器熔或蜡）通过喷头加热器熔化；喷头沿零件截面轮廓化；喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出；材料迅熔化的材料挤出；材料迅速凝固冷却后，与周围的速凝固冷却后，与周围的材料凝结形成一个层面；材料凝结形成一个层面；然后将第二个层面用同样然后将第二个层面用同样的方法建造出来，并与前的方法建造出来，并与前一个层面熔结在一起，如一个层面熔结在一起，如此层层堆积而获得一个三此层层堆积而获得一个三维实体。维实体。熔融沉积成形熔融沉积成形 (FDM)(FDM)FusedDepositionModeling熔融熔融挤

68、压成形挤压成形 (MEM)(MEM)MeltedExtrusionModeling熔融沉积成形工艺于熔融沉积成形工艺于19881988年研制成功，后由美国年研制成功，后由美国StratasysStratasys公司推出商品公司推出商品化的化的3D Modeler 10003D Modeler 1000和和FDM1600FDM1600等规格的系列产等规格的系列产品。品。熔融沉熔融沉积成型成型(FDM)1. FDM1. FDM工艺不用激光工艺不用激光 器件，因此使用、器件，因此使用、维护简单，成本较维护简单，成本较低。低。2. 2. 精度可达精度可达0.12mm0.12mm，适合做薄壁件。，适合做

69、薄壁件。3. 3. 污染小，材料可以回收。污染小，材料可以回收。 FDMFDM的产品特点的产品特点熔融沉积成型熔融沉积成型(FDM)(FDM)3.5.2 3.5.2 快速成形技术的理解快速成形技术的理解 在快速成形技术的发展过程中，各个研究在快速成形技术的发展过程中，各个研究机构和人员均按照自己的理解赋予其不同的称机构和人员均按照自己的理解赋予其不同的称谓，这些不同称谓即反映了快速成形技术不同谓，这些不同称谓即反映了快速成形技术不同方面的重要特征。方面的重要特征。离散堆积制造实体自由成形制造材料添加制造即时制造分层制造直接CAD制造 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

70、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积性，体现了快速成形技术的基本成形原理，具有较强的概括性和适应性。 实体自由成形制造实体自由成形制造(Solid (Solid Freeform Fabrication)Freeform Fabrication)表明快速表明快速成形技术无需专用的模腔或成形技术无需专用的模腔或夹具，零件的形状和结构也夹具，零件的形状和结构也相应不受任何约束。相应不受任何约束。RPRP工艺工艺是用逐层变化的截面来制造是用逐层变化的截面来制造三维形体，在制造每一层片三维形体，在制造每一层片时都和前一层自动实现联接，时都和前一层自动实现联接，不需要专

71、用夹具或工具，使不需要专用夹具或工具，使制造成本完全与批量无关，制造成本完全与批量无关，既增加了成形工艺的柔性，既增加了成形工艺的柔性，又节省了制造工装和专用工又节省了制造工装和专用工具的大量成本。具的大量成本。 材料添加制造(Material Increase Manufacturing)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。 即时制造(Instant Manufacturing)反映该类技术的快速响应性。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，快速成形技术制造一个零件的全过程远远短于传统工艺相应过程，使得快速成形技术尤其适

72、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。 分层制造 (Layered Manufacturing)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。 直接直接CADCAD制造制造(Direct CAD Manufacturing)(Direct CAD Manufacturing)反反映了快速成形是映了快速成形是CADCAD模型直接驱动，实现了模型直接驱动，实现了设计与制造一体化，计算机中的设计与制造一体化，计算机中的CADCAD模型通模型通过接口软件直接驱动快速成形设备，接口过接口

73、软件直接驱动快速成形设备，接口软件完成软件完成CADCAD数据向设备数控指令的转化和数据向设备数控指令的转化和成形过程的工艺规划，成形设备则象打印成形过程的工艺规划，成形设备则象打印机一样机一样“打印打印”零件，完成三维输出。零件，完成三维输出。 快速成形由于采用了离散快速成形由于采用了离散/ /堆积的加工堆积的加工工艺，工艺，CADCAD和和CAMCAM能够很顺利地结合在一起，能够很顺利地结合在一起，快速成形的工艺规划主要作用是对成形过快速成形的工艺规划主要作用是对成形过程进行优化以提高造型精度、速度和质量，程进行优化以提高造型精度、速度和质量，所以快速成形可容易地实现设计制造一体所以快速成

74、形可容易地实现设计制造一体化。化。快速成形制造技术的基本概念快速成形制造技术的基本概念快速成形快速成形（RP Rapid Prototyping ）是）是一种基一种基于离散堆积成形思想的新型成形技术，是集成计算机、于离散堆积成形思想的新型成形技术，是集成计算机、数控、激光和新材料等最新技术而发展起来的先进的产数控、激光和新材料等最新技术而发展起来的先进的产品研究与开发技术。品研究与开发技术。快速成形制造快速成形制造(RPM Rapid Prototyping Manufacturing） 是使用是使用RPRP技术，由技术，由CADCAD模型直模型直接驱动的快速完成任意复杂形状三维实体零件的技术

75、接驱动的快速完成任意复杂形状三维实体零件的技术的总称的总称。3.5.3 3.5.3 快速成形制造技术的应用快速成形制造技术的应用全全球球RP设设备备装装机机量量医学医学实验分析模型实验分析模型快速模具快速模具快速铸造快速铸造快速成形制造在医学上的快速成形制造在医学上的应用用 根据根据CTCT扫描信息，应用熔融扫描信息，应用熔融挤压快速成形的方法可以快挤压快速成形的方法可以快速制造人体的骨骼（如颅骨、速制造人体的骨骼（如颅骨、牙齿）和软组织（如肾）等牙齿）和软组织（如肾）等模型，可以进行手术模拟、模型，可以进行手术模拟、人体骨关节的配制，颅骨修人体骨关节的配制，颅骨修复。复。 在康复工程上，采用

76、熔融挤压制造的人在康复工程上，采用熔融挤压制造的人体和肌体的结合部位能够做到最大程度的体和肌体的结合部位能够做到最大程度的吻合，减轻了假肢使用者的痛苦。吻合，减轻了假肢使用者的痛苦。快速成形制造快速成形制造应用在用在实验分析模型上分析模型上利用加工的样品，利用加工的样品，找出新产找出新产品外观品外观& &结构结构设计缺陷，完设计缺陷，完善设计。善设计。 利用加工出的样利用加工出的样品可以进行装配品可以进行装配和功能验证。和功能验证。 利用新产品样件利用新产品样件可先进行市场调可先进行市场调研，投标、招标。研，投标、招标。 快速成形制造在快速模具上的快速成形制造在快速模具上的应用用快速成形制造在

77、快速快速成形制造在快速铸造上的造上的应用用点击看铸件3.5.4 3.5.4 与快速成形制造相关的技术与快速成形制造相关的技术RPMRPM是多种技术的交叉结合，主要的相关技术有：是多种技术的交叉结合，主要的相关技术有：计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD)(CAD)反求工程反求工程数控技术数控技术(NC)(NC)材料技术材料技术CADCAD与与RPMRPM 利利用用三三维维实实体体产产品品模模型型，设设计计者者在在设设计计产产品品时时可可以以直直接接在在计计算算机机上上构构造造三三维维物物体体，并并从从任任意意角角度度观观察察物物体体。新新的的设设计计手手段段大大大大方便了设计人员。方便了设计人

78、员。产产品品模模型型发发展展到到实实体体模模型型，能能较较完完整整的的表表示示一一个个三三维维物物体体。这这为为RP技技术术的的产产生生准准备备了了条条件件，同同时时也提出了需求。也提出了需求。卫卫星星遥遥感感地地表表高高程程数数据据重重构构的的地地球球三三维维快快速速原原型型反求工程与RPM下一页NCNC与与RPMRPM RPRP技术就是数控技术最新应用的领域技术就是数控技术最新应用的领域之一。之一。RPRP技术要求将材料精确地堆积，并技术要求将材料精确地堆积，并长时间保持较高的定位精度，防止错层。长时间保持较高的定位精度，防止错层。如果没有高可靠性、高精度的数控系统是如果没有高可靠性、高精

79、度的数控系统是无法实现的。数控技术的应用，是无法实现的。数控技术的应用，是RPRP技术技术能够产生并发展成熟必不可少的条件。能够产生并发展成熟必不可少的条件。材料技术与材料技术与RPM 成型材料是成型材料是成型材料是成型材料是RPMRPMRPMRPM技技技技术发术发展展展展的关的关的关的关键环节键环节。它影响原型的成。它影响原型的成。它影响原型的成。它影响原型的成型速度、精度和物理、化学性型速度、精度和物理、化学性型速度、精度和物理、化学性型速度、精度和物理、化学性能，直接影响到原型的二次能，直接影响到原型的二次能，直接影响到原型的二次能，直接影响到原型的二次应应用和用用和用用和用用和用户对户

80、对成型工成型工成型工成型工艺设备艺设备的的的的选选择择。 与与与与RPMRPMRPMRPM制造的四个目制造的四个目制造的四个目制造的四个目标标（概念（概念（概念（概念型、型、型、型、测试测试型，模具型，功能零型，模具型，功能零型，模具型，功能零型，模具型，功能零件）相适件）相适件）相适件）相适应应，对对成型材料的要成型材料的要成型材料的要成型材料的要求也不同。求也不同。求也不同。求也不同。本章本章结束束快速成形技术与数控技术的比对快速成形技术与数控技术的比对快速成形技术与数控技术的比对快速成形技术与数控技术的比对快速成形技术与数控技术的比对快速成形技术与数控技术的比对快速成形技术与数控技术的比

81、对快速成形技术与数控技术的比对快速成形技术与数控技术的比对快速成形技术与数控技术的比对快速成形技术与数控技术的比对快速成形技术与数控技术的比对快速成形技术与数控技术的比对快速成形技术与数控技术的比对快速成形技术与数控技术的比对快速成形技术与数控技术的比对CADCAD与与RPMRPM 利用三维实体产品模型，设计者在设计产品时，不需要将三维物体进行投影，想象各种角度的视图，用多个剖面表示内容结构，用多个视图解释投影的二义性。而可以直接在计算机上构造三维物体，并赋以质量、颜色等特性，并从任意角度观察物体。随着参数化特征造型技术的发展，设计人员还可以在零件上构造具有加工工艺特性的特征结构，修改原先设计的尺寸，使零件的形态按要求进行变化。新的设计手段大大方便了设计人员。一方面他们可以构造任意复杂的零件表面形状和内部结构，而无需考虑如何表达它们的二维投影；另一方面他们可以把头脑中的设计灵感直接映射到计算机构成的三维空间中，而无需经过二维平面手段作为媒介。 产品模型发展到实体模型，能较完整的表示一个三维物体。这为RP技术的产生准备了条件，同时也提出了需求。因为如果没有能表示三维物体的数据模型，而只是一些图纸，想要用RP的原理制造出实体模型就需要手工计算出各个截面，编制每个截面的加工代码。计算劳动量太大，以致无法实现。