先进制造过程技术培训课件

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1、1第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统先进制造系统先进制造系统先进制造系统先进制造系统第第 1 章章 先进制造系统总论先进制造系统总论第第 2 章章 先进制造系统基本原理先进制造系统基本原理第第 3 章章 先进制造模式先进制造模式 第第 4 章章 先进设计技术先进设计技术第第 5 章章 先进制造装备及技术先进制造装备及技术 第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术 第第 7 章章 绿色设计与制造绿色设计与制造第第 8 章章 典型产品的制造系统典型产品的制造系统 第第 9 章章 制造系统展望制造系统展望 2第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技

2、术先进制造系统先进制造系统第第6 6章章 先进制造过程技术先进制造过程技术 6.1 先进制造工艺技术的内涵先进制造工艺技术的内涵 6.2 快速成形技术快速成形技术6.3 高能束加工技术高能束加工技术6.4 超精密加工技术超精密加工技术6.5 微纳制造微纳制造6.6 生物制造生物制造3第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统6.1 6.1 先进制造工艺技术的内涵先进制造工艺技术的内涵6.1.1 物体的成形方法物体的成形方法 6.1.2 先进制造工艺技术的定义与内容先进制造工艺技术的定义与内容 4第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系

3、统6.1.1 6.1.1 物体的成形方法物体的成形方法制造工艺技术制造工艺技术( (制造过程技术制造过程技术)-)- 改变原材料的形状、尺寸、性能或相对位改变原材料的形状、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。实质是与物料处理过程相关的各项技术。 5第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统6.1.1 6.1.1 物体的成形方法物体的成形方法物质准备部门物质准备部门粗加工粗加工机械制造部门机械制造部门精加工精加工装配与包装装配与包装改性与处理改性与处理搬运与储存，检测与

4、控制搬运与储存，检测与控制切削加工与特种加工切削加工与特种加工焊接、铆接、粘接焊接、铆接、粘接切切割割、下下料料锻造、冲压锻造、冲压铸造铸造热热处处理理大锻件钢坯大锻件钢坯装装配配包包装装（成成品品）表表面面处处理理发发运运金属炉料金属炉料棒、板、管、棒、板、管、线、型材线、型材熔化熔化粉末冶金（压制、烧结）粉末冶金（压制、烧结）注射、压塑、挤塑、吹塑注射、压塑、挤塑、吹塑敞开模、对模成形、缠绕等敞开模、对模成形、缠绕等原原材材料料、能能源源金金属属结结构构材材料料非非金金属属结结构构材材料料冶金粉末，工程陶瓷冶金粉末，工程陶瓷工程塑料、橡胶工程塑料、橡胶复合材料复合材料图图6-1 机械制造过

5、程的组成机械制造过程的组成 6第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统6.1.1 6.1.1 物体的成形方法物体的成形方法 制造工艺主要是研究物体成形方法。按构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：成物体的成形原理分，有下列四种方法： 受迫成形（受迫成形（Compelled Forming） 去除成形（去除成形（Dislodge Forming） 添加成形（添加成形（Adding Forming）生成成形（生成成形（Growth FormingGrowth Forming） 7第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进

6、制造系统先进制造系统6.1.2 6.1.2 先进制造工艺技术的定义与内容先进制造工艺技术的定义与内容 1 1、先进制造工艺技术、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，要求实现术，要求实现优质、高效、低耗、清洁和灵活优质、高效、低耗、清洁和灵活。 2、先先进进制造工制造工艺艺技技术术的特点的特点 优质优质 高效高效 低耗低耗 清洁清洁 灵活灵活 8第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统6.1.2 6.1.2 先进制造工艺技术的定义与内容先进制造工艺技术的定义与内容 3. 3. 先进制造工艺技术的

7、分类先进制造工艺技术的分类 基于成形方式的工艺分类基于成形方式的工艺分类基于加工精度的基于加工精度的基于加工设备的基于加工设备的基于加工尺寸基于加工尺寸基于加工材料基于加工材料基于加工能量基于加工能量 9第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统基于成形方式的通用制造工艺分类去除成形工艺堆积成形工艺受迫成形工艺生长成形工艺其他成形工艺10第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统基于加工精度的通用制造工艺分类低级精度加工工艺中级精度加工工艺高级精度加工工艺11第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统基于

8、加工设备的通用制造工艺分类切削加工工艺特种加工工艺压力加工工艺铸造工艺焊接工艺其他12第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统基于加工能量的通用制造工艺分类机械加工工艺电加工工艺热加工工艺化学加工工艺复合加工工艺其他工艺13第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统6.2 6.2 快速成形制造（快速成形制造（RPMRPM） 6.2.1 快速成形制造的发展快速成形制造的发展 6.2.2 RPM的原理与特点的原理与特点 6.2.3 几种常用的几种常用的RPM工艺工艺 6.2.4 RPM的发展趋势的发展趋势 6.2.5 RPM的应用的应用

9、 14第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统6.2.1 6.2.1 快速成形制造的发展快速成形制造的发展 快速成形制造快速成形制造又称为又称为快速原型制造快速原型制造。20世纪世纪80年代后期，快速成形制造（年代后期，快速成形制造（RPM）技术在技术在美国首先产生并商品化。美国首先产生并商品化。RPM以以离散堆积离散堆积原理为基础和特征，即它首先将零原理为基础和特征，即它首先将零件的电子模型软件离散化，成为件的电子模型软件离散化，成为“层状层状”的离散面、的离散面、离散线和离散点，而后采用多种手段，将这些离散离散线和离散点，而后采用多种手段，将这些离散的面、线

10、段和点按层堆积形成零件的整体形状。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，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。所以制造速度比传统方法简单得多。 15第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统6.2.2 RPM技术的原理与特点技术的原理与特点1. 1.RPMRPM技术的原理技术的原理2.2.2. RPM2. RPM技术的内技术的内涵涵3.3.3. RPM3. RPM技术的特技术的特点点 16第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统1. RPM1. RP

11、M1. RPM1. RPM技术的原理技术的原理技术的原理技术的原理快速成形制造技术快速成形制造技术快速成形制造技术快速成形制造技术：是一种基于：是一种基于：是一种基于：是一种基于离散堆积成形离散堆积成形离散堆积成形离散堆积成形思想的新型成形技思想的新型成形技思想的新型成形技思想的新型成形技术，是综合利用术，是综合利用术，是综合利用术，是综合利用CADCADCADCAD技术、数控技技术、数控技技术、数控技技术、数控技术、激光加工技术和材料技术实术、激光加工技术和材料技术实术、激光加工技术和材料技术实术、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现从零件设计到三维实体原型制现从零件设计到

12、三维实体原型制现从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术。造一体化的系统技术。造一体化的系统技术。造一体化的系统技术。以微元迭以微元迭以微元迭以微元迭加逐渐累积生成零件的方法。加逐渐累积生成零件的方法。加逐渐累积生成零件的方法。加逐渐累积生成零件的方法。 6.2.2 RPM6.2.2 RPM技术的原理与特点技术的原理与特点技术的原理与特点技术的原理与特点 17第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统RPMRPM的成形流程图的成形流程图成成形形机机中中堆堆积积成成形形CAD模型模型Z向离散化（分层）向离散化（分层）层面信息处理层面信息处理层面加工与粘接层面加工

13、与粘接层层堆积层层堆积后处理后处理分分解解过过程程组组合合过过程程计计算算机机中中信信息息处处理理图图6-1 RPM6-1 RPM的离散的离散/ /堆积成形流程堆积成形流程6.2.2 RPM6.2.2 RPM6.2.2 RPM6.2.2 RPM技术的原理与特点技术的原理与特点技术的原理与特点技术的原理与特点 x xy yz zx xy y18第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统 RPM RPM技术的内涵主要表现在：技术的内涵主要表现在：不不使使用用一一般般意意义义上上的的模模具具或或刀刀具具，而而是是利利用用光光、热热、电等物理手段实现材料的转移与堆积；电等

14、物理手段实现材料的转移与堆积； 原原型型是是通通过过堆堆积积不不断断增增大大，其其力力学学性性能能不不但但取取决决于于成成型型材材料料本本身身，而而且且与与成成形形中中所所施施加加的的能能量量大大小小及及施施加方式有密切关系；加方式有密切关系； 在在成成形形工工艺艺控控制制方方面面，需需要要对对多多个个坐坐标标进进行行精精确确的的动态控制。动态控制。 2. RPM技术的内涵 6.2.2 RPM6.2.2 RPM6.2.2 RPM6.2.2 RPM技术的原理与特点技术的原理与特点技术的原理与特点技术的原理与特点 19第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统实体自由

15、成形制造实体自由成形制造实体自由成形制造实体自由成形制造（Solid Freeform FabricationSolid Freeform Fabrication，SFFSFF）直接直接直接直接CADCADCADCAD制造制造制造制造（Direct CAD ManufacturingDirect CAD Manufacturing，DCMDCM）离散堆积制造离散堆积制造离散堆积制造离散堆积制造（Dispersed Cumulate ManufacturingDispersed Cumulate Manufacturing，DCMDCM） 即时制造即时制造即时制造即时制造（Instant Man

16、ufacturingInstant Manufacturing，IMIM）分层制造分层制造分层制造分层制造（Layered ManufacturingLayered Manufacturing，LMLM）材材材材 料料料料 添添添添 加加加加 制制制制 造造造造 （ Material Material Increase Increase ManufacturingManufacturing，MIMMIM） RPM技术的不同称谓6.2.2 RPM6.2.2 RPM技术的原理与特点技术的原理与特点技术的原理与特点技术的原理与特点 20第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进

17、制造系统1 1）实体自由成形制造（）实体自由成形制造（SFFSFF） SFFSFFSFFSFF 它表明它表明RPMRPM技术无需专用的模腔或夹具，零件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。的形状和结构也相应不受任何约束。RPMRPM工艺是用逐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，制造成本完全与批量无关，既增加了成形工艺的柔性，又节省了制造工装和专用工具的成本。又节省了制

18、造工装和专用工具的成本。6.2.2 RPM6.2.2 RPM技术的原理与特点技术的原理与特点技术的原理与特点技术的原理与特点 21第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统 DCMDCMDCMDCM 反映了反映了RPMRPM是是CADCAD模型直接驱动，计算机中的模型直接驱动，计算机中的CADCAD模型通过接口软件直接驱动模型通过接口软件直接驱动RPMRPM设备，接口软件设备，接口软件完成完成CADCAD数据向设备数控指令的转化和成形过程的工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艺规划，成形设备则像打印机一样“打印打印”零件，零件，完

19、成三维输出。完成三维输出。RPMRPM由于采用了离散由于采用了离散/ /堆积的加工工堆积的加工工艺，艺，CADCAD和和CAMCAM能够很顺利地结合在一起，可容易地能够很顺利地结合在一起，可容易地实现设计制造一体化。实现设计制造一体化。2 2）直接）直接CADCAD制造（制造（DCMDCM）6.2.2 RPM6.2.2 RPM技术的原理与特点技术的原理与特点技术的原理与特点技术的原理与特点 22第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统3 3）离散堆积制造）离散堆积制造(DCM)(DCM) 离散堆积制造离散堆积制造离散堆积制造离散堆积制造是现代成形学理论中在对成形

20、技是现代成形学理论中在对成形技是现代成形学理论中在对成形技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，表明了模型信息处术发展进行总结的基础上提出的，表明了模型信息处术发展进行总结的基础上提出的，表明了模型信息处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积性，理过程的离散性，强调了成形物理过程的材料堆积性，理过程的离散性，强调了成形物理过程的材料堆积性，理过程的离散性，强调了成形物理过程的材料堆积性，体现了体现了体现了体现了RPMRPMRPMRPM技术的基本成形原理，具有较强的概括性技术的基本成形原理，具有较强的概括性技术的基本成形原理

21、，具有较强的概括性技术的基本成形原理，具有较强的概括性和适应性。和适应性。和适应性。和适应性。 6.2.2 RPM6.2.2 RPM技术的原理与特点技术的原理与特点技术的原理与特点技术的原理与特点 23第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统4 4）即时制造（）即时制造（IMIM） IM IM IM IM 它反映它反映RPMRPM技术的快速响应性。由于无需针对技术的快速响应性。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特定零件制定工艺操作规程，也无需准备专用夹具和工具，和工具，RPMRPM技术制造一个零件的全过程远远短于传技术制造一个零件的全过程远

22、远短于传统工艺相应过程，使得统工艺相应过程，使得RPMRPM技术尤其适合于新产品的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。应的特征和时代要求。 6.2.2 RPM6.2.2 RPM技术的原理与特点技术的原理与特点技术的原理与特点技术的原理与特点 24第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统 LM LM LM LM 是将复杂的三维加是将复杂的三维加是将复杂的三维加是将复杂的三维加工分解成一系列二维层片的工分解成一系列二维层片的工分解成一系列二维层片的工分解成一系列二维层片的加

23、工，着重强调层作为制造加工，着重强调层作为制造加工，着重强调层作为制造加工，着重强调层作为制造单元的特点，每层可采取更单元的特点，每层可采取更单元的特点，每层可采取更单元的特点，每层可采取更低维单元进行累加或高维单低维单元进行累加或高维单低维单元进行累加或高维单低维单元进行累加或高维单元进行加工得到。元进行加工得到。元进行加工得到。元进行加工得到。5 5）分层制造（）分层制造（ LM LM ）6.2.2 RPM6.2.2 RPM技术的原理与特点技术的原理与特点技术的原理与特点技术的原理与特点 25第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统 MIM MIM MIM

24、MIM 是将材料单元采用是将材料单元采用是将材料单元采用是将材料单元采用一定方式堆积、叠加成形，一定方式堆积、叠加成形，一定方式堆积、叠加成形，一定方式堆积、叠加成形，有别于车削等基于材料去有别于车削等基于材料去有别于车削等基于材料去有别于车削等基于材料去除原理的传统加工工艺。除原理的传统加工工艺。除原理的传统加工工艺。除原理的传统加工工艺。6 6）材料添加制造（）材料添加制造（MIM MIM ）6.2.2 RPM6.2.2 RPM技术的原理与特点技术的原理与特点技术的原理与特点技术的原理与特点 26第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统3. RPM3. RP

25、M技术的特点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；高度柔性，可以制造任意复杂形状的三维实体；高度柔性，可以制造任意复杂形状的三维实体；高度柔性，可以制造任意复杂形状的三维实体； CADCADCADCAD模型直接驱动，设计制造高度一体化；模型直接驱动，设计制造高度一体化；模型直接驱动，设计制造高度一体化；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；成形过程无需专用夹具或工具；成形过程无需专用夹具或工具；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

26、程；无需人员干预或较少干预，是一种自动化的成形过程；无需人员干预或较少干预，是一种自动化的成形过程；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；成形全过程的快速性；成形全过程的快速性；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。技术的高度集成性，带有鲜明的高新技术特征。技术的高度集成性，带有鲜明的高新技术特征。技术的高度集成性，带有鲜明的高新技术特征。 6.2.2 RPM6.2.2 RPM技术的原理与特点技术的原理与特点技术的原理与特点技术的原理与特点 27第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统6.2.3 6.2.

27、3 几种常用的几种常用的RPM方法方法 1. 立体光刻（立体光刻（SLA）2. 分层实体制造（分层实体制造（LOM）3. 选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLS）4. 熔融沉积成形（熔融沉积成形（FDM） 28第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统1 1、立体光刻、立体光刻/ /立体印刷立体印刷/ /光造型光造型/ /光敏液相固光敏液相固（Stereo Lithography ApparatusStereo Lithography Apparatus，SLASLA） 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

28、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 6.2.3 几种常用的几种常用的几种常用的几种常用的RPMRPM方法方法方法方法 29第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统SLASLA法的工艺原理法的工艺原理 6.2.3 6.2.3 几种常用的几种常用的几种常用的几种常用的RPMRPM方法方法方法方法 30第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统SLASLA设备和原型件示例设备和原型件示例6.2.3 6.2.3 几种常用的几种常用的几种常用的几种常用的RPMRPM方法方法方法方法 31第第 6 章章 先进制造工艺

29、技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统2. 2. 分层实体制造分层实体制造/ /叠层实体制造叠层实体制造/ /层合实体制造层合实体制造（Laminated Object ManufacturingLaminated Object Manufacturing，LOMLOM） 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

30、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 6.2.3 几种常用的几种常用的几种常用的几种常用的RPMRPM方法方法方法方法 32第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统LOMLOM法的工艺原理法的工艺原理 6.2.3 6.2.3 几种常用的几种常用的几种常用的几种常用的RPMRPM方法方法方法方法 33第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统3. 3. 选择性激光烧结选择性激光烧结/ /选区激光烧结选区激光烧结（Selective Laser Sinteri

31、ngSelective Laser Sintering，SLSSLS） 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 6.2.3 几种常用的几种常用的几种常用的几种常用的RPMRPM方法方法方法方法 34第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统SLSSLS法的工艺原理法的工艺原理6.2.3 6.2.3 几种常用的几种常用的几种常用的几种常

32、用的RPMRPM方法方法方法方法 35第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统SLS SLS 设备和原型件示例设备和原型件示例6.2.3 6.2.3 几种常用的几种常用的几种常用的几种常用的RPMRPM方法方法方法方法 36第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统4. 4. 熔融沉积成形熔融沉积成形/ /熔丝沉积熔丝沉积（Fused Deposition ModelingFused Deposition Modeling，FDMFDM）所用材料一般是热塑性材料，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

33、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 6.2.3 几种常用的几种常用的几种常用的几种常用的RPMRPM方法方法方法方法 37第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统FDMFDM法的工艺原理法的工艺原理 6.2.3 6.2.3 几种常用的几种常用的几种常用的几种常用的RPMRPM方法方法方法方法 38第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统FDM FDM 设备和原型件示例设备和原型件示例6.2.3 6.2.3 几种常用的几种常用的几种常用的几种常用的RPMRPM方法方法方法方法 39第第 6 章

34、章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统RPMRPM典型工艺比较典型工艺比较光固化成型光固化成型 熔融沉积成型熔融沉积成型 选择性激光烧结选择性激光烧结 分层实体制造分层实体制造 优点优点 成形速度极快，成形精度、表面质量高； 适合做小件及精细件。(1) 成形材料种类较多，成形样件强度好，能直接制作ABS塑料；(2) 尺寸精度较高，表面质量较好，易于装配；(3) 材料利用率高；(4) 操作环境干净、安全可在办公室环境下进行(1) 有直接金属型的概念，可直接得到塑料、蜡或金属件；(2) 材料利用率高；造型速度较快。(1) 成形精度较高；(2) 只须对轮廓线进行切割，制作效率高

35、，适合做大件及实体件；(3) 制成的样件有类似木质制品的硬度，可进行一定的切削加工。缺点缺点成形后要进一步固化处理；光敏树脂固化后较脆，易断裂，可加工性不好；工作温度不能超过100，成形件易吸湿膨胀，抗腐蚀能力不强。(1) 成形时间较长；(2) 做小件和精细件时精度不如SLA。(1) 成形件强度和表面质量较差，精度低。(2) 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。(1) 不适宜做薄壁原型；(2) 表面比较粗糙，工件表面有明显的台阶纹，成型后要进行打磨；(3) 易吸湿膨胀，成形后要尽快表面防潮处理；(4) 工件强度差，缺少弹性。设备购置费用设备购置费用高昂低廉高昂

36、中等维护和日常使维护和日常使用费用用费用激光器有损耗，光敏树脂价格昂贵，运行费用很高。无激光器损耗，材料的利用率高，原材料便宜，运行费用极低。激光器有损耗，材料利用率高，原材料便宜，运行费用居中。激光器有损耗，材料利用率很低，运行费用较高。发展趋势发展趋势稳步发展飞速发展稳步发展渐趋淘汰应用领域应用领域复杂、高精度、艺术用途的精细件塑料件外形和机构设计铸造件设计实心体大件适合行业适合行业快速成形服务中心科研院校、生产企业铸造行业铸造行业 40第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统 6.2.4 RPM 6.2.4 RPM技术的发展趋势技术的发展趋势RPMRPM技

37、术的发展趋势：技术的发展趋势： 开发概念模型机或台式机开发概念模型机或台式机 开发新的成型能源开发新的成型能源 开发性能优越的成型材料开发性能优越的成型材料 研究新的成型方法与工艺研究新的成型方法与工艺 集成化集成化 41第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统 6.2.5 RPM技术的应用技术的应用RPMRPM技术的应用技术的应用: : 快速模具制造快速模具制造 快速制造金属零件快速制造金属零件 在医学中用于器官模型制作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计制造闭环系统与反求工程相结合形成快速设计制造闭环系统 42第第 6 章章 先进制造工艺技

38、术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统1. 1. 快速模具制造快速模具制造 快速模具（RT）制造主要用于制造铸造模具和塑料模具。 1 1）间接制模间接制模间接制模间接制模 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 2）直接制模直接制模直接制模直接制模 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。 硅橡胶模具硅橡胶模具 6.2.5 RPM 6.2.5 RPM技术的应用技术的应用技术的应用技术的应用 43第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统2. 2. 快速制造金属零件快速制造金属零件

39、RPM RPM技术与铸造技术相结合是由技术与铸造技术相结合是由RPMRPM原型转化原型转化为金属零件的最佳途径。其方法有通过为金属零件的最佳途径。其方法有通过RPMRPM原型原型翻制压型、直接复制铸模或烧失型铸造熔模，亦翻制压型、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。采用可设计模型直接得到型壳、型芯。采用RPMRPM原型原型得到烧失型铸造熔模是一种较快的精铸方法。得到烧失型铸造熔模是一种较快的精铸方法。 6.2.5 RPM 6.2.5 RPM技术的应用技术的应用技术的应用技术的应用 44第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统3. 3.

40、在医学中用于器官模型制作在医学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该方法是将以数字成像技术为基础的CTCT（断层成（断层成像）、像）、MRIMRI（核磁共振）等诊断方法与（核磁共振）等诊断方法与RPMRPM系统相结合，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维重建后的数据提供给RPMRPM系统，得到人体局部或内系统，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，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，或供教可用于临床辅助诊断和复杂

41、手术方案的确定，或供教学使用。此外亦可利用学使用。此外亦可利用RPMRPM原型制作假肢。原型制作假肢。 6.2.5 RPM 6.2.5 RPM技术的应用技术的应用技术的应用技术的应用 45第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统4. 4. 与反求工程相结合形成快速设计制造闭环系统与反求工程相结合形成快速设计制造闭环系统 在在在在RPMRPMRPMRPM技术中的反求，就是要在现有实物的基础上求技术中的反求，就是要在现有实物的基础上求技术中的反求，就是要在现有实物的基础上求技术中的反求，就是要在现有实物的基础上求出三维的出三维的出三维的出三维的CADCADCADCA

42、D模型。某些产品零件的形状十分复杂，很难模型。某些产品零件的形状十分复杂，很难模型。某些产品零件的形状十分复杂，很难模型。某些产品零件的形状十分复杂，很难在在在在CADCADCADCAD软件上设计出它们的实体模型，因此先制造出小比软件上设计出它们的实体模型，因此先制造出小比软件上设计出它们的实体模型，因此先制造出小比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，获得三例的实物模型，再通过对模型测量和数据处理，获得三例的实物模型，再通过对模型测量和数据处理，获得三例的实物模型，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

43、维实体模型。通过反求工程还可以快速、准确地测量维实体模型。通过反求工程还可以快速、准确地测量维实体模型。通过反求工程还可以快速、准确地测量RPMRPMRPMRPM原型，找出产品设计中的不足，重新设计，经过多次反原型，找出产品设计中的不足，重新设计，经过多次反原型，找出产品设计中的不足，重新设计，经过多次反原型，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。复的迭代使产品更加完善。复的迭代使产品更加完善。复的迭代使产品更加完善。 6.2.5 RPM 6.2.5 RPM技术的应用技术的应用技术的应用技术的应用 46第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进

44、制造系统RPMRPM技术的应用实例技术的应用实例车辆零件开发与试制车辆零件开发与试制消费类产品开发与试制消费类产品开发与试制玩具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电子产品开发与试制医疗产品研发和术前医疗产品研发和术前手术方案制定手术方案制定文物和工艺品文物和工艺品的复原与设计的复原与设计 6.2.5 RPM 6.2.5 RPM技术的应用技术的应用技术的应用技术的应用 47第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统6.2 END 48第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统6.3 6.3 高能束加工技术高能束加工技术

45、6.3.1 激光加工技术激光加工技术6.3.2 电子束加工技术电子束加工技术6.3.3 离子束加工离子束加工6.3.4 高压水射流加工技术高压水射流加工技术 49第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统 激激激激光光光光是是一一种种经经受受激激辐辐射射产产生生的的加加强强光光。通通过过光光学学系系统统可可将将激激光光束束聚聚焦焦成成直直径径为为几几十十微微米米到到几几微微米米的的极极小小光光斑斑，从从而而获获得得极极高高的的能能量量密密度度。当当激激光光照照射射到到工工件件表表面面，光光斑斑区区域域的的温温度度可可达达1000010000以以上上，使使材材料料熔

46、熔化化甚甚至至汽汽化化，随随着着激激光光能能量量的的不不断断吸吸收收，材材料料凹凹坑坑内内的的金金属属蒸蒸气气迅迅速速膨膨胀胀，压压力力突突然然增增大大，并并产产生生很很强强的的冲冲击击波波，使使被被熔熔化化的的物物质质爆爆炸炸式式地地喷喷溅来实现材料的去除。溅来实现材料的去除。 6.3.1 6.3.1 激光加工技术激光加工技术 50第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统 几乎对所有材料都可加工。几乎对所有材料都可加工。 加加工工效效率率高高，可可实实现现高高速速切切割割和和打打孔孔，也也易易于于实实现现加加工工自自动动化化和和柔柔性加工。性加工。 加工作用时

47、间短，除加工部位外、几乎不受热影响和不产生热变形。加工作用时间短，除加工部位外、几乎不受热影响和不产生热变形。 非接触加工，工件无弹性变形，能加工易变形薄板和橡胶等工件。非接触加工，工件无弹性变形，能加工易变形薄板和橡胶等工件。 易实现空间控制和时间控制，能进行微细的精密图形加工。易实现空间控制和时间控制，能进行微细的精密图形加工。 不存在工具磨损和更换问题。不存在工具磨损和更换问题。 在大气中无能量损失，故加工系统的外围设备简单。在大气中无能量损失，故加工系统的外围设备简单。 可可通通过过空空气气、惰惰性性气气体体或或光光学学透透明明介介质质，故故可可对对隔隔离离室室或或真真空空室室内内工件

48、进行加工。工件进行加工。 加工时不产生振动和机械噪声。加工时不产生振动和机械噪声。 激光加工具有以下特点激光加工具有以下特点 6.3.1 6.3.1 激光加工技术激光加工技术激光加工技术激光加工技术 51第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统主主要要用用于于改改善善金金属属制制品品的的表表面面性性能能，它它可可以以显显著著提提高高金金属属零零件件表表面面的的硬硬度度、强强度度、耐耐磨磨性性、耐耐蚀蚀性性和和高高温温性性能能等等，从从面面大大大大提提高高产产品品的的质质量量，延延长长产产品品的的使使用用寿寿命命，降低成本。降低成本。激光淬火激光淬火激光合金化激光

49、合金化激光涂敷激光涂敷激光非晶化和微晶化激光非晶化和微晶化激光冲击硬化激光冲击硬化1) 1) 激光表面改性激光表面改性 6.3.1 6.3.1 激光加工技术激光加工技术激光加工技术激光加工技术 52第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统激激光光焊焊接接可可以以将将直直径径只只有有0.1mm0.1mm的的细细金金属属丝丝焊焊接接在在一一起起；把把引引线线精精确确地地连连到到比比针针尖尖还还小小的的电电子子元元件件上上；将将米米粒粒大大的的半半导导体体芯芯片片连连接接起起来来。随随着着激激光光功功率率的的提提高高，激激光光焊焊接接在在飞飞机机、汽汽车车、轮轮船船制

50、制造造业业这这类类真真正正大大型型企企业业中中也也开开始始发发挥挥作作用。用。 例例例例: : : :福福特特公公司司用用激激光光焊焊接接汽汽车车底底盘盘，焊焊接接速速度度可可以以达达到到2lcm/s2lcm/s，将将4 4块块大大钢钢板板焊焊接接完完成成整整块块底底盘盘只只需需要要1min1min，而而且焊接质量明显优于传统点焊技术。且焊接质量明显优于传统点焊技术。 2) 2) 激光焊接激光焊接 6.3.1 6.3.1 激光加工技术激光加工技术激光加工技术激光加工技术 53第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统3) 3) 激光切割激光切割 6.3.1 6.3

51、.1 激光加工技术激光加工技术激光加工技术激光加工技术 激激激激光光光光切切切切割割割割是是利利用用经经聚聚焦焦的的高高功功率率密密度度激激光光束束照照射射工工件件，在在超超过过一一定定的的功功率率密密度度的的前前提提下下，光光束束能能量量以以及及活活性性气气体体辅辅助助切切割割过过程程附附加加的的化化学学反反应应热热能能全全部部被被材材料料吸吸收收，由由此此引引起起照照射射处处的的材材料料温温度度急急剧剧上上升升，到到达达沸沸点点后后，材材料料开开始始汽汽化化，并并形形成成孔孔洞洞。随随着着光光束束与与材材料料的的相相对对移移动动，最最终终使使材材料料形形成成切切缝缝，切切缝缝处处熔熔渣渣被

52、被具具有一定压力的辅助气体吹掉。有一定压力的辅助气体吹掉。 图6-6激光切割原理1辅助气体2激光束3工件4熔渣54第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统 激激激激光光光光打打打打孔孔孔孔的的的的装装装装置置置置与与与与激激激激光光光光焊焊焊焊接接接接大大大大致致致致相相相相似似似似，打打打打孔孔孔孔与与与与焊焊焊焊接接接接相相相相比比比比，要要要要求求求求聚聚聚聚焦焦焦焦后后后后的的的的激激激激光光光光束束束束的的的的功功功功率率率率密密密密度度度度更更更更高高高高，能能能能把把把把材材材材料料料料加加加加热热热热到到到到气气气气化化化化温温温温度度度度，利用

53、气化蒸发将材料去除。利用气化蒸发将材料去除。利用气化蒸发将材料去除。利用气化蒸发将材料去除。4) 4) 激光打孔激光打孔 6.3.1 6.3.1 激光加工技术激光加工技术激光加工技术激光加工技术 55第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统激光打孔的优缺点激光打孔的优缺点: :优点优点： 它它几几乎乎可可以以在在任任何何材材料料上上打打孔孔，软软的的如如婴婴儿儿奶奶瓶瓶盖盖上上的的胶嘴，硬的如天然钻石；胶嘴，硬的如天然钻石； 采用激光打孔可以比普通工艺节省许多工序；采用激光打孔可以比普通工艺节省许多工序； 激激光光打打孔孔能能加加工工极极微微细细和和特特别别深深

54、的的孔孔，深深度度与与孔孔径径的的比比值可高达值可高达5050以上；以上； 利用不同形状的光斑还可以打出特殊形状的孔来。利用不同形状的光斑还可以打出特殊形状的孔来。 激激光光打打孔孔由由于于其其打打微微细细孔孔的的优优越越性性能能，在在印印刷刷线线路路板板的的制作中也得到了广泛的应用。制作中也得到了广泛的应用。缺点缺点: :是被加工孔的精度和光洁度不够理想。 6.3.1 6.3.1 激光加工技术激光加工技术激光加工技术激光加工技术 56第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统 打打打打标标标标是在产品的表面或外包装上打上各种标识性文字、图案及数字等。激光可以在各

55、种质地、各种形状的产品上打上标记，特别是在微小物件上打标。许多集成电路芯片上都印有公司商标和有关数据，芯片的标记区域一般都只有几毫米到十几个毫米的大小，以往用油墨打标系统，存在着标志质量不高或不能永久保持等问题，改用激光打标后，标记清楚且不易脱落。5) 5) 激光打标激光打标6.3.1 6.3.1 激光加工技术激光加工技术激光加工技术激光加工技术 59第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统6) 6) 激光雕刻激光雕刻 雕雕刻刻是是一一门门古古老老的的艺艺术术，传传统统工工艺艺都都是是从从外外部部刻刻起起；激激光光却却可可以以在在不不损损伤伤工工件件外外表表面面

56、的的情情况况下下深深人人其其内内部部进进行行操操作作。19961996年年8 8月月在在美美国国丹丹佛佛举举行行的的国国际际工工程程光光学学学学会会年年会会上上，俄俄罗罗斯斯学学者者展展示示了了一一件件高高科科技技工工艺艺品品。它它是是一一块块比比普普通通砖砖稍稍厚厚的的玻玻璃璃砖砖，里里面面雕雕刻刻着着克克里里姆姆林林官官内内几几座座教教堂堂式式建建筑筑，而而砖砖表表面面则则完完整整无无缺，显示了激光雕刻的神气魅力。缺，显示了激光雕刻的神气魅力。 6.3.1 6.3.1 激光加工技术激光加工技术激光加工技术激光加工技术 60第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造

57、系统圆柱面雕刻机圆柱面雕刻机 6.3.1 6.3.1 激光加工技术激光加工技术激光加工技术激光加工技术 61第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统激光加工实例激光加工实例 6.3.1 6.3.1 激光加工技术激光加工技术激光加工技术激光加工技术 62第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统激激光光加加工工实实例例 6.3.1 6.3.1 激光加工技术激光加工技术激光加工技术激光加工技术 63第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统6.3.2 6.3.2 电子束加工技术电子束加工技术 利利用用阴阴极

58、极发发射射电电子子，经经加加速速、聚聚焦焦成成电电子子束束，直直接接射射到到放放置置于于真真空空室室中中的的工工件件上上，按按规规定定要要求求进行加工。进行加工。1 1工作台工作台 2 2加工室加工室 3 3电磁透镜电磁透镜 4 4阳极阳极 5 5栅极栅极 6 6灯丝灯丝 7 7电源电源 8 8电子束电子束 9 9偏转线圈偏转线圈 1010工件工件 1111电子束斑点电子束斑点排气排气21011 64第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统电子束加工的两类方法：电子束加工的两类方法：电子束高能量密度加工电子束高能量密度加工电子束高能量密度加工电子束高能量密度加工

59、( ( ( (热效应）热效应）热效应）热效应） 利利用用电电子子束束热热效效应应进进行行电电子子束束加加工工，有有热热处处理理、区区域域精炼、熔化、蒸发、穿孔、切槽、焊接等。精炼、熔化、蒸发、穿孔、切槽、焊接等。电子束低能量密度加工（化学效应）电子束低能量密度加工（化学效应）电子束低能量密度加工（化学效应）电子束低能量密度加工（化学效应）几几乎乎不不会会引引起起表表面面温温升升，入入射射的的电电子子与与高高分分子子材材料料的的分分子子碰碰撞撞时时，会会使使它它的的分分子子链链切切断断或或重重新新聚聚合合，从从而而使使高高分子材料的化学性质和分子量产生变化分子材料的化学性质和分子量产生变化应用应

60、用：电子束焊接、打孔、表面改性、固化电子束焊接、打孔、表面改性、固化6.3.2 6.3.2 电子束加工技术电子束加工技术 65第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统 在真空条件下把在真空条件下把氩、氪、氙氩、氪、氙等惰性气体通过离子源产生等惰性气体通过离子源产生离子束，经过加速、集速和离子束，经过加速、集速和聚焦后，投射到工件表面的聚焦后，投射到工件表面的加工部位，以达到加工处理加工部位，以达到加工处理的目的。的目的。离子带正电荷，其质量比电离子带正电荷，其质量比电子的质量大千万倍，故离子子的质量大千万倍，故离子束加速轰击工件表面，将比束加速轰击工件表面，将比

61、电子束具有更大的能量。电子束具有更大的能量。6.3.3 6.3.3 离子束加工离子束加工 图6-9离子束加工设备原理1阴极 2阳极 3电离室 4灯丝5真空抽气口 6氩气入口 7电磁线圈8离子束流 9工件 10阴极 66第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统1) 1) 离子束刻蚀离子束刻蚀/ /离子铣削离子铣削6.3.3 6.3.3 离子束加工离子束加工离子束加工离子束加工用能量为0.15keV的氩离子轰击工件，将其表面的原子逐个剥离(溅射效应)，这种工艺实质上是一种原于尺度的“切剥”加工。 离子束刻蚀加工原理示意图离子束刻蚀加工原理示意图 1离子源 2吸极3离

62、子束 4工件67第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统采用能量为0.15keV的氩离子，不过并非用其轰击工件，而是轰击某种材料制成的靶，离子将靶材原子击出，使其沉积在靶材附近的工件上，使工件表面镀上一层薄膜。 2 2）离子束溅射沉积镀膜技术）离子束溅射沉积镀膜技术 6.3.3 6.3.3 离子束加工离子束加工离子束加工离子束加工 离子束镀膜加工原理示意图离子束镀膜加工原理示意图1离子源 2吸极3离子束 4工件 5靶材 68第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统 在真空室中将离子源产生的离子引出，并在电场中加速，形成几十至几万电

63、子伏能量的离子束，利用沉积原子和轰击离子之间一系列的物理化学作用，在常温下合成各种优质的薄膜。 3 3）离子束辅助镀膜）离子束辅助镀膜6.3.3 6.3.3 离子束加工离子束加工离子束加工离子束加工 1离子源 2吸极 3离子束 4工件 5靶材 离子束辅助镀膜原理示意图离子束辅助镀膜原理示意图69第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统 将所添加的粒子在高真空中离子化，然后将其加速到几万至几兆电子伏特，直接轰击被加工材料，高能离子钻进被加工材料的表层，改变了工件表面层的化学成分，从而改变了工件表面层的机械性能。 4 4）离子注入技术）离子注入技术6.3.3 6.3

64、.3 离子束加工离子束加工离子束加工离子束加工 离子束注入加工原理示意图离子束注入加工原理示意图 1离子源 2吸极 3离子束 4工件 5靶材 70第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统 高高高高压压压压水水水水射射射射流流流流加加加加工工工工是是一一种种用用水水作作为为携携带带能能量量的的载载体体，用用高高速速水水射射流流对对各各类类材材料料进进行行切切割割、穿穿孔孔和和表表层层板板料料去去除除的加工方法，其水喷射的的加工方法，其水喷射的流速要达到音速的流速要达到音速的2323倍倍。6.3.4 6.3.4 高压水射流加工技术高压水射流加工技术 图图6-11 水

65、射流装置示意图水射流装置示意图1增压器增压器 2泵泵 3混合过滤器混合过滤器 4供水器供水器 5蓄能器蓄能器 6控制器控制器 7阀阀 8喷嘴喷嘴 9射流射流 10工件工件 11排水道排水道 12喷口至工件表面距离喷口至工件表面距离 13液压装置液压装置71第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统数控高压水力切割机数控高压水力切割机 6.3.4 6.3.4 高压水射流加工技术高压水射流加工技术高压水射流加工技术高压水射流加工技术 72第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统 系统配备6轴机器人及可供部件重复定位的工作台，可完成特殊3

66、维切割及修边。6.3.4 6.3.4 高压水射流加工技术高压水射流加工技术高压水射流加工技术高压水射流加工技术 机器人水刀切割系统机器人水刀切割系统 73第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统6.3 END6.3 END 74第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统第第6章复习思考题章复习思考题 (6.16.3)1 物体成形方法有哪几种？并举例说明。物体成形方法有哪几种？并举例说明。2 何谓先进制造工艺技术？其主要内容是什么？何谓先进制造工艺技术？其主要内容是什么？3 简述简述RPM的基本过程。的基本过程。4 RPM与传统成形方

67、式的区别主要表现在哪些方面？与传统成形方式的区别主要表现在哪些方面？5 RPM的特点是什么？的特点是什么？6 RPM的发展趋势的发展趋势是什么是什么？7 简述简述SLA法的工艺原理及特点。法的工艺原理及特点。8 简述简述LOM法的工艺原理及特点。法的工艺原理及特点。 75第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统第第6章复习思考题章复习思考题 (6.16.3)9. 简述简述SLS法的工艺原理及特点。法的工艺原理及特点。10. 简述简述FDM法的工艺原理及特点。法的工艺原理及特点。11. RPM技术在模具制造方面的应用中技术在模具制造方面的应用中 有哪些常用的工艺方

68、法？有哪些常用的工艺方法？12. 简述简述激光加工技术的原理和应用。激光加工技术的原理和应用。13. 简述简述电子束加工技术的原理和应用。电子束加工技术的原理和应用。14. 简述简述离子束加工技术的原理和应用。离子束加工技术的原理和应用。15. 简述简述水射流加工技术的原理和应用。水射流加工技术的原理和应用。 76第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统6.4 6.4 超精密加工技术超精密加工技术 6.4.1 超精密加工技术的发展超精密加工技术的发展 6.4.2 超精密加工技术的原理及特点超精密加工技术的原理及特点 77第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工

69、艺技术先进制造系统先进制造系统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 一般加工一般加工 精密加工精密加工 超精密加工超精密加工由于生产技术的不断发展，划分的界限是变化的，过去的精密加工对今由于生产技术的不断发展，划分的界限是变化的，过去的精密加工对今天来说已经是普通加工，因此，其划分的界限是相对的，其具体数值是变天来说已经是普通加工，因此，其划分的界限是相对的，其具体数值是变化的。化的。6.4.1 超精密加工技术的发展超精密加工技术的发展 1. 1. 1. 1. 超精密加工的范畴超精密加工的范畴超精密加工的范畴超精密加工的范畴 78第第 6 章章 先进制造工艺

70、技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统1900 1920 1940 1960 1980 2000加加工工精精密密/m1021011010-110-310-210-510-40.005m年份年份10m10m10m5m1m1m0.1m0.1m0.05m0.01m0.005m0.001m精精超超密密加加工工工工加加密密精精工工加加普普通通测量仪器测量仪器（检测设备）（检测设备）（系统误差系统误差和随机误差）和随机误差）超精密研磨机超精密研磨机（电子束扫描装置）（电子束扫描装置）超高精密磨床超高精密磨床超高精密研磨机超高精密研磨机车床、铣床车床、铣床游标卡尺游标卡尺精密车床精密车床磨床、研磨机磨

71、床、研磨机机械比较仪机械比较仪测微仪测微仪千分尺千分尺电子、气动测微仪电子、气动测微仪光学比较仪光学比较仪精密坐标镗床精密坐标镗床坐标磨床坐标磨床精密磨床精密磨床精密研磨机精密研磨机光学透镜磨床光学透镜磨床精密金刚石磨床精密金刚石磨床光学磁尺光学磁尺电动比较仪电动比较仪电子比较仪（非接触式）电子比较仪（非接触式）激光测长仪激光测长仪光纤技术光纤技术圆度测量仪圆度测量仪表面测量仪表面测量仪光学透镜精磨床光学透镜精磨床间歇转发器间歇转发器精密金刚石磨床精密金刚石磨床超精密磨床超精密磨床激光高精度测长仪激光高精度测长仪（多普勒多重干涉仪）（多普勒多重干涉仪）台阶测量仪台阶测量仪超精密研磨机超精密研磨

72、机（电子束扫描装置）（电子束扫描装置）超高精密磨床超高精密磨床超高精密研磨机超高精密研磨机原子分子离子束加工原子分子离子束加工原子分子沉积加工原子分子沉积加工扫描电镜、透射电镜扫描电镜、透射电镜电子束衍射离子分析仪电子束衍射离子分析仪X射线测微分析仪射线测微分析仪俄歇分析仪、俄歇分析仪、ESCAR超晶格物质合成加工超晶格物质合成加工机床（加工设备）机床（加工设备） 6.4.1 6.4.1 6.4.1 6.4.1 超精密加工技术的发展超精密加工技术的发展超精密加工技术的发展超精密加工技术的发展79第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统 要更精确地定义加工精度，除

73、加工误差本身外，还必要更精确地定义加工精度，除加工误差本身外，还必 须说明测定该误差的几何长度或形貌频率。须说明测定该误差的几何长度或形貌频率。1. 1. 超精密加工的范畴超精密加工的范畴 6.4.1 6.4.1 超精密加工技术的发展超精密加工技术的发展超精密加工技术的发展超精密加工技术的发展 80第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统6.4.1 6.4.1 超精密加工技术的发展超精密加工技术的发展超精密加工技术的发展超精密加工技术的发展Langenbeck提出的定性分析微细加工时的曲线提出的定性分析微细加工时的曲线图6-13加工误差与几何长度的关系 81第第

74、 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统 超精密加工技术在国际上处于领先地位的超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家有美国、英国和日本。国家有美国、英国和日本。 美国主要研究以发展国防尖端技术为主要目标。美国主要研究以发展国防尖端技术为主要目标。 日本的研究以民品应用为主要对象。日本的研究以民品应用为主要对象。 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步，年代末期有了长足进步，8080年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。R Ra a=0.0078m=0.0078m。在超精密加工的

75、效率、精度可靠性，特在超精密加工的效率、精度可靠性，特别是规格和技术配套性方面与国外比还有相当大的差距。别是规格和技术配套性方面与国外比还有相当大的差距。 2 2、超精密加工技术的国内外发展现状、超精密加工技术的国内外发展现状 6.4.1 6.4.1 超精密加工技术的发展超精密加工技术的发展超精密加工技术的发展超精密加工技术的发展 82第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统高精度，原子级精度的加工。高精度，原子级精度的加工。高精度，原子级精度的加工。高精度，原子级精度的加工。大型化，满足航天航空、电子通信等领域的需要。大型化，满足航天航空、电子通信等领域的需要

76、。大型化，满足航天航空、电子通信等领域的需要。大型化，满足航天航空、电子通信等领域的需要。微型化，以适应微型机械、集成电路的发展。微型化，以适应微型机械、集成电路的发展。微型化，以适应微型机械、集成电路的发展。微型化，以适应微型机械、集成电路的发展。3 3、超精密加工技术的发展趋势、超精密加工技术的发展趋势6.4.1 6.4.1 超精密加工技术的发展超精密加工技术的发展超精密加工技术的发展超精密加工技术的发展 83第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统超超超超精精精精结结结结构构构构、多多多多功功功功能能能能模模模模块块块块化化化化、光光光光机机机机电电电电一

77、一一一体体体体化化化化、加加加加工工工工检检检检测测测测一一一一体体体体化化化化方方方方向发展。向发展。向发展。向发展。 不不不不断断断断出出出出现现现现新新新新工工工工艺艺艺艺和和和和复复复复合合合合加加加加工工工工技技技技术，被加工的材料范围扩大。术，被加工的材料范围扩大。术，被加工的材料范围扩大。术，被加工的材料范围扩大。 在作业环境建造方面的诸如高在作业环境建造方面的诸如高在作业环境建造方面的诸如高在作业环境建造方面的诸如高性能的基础隔振技术、净化性能的基础隔振技术、净化性能的基础隔振技术、净化性能的基础隔振技术、净化技术技术技术技术与环境温控技术将有更大发展。与环境温控技术将有更大发

78、展。与环境温控技术将有更大发展。与环境温控技术将有更大发展。3 3、超精密加工技术的发展趋势、超精密加工技术的发展趋势6.4.1 6.4.1 超精密加工技术的发展超精密加工技术的发展超精密加工技术的发展超精密加工技术的发展 84第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统主要指金刚石刀具超精密车削主要指金刚石刀具超精密车削, ,主要用于加工：主要用于加工：软金属材料：铜、铝及其合金，以及等软金属材料：铜、铝及其合金，以及等非金属材料非金属材料：光学玻璃、大理石和碳素纤维板光学玻璃、大理石和碳素纤维板1 1、超精密切削加工、超精密切削加工6.4.2 超精密加工技术的原

79、理及特点超精密加工技术的原理及特点主要生产厂家主要生产厂家: :美国的美国的莫尔精密莫尔精密机床公司机床公司普奈莫精密公司普奈莫精密公司9090年代后，日本东芝机械年代后，日本东芝机械 莫尔特种金刚石车床莫尔特种金刚石车床莫尔立式金刚石回轮车床莫尔立式金刚石回轮车床 85第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统利利利利用用用用细细细细粒粒粒粒度度度度的的的的磨磨磨磨粒粒粒粒和和和和微微微微粉粉粉粉主主主主要要要要对对对对黑黑黑黑色色色色金金金金属属属属、硬硬硬硬脆脆脆脆材材材材料料料料等等等等进进进进行行行行加加加加工工工工，是是是是一一一一种种种种解解解解决决

80、决决各各各各种种种种高高高高尺尺尺尺寸寸寸寸精精精精度度度度、高高高高表表表表面面面面质质质质量量量量、高高高高形状精度的加工方法，并能显著地提高零件的加工效率。形状精度的加工方法，并能显著地提高零件的加工效率。形状精度的加工方法，并能显著地提高零件的加工效率。形状精度的加工方法，并能显著地提高零件的加工效率。固结磨料加工固结磨料加工固结磨料加工固结磨料加工游离磨料加工游离磨料加工游离磨料加工游离磨料加工: : : :加工时，磨粒或微粉成游离状态，如加工时，磨粒或微粉成游离状态，如加工时，磨粒或微粉成游离状态，如加工时，磨粒或微粉成游离状态，如研磨时的研磨剂、抛光时的抛光液，其中的磨粒或微研磨

81、时的研磨剂、抛光时的抛光液，其中的磨粒或微研磨时的研磨剂、抛光时的抛光液，其中的磨粒或微研磨时的研磨剂、抛光时的抛光液，其中的磨粒或微粉在加工时不是固结在一起的。粉在加工时不是固结在一起的。粉在加工时不是固结在一起的。粉在加工时不是固结在一起的。 2 2、超精密磨削和磨料加工、超精密磨削和磨料加工6.4.2 超精密加工技术的原理及特点超精密加工技术的原理及特点 86第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统（1 1）磨削技术）磨削技术 超精密磨削即是加工精度在超精密磨削即是加工精度在0.1m0.1m以下、表面粗糙度以下、表面粗糙度R Rm m在在0.025m0.0

82、25m以下的磨削方法。以下的磨削方法。6.4.2 超精密加工技术的原理及特点超精密加工技术的原理及特点 带磨削带磨削电解在线修整电解在线修整双端面精密磨双端面精密磨电泳磨削电泳磨削87第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统1 1）带磨削技术）带磨削技术 随着砂带制作质量的迅速提高，砂带上砂粒随着砂带制作质量的迅速提高，砂带上砂粒的等高性和微刃性较好，并采用带有一定弹性的的等高性和微刃性较好，并采用带有一定弹性的接触轮材料，使砂带磨削具有接触轮材料，使砂带磨削具有磨削、研磨和抛光磨削、研磨和抛光的多重作用的多重作用，从而可以达到高精度和低表面粗糙，从而可以达到高

83、精度和低表面粗糙度值。度值。 6.4.2 超精密加工技术的原理及特点超精密加工技术的原理及特点 88第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统2 2）电解在线修整（）电解在线修整（ELIDELID）磨削技术）磨削技术6.4.2 超精密加工技术的原理及特点超精密加工技术的原理及特点 图图6-16 ELID磨削原理磨削原理1电刷2铁纤维结合剂的金刚石砂轮3冷却液4电源5工件阳极电解液 砂轮和工具电极之砂轮和工具电极之间浇注电解液并加以直间浇注电解液并加以直流脉冲电流，使作为阳流脉冲电流，使作为阳极的砂轮金属结合剂产极的砂轮金属结合剂产生阳极溶解效应而被逐生阳极溶解效应

84、而被逐渐去除，使不受电解影渐去除，使不受电解影响的磨料颗粒凸出砂轮响的磨料颗粒凸出砂轮表面，从而实现对砂轮表面，从而实现对砂轮的修整，并在加工过程的修整，并在加工过程中始终保持砂轮的锋锐中始终保持砂轮的锋锐性。性。89第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统3 3）双端面精密磨削技术）双端面精密磨削技术 双端面精磨的磨削运动和作行星运动的双面研磨双端面精磨的磨削运动和作行星运动的双面研磨一样，一样，工件既作公转又作自转工件既作公转又作自转，磨具的磨料粒度也很，磨具的磨料粒度也很细，在磨削过程中，微滑擦、微耕犁、微切削和材料细，在磨削过程中，微滑擦、微耕犁、微切削

85、和材料微疲劳断裂同时起作用，磨痕交叉而且均匀，该磨削微疲劳断裂同时起作用，磨痕交叉而且均匀，该磨削方式属控制力磨削过程，有和精密研磨相同的加工精方式属控制力磨削过程，有和精密研磨相同的加工精度，相比研磨高得多的去除率，另外可获得很高的平度，相比研磨高得多的去除率，另外可获得很高的平面度和两平面的平行度，该技术目前取代金刚石车削面度和两平面的平行度，该技术目前取代金刚石车削成为磁盘基片等零件的主要超精加工方法。成为磁盘基片等零件的主要超精加工方法。 6.4.2 超精密加工技术的原理及特点超精密加工技术的原理及特点 90第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统4 4

86、）电泳磨削技术）电泳磨削技术6.4.2 超精密加工技术的原理及特点超精密加工技术的原理及特点 91第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统4）电泳磨削技术6.4.2 超精密加工技术的原理及特点超精密加工技术的原理及特点 图图6-17 电泳磨削原理电泳磨削原理新的超精密及纳米级磨削技术新的超精密及纳米级磨削技术利用超细密粒的电泳特性，磨利用超细密粒的电泳特性，磨粒在电场力作用下向磨具表面运粒在电场力作用下向磨具表面运动，并在磨具表面沉积形成一起动，并在磨具表面沉积形成一起细磨粒吸附层，利用磨粒吸附层细磨粒吸附层，利用磨粒吸附层对工件进行磨削加工，同时新的对工件进行

87、磨削加工，同时新的磨粒又不断补充磨粒又不断补充( (如图如图6-8)6-8)。由于。由于磨粒层表面凹陷处局部电流大，磨粒层表面凹陷处局部电流大，新磨粒更容易在凹陷处沉积，从新磨粒更容易在凹陷处沉积，从而使磨粒层表面趋于均匀，保持而使磨粒层表面趋于均匀，保持良好的等高性，磨具每旋转一周，良好的等高性，磨具每旋转一周，磨粒层表面都有大量新磨粒补充，磨粒层表面都有大量新磨粒补充，使微刃始终保持锋利尖锐。使微刃始终保持锋利尖锐。 92第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统 1 1）研磨是在被加工表面和研具之间置以）研磨是在被加工表面和研具之间置以游离磨料和润滑液游离磨

88、料和润滑液，使被加工表，使被加工表面和研具产生相对运动并加压，磨料产生切削、挤压作用，从而去除表面面和研具产生相对运动并加压，磨料产生切削、挤压作用，从而去除表面凸处，使被加工表面的精度得以提高凸处，使被加工表面的精度得以提高( (可达可达0.025m)0.025m)，表面粗糙度参数值，表面粗糙度参数值得以降低得以降低( (达达R Ra a 0.01m) 0.01m)。主要的方法有：主要的方法有： 磁流体精研技术磁流体精研技术 磁力研磨技术磁力研磨技术 电解研磨电解研磨 机械化学研磨机械化学研磨 超声研磨等复合研磨方法等。超声研磨等复合研磨方法等。应用：超精密研磨常作为精密块规、球面空气轴承、

89、半导体硅片、石英晶应用：超精密研磨常作为精密块规、球面空气轴承、半导体硅片、石英晶体、高级平晶和光学镜头等零件的最后加工工序。体、高级平晶和光学镜头等零件的最后加工工序。（2 2）超精密研磨与抛光技术（游离磨料加工）超精密研磨与抛光技术（游离磨料加工）6.4.2 超精密加工技术的原理及特点超精密加工技术的原理及特点 93第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统 典典型型的的软软质质磨磨粒粒机机械械抛抛光光是是弹弹性性发发射射加加工工，加加工工原原理理其其实实质质是是磨磨粒粒原原子子的的扩扩散散作作用用和和加加了了速速的的微微小小粒粒子子弹弹性性射射击击的的机机械

90、械作作用用的的综综合合结结果果。其其最最小小切切除除量量可可以以达达原原子子级级，即即可可小小于于0.001m0.001m，直直至至切切去去一一层层原原子子，而而且且被被加加工工表表面面的的晶晶格格不不致致变变形形，能能够够获得极小表面粗糙度和材质极纯的表面。获得极小表面粗糙度和材质极纯的表面。2 2）软质磨粒机械抛光）软质磨粒机械抛光6.4.2 超精密加工技术的原理及特点超精密加工技术的原理及特点 94第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统磁磁流流体体是是由由强强磁磁性性微微粉粉(10(1015nm15nm大大小小的的FeFe3 3O O4 4) )、表表面

91、面活活化化剂剂和和运运载载液液体体所所构构成成的的悬悬浮浮液液，将将非非磁磁性性材材料料的的磨磨粒粒混混入入磁磁流流体体中中，置置于于有有磁磁场场梯梯度度的的环环境境内内，则则非非磁磁性性磨磨粒粒在在磁磁流流体体将将受受磁磁浮浮力力作作用用向向低低磁磁力力方方向向移移动动，与与工工件件置置产产生生相相对对运运动动，磨磨粒将对工件的表面产生抛光加工。粒将对工件的表面产生抛光加工。3 3）磁流体抛光）磁流体抛光6.4.2 超精密加工技术的原理及特点超精密加工技术的原理及特点 95第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统6.5 6.5 微纳制造微纳制造 6.5.1 微

92、纳制造的发展微纳制造的发展 6.5.2 微系统的关键技术微系统的关键技术 6.5.3 纳米加工技术纳米加工技术 6.5.4 微纳制造例子微纳制造例子 96第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统 微纳制造技术是关于微系统和纳米技术的统称。微纳制造技术是关于微系统和纳米技术的统称。 1 1）微微系系统统 是是指指集集成成了了微微电电子子和和微微机机械械（或或光光学学、化化学学、生生物物等等方方面面微微元元件件）的的系系统统。它它以以微微米米尺尺度度理理论论为为基基础础，用用批批量量化化的的微微电电子子技技术术和和三三维维加加工工技技术术来来完完成成信信息息获获取取

93、、处处理理及及执执行行等等功功能能。微微系系统统按按特特征征尺尺寸寸范范围围可可分分为为三三类类：1mm1mm 10mm10mm的微小机械，的微小机械，1m1m1mm1mm的微机械，的微机械，1n1n10m10m的纳米机械的纳米机械。 2 2）纳纳米米技技术术 是是指指纳纳米米级级0.1nm0.1nm100nm100nm的的材材料料、设设计计、加工、测量、控制和产品的技术。加工、测量、控制和产品的技术。 6.5.1 6.5.1 微纳制造的发展微纳制造的发展 1.微纳制造的概念微纳制造的概念 97第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统对对工工农农业业、信信息息、

94、环环境境、生生物物医医疗疗、空空间间、国国防防等等领领域域的的发发展将产生重大影响。展将产生重大影响。传传感感器器和和调调配配药药剂剂量量的的“药药剂剂师师”集集于于一一身身，制制成成微微型型“智智能能药药丸丸”，通过口服或皮下注射进入人体，用以探测和清除人体内的癌细胞。，通过口服或皮下注射进入人体，用以探测和清除人体内的癌细胞。微系统可用于视网膜手术、修补血管等。微系统可用于视网膜手术、修补血管等。在在工工业业领领域域，在在管管路路检检修修和和飞飞机机内内部部检检修修等等狭狭窄窄空空间间和和恶恶劣劣环环境境下下进进行诊断和修复工作。行诊断和修复工作。在航空航天领域自适应性蒙皮，用以改善气流特

95、性；在航空航天领域自适应性蒙皮，用以改善气流特性；在在汽汽车车轮轮胎胎内内嵌嵌入入微微型型压压力力传传感感器器用用以以保保持持适适当当充充气气，避避免免无无气气过过量量或或不不足足，仅仅此此一一项项就就可可节节油油1010，仅仅美美国国国国防防部部系系统统就就能能节节省省几几十十亿亿美美元的汽油费。元的汽油费。6.5.1 6.5.1 微纳制造的发展微纳制造的发展 2.2.纳制造技术的应用纳制造技术的应用 98第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统6.5.2 6.5.2 微系统的关键技术微系统的关键技术 微微微微系系系系统统统统是是是是一一一一个个个个新新新新兴

96、兴兴兴的的的的、多多多多学学学学科科科科交交交交叉叉叉叉的的的的高高高高科科科科技技技技领领领领域域域域，其其其其涉涉涉涉及及及及许许许许多多多多关关关关键键键键技技技技术术术术。当当当当一一一一个个个个系系系系统统统统的的的的特特特特征征征征尺尺尺尺寸寸寸寸达达达达到到到到微微微微米级和纳米级时，将会产生许多新的科学问题。米级和纳米级时，将会产生许多新的科学问题。米级和纳米级时，将会产生许多新的科学问题。米级和纳米级时，将会产生许多新的科学问题。微系统研究领域的前沿关键技术有：微系统研究领域的前沿关键技术有：微系统研究领域的前沿关键技术有：微系统研究领域的前沿关键技术有： 微系统设计技术微系

97、统设计技术 微细加工技术微细加工技术 微系统组装和封装技术微系统组装和封装技术 微系统的表征和测试技术微系统的表征和测试技术 99第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统6.5.3 6.5.3 纳米加工技术纳米加工技术 纳米加工技术主要有纳米加工技术主要有5 5个方面个方面： 采用微化的定形整体刀具或非定形磨料工具进行机械采用微化的定形整体刀具或非定形磨料工具进行机械采用微化的定形整体刀具或非定形磨料工具进行机械采用微化的定形整体刀具或非定形磨料工具进行机械加工：如车削、钻削、铣削和磨削。加工：如车削、钻削、铣削和磨削。加工：如车削、钻削、铣削和磨削。加工：如车

98、削、钻削、铣削和磨削。 采用电加工或在其基础上的复合加工，如微细电火花采用电加工或在其基础上的复合加工，如微细电火花采用电加工或在其基础上的复合加工，如微细电火花采用电加工或在其基础上的复合加工，如微细电火花加工、线放电磨削加工、线电化磨削、电化加工等。加工、线放电磨削加工、线电化磨削、电化加工等。加工、线放电磨削加工、线电化磨削、电化加工等。加工、线放电磨削加工、线电化磨削、电化加工等。 采用光、声等能量加工法，如微细激光束加工、微细采用光、声等能量加工法，如微细激光束加工、微细采用光、声等能量加工法，如微细激光束加工、微细采用光、声等能量加工法，如微细激光束加工、微细超声加工。超声加工。超

99、声加工。超声加工。 采用光化掩模加工法，如光刻法，采用光化掩模加工法，如光刻法，采用光化掩模加工法，如光刻法，采用光化掩模加工法，如光刻法，LIGALIGALIGALIGA法。法。法。法。 采用层积增生法，如曲面的磁膜镀覆，多层薄膜镀覆采用层积增生法，如曲面的磁膜镀覆，多层薄膜镀覆采用层积增生法，如曲面的磁膜镀覆，多层薄膜镀覆采用层积增生法，如曲面的磁膜镀覆，多层薄膜镀覆和液滴层积。和液滴层积。和液滴层积。和液滴层积。 100第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统1 1）光刻电铸（）光刻电铸（LIGALIGA）技术）技术 它的工艺过程为：它的工艺过程为： 采用

100、深层同步辐射光刻，涂覆光采用深层同步辐射光刻，涂覆光致抗蚀剂（图致抗蚀剂（图a a），经），经X X射线曝光蚀刻射线曝光蚀刻出图形（图出图形（图b b）；）； 电铸，以曝光蚀刻的图形实体作电铸，以曝光蚀刻的图形实体作为电铸用胎模，用电沉积法在胎模上为电铸用胎模，用电沉积法在胎模上沉积金属（图沉积金属（图c c），生成微铸件（图），生成微铸件（图d d） 注射成形，以微铸件为模具，即注射成形，以微铸件为模具，即可加工所要求的微零件（图可加工所要求的微零件（图e e）。）。6.5.3 6.5.3 纳米加工技术纳米加工技术纳米加工技术纳米加工技术 图图6-18 LIGA法的工艺过程法的工艺过程a）涂

101、覆光致抗蚀剂b）X射线曝光蚀刻c）电铸d）微铸件e）注射成形零件d）101第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统2 2）半导体加工技术）半导体加工技术 半导体加工技术即半导体表面和立体的微细加工，半导体加工技术即半导体表面和立体的微细加工，半导体加工技术即半导体表面和立体的微细加工，半导体加工技术即半导体表面和立体的微细加工，指在以硅为主要材料的基片上进行沉积、光刻与蚀刻指在以硅为主要材料的基片上进行沉积、光刻与蚀刻指在以硅为主要材料的基片上进行沉积、光刻与蚀刻指在以硅为主要材料的基片上进行沉积、光刻与蚀刻的工艺过程。半导体加工技术使微系统的制作具有低的工艺过

102、程。半导体加工技术使微系统的制作具有低的工艺过程。半导体加工技术使微系统的制作具有低的工艺过程。半导体加工技术使微系统的制作具有低成本、大批量生产的潜力。成本、大批量生产的潜力。成本、大批量生产的潜力。成本、大批量生产的潜力。 6.5.3 6.5.3 纳米加工技术纳米加工技术纳米加工技术纳米加工技术 102第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统3 3）集成电路（）集成电路（ICIC）技术）技术 集成电路（集成电路（集成电路（集成电路（ICICICIC）技术是一种发展十分迅速且较成熟的）技术是一种发展十分迅速且较成熟的）技术是一种发展十分迅速且较成熟的）技术是一

103、种发展十分迅速且较成熟的制作大规模电路的加工技术，在微机械加工中使用较为普制作大规模电路的加工技术，在微机械加工中使用较为普制作大规模电路的加工技术，在微机械加工中使用较为普制作大规模电路的加工技术，在微机械加工中使用较为普遍，是一种平面加工技术。但该技术的刻蚀深度只有数百遍，是一种平面加工技术。但该技术的刻蚀深度只有数百遍，是一种平面加工技术。但该技术的刻蚀深度只有数百遍，是一种平面加工技术。但该技术的刻蚀深度只有数百纳米，且只限于制作硅材料的零部件。纳米，且只限于制作硅材料的零部件。纳米，且只限于制作硅材料的零部件。纳米，且只限于制作硅材料的零部件。6.5.3 6.5.3 纳米加工技术纳米

104、加工技术纳米加工技术纳米加工技术 103第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统4 4）超微机械加工和电火花线切割加工）超微机械加工和电火花线切割加工 用小型精密金属切削机床及电火花、线切割等加用小型精密金属切削机床及电火花、线切割等加用小型精密金属切削机床及电火花、线切割等加用小型精密金属切削机床及电火花、线切割等加工方法，制作毫米级尺寸左右的微机械零件，是一种工方法，制作毫米级尺寸左右的微机械零件，是一种工方法，制作毫米级尺寸左右的微机械零件，是一种工方法，制作毫米级尺寸左右的微机械零件，是一种三维实体加工技术，加工材料广泛，但多是单件加工、三维实体加工技术

105、，加工材料广泛，但多是单件加工、三维实体加工技术，加工材料广泛，但多是单件加工、三维实体加工技术，加工材料广泛，但多是单件加工、单件装配，费用较高。单件装配，费用较高。单件装配，费用较高。单件装配，费用较高。 6.5.3 6.5.3 纳米加工技术纳米加工技术纳米加工技术纳米加工技术 104第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统5 5）键合技术）键合技术 键合技术是一种把两个固体部件在一定的温度与键合技术是一种把两个固体部件在一定的温度与键合技术是一种把两个固体部件在一定的温度与键合技术是一种把两个固体部件在一定的温度与电压下直接键合在一起的封装技术，其间不用任

106、何粘电压下直接键合在一起的封装技术，其间不用任何粘电压下直接键合在一起的封装技术，其间不用任何粘电压下直接键合在一起的封装技术，其间不用任何粘接剂，在键合过程中始终处于固相状态。接剂，在键合过程中始终处于固相状态。接剂，在键合过程中始终处于固相状态。接剂，在键合过程中始终处于固相状态。6.5.3 6.5.3 纳米加工技术纳米加工技术纳米加工技术纳米加工技术 105第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统6 6）分子装配技术）分子装配技术 20 20 20 20世纪世纪世纪世纪80808080年代初发明的扫描隧道显微镜（年代初发明的扫描隧道显微镜（年代初发明的扫描

107、隧道显微镜（年代初发明的扫描隧道显微镜（Scanning Scanning Scanning Scanning Tunneling MicrosoftTunneling MicrosoftTunneling MicrosoftTunneling Microsoft，STMSTMSTMSTM）以及后来在）以及后来在）以及后来在）以及后来在STMSTMSTMSTM基础上派生基础上派生基础上派生基础上派生出来的原子力显微镜（出来的原子力显微镜（出来的原子力显微镜（出来的原子力显微镜（Atomic Force MicrosoftAtomic Force MicrosoftAtomic Force Mi

108、crosoftAtomic Force Microsoft，AFMAFMAFMAFM），），），），使观察分子、原子的结构从宏观世界进入了微观世界。使观察分子、原子的结构从宏观世界进入了微观世界。使观察分子、原子的结构从宏观世界进入了微观世界。使观察分子、原子的结构从宏观世界进入了微观世界。利用其探针的尖端可以俘获和操纵分子和原子，并可以利用其探针的尖端可以俘获和操纵分子和原子，并可以利用其探针的尖端可以俘获和操纵分子和原子，并可以利用其探针的尖端可以俘获和操纵分子和原子，并可以按照需要拼成一定的结构，进行分子和原子的装配制作按照需要拼成一定的结构，进行分子和原子的装配制作按照需要拼成一定的结

109、构，进行分子和原子的装配制作按照需要拼成一定的结构，进行分子和原子的装配制作微机械。微机械。微机械。微机械。6.5.3 6.5.3 纳米加工技术纳米加工技术纳米加工技术纳米加工技术 106第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统目目前前，集集成成电电路路已已经经从从2020世世纪纪6060年年代代的的每每个个芯芯片片上上仅仅几几十十个个器器件件发发展展到到现现在在的的每每个个芯芯片片上上可可包包含含约约1010亿亿个个器器件件，其其集集成成度度每每3 3年年提提高高4 4倍倍。这这一一增增长长速速度度不不仅仅导导致致了了半半导导体体市市场场在在过过去去3030年

110、年中中以以平平均均每每年年约约15%15%的的速速度度增增长长，而而且且对对现现代代经经济济、国国防防和和社社会会也也产产生生了了巨巨大大的的影影响响。集集成成电电路路之之所所以以能能飞飞速速发发展展，光光刻刻技技术术的的支支持持起起到到了了极极为为关关键键的的作作用。用。 6.5.4 微纳制造应用案例微纳制造应用案例1.1.电子束光刻加工技术电子束光刻加工技术 107第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统电电子子束束光光刻刻的的原原理理如如图图6-196-19所所示示，在在由由掩掩膜膜（其其上上有有所所需需集集成成电电路路图图形形）、光光致致抗抗蚀蚀剂剂涂涂

111、层层和和半半导导体体基基片片构构成成的的三三层层材材料料上上，利利用用电电子子束束透透射射掩掩膜膜，照照射射到到光光致致抗抗蚀蚀剂剂涂涂层层上上，由由于于化化学学反反应应，经经显显影影后后，在在光光致致抗抗蚀蚀剂剂涂涂层层上上就就形形成成与与掩掩膜膜相相同同的的所所需需线线路路图图形形。随随之之，在在基基片片上上形形成成电电路路有有两两种种处处理理办办法法：用用离离子子束束溅溅射射去去除除，可可得得到到凹凹形电路。形电路。用金属蒸镀方法，可形成凸形电路。用金属蒸镀方法，可形成凸形电路。 6.5.4 微纳制造应用案例微纳制造应用案例1.1.电子束光刻加工技术电子束光刻加工技术 108第第 6 章

112、章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统1. 1. 电子束光刻加工技术电子束光刻加工技术6.5.46.5.4 微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例 图图6-19 电子束光刻加工过程电子束光刻加工过程109第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统2. 微型机械昆虫 加州大学布克莱分校的学者花了三年时间，研究自然界昆虫的特别飞行方式，并根据这种非稳定速度模式的气动学原理，制造了只有 25 毫米宽 (从一翼端至另一翼端) 的微型机械昆虫。 这机械昆虫有类似同类生物的灵活胸腔结构，并在其中置有压电致动器，可作有力及高频率的

113、振翅动作，只要装上锂电池或太阳能充电电池，便能像自然界中的昆虫一样自动不停的飞翔。6.5.46.5.4 微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例 110第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统3. 3. 世界最小的微型机械人世界最小的微型机械人 美国山迪亚国家实验室的科学美国山迪亚国家实验室的科学家家, ,成功研制了世界最小的微型机成功研制了世界最小的微型机械人，其只有械人，其只有1/41/4立方寸，体重小立方寸，体重小於於1 1盎司。科学家希望利用这种微盎司。科学家希望利用这种微型机械人，帮助侦查地雷，化学及型机械人，帮助侦查地雷，化学

114、及生物武器的所在；由於机械人体积生物武器的所在；由於机械人体积细小，可爬进建筑物的管道，找出细小，可爬进建筑物的管道，找出化学品甚至人类所在，并将有关信化学品甚至人类所在，并将有关信息传送到指挥中心；科学家还可以息传送到指挥中心；科学家还可以部署一群微型机械人，进行不同的部署一群微型机械人，进行不同的任务，比较体积大的机械人更灵活任务，比较体积大的机械人更灵活和有弹性。和有弹性。6.5.46.5.4 微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例 111第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统4. 4. 以微型加工技术制造的机械耳蜗以微型加工技

115、术制造的机械耳蜗6.5.46.5.4 微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例 机械耳蜗的作用原理与生物耳蜗相同，以薄膜结构模仿基底膜构造。密大的机械耳蜗有三个优点，首先是其尺寸大小如实体，其次是适合大量生产，最后是能以低功率机械方式进行声学信号处理。 112第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统5. 微型机械零件微型机械零件“自组织化自组织化”装配技装配技术术东京大学山下勋教授日前开发出一种微型机械零件东京大学山下勋教授日前开发出一种微型机械零件“自组织化自组织化”自动装配技术，利用自然界的自动装配技术，利用自然界的“自组织化自组织化

116、”现象把散乱零件结合到一现象把散乱零件结合到一起，对提高工作效率、增加微型机械产量大有帮助。起，对提高工作效率、增加微型机械产量大有帮助。原子在硅酸化物基片上可以自然成形，这种现象被称为原子在硅酸化物基片上可以自然成形，这种现象被称为“自组织自组织化化”。山下教授受此启发，先在微型零件表面涂上化学物质，让他们。山下教授受此启发，先在微型零件表面涂上化学物质，让他们具有溶水性或排水性，然后放入溶液中。结果，具有溶水性或排水性，然后放入溶液中。结果，排水性零件互相吸引，排水性零件互相吸引，而与溶水性零件互相排斥而与溶水性零件互相排斥。只要在零件表面涂料上下功夫，零件就会。只要在零件表面涂料上下功夫

117、，零件就会根据需要很好地结合在一起。根据需要很好地结合在一起。 研究人员把直径仅为研究人员把直径仅为1010微米的硅粒作为零件进行实验，硅粒排成一微米的硅粒作为零件进行实验，硅粒排成一列，连成微小柱形，再在基片表面进行化学处理，成功地把硅粒柱敷列，连成微小柱形，再在基片表面进行化学处理，成功地把硅粒柱敷设在基片上。这种技术在超大规模集成电路微型装置镶嵌中大有用武设在基片上。这种技术在超大规模集成电路微型装置镶嵌中大有用武之地。之地。6.5.46.5.4 微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例 113第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系

118、统 根据美国康乃尔大学奈米生物科技研究根据美国康乃尔大学奈米生物科技研究小组的研究，已成功地制造出与病毒大小差小组的研究，已成功地制造出与病毒大小差不多的分子马达。该生物分子马达是以不多的分子马达。该生物分子马达是以200nm200nm长、长、80nm80nm直径宽的金属镍为轴，并以直径宽的金属镍为轴，并以分子分子(F1-(F1-腺嘌呤核甘三磷酸合成酵素腺嘌呤核甘三磷酸合成酵素) )作为作为马达，而以长马达，而以长750nm750nm、直径为、直径为150nm150nm的镍作为的镍作为螺旋桨。据研究人员的观察，该分子马达被螺旋桨。据研究人员的观察，该分子马达被浸泡至浸泡至ATPATP溶液中后，

119、利用生物分子细胞内溶液中后，利用生物分子细胞内的化学反应，以的化学反应，以ATP ATP 作为能源，每秒转速可作为能源，每秒转速可达达8 8圈，并可连续转动圈，并可连续转动2.52.5小时。小时。 研究人员相信，像这样的微型分子马达可作为纳米机器人或其它纳米组件研究人员相信，像这样的微型分子马达可作为纳米机器人或其它纳米组件零件的一部分，它的潜在应用价值是非常之大的。也许，将来利用该马达所作零件的一部分，它的潜在应用价值是非常之大的。也许，将来利用该马达所作成的潜艇就可进入人类的血管之中，不必藉由传统的开刀方式，即可清除脑血成的潜艇就可进入人类的血管之中，不必藉由传统的开刀方式，即可清除脑血管

120、中的血块，清理血管壁上的沉积物质，以排除中风的危机。管中的血块，清理血管壁上的沉积物质，以排除中风的危机。6. 6. 纳米生物科技纳米生物科技- -分子马达分子马达6.5.46.5.4 微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例 114第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统7. 纳米齿轮纳米齿轮 Nano Gear此外，科学家利用苯甲基与此外，科学家利用苯甲基与C60的键结形成分子齿轮的雏型。的键结形成分子齿轮的雏型。因此，我们设想若能将多个分子以准确的位置键结至纳米碳管上，因此，我们设想若能将多个分子以准确的位置键结至纳米碳管上，这样所

121、形成的分子齿轮，将成为组成纳米机器非常有用的组件。这样所形成的分子齿轮，将成为组成纳米机器非常有用的组件。6.5.46.5.4 微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例 由日本由日本Morinobu Endo教授所教授所领导的科技研究小组，于领导的科技研究小组，于2002年年2月初发表，利用纳米材料的月初发表，利用纳米材料的组成，于现有的制作技术，已组成，于现有的制作技术，已成功研制出世界上最小的齿轮。成功研制出世界上最小的齿轮。该齿轮直径仅有该齿轮直径仅有0.2mm，且具，且具有良好的抗磨损、抗热、滑动有良好的抗磨损、抗热、滑动特性，这无非为实现分子机器特性，这无非为

122、实现分子机器的实现又迈进了一大步。的实现又迈进了一大步。 115第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统8. 8. 原子操纵术原子操纵术 原子操纵术可说是原子操纵术可说是STM (扫描穿透显微镜扫描穿透显微镜)的专长，该工具具备微小且的专长，该工具具备微小且精密的操控能力。扫描穿透显微镜的主要构造部分有一根金属钨精密的操控能力。扫描穿透显微镜的主要构造部分有一根金属钨(W)至的探至的探针针头仅有几个原子宽，探针针头仅有几个原子那么宽。探针与被观测样针针头仅有几个原子宽，探针针头仅有几个原子那么宽。探针与被观测样品并不接触，而是在其上方来回扫描，当距离很近（约品并

123、不接触，而是在其上方来回扫描，当距离很近（约10埃），针尖跟表埃），针尖跟表面的偏压虽不大，但所产生的电场可不容忽视。藉由针头和样品之间电场面的偏压虽不大，但所产生的电场可不容忽视。藉由针头和样品之间电场的吸引从而把样品中的原子拉离表面，并通过针头沿着表面移动到别处。的吸引从而把样品中的原子拉离表面，并通过针头沿着表面移动到别处。如果对这种现象善加利用，就能对单个原子进行操作，从而将它们逐个按如果对这种现象善加利用，就能对单个原子进行操作，从而将它们逐个按特定结构特定结构“组装组装”成纳米机械。成纳米机械。 6.5.46.5.4 微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例

124、 1990年美国年美国IBM的一群科学家，的一群科学家，首度将一颗颗氙原子在镍表面上拖首度将一颗颗氙原子在镍表面上拖曳，逐颗将曳，逐颗将37颗原子排成颗原子排成“IBM”三三个英文字母，相当引人注目个英文字母，相当引人注目(如图如图)。 116第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统8. 8. 原子操纵术原子操纵术6.5.46.5.4 微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例将一顆一顆的铁原子團将一顆一顆的铁原子團, ,在在Cu(111)Cu(111)表面上排列成表面上排列成“原子原子”二字。二字。将一顆一顆的一氧化碳原子團，在将一顆一顆

125、的一氧化碳原子團，在Pt(111)Pt(111)表面上排列成人的形狀。表面上排列成人的形狀。 117第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统9. 纳米材料的莲花效应纳米材料的莲花效应6.5.46.5.4 微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例 118第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统9. 纳米材料的莲花效应纳米材料的莲花效应 经过科学家的察研究，荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。经过电子显微镜的分析，莲花的叶面是由一层极细致的表面所组成，并非想象中的光滑。而此细致的表面的结构与粗

126、糙度达微米至纳米尺寸的大小。叶面上布满细微的凸状物再加上表面所存在的蜡质，这使得在尺寸上远大于该结构的灰尘、雨水等降落在叶面上时，只能和叶面上凸状物形成点的接触。液滴在自身的表面张力作用下形成球状，藉由液滴在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这样的能力胜过人类的任何清洁科技。这就是莲花纳米表面“自我洁净”的奥妙所在。6.5.46.5.4 微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例微纳制造应用案例 119第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统6.6 6.6 生物制造生物制造 6.6.1 生物制造的发展生物制造的发展 6.6.2 生物制造的概念与内容生物制造的概念

127、与内容 6.6.3 生物制造应用案例生物制造应用案例 120第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统日日本本三三重重大大学学和和冈冈山山大大学学率率先先开开展展了了生生物物技技术术用用于于工工程程材材料料加加工的研究，并初步证实了微生物加工金属材料的可行性。工的研究，并初步证实了微生物加工金属材料的可行性。目目前前已已将将快快速速成成形形制制造造技技术术人人工工骨骨研研究究相相结结合合，为为颅颅骨骨、颚颚骨骨等骨骼的人工修复和康复医学提供了很好的技术手段。等骨骼的人工修复和康复医学提供了很好的技术手段。我我国国于于1982年年将将生生物物技技术术列列为为八八大大

128、重重点点技技术术之之一一。生生物物学学科科与与制制造造学学科科这这两两个个原原来来人人们们觉觉得得毫毫不不相相干干的的学学科科，今今天天正正在在相相互互渗渗透透、相相互互交交叉叉，正正在在形形成成一一个个新新的的学学科科生生物物制制造造系系统统（Biological Manufacturing System，BMS）。）。我我国国在在2003年年3月月和和2004年年7月月，先先后后两两次次召召开开了了全全国国生生物物制制造造工工程程学学术术研研讨讨会会，专专家家们们探探讨讨的的主主要要问问题题有有：生生物物制制造造工工程程的的定定义义、内内涵涵及及意意义义；生生物物医医学学工工程程与与生生物

129、物制制造造的的联联系系；生生物物制造的研究特点、方向及方法；制造的研究特点、方向及方法；生物制造的应用领域。生物制造的应用领域。 1. 1. 生物制造系统正在形成生物制造系统正在形成6.6.1 生物制造的发展生物制造的发展 121第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统 在在机机器器人人、微微机机电电系系统统、微微型型武武器器方方面面，将将更更多多地地应应用用生生物物动动力力、生生物感知、生物智能，使机器人越来越像人或动物。物感知、生物智能，使机器人越来越像人或动物。 在在纳纳米米技技术术方方面面，实实现现纳纳米米尺尺度度上上裁裁剪剪或或连连接接DNADNA双双

130、螺螺旋旋，改改造造生生命命特特征征; ;实实现现各各种种蛋蛋白白质质分分子子和和酶酶分分子子的的组组装装，构构造造纳纳米米人人工工生生物物膜膜，实实现现跨膜物质选择运输和电子传递。跨膜物质选择运输和电子传递。 在在医医疗疗方方面面，三三维维生生物物组组织织培培养养技技术术不不断断突突破破，人人体体各各种种器器官官将将能能得得到复制，会大大延长人类的生命。到复制，会大大延长人类的生命。 在在生生物物加加工工方方面面，通通过过生生物物方方法法制制造造纳纳米米颗颗粒粒、纳纳米米功功能能涂涂层层、纳纳米米微管、功能材料、微器件、微动力、微传感器、微系统等。微管、功能材料、微器件、微动力、微传感器、微系

131、统等。 2. 2. 生物制造的发展前景生物制造的发展前景 6.6.1 生物制造的发展生物制造的发展 122第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统1. 生物制造的概念生物制造的概念清华大学颜永年教授等把清华大学颜永年教授等把生物制造定义生物制造定义为：为： 通过制造科学与生命科学相结合，在微滴、细胞和分通过制造科学与生命科学相结合，在微滴、细胞和分子尺度的科学层次上，通过受控组装完成器官、组织和仿子尺度的科学层次上，通过受控组装完成器官、组织和仿生产品的制造之科学和技术总称。生产品的制造之科学和技术总称。 6.6.2 6.6.2 生物制造的概念与内容生物制造的概

132、念与内容生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 123第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统2. 2. 生生物物制制造造的的内内容容 生物制造工程的体系结构生物制造工程的体系结构生长型制造原理生长型制造原理自组织生长原理自组织生长原理分布式制造原理分布式制造原理分形理论分形理论其他理论其他理论仿生制造仿生制造 生物组织和结构的仿生生物组织和结构的仿生 生物遗传制造生物遗传制造 生物控制的仿生生物控制的仿生生物成形制造生物成形制造其他方法其他方法产产品品制造科学制造科学 生命科学生命科学 材料科学材料科学 信息技术信息技术制造原理制造原理生物制造技术生物制造技

133、术生物制造的基础生物制造的基础6.6.2 6.6.2 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 124第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统 目目前前生生物物制制造造工工程程的的研研究究方方向向是是如如何何把把制制造造科科学学、生生命命科科学学、计计算算机机技技术术、信信息息技技术术、材材料料科科学学各各领领域域的的最最新新成成果果组组合合起起来来，使使其其彼彼此此沟沟通通起起来来用用于于制制造造业业，是是生生物物制制造造工工程程的主要任务。归纳下来，目前有如下两方面的主要任务。归纳下来，目前有如下两方面6 6个研究方向

134、：个研究方向：（1 1）仿生制造）仿生制造 生物组织和结构的仿生生物组织和结构的仿生 生物遗传制造生物遗传制造 生物控制的仿生生物控制的仿生 3. 3. 生物制造工程的研究方向生物制造工程的研究方向 6.6.2 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 （2 2）生物成形制造）生物成形制造 生物去除成形生物去除成形 生物约束成形生物约束成形 生物生长成形生物生长成形 125第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统包括包括生物活性组织的工程化制造生物活性组织的工程化制造和和类生物智能体的制造类生物智能体的制造。例如：例如：生生物物活活性性组组织织的的工工程程化化制

135、制造造：将将组组织织工工程程材材料料与与快快速速成成形形制制造造结结合合，采采用用生生物物相相容容性性和和生生物物可可降降解解性性材材料料，制制造造生生长长单单元元的的框框架架，在在生生长长单单元元内内部部注注入入生生长长因因子子，使使各各生生长长单单元元并并行行生生长长，以以解解决决与与人人体体的的相相容容性性与与个个体体的的适适配配性，以及快速生成的需求，实现人体器官的人工制造。性，以及快速生成的需求，实现人体器官的人工制造。类类生生物物智智能能体体的的制制造造：利利用用可可以以通通过过控控制制含含水水量量来来控控制制伸伸缩缩的的高高分分子子材材料料，能能够够制制成成人人工工肌肌肉肉。类类

136、生生物物智智能能体体的的最最高高发发展展是是依依靠靠生生物物分分子子的的生生物物化化学学作作用，制造类人脑的生物计算机芯片，即生物存储体和逻辑装置。用，制造类人脑的生物计算机芯片，即生物存储体和逻辑装置。 1）生物组织和结构的仿生生物组织和结构的仿生 6.6.2 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 126第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统 随着随着DNADNA的内部结构和遗传机制的的内部结构和遗传机制的解密，借鉴基因技术的成果应用于制造解密，借鉴基因技术的成果应用于制造领域，依靠生物领域，依靠生物DNADNA的自我复制，如何的自我复制，如何利用转基因

137、实现一定几何形状、各几何利用转基因实现一定几何形状、各几何形状位置不同的物理力学性能、生物材形状位置不同的物理力学性能、生物材料和非生物材料的有机结合，并根据生料和非生物材料的有机结合，并根据生成物的各种特征，成物的各种特征，采用人工控制生长单采用人工控制生长单元体内的遗传信息为手段元体内的遗传信息为手段，直接生长出，直接生长出任何人类所需要的产品，如人或动物的任何人类所需要的产品，如人或动物的骨骼、器官、肢体，以及生物材料结构骨骼、器官、肢体，以及生物材料结构的机器零部件等，将是这个方向的创新的机器零部件等，将是这个方向的创新及前沿问题。及前沿问题。 2 2 2 2）生物遗传制造生物遗传制造

138、 6.6.2 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 127第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统应应用用生生物物控控制制原原理理来来计计算算、分分析析和和控控制制制制造造过过程程。例如例如人工神经网络人工神经网络遗传算法遗传算法仿生测量研究仿生测量研究面向生物工程的微操作系统原理面向生物工程的微操作系统原理设计与制造基础设计与制造基础3 3）生物控制的仿生）生物控制的仿生 6.6.2 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 128第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统 目目前前已已发发现现的的微微生生物物有有1010万万

139、种种左左右右，尺尺度度绝绝大大部部分分为为微微/ /纳纳米米级级，具具有有不不同同的的标标准准几几何何外外形形与与亚亚结结构构、生生理理机机能能及及遗遗传传特特性性。这这就就有有可可能能找找到到“吃吃”某某些些工工程程材材料料的的菌菌种种，实实现现生生物物去去除除成成形形(Bioremoving (Bioremoving forming)forming)；复复制制或或金金属属化化 不不同同标标准准几几何何外外形形与与亚亚结结构构的的菌菌体体，再再经经排排序序或或微微操操作作，实实现现生生物物约约束束成成形形(Biolimited (Biolimited forming)forming)；甚甚至

140、至通通过过控控制制基基因因的的遗遗传传形形状状特特征征和和遗遗传传生生理理特特征征，生生长长出出所所需需的的外外形形和生理功能，实现生物生长成形和生理功能，实现生物生长成形(Biogrowing forming)(Biogrowing forming)。 生物去除成形生物去除成形 （Bioremoving Forming） 生物约束成形生物约束成形 （Biolimited Forming） 生物生长成形生物生长成形 （Biogrowing Forming） （2 2）生物成形制造）生物成形制造 6.6.2 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 129第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造

141、工艺技术先进制造系统先进制造系统 以以氧氧化化亚亚铁铁硫硫杆杆菌菌T9T9菌菌株株去去除除纯纯铜铜、纯纯铁铁和和铜铜镍镍合合金金等等材材料料为为例例，说说明明生生物物去去形形的的原原理理。氧氧化化亚亚铁铁硫硫杆杆菌菌T9T9菌菌株株是是中中温温、好好氧氧、嗜嗜酸酸、专专性性无无机机化化能能自自氧氧菌菌，其其主主要要生生物物特特性性是是将将亚亚铁铁离离子子氧氧化化成成高高铁铁离离子子以以及及将将其其他他低低价价无无机机硫硫化化物物氧氧化化成成硫硫酸酸和和硫硫酸酸盐盐。加加工工时时，可可掩掩膜膜控控制制去去除除区区域域利利用用，利用细菌刻蚀达到成形的目的。利用细菌刻蚀达到成形的目的。 1 1）生物

142、去除成形）生物去除成形 a）b）图图 生物去除成形实验过程生物去除成形实验过程a）光刻工艺过程）光刻工艺过程 b）生物加工过程）生物加工过程光绘底片贴抗蚀剂膜紫外线曝光显影为试件金属试件生物加工过程生物加工后试件去抗蚀剂膜6.6.2 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 130第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统2 2）生物约束成形）生物约束成形 目目前前已已发发现现的的微微生生物物中中大大部部分分细细菌菌直直径径只只有有1m1m左左右右，菌菌体体有有各各种种各各样样的的标标准准几几何何外外形形，用用现现在在加加工工手手段段很很难难加加工工除除这这么么小

143、小的的标标准准三三维维形形状状。这些菌体的金属化将会有以下用途：这些菌体的金属化将会有以下用途： 构造微管道，微电极、微导线构造微管道，微电极、微导线 菌体排序与固定，构造蜂窝结构、复合材料、多孔材料、菌体排序与固定，构造蜂窝结构、复合材料、多孔材料、 磁性功能材料等。磁性功能材料等。 去除蜂窝结构表面，构造微孔过滤膜、光学衍射孔等。去除蜂窝结构表面，构造微孔过滤膜、光学衍射孔等。 6.6.2 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 131第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统 有有生生命命的的生生物物体体和和生生物物分分子子与与其其他他无无生生命命的的物物

144、质质相相比比，具具有有繁繁殖殖、代代谢谢、生生长长、遗遗传传、重重组组等等特特点点。随随着着人人类类对对基基因因组组计计划划的的不不断断实实施施和和深深人人研研究究，将将现现实实人人工工控控制制细细胞胞团团的的生生长长外外形形和和生生理理功功能能的的生生物物生生长长成成形形技技术术。相相信信在在不不远远的的将将来来，可可以以利利用用生生物物生生长长技技术术控控制制基基因因的的遗遗传传形形状状特特征征和和遗遗传传生生理理特特征征，生生长长出出所所需需外外形形和和生生理理功功能能的的人人工工器器官官，用用于于延延长长人人类类生生命命或构造生物型微机电系统。或构造生物型微机电系统。 3 3）生物生长

145、成形）生物生长成形6.6.2 生物制造的概念与内容生物制造的概念与内容 132第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统1.1.生物计算机生物计算机2.2.可使盲人重见光明的可使盲人重见光明的“眼睛芯片眼睛芯片” 3.3.个性化人造器官个性化人造器官6.6.3 生物制造的应用案例生物制造的应用案例 133第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统作为计算机核心元件的大规模集成电路多以硅为作为计算机核心元件的大规模集成电路多以硅为材料。如果提高了集成度，材料。如果提高了集成度，电路密集引起的散热问题电路密集引起的散热问题又难于解决又难于

146、解决。因此，计算机的运算速度与能力就不能。因此，计算机的运算速度与能力就不能满足飞速发展的社会的要求了。满足飞速发展的社会的要求了。 目前，科学家正在研目前，科学家正在研制生物芯片，并已确定了以下的生物材料：制生物芯片，并已确定了以下的生物材料： (1)细胞色素细胞色素C 作为记忆元件。作为记忆元件。 (2)细菌视紫红质细菌视紫红质 它是一种光驱动开关的原型。它是一种光驱动开关的原型。(3)DNA分子分子 是一种存储器的分子模型。是一种存储器的分子模型。 (4)采用导电聚合物如聚乙炔与聚硫氮化物制作分子导采用导电聚合物如聚乙炔与聚硫氮化物制作分子导线线 传递信息速度与电子导电情况无多大差别，但

147、能传递信息速度与电子导电情况无多大差别，但能耗极低。耗极低。 1. 1. 生物计算机生物计算机6.6.3 生物制造的应用案例生物制造的应用案例 134第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统2. 2. 可使盲人重见光明的可使盲人重见光明的“眼睛芯片眼睛芯片” 美美国国约约翰翰斯斯霍霍普普金金斯斯大大学学威威尔尔默默眼眼科科研研究究所所的的科科学学家家和和北北卡卡罗罗来来纳纳州州立立大大学学的的机机械械工工程程师师，共共同同研研制制成成功功了了可可使使盲盲人人重重见见光光明的明的“眼睛芯片眼睛芯片”。无线录像装置无线录像装置激光驱动的、固定在视网膜上的微型电脑芯片

148、激光驱动的、固定在视网膜上的微型电脑芯片 工工作作原原理理是是: :装装在在眼眼镜镜上上的的微微型型录录像像装装置置拍拍摄摄到到图图像像，并并把把图图像像进进行行数数字字化化处处理理之之后后发发送送到到电电脑脑芯芯片片，电电脑脑芯芯片片上上的的电电极极构构成成的的图图像像信信号号则则刺刺激激视视网网膜膜神神经经细细胞胞，使使图图像像信信号号通通过过视视神神经经传传送送到到大大脑脑，这这样样盲盲人人就就可可以见到这些图像。以见到这些图像。 6.6.3 生物制造的应用案例生物制造的应用案例 135第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统(1)(1)(1)(1)个性化

149、人造器官的构想个性化人造器官的构想个性化人造器官的构想个性化人造器官的构想 个性化人造器官就是利用患者自身的局部组织或细胞，个性化人造器官就是利用患者自身的局部组织或细胞，再利用外来的一些高分子材料，在身体的相关部位再利用外来的一些高分子材料，在身体的相关部位“长长”出一个最出一个最“贴己贴己”的器官的器官。6.6.3 生物制造的应用案例生物制造的应用案例3. 3. 3. 3. 个性化人造器官个性化人造器官个性化人造器官个性化人造器官 136第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统生物可吸收性生物可吸收性PLGAPLGA原料原料生物可吸收性生物可吸收性PLGAP

150、LGA骨螺丝成品骨螺丝成品生物可吸收性生物可吸收性PLGAPLGA骨板成品骨板成品生物可吸收性生物可吸收性PLGAPLGA多孔性基材多孔性基材6.6.3 生物制造的应用案例生物制造的应用案例3. 3. 3. 3. 个个个个性性性性化化化化人人人人造造造造器器器器官官官官 137第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统 科学家还发展出一种更简单的人造器官方法，就是把作为支架的科学家还发展出一种更简单的人造器官方法，就是把作为支架的高分子材料、细胞和生长因子混合在一起，注射到患者体内需要修复高分子材料、细胞和生长因子混合在一起，注射到患者体内需要修复的部位，让这些原

151、料的部位，让这些原料“长长”出一个完整的器官来。到时，去医院修补出一个完整的器官来。到时，去医院修补器官就像现在打针一样方便。这种新的方法叫做器官就像现在打针一样方便。这种新的方法叫做“可注射工程可注射工程”。注射能促进牙龈组注射能促进牙龈组织再生的生物材料织再生的生物材料可注射组织工程示意图可注射组织工程示意图6.6.3 生物制造的应用案例生物制造的应用案例3. 3. 3. 3. 个性化人造器官个性化人造器官个性化人造器官个性化人造器官 138第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统(2)(2)个性化人造器官的研究进展个性化人造器官的研究进展19971997年

152、，美国南加州的年，美国南加州的ATSATS公司首次由包皮细胞长成了公司首次由包皮细胞长成了人造皮肤人造皮肤，这是最先面世的个性化人造器官产品。目前，人造皮肤已经成为个这是最先面世的个性化人造器官产品。目前，人造皮肤已经成为个性化人造器官中最成熟的一个品种。性化人造器官中最成熟的一个品种。美国马萨诸塞大学的查尔斯美国马萨诸塞大学的查尔斯瓦坎蒂教授在生物反应器里为两瓦坎蒂教授在生物反应器里为两位切掉拇指的机械师培育了位切掉拇指的机械师培育了拇指的指骨拇指的指骨。安东尼安东尼阿塔拉领导的一个由波士顿儿童医院的医生组成的小组阿塔拉领导的一个由波士顿儿童医院的医生组成的小组正计划把用胎儿细胞培育的正计划

153、把用胎儿细胞培育的膀胱膀胱植入人体。植入人体。美国阿特丽克斯公司生产了一种掺有生长激素和疗效药物的可吸美国阿特丽克斯公司生产了一种掺有生长激素和疗效药物的可吸收生物材料，它能促进收生物材料，它能促进牙龈组织再生牙龈组织再生。6.6.3 生物制造的应用案例生物制造的应用案例3. 3. 3. 3. 个性化人造器官个性化人造器官个性化人造器官个性化人造器官 139第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统德国汉诺威医学高等专科学校的赫尔穆特德国汉诺威医学高等专科学校的赫尔穆特德雷克斯勒教德雷克斯勒教授首先从心肌梗塞患者的骨髓中提取出干细胞，经过一系授首先从心肌梗塞患者的

154、骨髓中提取出干细胞，经过一系列特殊处理后，这些病人的自体干细胞通过特制导管被植列特殊处理后，这些病人的自体干细胞通过特制导管被植入发生梗塞的心脏动脉中。试验结果显示，接受新疗法的入发生梗塞的心脏动脉中。试验结果显示，接受新疗法的病人心脏能够自行康复，并可以病人心脏能够自行康复，并可以再生心脏肌肉组织再生心脏肌肉组织。6.6.3 生物制造的应用案例生物制造的应用案例3. 3. 3. 3. 个性化人造器官个性化人造器官个性化人造器官个性化人造器官 140第第 6 章章 先进制造工艺技术先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统我国的曹谊林教授曾成功地在裸鼠身上移植我国的曹谊林教授曾成功地在裸鼠身上移植成功了世界上第一个个性化成功了世界上第一个个性化人造耳人造耳。现在这种。现在这种器官再造技术已经开始用于临床实验。器官再造技术已经开始用于临床实验。20012001年，一个颅骨破损达年，一个颅骨破损达6666厘米的男孩在厘米的男孩在上海求医，曹谊林教授利用个性化上海求医，曹谊林教授利用个性化人造颅骨人造颅骨技技术为患者成功修补了颅骨。术为患者成功修补了颅骨。6.6.3 生物制造的应用案例生物制造的应用案例3. 3. 3. 3. 个性化人造器官个性化人造器官个性化人造器官个性化人造器官