第四章2_新一代制造技术-快速成型制造技术

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快速成型制造技术
一个产品的典型开发过程是从前一 代的原型中发现错误或从进一步研究中 发现更有效和更好的设计方案，而一件 原型的生产极其费时，模具的准备需要 几个月，一个复杂的零件用传统方法加 工非常困难。
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快速成型制造技术
快速成型(Rapid Prototyping)技术 是近年来发展起来的直接根据CAD模型快 速生产样件或零件的成组技术总称，它 集成了CAD技术、数控技术、激光技术和 材料技术等现代科技成果，是先进制造 技术的重要组成部分。
3DP SF TSF
粘性片材 的粘结
UV粘结 片状材料
LOM
SFP
图3 目前快速成型主要工 艺方法及其分类
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1. 熔 积 成 型 法 （ Fused Deposition Modeling） 在熔积成型法（FDM）的过程中（图 4）龙门架式的机械控制喷头可以在工作 台的两个主要方向移动，工作台可以根 据需要向上或向下移动。热塑性塑料或 蜡制的熔丝从加热小口处挤出。最初的 一层是按照预定的轨迹以固定的速率将 熔丝挤出在泡沫塑料基体上形成的。当 第一层完成后，工作台下降一个层厚并 开始迭加制造一层。
第四章2 快速成型制造技术
• 要点： 了解RP与RT技术基本原理，工艺方法 • 英文词汇 RP：快速成型(Rapid Prototyping) RT：快速模具（Rapid Tooling）
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快速成型制造技术 一、 简介
在新产品的开发过程中，总是需要对 所设计的零件或整个系统在投入大量资金 组织加工或装配之前加工一个简单的例子 或原型。在准备制造和销售一个复杂的产 品系统之前，工作原型可以对产品设计进 行评价、修改和功能验证。
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适用于产品开发过程中的小批量试 制，以及小批量生产的、结构较简单的 覆盖件生产。 按模具制造方式来分，可分为直接 制模法和间接制模法。
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1.直接制模法(Direct Tooling—DT) 直接制模法是指将模具CAD的结果 由RP系统直接制造成型。即在RP系统上 直接制造出模具供生产使用。 这种方法不需要RP原型作样件，也 不依赖传统的模具制造工艺，对金属模 具的制造尤其快捷，是一种有开发前景 的快速模具制造方法。
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快速成型制造技术
3.快速原型作为一种重要的制造技术，采 用适当的材料，这种原型可以被用在后 续生产操作中以获得最终产品。 4.快速原型操作可以应用于模具制造，可 以快速、经济地获得模具。
5.产品制造过程几乎与零件的复杂性无关， 可 实 现 自 由 制 造 (Free Form Fabrication)，这是传统制造方法无法 比拟的。
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快速成型制造技术
间接RT法已日臻成熟。其方法则根 据零件的生产批量的大小而不同。常用 的有： ⑴用RP原型制作简易模具 1)用快速成型件作母模，制作硅橡胶模 当制造的零件件数较少（批量在 20～50件）时，一般采用这种硅橡胶模。
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图7
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激光选区烧结工艺路线图
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SLS工艺特别适合制作功能测试零 件。可用于直接制造金属模具。由于该 工艺能够直接烧结蜡粉，与熔模铸造工 艺相接特别适合进行小批量比较复杂的 中小零件的生产。
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快速原型技术的优点： 1.快速原型作为一种使设计概念可视化的重 要手段，计算机辅助设计的零件的实物模 型可以在很短时间内被加工出来，从而可 以很快对加工能力和设计结果进行评估。 2.由于它是将复杂的三维型体转化为两维截 面来解决，因此，它能制造任意复杂型体 的高精度零件，而无须任何工装模具。
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快速成型制造技术
一个更为人们关注的问题是一个产品 从概念到可销售的成品的流程速度。同 时，还有一个更为令人关心的问题是产 品的高质量生产。由于这些原因，努力 使高质量的产品快速的进入市场就显得 极为重要。 快速成型技术问世这些年，已实现了 相当大的市场，发展非常迅速。
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2.三维模型的离散处理。 通过专用的分层程序将三维实体模 型分层（图2b），通过一簇平行平面沿 制作方向与CAD模型相截,所得到的截面 交线就是薄层的轮廓信息,而实体信息是 通过一些判别准则来获取的。
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图5 快速原型支撑结构图
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FDM的优点是材料的利用率高；材 料的成本低；可选用的材料种类多；工 艺干净、简单、易于操作且对环境的影 响小。缺点是精度低；结构复杂的零件 不易制造；表面质量差；成型效率低， 不适合制造大型零件。 该工艺适合于产品的概念建模以及 它的形状和功能测试，中等复杂程度的 中小原型。
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快速成型制造技术
3. 激 光 选 区 烧 结 （ Selective Laser Sinering） 激光选区烧结（简称SLS）是一种将 非金属（或普通金属）粉末有选择地烧 结成单独物体的工艺。此工艺中的一些 基本原理如图7所示。该法采用CO2激光 器作为能源，目前使用的造型材料多为 各种粉末材料。
(a)ch=0.05
(b) ch=0.2
图 1
不同ch值时的效果
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在三维CAD设计软件对CAD模型进行 面型化处理时,一般软件系统中有输出精 度控制参数，通过控制该参数，可减小 曲面近似处理误差。如Pro/E软件是通过 选定弦高值(ch-chord height)作为逼 近的精度参数，如图1为一球体,给定的 两种ch值所转化的情况。
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快速成型制造技术
与传统制造方法不同，快速成型从 零件的CAD几何模型出发，通过软件分层 离散和数控成型系统，用激光束或其他 方法将材料堆积而形成实体零件。由于 它把复杂的三维制造转化为一系列二维 制造的叠加，因而可以在不用模具和工 具的条件下生成几乎任意复杂的零部件， 极大地提高了生产效率和制造柔性。
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快速成型制造技术
LOM工艺适合制作大中型原型件，翘 曲变形小和形状简单的实体类零件。通 常用于产品设计的概念建模和功能测试 零件，且由于制成的零件具有木质属性， 特别适用于直接制作砂型铸造模。
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四、基于快速成型的快速模具技术（Rapid Tooling,简称RT） 快速模具及快速复制技术是近几年 在国内外发展起来的一种快速制造技术。 该项技术融合了高分子复合材料应用、 快速成型技术、快速翻制工艺以及CNC加 工等新技术、新工艺，可快速、低成本 地制造非金属模具，用于10-1000件批量 产品的快速制造，受到了市场的欢迎。
光固化成形所能达到的最小公差取 决于激光的聚焦程度；通常是0.0125mm。
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快速成型制造技术
SL工艺优点是精度较高，一般尺寸 精度控制在±0.1mm；表面质量好；原材 料的利用率接近100％；能制造形状特别 复杂、特别精细的零件；设备的市场占 有率很高。 缺点是需要设计支撑；可以选择的 材料种类有限；容易发生翘曲变形；材 料价格较贵。该工艺适合比较复杂的中 小件。
a) 叠层制造工艺原理图
b) 由叠层制造法制造 的机轴零件图
图8
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叠层制造法原理图
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LOM工艺优点是无须设计和构建支 撑；激光束只是沿着物体的轮廓扫描， 无需填充扫描，成型效率高；成型件的 内应力和翘曲变形小；制造成本低。
缺点是材料利用率低；表面质量差； 后处理难度大，尤其是中空零件的内部 残余废料不易去除；可以选择的材料种 类有限，目前常用的主要是纸；对环境 有一定的污染。
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快速成型制造技术
二、 快速成型的基本原理 基于材料累加原理的快速成型的操作 过程实际上是一层一层地离散制造零件。 快速成型有很多种工艺方法，但所有的 快速成型工艺方法都是一层一层地制造 零件，区别是制造每一层的方法和材料 不同而已。
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快速成型制造技术
快速成型的一般工艺过程原理如下： 1.三维模型的构造。 在 三 维 CAD 设 计 软 件 （ 如 Pro/E 、 UG 、 SolidWorks、SolidEdge等）中获得描述 该零件的CAD文件。
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三、快速成型的工艺方法 目前快速成型主要工艺方法及其分 类见图3所示。 RP 工艺方法及其分类
液体材料 粉状材料 片状材料
液体树 脂固化
SL BIS LTP HIS SGC
熔融材 料固化
BMP FDM 3DW SDM ES
激光熔 合材料
SLS
GPD
粘结剂 粘结材料
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制造出的模具具有一定的耐高温和 较好的机械强度和稳定性，故用RP技术 直接制造的模具经表面处理后可直接用 于生产中。但由于RP成型工艺和成型材 料等原因，直接制造金属模具的技术和 方法正在研究之中。
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2.间接制模法 间接RT法是以RP原型作样件间接制 造模具的方法。 RPM技术克服了传统样件(模样)制作 的缺点，能够更快、更好、更方便地设 计并制造出各种复杂的原型(样件)。一 般可使模具制造周期和制造成本降低1/2， 大大提高了生产效率和产品质量。 •
(a) 零 件 的 三 维模型
(b) 零 件 被 分 层离散
(c) 支撑材料
(d) 采用熔积法对图 (c) A-A截面加工的挤压路径
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图2
快速成型原理图
快速成型制造技术
分层切片是在选定了制作(堆积)方 向后,需对CAD模型进行一维离散,获取每 一薄层片截面轮廓及实体信息。 平行平面之间的距离就是分层的厚度, 也就是成型时堆积的单层厚度。
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快速成型制造技术
目前一般快速成型支持的文件输出 格式为STL模型，即对实体曲面近似处理, 即所谓面型化(Tessallation)处理,是用 平面三角面片近似模拟表面。这样处理 的优点是大大地简化了CAD模型的数据格 式,从而便于后续的分层处理。
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轮廓是由求交后的一系列交点顺序 连成的折线段构成。
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由于分层，破坏了切片方向CAD模型 表面的连续性,不可避免地丢失了模型的 一些信息,导致零件尺寸及形状误差的产 生。切片层的厚度直接影响零件的表面 粗糙度和整个零件的型面精度。
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(a) 熔积法成型的示意图
(b) 熔积成型5000，熔积成 型设备。
图4 熔积成型法原理图
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FDM 制作复杂的零件时，必须添加 工艺支撑。如图5（a）所示
(a) 有一个突出截面需要 支撑材料的零件
(b) 在快速原型机器中 常用的支撑结构
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2.光固化法（Stereolithography） 光固化法是目前应用最为广泛的一种 快速原型制造工艺。原理如图所示
图6 光固化成型原理图
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光固化采用的是将液态光敏树脂固化 到特定形状的原理。以光敏树脂为原料， 在计算机控制下的紫外激光按预定零件各 分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂逐点扫 描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反 应，从而形成零件的一个薄层截面。
分层后所得到的模型轮廓是近似的, 而层层之间的轮廓信息已经丢失,层厚大, 丢失的信息多,导致在成型过程中产生了 型面误差。为提高零件精度,应该考虑更 小的切片层厚度。
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快速成型制造技术
3.层截面的制造与累加 在计算机控制下，快速成型系统中 的成型头在X-Y平面内自动按截面轮廓进 行层制造，得到一层层截面。每层截面 成型后，下一层材料被送至已成型的层 面上，进行后一层的成型，并与前一层 相粘接，从而一层层的截面累加叠合在 一起，形成三维零件。