现代成型理论及应用

现代成形理论及应用

读书报告

课程名称：现代成形理论及应用

学院：机械工程学院专业：机械制造及其自动化姓名：* * 学号：

年级：2013级任课教师：**老师

一、前言

在一件新产品的开发过程中，总是需要在投入大量资金进行加工或装配之前对所设计的零件或整个系统加工一个简单的原型。这样做主要是因为生产成本昂贵，而且模具的生产需要花费大量的时间准备，如果出错，损失的时间、人力、资金相当庞大。因此，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。

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。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，用激光束或其它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何复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性，减少新产品开发所消耗的时间和资金，并且使设计者可以不拘束于现有的加工工艺，充分发挥想象力和创造力。

二、现代成型技术概述

（一）材料的分类

1.按照材料的化学组成可分为：金属材料、非金属材料、有机高分子材

料。

2.按照材料的性能特征可分为：结构材料（要求指标以力学性能为主）、

功能材料（要求指标以物理化学特性为主）。

（二）材料成型的基本方法

1.去除成形法

概念：借用物理或化学手段，将材料的多余部分去除而成形。

特点：

A.成型精度高

B.成型件形状受到工艺限制

C.成型过程与材料制备过程无关

2.冲压成型法

概念：材料在强的约束下成型

特点：

A.成型需要模具

B.成型精度受到模具影响

C.成型过程与材料制备有一定的联系

3.生长成型法

概念：通过对细胞的操作，将他们堆积成型

特点：

A.材料制备过程与成型紧密联系在一起。可以按需求制造不同材料梯

度的零件。

4.离散/堆积成型法

概念：根据离散/堆积原理，在CAD模型直接驱动下完成材料的有序堆

积而成形，被称为快速原型。

特点：

A.不需要模具

B.材料制备过程与成型紧密联系在一起。

C.拥有最高的成型柔性

D.可用来进行定制生产

三、快速成型技术

（一）定义：

由CAD模型直接驱动快速成型机来制造任意形状的零部件的过程。又称作快速原型机（RP）。

（二）快速成型机的成型过程

将被加工件的计算机三维模型发送到快速成型机，电脑自动按一定规律把模型离散为一系列单元，再由成型机一片一片地堆叠成型。

（三）快速成型技术的主要几种加工技术：

A.SL (Stereolithography) 工艺称为光固化或立体光刻，是最早出现的一种

RP工艺，它采用激光一点点照射光固化液态树脂使之固化的方法成形，

是当前应用最广泛的一种高精度成形工艺。

B.LOM (Laminated Object Manufacturing)工艺称为分层实体制造，它采用激

光切割箔材，箔材之间靠热熔胶在热压辊的压力和传热作用下熔化并实现粘接，一层层叠加制造原型。

C.SLS (Selective Laser Sintering)工艺称为激光选区烧结，它采用激光逐点烧

结粉末材料，使包覆于粉末材料外的固体粘接剂或粉末材料本身熔融粘连实现材料的成形。

D.FDM (Fused Deposition Modeling)工艺称为熔融沉积成形，它采用丝状热

塑性成形材料，连续地送入喷头后在其中加热熔融并挤出喷嘴，逐步堆积成形。

E.3DP (Three Dimensional Printing)工艺称为三维印刷，它采用逐点喷射粘

接剂来粘接粉末材料的方法制造原型，该工艺可以制造彩色模型，在概念型应用方面很有竞争力。

F.PCM (Patternless Casting Manufacturing) 工艺称为无木模铸造，它采用逐

点喷射粘接剂和催化剂即两次同路径扫描的方法来实现铸造用树酯砂粒间的粘接并完成砂型自动制造。该工艺由清华大学等多家单位联合研发成功。

G.BPM (Ballistic Particle Manufacturing)工艺称为弹道粒子制造。它用一个压

电喷射(头)系统来喷射并沉积熔化了的热塑性塑料的微小颗粒单元。由于该系统价格昂贵，毫无竞争力，当前已在RP市场上消失。

H.3D Plotting (Three Dimentional Plotting)称为三维绘图工艺，它采用泵将一

定温度熔融状材料通过极精密的喷嘴（直径为0.05mm）喷出而堆积成形。

I.MJS (Multiple Jet Solidification)工艺称为多路喷射固化，该工艺采用活塞

挤压熔融材料使其连续地挤出喷嘴的方法来堆积成形。

J.SGC (Solid Ground Curing)工艺称为实体磨削固化，它采用掩膜版技术使一层光固化树脂整体一次成形，而不是SL设备那样，每一层树脂是逐点照射固化成形的，这样就提高了原型制造速度。该工艺由以色列的Cubital公司开发成功并推出商品机器。

K.3D Printer工艺称为三维打印机，它采用块状固体热塑性成形材料，输入喷嘴后在其中加热并熔化，挤出喷嘴逐点堆积成形。

(Contour Craft)工艺称为轮廓成形工艺，它采用堆积轮廓和浇铸熔融材料相结合的方法来成形，在堆积轮廓时采用了简单的刮刀，刮板式装

置，形成原型的层片为准三维。

M.RIPF（Rapid Ice Prototype Forming）称为低温冰型快速成形工艺，采用脉宽调制喷头高频喷射离散水滴，在低温下堆积冰原型。

N.SIS（Seletine Inhibition Sintering）选择性抑制烧结，由美国南加州大学提出并进行研究。该工艺用喷墨喷头选择性地喷射抑制剂，然后用热辐

射加热器对该层加热，使非抑制部分很快互相粘结而成形。

其中,SLA,LOM,SLS和FDM四种技术,目前仍然是快速成型技术的主流。（四）快速成型技术在国内的发展

我国RP技术的研究始于1991年,近几年来,我国RP技术飞速发展,已研制出与国外SLA(立体光固化),LOM(分层实体制造),SLS(选择性激光烧结),FDM(熔积成型)等工艺方法相似的设备,并逐步实现了商品化,其性能达到了国际水平。

清华大学最先引进了美国3D公司的SLA-250设备与技术并进行研究与开发,现已开发出“M-RPMS-II”型多功能快速成型制造系统。该系统具有分层实体制造-SSM(LOM)和熔积成型-MEM(FDM)两种功能,这是我国自主知识产权的世界唯一拥有两种快速成型工艺的系统。此外,清华大学还开发出基于FDM 法的熔丝沉积制造系统MEM-250和基于LOM法的分层实体制造系统SSM-500等。

华中科技大学研制出以纸为成型材料的基于分层实体制造法(LOM)的HRP系统;西安交通大学开发了基于立体印刷法(SLA)的LPS和CPS系统;南京航空航天大学开发了基于选择性激光烧结法(SLS)的RAP系统;北京隆源公司推出了基于选择性激光烧结法(SLS)的AFS系统;在基于快速成型技术的快速制造模具方面,上海交通大学开发了具有我国自主知识产权的铸造模样计算机辅助快速制造系统,为汽车行业制造了多种模具;隆源公司的RP服务中心也为企业制作了多种精密铸模;华中科技大学研究出了一种复膜技术快速制