第6章先进制造工艺技术

1第6章先进制造工艺技术先进制造系统先进制造系统第1章先进制造系统总论第2章先进制造系统基本原理第3章先进制造模式第4章先进设计技术第5章先进制造装备及技术第6章先进制造工艺技术第7章绿色设计与制造第8章典型产品的制造系统第9章制造系统展望∨∧2第6章先进制造工艺技术先进制造系统第6章先进制造过程技术∨∧6.1先进制造工艺技术的内涵6.2快速成形技术6.3高能束加工技术6.4超精密加工技术6.5微纳制造6.6生物制造3第6章先进制造工艺技术先进制造系统6.1先进制造工艺技术的内涵6.1.1物体的成形方法6.1.2先进制造工艺技术的定义与内容∨∧4第6章先进制造工艺技术先进制造系统6.1.1物体的成形方法制造工艺技术(制造过程技术)----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。其实质是与物料处理过程相关的各项技术。∨∧5第6章先进制造工艺技术先进制造系统6.1.1物体的成形方法物质准备部门粗加工机械制造部门精加工装配与包装改性与处理搬运与储存，检测与控制切削加工与特种加工焊接、铆接、粘接切割、下料锻造、冲压铸造热处理大锻件钢坯装配包装（成品）表面处理发运金属炉料棒、板、管、线、型材熔化粉末冶金（压制、烧结）注射、压塑、挤塑、吹塑敞开模、对模成形、缠绕等原材料、能源金属结构材料非金属结构材料冶金粉末，工程陶瓷工程塑料、橡胶复合材料图6-1机械制造过程的组成∨∧6第6章先进制造工艺技术先进制造系统6.1.1物体的成形方法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：受迫成形（CompelledForming）去除成形（DislodgeForming）添加成形（AddingForming）生成成形（GrowthForming）∨∧7第6章先进制造工艺技术先进制造系统6.1.2先进制造工艺技术的定义与内容1、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术，要求实现优质、高效、低耗、清洁和灵活。2、先进制造工艺技术的特点优质高效低耗清洁灵活∨∧8第6章先进制造工艺技术先进制造系统6.1.2先进制造工艺技术的定义与内容3.先进制造工艺技术的分类基于成形方式的工艺分类基于加工精度的基于加工设备的基于加工尺寸基于加工材料基于加工能量∨∧9第6章先进制造工艺技术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6章先进制造工艺技术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6章先进制造工艺技术先进制造系统基于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6章先进制造工艺技术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6章先进制造工艺技术先进制造系统6.2快速成形制造（RPM）∨∧6.2.1快速成形制造的发展6.2.2RPM的原理与特点6.2.3几种常用的RPM工艺6.2.4RPM的发展趋势6.2.5RPM的应用14第6章先进制造工艺技术先进制造系统6.2.1快速成形制造的发展快速成形制造又称为快速原型制造。20世纪80年代后期，快速成形制造（RPM）技术在美国首先产生并商品化。RPM以离散堆积原理为基础和特征，即它首先将零件的电子模型软件离散化，成为“层状”的离散面、离散线和离散点，而后采用多种手段，将这些离散的面、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，所以制造速度比传统方法简单得多。∨∧15第6章先进制造工艺技术先进制造系统6.2.2RPM技术的原理与特点1.RPM技术的原理2.RPM技术的内涵3.RPM技术的特点∨∧16第6章先进制造工艺技术先进制造系统1.RPM技术的原理快速成形制造技术：是一种基于离散堆积成形思想的新型成形技术，是综合利用CAD技术、数控技术、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造一体化的系统技术。以微元迭加逐渐累积生成零件的方法。6.2.2RPM技术的原理与特点∨∧17第6章先进制造工艺技术先进制造系统RPM的成形流程图成形机中堆积成形CAD模型Z向离散化（分层）层面信息处理层面加工与粘接层层堆积后处理分解过程组合过程计算机中信息处理图6-1RPM的离散/堆积成形流程6.2.2RPM技术的原理与特点∨∧xyzxy18第6章先进制造工艺技术先进制造系统RPM技术的内涵主要表现在：不使用一般意义上的模具或刀具，而是利用光、热、电等物理手段实现材料的转移与堆积；原型是通过堆积不断增大，其力学性能不但取决于成型材料本身，而且与成形中所施加的能量大小及施加方式有密切关系；在成形工艺控制方面，需要对多个坐标进行精确的动态控制。2.RPM技术的内涵∨∧6.2.2RPM技术的原理与特点19第6章先进制造工艺技术先进制造系统实体自由成形制造（SolidFreeformFabrication，SFF）直接CAD制造（DirectCADManufacturing，DCM）离散堆积制造（DispersedCumulateManufacturing，DCM）即时制造（InstantManufacturing，IM）分层制造（LayeredManufacturing，LM）材料添加制造（MaterialIncreaseManufacturing，MIM）RPM技术的不同称谓6.2.2RPM技术的原理与特点∨∧20第6章先进制造工艺技术先进制造系统1）实体自由成形制造（SFF）SFF它表明RPM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。RPM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，又节省了制造工装和专用工具的成本。6.2.2RPM技术的原理与特点∨∧21第6章先进制造工艺技术先进制造系统DCM反映了RPM是CAD模型直接驱动，计算机中的CAD模型通过接口软件直接驱动RPM设备，接口软件完成CAD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“打印”零件，完成三维输出。RPM由于采用了离散/堆积的加工工艺，CAD和CAM能够很顺利地结合在一起，可容易地实现设计制造一体化。2）直接CAD制造（DCM）6.2.2RPM技术的原理与特点∨∧22第6章先进制造工艺技术先进制造系统3）离散堆积制造(DCM)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RPM技术的基本成形原理，具有较强的概括性和适应性。6.2.2RPM技术的原理与特点∨∧23第6章先进制造工艺技术先进制造系统4）即时制造（IM）IM它反映RPM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，RPM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RPM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应的特征和时代要求。6.2.2RPM技术的原理与特点∨∧24第6章先进制造工艺技术先进制造系统LM是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。5）分层制造（LM）6.2.2RPM技术的原理与特点∨∧25第6章先进制造工艺技术先进制造系统MIM是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。6）材料添加制造（MIM）6.2.2RPM技术的原理与特点∨∧26第6章先进制造工艺技术先进制造系统3.RPM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；CAD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；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；技术的高度集成性，带有鲜明的高新技术特征。6.2.2RPM技术的原理与特点∨∧27第6章先进制造工艺技术先进制造系统6.2.3几种常用的RPM方法1.立体光刻（SLA）2.分层实体制造（LOM）3.选择性激光烧结（SLS）4.熔融沉积成形（FDM）∨∧28第6章先进制造工艺技术先进制造系统1、立体光刻/立体印刷/光造型/光敏液相固（StereoLithographyApparatus，SLA）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几种常用的RPM方法∨∧29第6章先进制造工艺技术先进制造系统SLA法的工艺原理6.2.3几种常用的RPM方法∨∧30第6章先进制造工艺技术先进制造系统SLA设备和原型件示例6.2.3几种常用的RPM方法∨∧31第6章先进制造工艺技术先进制造系统2.分层实体制造/叠层实体制造/层合实体制造（LaminatedObjectManufacturing，LOM）•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几种常用的RPM方法∨∧32第6章先进制造工艺技术先进制造系统LOM法的工艺原理6.2.3几种常用的RPM方法∨∧33第6章先进制造工艺技术先进制造系统3.选择性激光烧结/选区激光烧结（SelectiveLaserSintering，SLS）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几种常用的RPM方法∨∧34第6章先进制造工艺技术先进制造系统SLS法的工艺原理6.2.3几种常用的RPM方法∨∧35第6章先进制造工艺技术先进制造系统SLS设备和原型件示例6.2.3几种常用的RPM方法∨∧36第6章先进制造工艺技术先进制造系统4.熔融沉积成形/熔丝沉积（FusedDepositionModeling，FDM）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几种常用的RPM方法∨∧37第6章先进制造工艺技术先进制造系统FDM法的工艺原理6.2.3几种常用的RPM方法∨∧38第6章先进制造工艺技术先进制造系统FDM设备和原型件示例6.2.3几种常用的RPM方法∨∧39第6章先进制造工艺技术先进制造系统RPM典型工艺比较光固化成型熔融沉积成型选择性激光烧结分层实体制造优点⑴成形速度极快，成形精度、表面质量高；⑵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，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