快速成型与快速模具制造技术及其应用

快速成型与快速模具制造技术及其应用机械工业出版社（第三版）第一章概论快速成型技术产生的背景—全球制造战略的变迁全球制造业企业的整体发展战略已经从上世纪60年代“如何做的更多”、70年代“如何做的更便宜”、80年代“如何做的更好”发展到90年代的“如何做的更快”。第一章概论第一章概论快速成型系统的组成快速成型系统是下面若干先进技术集成的。（1）计算机辅助设计(CAD)（2）计算机辅助制造(CAM)（3）计算机数字控制(CNC)（4）激光（5）精密伺服驱动（6）新材料快速成型技术概念第一章概论快速成型（也称快速原型）制造技术(RapidPrototyping&Manufacturing，RP&M或RP)，是由CAD数字模型驱动的通过特定材料采用逐层累积方式制作三维物理模型的先进制造技术。传统打印机—2D产品造型产品原型快速成型快速成型技术—3D第一章概论与传统的实现上述用途的方法相比，其显著优势是：制造周期大大缩短（由几周、几个月缩短为若干个小时），成本大大降低。尤其是衍生出来的后续的基于快速原型的快速模具制造技术进一步发挥了快速成型制造技术的优越性，可在短期内迅速推出满足用户需求的一定批量的产品，大幅度降低了新产品开发研制的成本和投资风险，缩短了新产品研制和投放市场的周期，在小批量、多品种、改型快的现代制造模式下具有强劲的发展势头。快速原型的优势快速原型的用途快速成型技术制作的原型（模型）可用于新产品的外观评估、装配检验及功能检验等，作为样件可直接替代机加工或者其他成形工艺制造的单件或小批量的产品，也可用于硅橡胶模具的母模或熔模铸造的消失型等，从而批量地翻制塑料及金属零件。第一章概论快速成型的制作过程CAD模型切片离散单层制作逐层累积由传统的“去除”加工法—部分去除大于工件的毛坯上的材料来得到工件而改变为全新的“增长”加工法—用一层层的小毛坯逐步叠加成大工件，将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合。快速成型技术的主要方法及分类快速成型技术的特点及优越性快速成型技术的早期发展123第一章概论快速成型技术的发展趋势41892年，J.E.Blanther在其美国专利中曾建议用叠层的方法来制作地图模型。该方法指出将地形图的轮廓线压印在一系列的蜡片上并沿轮廓线切割蜡片，然后堆叠系列蜡片产生三维地貌图。1902年，CarloBaese在他的美国专利(#774549)中，提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理，这是现代第一种快速成形技术—“立体平板印刷术”(StereoLithography)的初始设想。1940年，Perera提出了在硬纸板上切割轮廓线，然后将这些纸板粘结成三维地形图的方法。1964年，E.E.Zang进一步细化了该方法，建议用透明纸板，且每一块均带有详细的地貌形态标记，制作地貌图。第一节快速成型技术的早期发展快速成型技术的基本原理是基于离散的增长方式成型原型或制品。历史上这种“增长”制造方式由来已久，其发展根源可以追朔到早期的地形学工艺领域。第一节快速成型技术的早期发展1972年，K.Matsubara提出在上述方法中使用光固化材料，将光敏聚合树脂涂覆到耐火颗粒上形成板层，光线有选择地投射或扫射到这个板层，将规定的部分硬化，没有扫描或没有硬化的部分被某种溶剂溶化，用这种方法形成的薄板层随后不断地堆积在一起形成模型。1976年，P.L.DiMatteo进一步明确地提出，这种堆积技术能够用来制造用普通机加工设备难以加工的曲面，如螺旋桨、三维凸轮和型腔模具等。在具体实践中，通过铣床加工成形沿高度标识的金属层片，然后通过粘接成叠层状，采用螺栓和带锥度的销钉进行连接加固，制作了型腔模，如图所示。由DiMatteo制作的型腔模叠层模型第一节快速成型技术的早期发展1977年，W.K.Swainson在他的美国专利中提出，通过选择性的三维光敏聚合物体激光照射直接制造塑料模型工艺，同时Battelle实验室的R.E.Schwerzel也进行了类似的工作。1979年，日本东京大学T.Nakagawa教授等开始用薄板技术制造出实用的工具，如落料模、成形模和注射模等。其中特别值得一提的是，T.Nakagawa教授提出了注射模中复杂冷却通道的制作可以通过这种方式来得以实现。1981年，H.Kodama首先提出了一套功能感光聚合物快速成型系统，应用了三种不同的方法制作叠层。第一节快速成型技术的早期发展第一节快速成型技术的早期发展第一节快速成型技术的早期发展第一节快速成型技术的早期发展快速成型系统的开发商（国外）美国在RP&M系统(设备)研制、生产、销售方面占全球主导地位，生产RP&M设备系统的公司主要有：3DSystems公司(光固化快速成型设备)Stratasys公司(熔融沉积快速成型设备)Helisys公司(叠层实体快速成型设备)DTM公司（粉末激光烧结快速成型设备）欧洲和日本等国家也不甘落后，纷纷进行RP&M技术、设备研制等方面的研究工作，如德国的EOS公司、以色列的Cubital公司以及日本的CMET公司等。第一节快速成型技术的早期发展快速成型技术研究及系统开发（国内）我国从上世纪90年代初由清华大学、华中科技大学、西安交通大学等高校及其他科研院所在国家及地方政府资金支持下启动快速成型技术的研究工作。几所高校及部分研究机构在早期的快速成型设备及相应的材料开发中各有侧重，于90年代中后期陆续推出各自具有代表性的快速成型设备。应用较多的为：陕西恒通智能机器有限公司（西安交通大学）：光固化快速成型设备（SLA）武汉滨湖机电有限公司（华中科技大学）：叠层实体快速成型设备（LOM）、粉末激光烧结快速成型设备（SLS）等北京隆源自动成型系统有限公司：粉末激光烧结快速成型设备（SLS）上海联泰科技有限公司：光固化快速成型设备（SLA）清华大学：叠层实体快速成型设备、熔融沉积快速成型设备此外，香港大学、香港中文大学、香港科技大学、香港理工大学、南京航空航天大学、浙江大学、中北大学等也开展了有关设备、材料和工艺的研究；香港快速原型科技中心、深圳生产力促进中心、天津生产力促进中心等为普及和推广快速成型技术进行了卓有成效的工作。快速成型技术的主要方法及分类快速成型技术的特点及优越性快速成型技术的早期发展123第一章概论快速成型技术的发展趋势4快速成型过程快速成型技术的制造方式是基于离散堆积原理的累加式成型，从成型原理上提出了一种全新的思维模式，即将计算机上设计的零件三维模型，通过特定的数据格式存储转换并由专用软件对其进行分层处理，得到各层截面的二维轮廓信息，按照这些轮廓信息自动生成加工路径，在控制系统的控制下，选择性地固化光敏树脂或烧结粉状材料或切割一层层的成型材料，形成各个截面轮廓薄片，并逐步顺序叠加成三维实体，然后进行实体的后处理，形成原型或零件，如图所示。快速成型离散和叠加过程第二节快速成型技术的主要方法及分类快速成型主要工艺方法根据所使用的材料和建造技术的不同，目前应用比较广泛的方法有如下四种：光固化成型法（StereolithographyApparatus，SLA）采用光敏树脂材料通过激光照射逐层固化而成型叠层实体制造法（LaminatedObjectManufacturing，LOM）采用纸材等薄层材料通过逐层粘结和激光切割而成型选择性激光烧结法（SelectiveLaserSintering，SLS）采用粉状材料通过激光选择性烧结逐层固化而成型熔融沉积制造法（FusedDepositionManufacturing，FDM）采用熔融材料加热熔化挤压喷射冷却而成型第二节快速成型技术的主要方法及分类快速成型工艺方法分类快速原型技术从广义上讲可以分成两类：材料累积和材料去除。但目前人们谈及的快速成型制造方法通常指的是累积式的成型方法，而累积式的快速原型制造方法通常是依据原型使用的材料及其构建技术进行分类的，如右图所示。快速成型工艺方法的分类第二节快速成型技术的主要方法及分类快速成型技术的主要方法及分类快速成型技术的特点及优越性快速成型技术的早期发展123第一章概论快速成型技术的发展趋势4快速原型技术的出现，开辟了不用刀具、模具而制作原型和各类零部件的新途径，也改变了传统的机械加工去除式的加工方式，而采用逐层累积式的加工方式，带来了制造方式的变革。从理论上讲，添加成形方式可以制造任意复杂形状的零部件，材料利用率可达100％。和其他先进制造技术相比，快速原型技术具有如下特点：快速成型技术特点◎自由成型制造◎制造过程快速◎添加式和数字化驱动成型方式◎技术高度集成◎突出的经济效益◎广泛的应用领域第三节快速成型技术的特点及优越性◎设计者受益快速成型技术的优越性第三节快速成型技术的特点及优越性采用快速成型技术之后，设计者在设计的最初阶段，就能拿到实在的产品样品，对产品设计进行校验和优化，并可在不同阶段快速地修改、重做样品，甚至做出试制用工模具及少量的产品。设计者无需多次反复思考、修改，即可尽快得到优化结果，从而能显著地缩短设计周期和降低成本。◎制造者受益制造者在产品设计的最初阶段也能拿到实在的产品样品，甚至试制用的工模具及少量产品，这使得他们能及早地对产品设计提出意见，做好原材料、标准件、外协加工件、加工工艺和批量生产用工模具等的准备工作，最大限度地减少失误和返工，大大节省工时、降低成本和提高产品质量。◎推销者受益推销者在产品设计的最初阶段也能拿到实在的产品样品甚至少量产品，这使得他们能据此及早、实在地向用户宣传和征求意见，以及进行比较准确的市场需求预测，而不是仅凭抽象的产品描述或图纸、样本来推销。所以，快速成型技术可显著降低新产品的销售风险和成本，大大缩短其投放市场的时间和提高竞争能力。◎用户受益快速成型技术的优越性第三节快速成型技术的特点及优越性用户在产品设计的最初阶段，也能见到产品样品甚至少量产品，这使得用户能及早、深刻地认识产品，进行必要的测试，并及时提出意见，从而可以在尽可能短的时间内，以最合理的价格得到性能最符合要求的产品。快速成型技术的主要方法及分类快速成型技术的特点及优越性快速成型技术的早期发展123第一章概论快速成型技术的发展趋势4快速成型技术的局限第四节快速成型技术的发展趋势快速成型技术发展到目前阶段，主要存在两大局限：（1）由于成型材料种类和成本的限制，原型多为模型而非实际需要的工作零件；（2）因数据处理及制作工艺等限制，快速成型系统制作的原型很难达到与CAD设计相同的尺寸精度和实际使用要求的表面质量。快速成型技术的发展趋势◎金属零件的直接快速成型◎概念创新与工艺改进◎数据优化处理及分层方式的演变◎快速成型设备的专用化和大型化◎开发性能优越的成型材◎成型材料系列化、标准化◎喷射成型技术的广泛应◎梯度功能材料的应用◎组织工程材料快速成型◎开发新的成型能源◎拓展新的应用领域◎集成化思考题1．上世纪中叶以来，整个世界制造业的战略是如何变迁的?2．快速成型英文是什么?主要有哪些方法，各种主要方法的英文及缩写是什么？5．第一台商品化快速成型设备是由哪个公司在哪一年推出的？9．快速成型技术具有哪些特点，能使哪些方面受益？3．快速成型是哪些先进技术的集成?6．列举若干个当前比较著名的研究和供应商品化快速成型设备的主要国家。7．列举国内研究商品化快速成型设备的主要高校和公司。8．列举国外销售商品化快速成型设备的主要公司。第一章概论10．快速成型技术发展趋势有哪些?你认为还会有哪些发展趋势？4．快速原型的主要用途有哪些?其显著优势是什么？