西北工业大学824计算机辅助制造课件第8章

西北工业大学机电学院第八章快速原型制造技术现代设计与集成制造技术教育部重点实验室2一.快速成形原理及特点1.快速成型原理现代设计与集成制造技术教育部重点实验室31、快速成型原理一.快速成形原理及特点快速成形将计算机辅助设计(CAD)、计算助制造(CAM)、计算机数字控制(CNC)、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体。依据计算机上构成的工件三维设计模型对其进行分层切片，得到各层截面的二维轮廓，按照这些轮廓，成形头选择性地固化一层层材料(树脂/切割一层层的纸/烧结一层层的粉末材料/喷涂一层层的热熔材料/粘结剂等)，形成各个截面轮廓，并逐步顺序叠加成三维工件。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室4一.快速成形原理及特点成型过程示意图现代设计与集成制造技术教育部重点实验室5一.快速成形原理及特点成型技术过程图现代设计与集成制造技术教育部重点实验室6一.快速成形原理及特点快速成型实例现代设计与集成制造技术教育部重点实验室7一.快速成形原理及特点1.快速成型原理2.快速成型特点现代设计与集成制造技术教育部重点实验室8一.快速成形原理及特点2、快速成型特点1).快速成形技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法。2).而采用全新的“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。3).它不必采用传统的加工机床和工模具，就能直接制造出产品样品或模具。现代设计与集成制造技术教育部重点实验室9一.快速成形原理及特点1.快速成型原理2.制定加工方案，选择加工机床类型3.快速成型发展过程现代设计与集成制造技术教育部重点实验室10一.快速成形原理及特点立体平板印刷术的初始设想1902年CarloBaese物体分层制造的原理1976年PaulLDimatte第一台现代快速成形机SLA250液态光敏树脂选择性固化成形机1988年美国的3DSystems公司薄形材料选择性切割LOM熔覆(FDM)粉末材料选择性烧结(SLS)90年代快速成型技术经历了形成、发展、提高和集成各个阶段派生出一个全新的领域--快速模具制造(RapidTooling)3、快速成型发展过程现代设计与集成制造技术教育部重点实验室11二.快速成形的效益1.设计者受益现代设计与集成制造技术教育部重点实验室12二.快速成形的效益1、设计者受益设计产品产品设计制造、销售、使用、维修产品设计结构形状尺寸初始设计初步设计改进设计材料加工工艺成本销毁包装运输维修培训现代设计与集成制造技术教育部重点实验室13二.快速成形的效益1.设计者受益2.制造者受益现代设计与集成制造技术教育部重点实验室14二.快速成形的效益制造者在产品设计的最初阶段得到提出反馈意见实在的产品样品从而做好原材料标准件外协加工件加工工艺批量生产用工模具等的准备结果最大限度地减少失误、返工大大节省工时、降低成本、提高产品质量2、制造者受益现代设计与集成制造技术教育部重点实验室15二.快速成形的效益1.设计者受益2.制造者受益3.推销者受益现代设计与集成制造技术教育部重点实验室16二.快速成形的效益3、推销者受益推销者在产品设计的最初阶段得到实在的产品样品从而能据此及早、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结果显著地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现代设计与集成制造技术教育部重点实验室17二.快速成形的效益1.设计者受益2.制造者受益3.推销者受益4.用户受益现代设计与集成制造技术教育部重点实验室18二.快速成形的效益用户在产品设计的最初阶段见到实在的产品样品及早、深刻地认识产品，进行必要的测试，并及时提出意见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从而结果4、用户受益现代设计与集成制造技术教育部重点实验室191.前处理它包括工件的三维模型的构造、三维模型的近似处理、模型成形方向的选择和三维模型的切片处理。2.分层叠加成形它是快速成形的核心，包括模型截面轮廓的制作与截面轮廓的叠合。3.后处理它包括工件的剥离、后固化、修补、打磨、抛光和表面强化处理等。三.快速成形的全过程现代设计与集成制造技术教育部重点实验室20快速成形机是分层叠加成形(包括截面轮廓制作和截面轮廓叠合)的基本设备。成形机都是基于“增长”成形法原理，即用一层层的小薄片轮廓逐步叠加成三维工件。其差别主要在于薄片采用的原材料类型，由原材料构成截面轮廓的方法，以及截面层之间的连接方式。四.快速成型机及成形方法1、快速成形机现代设计与集成制造技术教育部重点实验室211)、液态光敏聚合物选择性固化（StereoLithographyApparatus,简称SLA）2、快速成型方法四.快速成型机及成形方法现代设计与集成制造技术教育部重点实验室22(1)成型材料：光敏树脂(2)成型过程：a.将计算机控制下的紫外激光，以预定的零件各分层截面的轮廓为轨迹，对液态树脂逐点扫描，由点到线到面，使被扫描区的树脂薄层产生聚合硬化，从而形成零件的一个薄层截面。液态光敏聚合物选择性固化成型,简称SLA（StereoLithographyApparatus）SLA快速成型方法现代设计与集成制造技术教育部重点实验室23b.当一层固化完毕，升降工作台移动一个层片厚度的距离，在原先固化好的树脂表面再覆盖一层新的液态树脂以便进行新一层扫描固化。c.新固化的一层牢固地粘合在前一层上，如此重复直到整个零件原型制造完毕。特点：精度高、表面质量好、原材料利用率将近100%，可以制造形状特别复杂(如空心零件)、外观特别精细(如首饰等)的零件。(2)成型过程：SLA快速成型方法现代设计与集成制造技术教育部重点实验室24液体表面升降台紫外线光固化液体成型的物体X、Y方向运动的紫外线光源(3)成型机原理图：SLA快速成型方法现代设计与集成制造技术教育部重点实验室25CAD模型计算机软件X、Y扫描器光学系统能量供给激光器支撑板容器升降台控制零件液态光敏树脂SLA成形过程图SLA快速成型方法现代设计与集成制造技术教育部重点实验室26SLA快速成型方法现代设计与集成制造技术教育部重点实验室27a.优点：全自动化作业安全可靠制造过程简便b.缺点：尺寸精度不易保证成形时间较长价格昂贵必须有细柱状或肋状支撑结构SLA快速成型方法(4)SLA技术特点：现代设计与集成制造技术教育部重点实验室28SLA快速成形机SLA快速成型方法现代设计与集成制造技术教育部重点实验室291)、液态光敏聚合物选择性固化（StereoLithographyApparatus,简称SLA）2)、薄形材料选择性切割（LaminatedObjectManufacturing，简称LOM）2、快速成型方法四.快速成型机及成形方法现代设计与集成制造技术教育部重点实验室30(1)成型材料：单面涂有热溶胶的薄材(涂有粘结剂覆层的纸、涂覆陶瓷箔、金属箔等)(2)成型过程：将薄材通过热辊加热粘接在一起,位于上方的激光器按照ＣＡＤ分层模型所获数据，用激光束将箔材切割成所制零件的内外轮廓，然后新的一层箔材再叠加在上面，通过热压装置和下面已切割层粘合在一起,激光束再次切割，这样反复逐层切割、粘合、切割，直至整个零件模型制作完成。薄形材料选择性切割（LaminatedObjectManufacturing，简称LOM）LOM快速成型方法现代设计与集成制造技术教育部重点实验室31(3)成型原理图：LOM快速成型方法现代设计与集成制造技术教育部重点实验室32优点：a、制件精度高。b、承受高达200℃的温度，较高的硬度和较好的机械性能，可进行各种切削加工。c、无需后续固化处理；无需设计和制作支撑结构；废料易剥离；原材料价格便宜。d、制件尺寸可达1180mm；机器可靠性高，寿命长，操作方便。(4)技术特点：LOM快速成型方法现代设计与集成制造技术教育部重点实验室33缺点：a、不能直接制作塑料工件；b、工件（特别是薄壁件）的抗拉强度和弹性不够好；c、工件易吸湿膨胀，成形后应尽快进行表面防潮处理；d、工件表面有台阶纹，其高度等于材料的厚度，成形后需进行表面打磨。LOM快速成型方法(4)技术特点：现代设计与集成制造技术教育部重点实验室341)、液态光敏聚合物选择性固化（StereoLithographyApparatus,简称SLA）2)、薄形材料选择性切割（LaminatedObjectManufacturing，简称LOM）3)、丝状材料选择性熔覆(FusedDepositionModeling，简称FDM）4)、粉末材料选择性烧结(SelectedLaserSintering，简称SLS）5)、粉末材料选择性粘结(ThreeDimensionalPrinting，简称TDP）2、快速成型方法四.快速成型机及成形方法现代设计与集成制造技术教育部重点实验室35(1)成型材料：热熔性材料(ABS、尼龙、蜡等材料)(2)成型过程：a.将CAD模型分为一层层极薄的截面，生成控制FDM喷嘴移动轨迹的二维几何信息。b.FDM加热头把热熔性材料加热到临界半流动状态,在计算机控制下，喷嘴头沿CAD确定的二维几何信息运动轨迹挤出半流动的材料，沉积固化成精确的零件薄层，通过垂直升降系统降下新形成层，进行固化。c.如此层层堆积粘结，自下而上形成一个零件的三维实体。丝状材料选择性熔覆(FusedDepositionModeling，简称FDM）LOM快速成型方法现代设计与集成制造技术教育部重点实验室36LOM快速成型方法(3)成型原理图：现代设计与集成制造技术教育部重点实验室37LOM快速成型方法(3)成型原理图：现代设计与集成制造技术教育部重点实验室38a.制件的翘曲变形比SLA法小，原材料的利用率高，成形件精度可达0.127mm。b.原材料价格昂贵，成形件表面有较明显的条纹，沿成形轴垂直方向强度较弱，需设计、制作支撑结构。c.成形时间较长。(4)技术特点：LOM快速成型方法现代设计与集成制造技术教育部重点实验室39LOM快速成型方法LOM成型机现代设计与集成制造技术教育部重点实验室401)、液态光敏聚合物选择性固化（StereoLithographyApparatus,简称SLA）2)、薄形材料选择性切割（LaminatedObjectManufacturing，简称LOM）3)、丝状材料选择性熔覆(FusedDepositionModeling，简称FDM）4)、粉末材料选择性烧结(SelectedLaserSintering，简称SLS）2、快速成型方法四.快速成型机及成形方法现代设计与集成制造技术教育部重点实验室41(1)成型材料：塑料、蜡、陶瓷和金属的粉末材料(2)成型过程：a.激光束在计算机的控制下，通过扫描器以一定的速度和能量密度按分层面的二维数据扫描。b.激光束扫描之处，粉末烧结成一定厚度的实体片层，未扫描的地方仍然保持松散的粉末状。c.根据物体截层厚度而下降工作台，铺粉滚筒再次将粉末铺平后，开始新一层的扫描。如此反复，直至扫描完所有层面。去掉多余粉末，经打磨、烘干等处理后获得零件。粉末材料选择性烧结(SelectedLaserSintering，简称SLS）SLS快速成型方法现代设计与集成制造技术教育部重点实验室42(3)成型原理图：SLS快速成型方法现代设计与集成制造技术教育部重点实验室43SLS快速成型方法(3)成型原理图：现代设计与集成制造技术教育部重点实验室441)、液态光敏聚合物选择性固化（StereoLithographyApparatus,简称SLA）2)、薄形材料选择性切割（LaminatedObjectManufacturing，简称LOM）3)、丝状材料选择性熔覆(FusedDepositionModeling，简称FDM）4)、粉末材料选择性烧结(SelectedLaserSintering，简称SLS）5)、粉末材料选择性粘结(ThreeDimensionalPrinting，简称TDP）2、快速成型方法四.快速成型机及成形方法现代设计与集成制造技