机械CAM第8章-快速原型制造技术.pdf

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1、重庆大学机械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现代设计与集成制造技术教育部重点实验室一一.快速成形原理及特点快速成形原理及特点1.快速成型原理快速成型原理2现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室1、快速成型原理快速成型原理一一.快速成形原理及特点快速成形原理及特点 快速成形将计算机辅助设计快速成形将计算机辅助设计(CAD)、计算助制造、计算助制造(CAM)、计算机数字控制、计算机数字控制(CNC)、激光、精密伺服驱动和新材料等、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术先进技术集于一体。集于一体。依据计算机上构成的工件依据计算机上构

2、成的工件三维设计模型三维设计模型对其进行对其进行分层切片分层切片，得到各层截面的二维轮廓，按照这些轮廓，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成形头选择性地固化一层层材料(树脂树脂/切割一层层的纸切割一层层的纸/烧结一层层的烧结一层层的粉末材料粉末材料/喷涂一层层的热熔材料喷涂一层层的热熔材料/粘结剂等粘结剂等)，形成各个截面轮廓形成各个截面轮廓，并逐步顺序叠加成三维工件。，并逐步顺序叠加成三维工件。3现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室一一.快速成形原理及特点快速成形原理及特点成型过程示意图成型过程示意图4现代设计与集成制造

3、技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室一一.快速成形原理及特点快速成形原理及特点成型技术过程图成型技术过程图5现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室一一.快速成形原理及特点快速成形原理及特点快速成型实例快速成型实例6现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室一一.快速成形原理及特点快速成形原理及特点1.快速成型原理快速成型原理2.快速成型特点快速成型特点7现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室一一.快速成形原理及特点快速成形原理及特点2、快速成型特点快速成型特点1)

4、.快速成形技术彻底摆脱了传统的“快速成形技术彻底摆脱了传统的“去除去除”加工法。”加工法。2).而采用全新的“而采用全新的“增长增长”加工法”加工法用一层层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。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).它它不必采用传统的加工机床和工模具，就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能直接制造出产品样品或模具。8现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室一一.快速成形原理及特点快速成形原理及特点1.快速成型原理快速成型原理2.制定加工方案

5、，选择加工机床类型制定加工方案，选择加工机床类型3.快速成型发展过程快速成型发展过程9现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室一一.快速成形原理及特点快速成形原理及特点3、快速成型发展过程快速成型发展过程10现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室二二.快速成形的效益快速成形的效益1.设计者受益设计者受益11现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室二二.快速成形的效益快速成形的效益1、设计者受益设计者受益12现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室二二

6、.快速成形的效益快速成形的效益1.设计者受益设计者受益2.制造者受益制造者受益13现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室二二.快速成形的效益快速成形的效益2、制造者受益制造者受益14现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室二二.快速成形的效益快速成形的效益1.设计者受益设计者受益2.制造者受益制造者受益3.推销者受益推销者受益 15现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室二二.快速成形的效益快速成形的效益3、推销者受益推销者受益16现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制

7、造技术教育部重点实验室二二.快速成形的效益快速成形的效益1.设计者受益设计者受益2.制造者受益制造者受益3.推销者受益推销者受益 4.用户受益用户受益 17现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室二二.快速成形的效益快速成形的效益4、用户受益用户受益18现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 1.前处理前处理 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.后处理后处理 它包括工件的剥

8、离、后固化、修补、打磨、抛光和 表面强化处理等。三三.快速成形的全过程快速成形的全过程19现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 快速成形机是分层叠加成形快速成形机是分层叠加成形(包括截面包括截面轮廓制作轮廓制作和截面和截面轮廓叠合轮廓叠合)的基本设备。的基本设备。成形机都是基于“增长”成形法原理，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。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其差别主要在于薄片采用的原材料类型原材料类型，由原材料，由原材料构成截面轮廓的方法构成截面轮廓的方法，以及，以及截面层之

9、间的连接方式。截面层之间的连接方式。四四.快速成型机及成形方法快速成型机及成形方法1、快速成形机、快速成形机20现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 1)、液态光敏聚合物选择性固化液态光敏聚合物选择性固化 （Stereo Lithography Apparatus,简称简称SLA）2、快速成型方法、快速成型方法四四.快速成型机及成形方法快速成型机及成形方法21现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室(1)成型材料：成型材料：光敏树脂光敏树脂(2)成型过程：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将

10、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，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。一个薄层截面。液态光敏聚合物选择性固化成型液态光敏聚合物选择性固化成型,简称简称SLA（Stereo Lithography Apparatus）SLA快速成型方法快速成型方法22现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 b.当一层固化完毕，升降工作台移动一个层片厚度的距离，当一层固化完毕，升降工作台移动一

11、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 行行 新一层扫描固化。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。零件原型制造完毕。特点：特点：精度高、表面质量好、原材料利用率将近精度高、表面质量好、原材料利用率将近100%，可，可 以制造形状特别复杂以制造形状特别复杂(如空心零件如空心零件)、外观特别精细、外观特别精细(如如 首饰等首饰等)的零件。的零件。(2)成型过程：成型过程：SLA快速成型方法快速成型方法23现代设计与集

12、成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室(3)成型机原理图：成型机原理图：SLA快速成型方法快速成型方法24现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室SLA成形过程图成形过程图SLA快速成型方法快速成型方法25现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室SLA快速成型方法快速成型方法26现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 a.优点：优点：全自动化作业全自动化作业 安全可靠安全可靠 制造过程简便制造过程简便 b.缺点：缺点：尺寸精度不易保证尺寸精度不易保证 成形时间

13、较长成形时间较长 价格昂贵价格昂贵 必须有细柱状或肋状支撑结构必须有细柱状或肋状支撑结构 SLA快速成型方法快速成型方法(4)SLA技术特点技术特点：27现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室SLA快速成形机快速成形机SLA快速成型方法快速成型方法28现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 1)、液态光敏聚合物选择性固化液态光敏聚合物选择性固化 （Stereo Lithography Apparatus,简称简称SLA）2)、薄形材料选择性切割薄形材料选择性切割（Laminated Object Manufacturi

14、ng，简称简称LOM）2、快速成型方法、快速成型方法四四.快速成型机及成形方法快速成型机及成形方法29现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室(1)成型材料：成型材料：单面涂有热溶胶的薄材单面涂有热溶胶的薄材(涂有粘结剂覆层的纸、涂覆陶瓷箔、金属箔等涂有粘结剂覆层的纸、涂覆陶瓷箔、金属箔等)(2)成型过程：成型过程：将薄材通过热辊加热粘接在一起将薄材通过热辊加热粘接在一起,位于上方的激光器按照分层模型所获数据，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位于上方的激光器按照分层模型所获数据，用激光

15、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（薄形材料选择性切割（Laminated Object Manufacturing，简称，简称LOM）LOM快速成型方法快速成型方法30现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室(3)成型原理图：成型原理图：LOM快速成型方法快速成型方法31现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教

16、育部重点实验室 优点：优点：a、制件精度高、制件精度高。b、承受高达、承受高达200的温度，较高的硬度和较好的温度，较高的硬度和较好 的机械性能，可进行各种切削加工。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、无需后续固化处理；无需设计和制作支撑结 构；废料易剥离；原材料价格便宜构；废料易剥离；原材料价格便宜。d、制件尺寸可达、制件尺寸可达1180mm；机器可靠性高，寿；机器可靠性高，寿 命长，操作方便命长，操作方便。(4)技术特点：技术特点：LOM快速成型方法快速成型方法32现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 缺点：缺

17、点：a、不能直接制作塑料工件；、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；、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、工件易吸湿膨胀，成形后应尽快进行表面防潮处 理；理；d、工件表面有台阶纹，其高度等于材料的厚度，成形、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。后需进行表面打磨。LOM快速成型方法快速成型方法(4)技术特点：技术特点：33现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 1)、液态光敏聚合物选择性固化液态光敏聚合物选择性固化 （Stereo Litho

18、graphy Apparatus,简称简称SLA）2)、薄形材料选择性切割薄形材料选择性切割（Laminated Object Manufacturing，简称简称LOM）3)、丝状材料选择性熔覆丝状材料选择性熔覆(Fused Deposition Modeling，简称，简称FDM）4)、粉末材料选择性烧结粉末材料选择性烧结(Selected Laser Sintering，简称简称SLS）5)、粉末材料选择性粘结粉末材料选择性粘结(Three Dimensional Printing，简称简称TDP）2、快速成型方法、快速成型方法四四.快速成型机及成形方法快速成型机及成形方法34现代设计与

19、集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室(1)成型材料：成型材料：热熔性材料热熔性材料(ABS、尼龙、蜡等材料、尼龙、蜡等材料)(2)成型过程：成型过程：a.将将CAD模型分为一层层极薄的截面，生成控制模型分为一层层极薄的截面，生成控制FDM喷嘴移喷嘴移 动轨迹的二维几何信息。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加热头把热熔性材料加热到临界半流动状态,在计算机在计算机 控制下，喷嘴头沿控制下，喷嘴头沿CAD确定的二维几何信息运动轨迹挤出半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，通过垂直升降系流动的材料，

20、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。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。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丝状材料选择性熔覆(Fused Deposition Modeling，简称，简称FDM）LOM快速成型方法快速成型方法35现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室LOM快速成型方法快速成型方法(3)成型原理图：成型原理图：36现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室LOM快速成型方法快速成型方法(3)成型原理

21、图：成型原理图：37现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 a.制件的翘曲变形比制件的翘曲变形比SLA法小，原材料的利用法小，原材料的利用 率高，成形件精度可达率高，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、制纹，沿成形轴垂直方向强度较弱，需设计、制 作支撑结构。作支撑结构。c.成形时间较长。成形时间较长。(4)技术特点：技术特点：LOM快速成型方法快速成型方法38现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室LOM快速

22、成型方法快速成型方法LOM成型机成型机39现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 1)、液态光敏聚合物选择性固化液态光敏聚合物选择性固化 （Stereo Lithography Apparatus,简称简称SLA）2)、薄形材料选择性切割薄形材料选择性切割（Laminated Object Manufacturing，简称简称LOM）3)、丝状材料选择性熔覆丝状材料选择性熔覆(Fused Deposition Modeling，简称，简称FDM）4)、粉末材料选择性烧结粉末材料选择性烧结(Selected Laser Sintering，简称简称SLS）2

23、、快速成型方法、快速成型方法四四.快速成型机及成形方法快速成型机及成形方法40现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室(1)成型材料：成型材料：塑料、蜡、陶瓷和金属的粉末材料塑料、蜡、陶瓷和金属的粉末材料(2)成型过程：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。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。扫描的地方仍然保持松散的粉末状。c

24、.根据物体截层厚度而下降工作台，铺粉滚筒再次将粉末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。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粉末材料选择性烧结(Selected Laser Sintering，简称，简称SLS）SLS快速成型方法快速成型方法41现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室(3)成型原理图：成型原理图：SLS快速成型方法快速成型方法42现代设计与集成制造

25、技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室SLS快速成型方法快速成型方法(3)成型原理图：成型原理图：43现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 1)、液态光敏聚合物选择性固化液态光敏聚合物选择性固化 （Stereo Lithography Apparatus,简称简称SLA）2)、薄形材料选择性切割薄形材料选择性切割（Laminated Object Manufacturing，简称简称LOM）3)、丝状材料选择性熔覆丝状材料选择性熔覆(Fused Deposition Modeling，简称，简称FDM）4)、粉末材料选择性烧结粉末材料

26、选择性烧结(Selected Laser Sintering，简称简称SLS）5)、粉末材料选择性粘结粉末材料选择性粘结(Three Dimensional Printing，简称简称TDP）2、快速成型方法、快速成型方法四四.快速成型机及成形方法快速成型机及成形方法44现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 粉末材料选择性粉末材料选择性黏黏结结(Three Dimensional Printing，简称简称TDP）又称为三维打印快速成形机）又称为三维打印快速成形机 TDP快速成型方法快速成型方法45现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造

27、技术教育部重点实验室 a.喷头在计算机控制下，按照截面轮廓的信息，喷头在计算机控制下，按照截面轮廓的信息，在铺好的一层层粉末材料上，有选择性地喷射粘在铺好的一层层粉末材料上，有选择性地喷射粘 结剂，使该部分粉末粘结，形成截面轮廓。结剂，使该部分粉末粘结，形成截面轮廓。b.一层成型完成后，工作台下降一个截面层的高一层成型完成后，工作台下降一个截面层的高 度，再进行下一层的粘结，如此循环，最终形度，再进行下一层的粘结，如此循环，最终形 成三维产品成三维产品 TDP快速成型方法快速成型方法(1)成型过程：成型过程：46现代设计与集成制造技术教育部重点实验室现代设计与集成制造技术教育部重点实验室TDP快速成型方法快速成型方法(2)产品实例：产品实例：47