1、2019/2/3,现代制造技术,5-1,快速原型制造技术 （Rapid Prototype Manufacturing）,快速原型制造的基本过程 快速原型制造的主要方法 快速原型技术的主要特征 对快速原型技术的理解 快速原型制造技术的基本概念 快速原型制造技术的应用 与快速原型制造相关的技术,本章主要内容：,2019/2/3,现代制造技术,5-2,快速原型制造的基本过程,CAD建模 分层 层面信息处理 层面加工与粘接 层层堆积 后处理,根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代码,清理零件表面，去除辅助支撑结构,由CAD软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体模型,将三维模型
2、沿一定方向（通常为Z向）离散成一系列有序的二维层片（习惯称为分层）,原型机制造一系列层片并自动将它们联接起来，得到三维物理实体,2019/2/3,现代制造技术,5-3,快速原型制造的主要方法,选择性层片粘接（LOM）,选择性激光烧结（SLS）,熔融沉积原型（FDM）,选择性液体固化（SLA）,2019/2/3,现代制造技术,5-4,选择性液体固化的基本原理,基于液态光敏树脂的光聚合原理。将激光聚集到液态光固化材料（如光固化树脂）表面逐点扫描，令其有规律地固化，由点到线到面，完成一个层面的建造。而后升降移动一个层片厚度的距离，重新覆盖一层液态材料，进行第二层扫描，再建造一个层面，第二层就牢固地粘
3、贴到第一层上，由此层层迭加成为一个三维实体。,2019/2/3,现代制造技术,5-5,选择性液体固化工艺 SLA,立体光刻（SLA Stereo Lithography Apparatus)，又称 立体印刷，光原型 光固化立体造型(Stereo Lithography), 激光光印刷（Laser Photolithography),SLA工艺于1984年获美国专利，1988年美国3D System公司推出的商品化样机SLA1，是世界上第一台快速原型技术原型机。目前，SLA各型原型机占据着RP设备市场的较大份额。这种方法的代表还有日本DMET公司的SOUP系列、D-MEC公司的SCS系列和Tei
4、jin Seiki公司的Mark1000,德国EOS公司的STEREOS系列。,2019/2/3,现代制造技术,5-6,立体光刻(SLA)工艺原型的产品特点,SLA方法是目前快速原型技术领域中研究得最多的方法，也是技术上最为成熟的方法。 特点： SLA 工艺原型的零件精度较高，能达到0.1mm；产品透明美观，可直接做力学实验。 但这种方法也有自身的局限性，比如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂价格昂贵，有一定的毒性；且产品不能溶解，不利于环保 。,鼠标外壳激 光树脂原型,照相机激光树脂原型,2019/2/3,现代制造技术,5-7,选择性层片粘接的基本原理,采用激光或刀具对片材进行切割。
5、首先切割出工艺边框和原型的边缘轮廓线，而后将不属于原型的材料切割成网格状。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。通过升降平台的移动和箔材的送给,并利用热压辊辗压将后铺的箔材与先前的层片粘接在一起，再切割出新的层片。这样层层迭加后得到下一个块状物，最后将不属于原型的材料小块剥除，就获得所需的三维实体。,2019/2/3,现代制造技术,5-8,选择性层片粘接工艺 LOM,分层实体制造（LOM ）(Laminated Object Manufacturing)，又称 固体切片制造（SSM） (Solid Slicing Manufacturing),LOM工艺由美国Helisys公司于1986年研制成功。
6、这种方法的代表是美国Helisys公司的LOM-1050和LOM-2030原型机，日本Kira公司的KSC-50原型机。,2019/2/3,现代制造技术,5-9,由于LOM工艺只须在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面，因此工艺简单，成型速度快，易于制造大型零件； 工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲变形，零件的精度较高，激光切割为0.1mm，刀具切割为0.15mm； 工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以LOM工艺无需加支撑； 材料广泛，成本低，用纸制原料还有利于环保； 力学性能差，只适合做外形检查。,分层实体制造（LOM）产品的特点,2019/2/3,
7、现代制造技术,5-10,选择性激光烧结的基本原理,SLS工艺是利用粉末状材料原型的。先在工作台上铺上一层有很好密实度和平整度的粉末，用高强度的CO2激光器在上面扫描出零件截面，有选择地将粉末熔化或粘接，形成一个层面，利用滚子铺粉压实，再熔结或粘接成另一个层面并与原层面熔结或粘接，如此层层叠加为一个三维实体。,2019/2/3,现代制造技术,5-11,选择性激光烧结工艺 SLS,选择性激光烧结（SLS)(Selective Laser Sintering），又称 激光熔结（LF)(Laser Fusion）。,选择性激光烧结工艺由美国德克萨斯大学奥斯汀分校于1989年研制成功，已被美国DTM公司
8、商品化，推出SLS Model125原型机。德国EOS公司和我国的北京隆源自动原型系统有限公司也分别推出了各自的SLS工艺原型机。,2019/2/3,现代制造技术,5-12,选择性激光烧结（SLS）的产品特点,1. 材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、蜡等材料的零件。特别是可以制造出能直接使用的金属零件。这使SLS工艺颇具吸引力。 2. SLS工艺不需加支撑，因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用。 3. 精度不高。平均精度为0.150.2mm，表面粗糙度不好，不宜做薄壁件；,2019/2/3,现代制造技术,5-13,选择性激光烧结（SLS）的产品特点,采用SLS工艺快速制造的内燃机进
9、气管可直接用功能验证,2019/2/3,现代制造技术,5-14,熔融沉积原型的基本原理,将热熔性材料（ABS、尼龙或蜡）通过喷头加热器熔化；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；材料迅速凝固冷却后，与周围的材料凝结形成一个层面；然后将第二个层面用同样的方法建造出来，并与前一个层面熔结在一起，如此层层堆积而获得一个三维实体。（不需激光系统）,2019/2/3,现代制造技术,5-15,熔融沉积原型工艺 FDM,熔融沉积原型 (FDM) (Fused Deposition Modeling) 又称 熔融挤压原型 (MEM) (Melted Extrusion Modeling)熔融
10、沉积原型工艺于1988年研制成功，后由美国Stratasys公司推出商品化的3D Modeler 1000和FDM1600等规格的系列产品。最新产品是制造大型ABS原型的FDM8000、Quantum等型号的产品。,2019/2/3,现代制造技术,5-16,熔融沉积原型(FDM)的产品特点,FDM工艺不用激光器件，因此使用、维护简单，成本较低。 精度可达0.12mm，适合做薄壁件。 污染小，材料可以回收。,用蜡原型的零件原型，可以直接用于失蜡铸造。用ABS制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。由于以FDM工艺为代表的熔融材料堆积原型工艺具有一些显著优点，该类工艺发
11、展极为迅速。,2019/2/3,现代制造技术,5-17,快速原型技术的主要特征,它与NC机床的主要区别在于高度柔性。无论是数控机床还是加工中心，都是针对某一类型零件而设计的。如车削加工中心，铣削加工中心等。对于不同的零件需要不同的装夹，用不同的工具。虽然它们的柔性非常高，可以生产批量只有几十件、甚至几件的零件，而不增加附加成本。但它们不能单独使用，需要先将材料制成毛坯。而RP技术具有最高的柔性，对于任何尺寸不超过原型范围的零件，无需任何专用工具就可以快速方便的制造出它的模型(原型)。从制造模型的角度，RP具有NC机床无法比拟的优点，即快速方便、高度柔性。,2019/2/3,现代制造技术,5-1
12、8,快速原型技术的主要特征,CAD模型直接驱动，设计制造高度一体化；原型过程无需专用夹具或工具；无需人员干预或较少干预，是一种自动化的原型过程；原型全过程的快速性，适合现代激烈的产品市场。,高度柔性，可以制造任意复杂形状的三维实体；,2019/2/3,现代制造技术,5-19,对快速原型技术的理解,在快速原型技术的发展过程中，各个研究机构和人员均按照自己的理解赋予其不同的称谓，这些不同称谓即反映了快速原型技术不同方面的重要特征。,离散堆积制造 实体自由原型制造 材料添加制造 即时制造 分层制造 直接CAD制造,离散堆积制造是现代原型学理论中在对原型技术发展进行总结的基础上提出的，表明了模型信息处
13、理过程的离散性，强调了原型物理过程的材料堆积性，体现了快速原型技术的基本原型原理，具有较强的概括性和适应性。,实体自由原型制造(Solid Freeform Fabrication)表明快速原型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。RP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，既增加了原型工艺的柔性，又节省了制造工装和专用工具的大量成本。,材料添加制造(Material Increase Manufacturing)将材料单元采用一定方式堆积、叠加原型，有别于车削等基于材料去除原理的传统
14、加工工艺。,即时制造(Instant Manufacturing) 反映该类技术的快速响应性。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，快速原型技术制造一个零件的全过程远远短于传统工艺相应过程，使得快速原型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。,分层制造 (Layered Manufacturing)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。,直接CAD制造(Direct CAD Manufacturing)反映了快速原型是CAD模型直接驱动
15、，实现了设计与制造一体化，计算机中的CAD模型通过接口软件直接驱动快速原型设备，接口软件完成CAD数据向设备数控指令的转化和原型过程的工艺规划，原型设备则象打印机一样“打印”零件，完成三维输出。 快速原型由于采用了离散/堆积的加工工艺，CAD和CAM能够很顺利地结合在一起，快速原型的工艺规划主要作用是对原型过程进行优化以提高造型精度、速度和质量，所以快速原型可容易地实现设计制造一体化。,2019/2/3,现代制造技术,5-20,快速原型制造技术的基本概念,快速原型（RP Rapid Prototyping ）技术是一种基于离散堆积原型思想的新型原型技术，是集成计算机、数控、激光和新材料等最新技
16、术而发展起来的先进的产品研究与开发技术。,快速原型制造(RPM Rapid Prototyping Manufacturing）技术是使用RP技术，由CAD模型直接驱动的快速完成任意复杂形状三维实体零件的技术的总称。,2019/2/3,现代制造技术,5-21,快速原型制造技术的应用,全球RP设备装机量,医学 实验分析模型 快速模具 快速铸造 新产品快速开发制造,2019/2/3,现代制造技术,5-22,快速原型制造在医学上的应用,根据CT扫描信息，应用熔融挤压快速原型的方法可以快速制造人体的骨骼（如颅骨、牙齿）和软组织（如肾）等模型，并且不同部位采用不同颜色的材料原型，病变组织可以用醒目颜色，
17、可以进行手术模拟、人体骨关节的配制，颅骨修复。 在康复工程上，采用熔融挤压快速原型的方法制造人体假肢具有最快的原型速度，假肢和肌体的结合部位能够做到最大程度的吻合，减轻了假肢使用者的痛苦。,2019/2/3,现代制造技术,5-23,快速原型制造的应用,汽车、摩托车、发动机行业 用快速成形技术支持汽车、摩托车、发动机等零部件的产品开发,2019/2/3,现代制造技术,5-24,快速原型制造的应用,应用SLS成形工艺制模，快速制造金属零件,2019/2/3,现代制造技术,5-25,快速原型制造应用在实验分析模型上,利用加工的样品，找出新产品外观&结构设计缺陷，完善设计。,利用加工出的样品可以进行装
18、配和功能验证。,利用新产品样件可先进行市场调研，投标、招标。,快速原型制造在快速模具上的应用,下一页,2019/2/3,现代制造技术,5-27,快速原型制造在快速铸造上的应用,点击看铸件,2019/2/3,现代制造技术,5-28,新产品快速开发制造系统,2019/2/3,现代制造技术,5-29,与快速原型制造相关的技术,RPM是多种技术的交叉结合，主要的相关技术:,计算机辅助设计(CAD) 反求工程 数控技术(NC) 材料技术,2019/2/3,现代制造技术,5-30,计算机辅助设计(CAD)与RPM,1)利用三维实体产品模型，设计者在设计产品时，不需要将三维物体进行投影，想象各种角度的视图，
19、用多个剖面表示内容结构，用多个视图解释投影的二义性。而可以直接在计算机上构造三维物体，并赋以质量、颜色等特性，并从任意角度观察物体。 2)随着参数化特征造型技术的发展，设计人员还可以在零件上构造具有加工工艺特性的特征结构，修改原先设计的尺寸，使零件的形态按要求进行变化。新的设计手段大大方便了设计人员。,2019/2/3,现代制造技术,5-31,计算机辅助设计(CAD)与RPM,3)一方面他们可以构造任意复杂的零件表面形状和内部结构，而无需考虑如何表达它们的二维投影； 4)另一方面他们可以把头脑中的设计灵感直接映射到计算机构成的三维空间中，而无需经过二维平面手段作为媒介。,2019/2/3,现代
20、制造技术,5-32,计算机辅助设计(CAD)与RPM,5)产品模型发展到实体模型，能较完整的表示一个三维物体。这为RP技术的产生准备了条件，同时也提出了需求。因为如果没有能表示三维物体的数据模型，而只是一些图纸，想要用RP的原理制造出实体模型就需要手工计算出各个截面，编制每个截面的加工代码。计算劳动量太大，以致无法实现。,2019/2/3,现代制造技术,5-33,卫星遥感地表高程数据重构的地球三维快速原型,反求工程与RPM,下一页,2019/2/3,现代制造技术,5-34,数控技术(NC)与RPM,RP技术就是数控技术最新应用的领域之一。RP技术要求将材料精确地堆积，并长时间保持较高的定位精度
21、，防止错层。如果没有高可靠性、高精度的数控系统是无法实现的。数控技术的应用，是RP技术能够产生并发展成熟必不可少的条件。,2019/2/3,现代制造技术,5-35,材料技术与RPM,成型材料是RPM技术发展的关键环节。它影响原型的成型速度、精度和物理、化学性能，直接影响到原型的二次应用和用户对成型工艺设备的选择。与RPM制造的四个目标（概念型、测试型，模具型，功能零件）相适应，对成型材料的要求也不同。,1. 概念型:对材料成型精度和物理化学特性要求不高，主要要求成型速度快。如对光固化树脂，要求较低的临界曝光功率、较大的穿透深度和较低的粘度。,2019/2/3,现代制造技术,5-36,材料技术与
22、RPM,2. 测试型对于材料成型后的强度、刚度、耐温性、抗蚀性等有一定要求，以满足测试要求。如果用于装配测试，则对于材料成型的精度还有一定要求。,2019/2/3,现代制造技术,5-37,材料技术与RPM,3. 模具型要求材料适应具体模具制造要求，如对于消失模铸造用原型，要求材料易于去除。,2019/2/3,现代制造技术,5-38,材料技术与RPM,4. 快速功能零件要求材料具有较好的力学性能和化学性能。从解决的方法看，一个是研究专用材料以适应专门需要；另一个是根据用途分类，研究几类通用材料以适应多种需要。,2019/2/3,现代制造技术,5-39,复 习 思 考 题,1. 简述快速原型技术的分类及应用。2. 就目前技术条件下，精密加工和超精密加工是如何划分的？3. 超精密加工所涉及的技术范围包含哪些？4. 叙述精密和超精密加工方法的分类、加工机理及加工方法示例。5. 试说明超精密切削、超精密磨削加工的特点和各自的适应场合。6. 超精密加工时对机床设备和环境有何要求？,2019/2/3,现代制造技术,5-40,7. 在怎样的速度范围下加工属于高速加工？分析高速切削加工所需解决的关键技术。8. 超高速切削包含哪些相关技术？9. 试说明超高速切削的主轴系统类型及特点。10. 叙述高速磨削对砂轮的要求。11. 简述特种加工技术的特点及应用领域。,
