先进制造技术022.ppt

1、 快速成形制造的主要方法,选择性层片粘接（LOM）,选择性激光烧结（SLS）,熔融沉积成形（FDM）,选择性液体固化（SLA）,快速成形制造技术,选择性液体固化的基本原理,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，第二层就牢固地粘贴到第一层上，由此层层迭加成为一个三维实体。,选择性液体固化工艺(SLA),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成形机。,立体光刻（SLA Stereo Lithography Apparatus) 又称 立体印刷 光成形 激光印刷 光固化立体造型,SLA工艺成形的产品特点,鼠标外壳激 光树脂原型,照相机激光树脂原型,SLA方法是目前快速成形技术领域中研究得最多最为成熟的方法。 SLA 工艺成形的零件精度较高，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。,选择性液体固化工艺(SLA),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。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。,选择性层片粘接（LOM）,分层实体制造 (Laminated Object Manufacturing- LOM),LOM工艺由美国Helisys公司于1986年研制成功。 这种方法的代表是美国Helisys公司的LOM-1050和LOM-2030成形机，日本Kira公司的KSC-50成形机。,选择性层片粘接工艺,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。,LOM产品的特点,选择性层片粘接（LOM）,返回,选择性激光烧结的基本原理,SLS工艺是利用粉末状材料成形的。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。,选择性激光烧结（SLS）,选择性激光烧结(SLS) Selective Laser Sintering 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公司商品化，推出SLS Model125成形机。,影片,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。 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。,SLS的产品特点,3. 精度不高。平均精度为±0.15±0.2mm， 表面粗糙度不好，不宜做薄壁件。,选择性激光烧结（SLS）,返回,熔融沉积成形的基本原理,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。,熔融沉积成形 (FDM) Fused Deposition Modeling 熔融挤压成形 (MEM) Melted Extrusion Modeling,熔融沉积成形工艺于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。,熔融沉积成型(FDM),1. FDM工艺不用激光 器件，因此使用、维护简单，成本较低。,2. 精度可达±0.12mm，适合做薄壁件。 3. 污染小，材料可以回收。,FDM的产品特点,熔融沉积成型(FDM),3.5.2 快速成形技术的理解,在快速成形技术的发展过程中，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成形技术不同方面的重要特征。,离散堆积制造 实体自由成形制造 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，体现了快速成形技术的基本成形原理，具有较强的概括性和适应性。,实体自由成形制造(Solid Freeform Fabrication)表明快速成形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，既增加了成形工艺的柔性，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、叠加成形，有别于车削等基于材料去除原理的传统加工工艺。,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，快速成形技术制造一个零件的全过程远远短于传统工艺相应过程，使得快速成形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)反映了快速成形是CAD模型直接驱动，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成形设备，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，成形设备则象打印机一样“打印”零件，完成三维输出。 快速成形由于采用了离散/堆积的加工工艺，CAD和CAM能够很顺利地结合在一起，快速成形的工艺规划主要作用是对成形过程进行优化以提高造型精度、速度和质量，所以快速成形可容易地实现设计制造一体化。,快速成形制造技术的基本概念,快速成形（RP Rapid Prototyping ）是一种基于离散堆积成形思想的新型成形技术，是集成计算机、数控、激光和新材料等最新技术而发展起来的先进的产品研究与开发技术。,快速成形制造(RPM Rapid Prototyping Manufacturing） 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。,3.5.3 快速成形制造技术的应用,全球RP设备装机量,医学 实验分析模型 快速模具 快速铸造,CAD系统与RP系统之间的接口标准,一般用于快速成形的CAD 模型可以是实体模型、曲面模型和线框模型，通常的应用以实体模型为主。在CAD 系统中完成三维造型后，就要把数学模型转化成快速原型系统能够识别的文件格式，常用的有面片模型文件(如STL 、CFL 文件等)或层片模型文件(如HPGL 、LEAF 、CLI 文件等)。,1 . STL ( Stereo Lithography interface specification )格式 STL 最初是用于美国30Systems 公司生产的SLA 快速原型系统的一种文件格式，目前是快速原型系统与CAD 系统之间的准行业数据交换标准。一个STL 模型如图8 一1 所示。 STL 文件格式中每一个三角面片由四个数据项表示，即三个顶点坐标和面片的法矢，而STL 文件就是所有三角面片的集合.STL 文件格式有ASCll 码和二进制码两种输出形式.二进制码输出形式所占用的文件空间比ASCll 码输出形式的小得多，但是ASCll 码输出形式直观明了、便于检查,从STL 数据模型可以看出，它拟合实体表面的三角平面信息是散乱、无序存储的，平面片与平面片之间没有体现几何拓扑关系的信息，因此就不能保证实体模型的有效性、封闭性。在每一个三角平面的信息中都给出组成三角面片的3 个顶点坐标值。在相邻的三角面片的信息中，这些顶点的坐标值被重复给出，如果一个顶点为多个三角面片所共有，则同样的顶点坐标值将在每个三角面片中重复给出造成了大量的冗余数据。,2 . STL 文件格式的规则 STL 文件格式的规则如下： 1 )共顶点规则每一个小三角面片必须与每个相邻的小三角面片共用两个顶点，也就是说，一个小三角面片的顶点不能落在相邻的任何一个三角面片的边上，否则不能顺利进行切片处理。 2 )取向规则对于每一个小三角面片，其法矢必须向外，3 个顶点连成的矢量方向按右手法则确定，而且，对于相邻的小三角面片，不能出现取向矛盾。 3 )取值规则每个小三角面片的顶点坐标值必须是正数，零和负数是错误的。 4 )充满规则在模型的所有表面上，必须布满小三角面片，不得有任何遗漏。,基于IGES的切片算法复杂。,不支持网格模型,包含大量冗余信息,缺点,提供全面的实体信息来精确描述3D模型。,支持广泛,优点,的特点,IGES,息交换标准(美国国家标准)。许多MIM系统都接受IGES文件。,IGES(initial graphics exchange interface)是用于商业CAD系统的图形信,3. 现有各类中间文件格式的运用,第二章 加工域活动中的先进工艺,IGES,件来表示。,对于RP系统中的三维模型，需要用许多小文,缺点,可直接传到RP系统，无需切片。,支持较广泛,优点,HP/GL,的特点,也属于面片模型。,HP/GL(Hewlett- Packard graphics language)格式图形绘图仪的标准。它,HP/GL,第二章 加工域活动中的先进工艺,STEP所包含的信息对于从CAD到RP系统的数据转换是足够充分的。,STEP为国际标准将会被所有CDA系统支持;,CAD与RP之间的数据接。其原由是:,程产品交换标准(ISO 10303)。其发展趋势是今后所有RP系统都应把STEP作为,STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)是一个新的工,STEP,第二章 加工域活动中的先进工艺,RP系统,STL、IGES、STEP,STL,CT或MRI,供了人体内部结构的高分辨率影像。这些数据可转换为RP系统所识别的格式。,CT(computerized tomography)和MRI（magnetic resonance imaging）提,CT和MRI,CAD,第二章 加工域活动中的先进工艺,成形薄层强度低,不同方向组织均匀性差。,薄层成形时收缩大,易翘曲变形;,数据存储量小。,方式简单,计算方便;,缺点,X,优点,Y,SLA和SLS中普遍采用的是长线扫描方式。,材料固化或烧结,生成薄层。,薄层制造是通过扫描路径的规划和控制来实现的。激光按一定的扫描模式使,三、原型制作时的扫描路径,第二章 加工域活动中的先进工艺,光栅扫描的基本思想是尽可能地减少零件内部的未固化树脂。,研究表明,固化期间扭曲变形的程度与零件内部未固化树脂所占体积有关。,对于任一层片,先沿Y方向扫描固化,再沿X方向扫描固化。,2. 光栅扫描法,这是一种三角形扫描固化法,扫描后三角形内部不固化,总固化面积为50%。,是固化后会引起较大的扭曲变形,最终生成零件的精度不高。,这种方法的特点是能极大缩短零件的制造时间,特别适合制作大零件;缺点,1. Tri-Hatch扫描法,第二章 加工域活动中的先进工艺,描方向能够自由收缩。所以零件内部应力较小,变形也小。,分形扫描路径都是小折线,扫描方向在不断改变,使得刚刚烧过的部分沿扫,结构,具有递归性,易于计算机处理。,当分形曲线的维数为2时,曲线可充满平面生成非自交、简单且自相似的,这种扫描法的扫描路线为分形曲线,故又称为分形扫描路径。,3. STAR-WEAVE扫描法,第二章 加工域活动中的先进工艺,将沉浸后的模型提供给客户或潜在用户,市场模型,用模型来验证设计概念是否可行。,概念的证明,用实物模型达到设计的可视化。,设计可视化,用实物来验证设计的合理性。,CAD模型验证,从生长型制造技术的特点看其典型应用包括以下几个方面,四、MIM的典型应用,第二章 加工域活动中的先进工艺,以便优化零件的结构设计。,尽管RP模型材质与最终产品不同,但因其结构相同,仍可用其进行应力分析.,应力分析,用RP技术可提供准确的比例模型进行流体动力学分析。,一些产品要进行空气动力学分析或其它流体动力学分析,如飞机、导弹等,流体分析,RP模型可用来检查构件是否处在正确的装配位置。,装配关系分析,1. MIM在工业上的应用,第二章 加工域活动中的先进工艺,用RP法制造石腊模型,可直接用于熔模精密铸造、制造模板、芯盒等。,用于铸造生产,可用RP法制造电火花加工的工具电极。,电火花(EDM)加工,接烧结金属制造的注塑模具。,现在已经有很多零件可以直接用RP方法制造。例如:尼龙材质的零件,直,原型零件,第二章 加工域活动中的先进工艺,实例1：手机外壳橡胶模,实例2：拐头树脂型复合模,实例3：电子产品注射模,生产，就需要利用样件实物重建CAD模型。,在只有样件，没有相应图纸文档的情况下，对样件进行修改、改进设计、,重建CAD文档,重新生成，即可实现所谓的三维传真。,逆向工程与RP技术结合，可将三维实体抄数后，通过网络传输，并在异地,三维传真,改，生成三维实体数模，进而可生成其数控程序或RP加工文件。,（样品或模型），利用三维数字化测量设备获得测量数据，进行建模、编辑、修,逆向工程（reverse engineering, RE）也称为反求工程，是对现有三维实体,2. 面向RP技术的逆向工程（RE和RP结合）,第二章 加工域活动中的先进工艺,第二章 加工域活动中的先进工艺,型、假肢或人工关节等。,利用CT及MRI设备采集人体器官、骨骼等数据，利用RP技术可制造教学模,医学领域的应用,技术和逆向工程应用于模具制造，可使制造成本和周期减少约1/2。,在模具的设计、制造过程中，样件的设计和加工是重要的环节之一。将RP,实现快速模具制造,要先制作手工模型，然后运用逆向工程将实物模型转化为CAD模型。,具有复杂曲面的实体，利用CAD软件直接建立其CAD模型十分困难。常常,构建复杂实体的CAD模型,第二章 加工域活动中的先进工艺,虚拟漫游。,目前已经建立了标准化的数字人体。可以利用数字化人体，进行人体内的,换等。,医学断层成像的应用包括：二维断层图像、三维模型重建及向RP文件的转,CT或MRI扫描的断层信息建立三维医学模型，并利用RP技术制作医学模型。,早期的人体骨骼模型大多用手工制作。随着断层成像技术的成熟，能够按,1. 医学断层成像技术与RP技术,五、RPM在医疗领域的应用,第二章 加工域活动中的先进工艺,一标准的颁布与实施为异地专家会诊和远程实时诊断奠定了基础。,成为ACR-NEMA DICOM（digits imaging and communication in medicine）。这,上述标准没有制定设备与网络的连接标准，所以对其进行了补充和修改，,间能相互交换数据及相互利用硬件。,成为国际通用标准ACR-NEMA300-1988。其目的是可以使不同的医学成像设备之,Manufacturers Association）组织提出了ACR-NEMA标准经多次修改于1988年,美国ACR（American College of Radiologist）和NEMA（The National Electrical,由于各CT厂的CT和MRI文件格式不统一，不便于诊断信息的共享。1983年,2. 医学断层的数据交换标准,第二章 加工域活动中的先进工艺,生产方法的研究,产品、数字艺术化、新的设计方法与,研究比较活跃的领域有医学、定制,新的应用领域的研究,功能性材料、功能梯度技术。,新材料的研究体现在性能改善、,尽可能降低RP成形的成本。,新材料的研究,经济型RP系统的研制,RP成形机的速度。,在不牺牲精度的前提下提高,快速系统的研制,RP技术的发展十分迅速，其发展趋势大体有以下几个方面：,六、RPM技术的发展趋势,第二章 加工域活动中的先进工艺,充分考虑了能源、材料、环境等诸多因素。,这一定义严格地将再制造的维修技术与传统的修复操作与回收利用划分开,具有或者高于原来的零部件。,的零部件通过再制造技术进行修复，使得修复以后的零部件的性能与寿命期望值,义：在工厂里，通过一系列的工业过程将决定退役的产品进行拆卸，不能使用,早在1983年美国的Lund等人就对再制造（Remanufacture）过程进行了定,一、再造技术,用的材料与产品的可重新利用。,制造所带来的环境污染与资源浪费的方法很多，但是基础方法是对用于制造与使,可持续制造是一种环境友好、洁净的、节省资源的制造制造技术。减少由于,第二节 可持续制造技术,t,O,E-,反相,同步,发生,信号,误差,原理,其它机构,t,输出,O,E0,CNC系统,运动合成,t,O,被补偿对象,现有系统,E+,源,差,误,至提高其精度。,足使用要求，但设备结构仍然完整并能稳定运行。采用误差补偿技术可恢复甚,当一台机床，特别是高精度机床经长期使用后会因其精度下降而不能满,1. 误差补偿技术,第二章 加工域活动中的先进工艺,误差信号发生装置产生出被补偿对象固有误差的误差图，作为补偿系统中附加误差的依据； 信号同步反向装置保证附加的误差输入与补偿对象的固有误差同步反向，即在任一时刻，这两个误差在理论上大小相等而相位相差180度。 运动合成装置实现附加误差运动与系统固有误差运动的合成，而输出为两个误差抵消后的结果。,实例,第二章 加工域活动中的先进工艺,验收,自动换刀装置,调试,进给系统改造,机床操作面板改造,主轴改造,电器系统改造,CNC系统选择,费用可比购置新机节约60%至80%。,床的机械性能，改善其控制及加工精度，从而实现装备的精确化和智能化加工。,采用先进的数控化改造技术对废旧机床进行改造利用，可有效地恢复旧机,机床CNC改造的主要内容：,2. 机床的CNC再造,第二章 加工域活动中的先进工艺,第二章 加工域活动中的先进工艺,第二章 加工域活动中的先进工艺,遍的工艺之一。,造工程中应用的最为普,艺等。其中热喷涂是再,入、焊接及纳米喷涂工,热喷涂、涂层、离子注,典型的表面工程有电镀、,或提高零件的使用功能。,表面工程可有效地恢复,从其表面开始的，应用,零件的失效往往是,3. 表面工程,第二章 加工域活动中的先进工艺,热喷涂技术,所谓热喷涂技术，就是利用某种热源将粉状或丝状之类的工程材料加热大溶融或软化状态，以高速喷射到工件表面易堆积成形的方法。热喷涂原理如图3- 所示。当被喷涂的材料经喷嘴以粒子流形式高速喷射到基体表面而涂敷到表面上，颗粒间的结合大部分是机械结合，存在一定数量的孔隙。,图3- 热喷涂原理,改善热喷涂涂层质量的途径：,热源不用氧乙炔火焰，而用电热。一般氧乙炔火焰喷涂(亚音速)，热源温度最高达3100；改用电弧喷涂，热源为电弧，温度可达5000；而等离子喷涂，由于利用了压缩电弧，形成等离子体，进一步发展高能等离子体，热源温度最高可达18000。 热源仍用氧乙炔火焰，但采用爆炸或超音速技术(拉阀尔管、爆震)。爆炸波令粒子飞行速度最高达1500 m/s，超音速喷涂可使粒子飞行速度最高达1770 m/s，涂层致密度及结合力可大大提高。,影响涂层与基体结合强度的因素很多，最主要的是基体前处理的质量和适宜喷涂工艺参数的选择。,热喷涂技术的应用,防腐蚀；应用火焰金属线材喷涂铝或锌，在涂层保护作用下，工件可保证19年不损坏。 防磨损；通过火焰金属线材喷涂、火焰粉末喷涂或喷熔，等离子喷涂，使已磨损零件得以修复，修复后的零件远远超过新产品寿命。如高炉热风支管、汽车曲轴、柴油机缸套。 特殊功能层；航空航天、原子能等领域，对耐高温、隔热、导电绝缘、防辐射等有特殊要求，整体制造这些材料成本极高也不必要，而热喷涂技术可以达到此项要求。 其他应用 ；如钛合金表面等离子喷涂制造生物相容性良好的人造骨骼及关节；火焰喷射成形复制复杂零件；金属线材喷涂制造塑料模具等。,热喷涂有着较高的生产效率，成本低，效益显著。,喷焊时母材对涂层的稀释率较低，有利于喷涂合金材料的充分利用。,热喷涂时基体受热程度低，一般不会影响基体材料的组织和性能。,热喷涂工艺灵活，喷涂层、喷焊层的厚度可以在较大范围内变化。,涂层和基体材料广泛 。,热喷涂技术的特点,根据热源不同，可分为火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂等。,到工件表面上，形成牢固涂层的表面加工方法称为热喷涂技术。,将金属或非金属固体材料加热至熔化或半熔软化状态，然后将它们高速喷射,热喷涂,第二章 加工域活动中的先进工艺,第二章 加工域活动中的先进工艺,