基于三维焊接熔敷的快速成形技术
周龙早 刘顺洪 丁冬平
(华中科技大学材料学院,湖北武汉430074)
摘要:介绍了一种新型的快速成形技术———基于三维焊接熔敷的快速成形技术的机理、分类和优点,回顾了基于三维焊接熔敷快速成形技术的国内外研究现状,总结了该技术目前存在的主要问题及对策,最后指出了其未来发展趋势。
关键词:快速成形;三维焊接熔敷;计算机辅助设计
快速成形(RP)技术经过10多年的发展,已经逐步实现商业化[1]。但是,传统的商业化快速成形系统在设备投资、材料及效率方面存在或多或少的问题。大多数快速成形系统的设备投资相当昂贵,这在一定程度上制约了快速成形技术的普及和应用。
目前,快速成形系统的使用仅限于大型公司、研究机构和大学,一般的用户还很少。材料方面,多数成功实现商业化的快速成形工艺所使用的成形材料是光敏树脂、塑料、纸张、蜡、尼龙等非金属材料。这些专用材料不但价格昂贵,而且性能与最终产品的要求相去甚远(特别是对于金属产品),所以得到的原型只能用于产品零件的设计评估和展示等。即使是目前的选择性激光烧结、激光熔敷等新工艺,也存在所制造的零件致密度差、机械和冶金性能不好、需要进行后续处理等缺点,限制了其应用范围的进一步扩展。效率方面,快速成形技术的“快速”是相对于传统产品设计的周期较长而言的,即体现在显著缩短产品开发设计的周期上。其实,目前传统的快速成形工艺制造产品原型的时间并不算短,通常需要几小时、几天、几周不等。
为了克服上述传统快速成形工艺的缺陷,开发设备简单、使用金属作为成形材料、制造效率高、零件致密度和机械性能好的新型快速成形工艺成为全球新的研究热点。与此同时,随着成形工艺的进步和应用的扩展,RP概念已逐渐从快速原型向快速生成转变,成形设备也向概念模型、生产和专用成形3个方向分化。基于上述原因,采用金属材料直接成形已成为国际上快速成形技术的研究热点和一个
收稿日期:2004-03-01
第一作者简介:周龙早,男,1973年生,博士研究生。重要的发展方向。
基于焊接熔敷工艺快速成形技术的研究与开发,就是在上述背景之下在全球范围广泛兴起的。由于焊接熔敷具有效率高、设备简单,加上焊接过程在熔滴尺寸控制、熔滴过渡方式和频率、熔滴和基体热状态等方面具有潜在的可控性等特点,故使得焊接熔敷工艺成为最有希望实现高质量金属零件直接经济、快速制造的方法之一。
1 焊接熔敷快速成形技术
1.1 焊接熔敷快速成形技术的机理
焊接熔敷快速成形技术作为快速成形技术的一种新工艺,其基本原理与传统的快速成形方法相同,即按照离散/堆积的加工原理,设计人员根据实体或所提供的三维数据通过CAD造型软件得到零件的曲面或实体模型,再将模型沿某一坐标方向按照一定的厚度进行分层切片处理,得到每层截面的一系列二维截面数据,然后由焊接电弧将焊丝或添加材料熔化,并沿着一定的路径堆积形成每一二维薄层的几何形状,通过层层堆积形成零件的三维实体。它与传统的焊接———材料与材料之间的连接不同,制造的零件全部由焊缝组成,所以也叫做全焊缝金属零件制造技术。成形的基本步骤如下:
(1)CAD造型:首先在U G、Pro/E、AutoCAD 等商用CAD软件平台上将设计思想转化为零件的CAD实体模型或表面模型,然后对模型进行近似处理,转化成以表面三角形逼近的STL格式文件输出。
(2)文件处理:STL格式文件输入快速成形的软件系统进行纠错及修复处理,重新生成以表面三角形逼近的实体模型。
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(3)分层切片:沿焊接成形的高度方向,每隔
一定间距,用切片处理软件从STL 文件中“切出”设定厚度的一系列片层,以便提取加工截面的轮廓信息。
(4)路径规划:对零件每一层加工截面的轮廓信息进行处理,形成焊接熔敷时焊炬的运动轨迹。
(5)输入加工参数:输入焊接熔敷工艺参数,包括焊接电流、电弧电压、焊接速度等。
(6)生成焊接熔敷加工文件:根据路径规划和输入的加工参数生成焊接熔敷加工文件。
(7)零件加工:焊接熔敷加工文件输入机器人控制器或成形系统控制器,控制成形系统的工作,逐层进行焊接熔敷,直到所有的截面加工完毕生成三维实体原型或产品零件。1.2 焊接熔敷快速成形技术的分类焊接熔敷快速成形技术的分类主要是根据快速成形系统所使用的焊接熔敷工艺的不同来进行的,包括埋弧自动焊(SAW )、熔化极气体保护焊(GMAW )、非熔化极气体保护焊(GTAW )、等离子焊(PAW )、激光焊(LAW )、电子束焊(EBW )等。1.3 焊接熔敷快速成形技术的优点
焊接熔敷快速成形技术的主要优点是:
(1)制造成本低:主要体现在焊接熔敷快速成形系统采用价格低廉的通用设备,因此设备投资少。此外,焊接熔敷成形的零部件产生的废料很少,焊接材料的80%都得到了利用。
(2)生产效率高:焊接熔敷快速成形零部件只需要少量的机械加工,对于高硬度、脆性大的材料来说就更节省加工工时。相对于传统的快速成形方法,焊接熔敷工艺是最高效的材料添加方式,因此可以大大地节省成形时间。
(3)制造形式灵活:零部件的形状、尺寸及重量几乎不受限制,既可以是任意形状的大型零部件,也可以是微细零部件。且可通过更换焊接填充材料实现零件的多材质复合构成,即零件的不同部位可由不同成分的材料构成。
(4)零件性能好:与整体铸锻件相比,焊接熔敷成形零件具有更好的机械、力学性能,体现在成形零件组织密实、冶金结合性能好、强度高、韧性好等方面。这主要是因为全焊缝金属零件的化学成分均匀、纯度高,以及由于焊接过程的局部性和瞬时性使得焊缝金属的晶粒尺寸与铸锻件相比更细小,因而零件的机械和力学性能更优异。2 焊接熔敷快速成形技术的国内外研究现
状
焊接熔敷快速成形技术起源于20世纪60年代末,联邦德国Krupp 、Thyssen 钢铁制造公司及瑞士Sulzer 公司首先开始开发成形焊接工艺,将焊接工
艺用于制造全由焊缝金属组成的大型压力容器[2～3]。研究表明,成形焊接工艺不仅效率高,而且由于焊缝金属具有较高强度和硬度,使得最终制造出的零部件非常耐用。1985～1991年期间,美国Babcock &Wilcox 公司总共投入上千万美元用于开
发成形熔化(shape welting )技术,致力于开发能够
用于经济制造各种接近净成形(near 2net shape )零部件的技术和设备。Babcock &Wilcox 公司使用GMAW 和等离子2M IG 混合焊,生产出了材料为奥氏体不锈钢或者是Ni 基合金的大型零部件,并为成形熔化技术申请了4项专利[4～5]。此后,随着RP 技术的出现,将焊接工艺与RP 的基本原理相结合用于产品零部件的原型制造或者直接制造成为新的研究热点。20世纪90年代初期,美国Rolls 2Royce 航空集团致力于三维焊接(3D welding )技术的研究。使用该技术制造昂贵的高性能合金零部件可以避免浪费材料,而在传统工艺中贵重材料的浪费是不可避免的。Rolls 2Royce 公司(北美)利用三维焊接技术成功地制造了各种Ni 基或Ti 基材料的飞行器零部件。对三维焊接技术进行研究并取得进展的大学和研究小组还有:英国Nottingham 大学,葡萄牙Minho 大学,澳大利亚Wollongon 大学,美国Souther Methodist 大学、Tuffts 大学、K entucky 大
学,以及德国、中国、印度、韩国及新加坡的研究小组。英国Nottingham 大学J. D.Spencer 等利用gantry 6轴焊接机器人和GMAW 工艺实现零件的
三维焊接成形,机器人和焊接工艺参数由Siemens RCM 可编程数字机器人控制器控制,通过简单的温
度控制装置对焊接的热输入量进行控制,从而降低了成形零件的表面粗糙度值,此外还做了零件的显微组织分析、表面粗糙度和残余应力的测量[6]。葡萄牙Minho 大学,澳大利亚Wollongong 大学的Fer 2nando Riberio 博士和John Norrish 教授利用机器人
熔化焊接工艺实现了零件的三维焊接熔敷成形,其切片软件用Autolisp 语言开发,零件三维造型之后输入切片软件进行切片处理并生成机器人路径,同时输入焊接工艺参数,然后机器人路径代码和焊接
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工艺参数通过RS-232-C串口下载到机器人控制器,控制焊接熔敷工艺的进行[7～8]。美国Souther Methodist大学R.K ovacevic教授的研究小组对基于三维焊接熔敷的快速成形技术进行了深入研究。由Radovan K ovacevic领导的Souther Methodist大学先进制造研究中心开发了用于制造金属零件的基于焊接工艺(包括LAW、GMAW、GTAW等)和数控技术相结合的实体自由成形技术。该研究首次尝试通过控制快速成形焊接熔敷工艺中的熔深和热输入,以期实现分层制造[9～10]。Heather E.Beardsley 在其博士论文工作中对基于三维焊接熔敷成形技术中的熔滴形成和熔敷的机理进行了研究,通过视觉传感系统对焊接过程中的熔滴过渡进行精确控制,此外,还对焊接熔深作了有限元数值模拟计算[11]。
H.Wang等利用变极性钨极气体保护焊(VP GTAW)实现5356铝合金材料的焊接熔敷快速成形,其主要创新之处在于通过CCD视觉传感器实现对焊接电弧弧长的监测和控制,保证焊接工艺过程的稳定性,从而提高成形零件的精度[12]。美国Tufts大学Charalabos C.Doumanidis与Y ong2Min Kwak使用GMAW焊接工艺实现金属零件快速成形,同时采用以等离子弧加热的所谓扫描焊接(scan welding)的方法进行焊后局部在线热处理,提高焊接成形零件的质量[13～14]。Fourligkas Nikolaos研究了一种基于机器人等离子弧焊接熔敷的快速成形技术,并且研究了熔敷过程中的热流和质量过渡机理,用于控制成形零件的质量,此外还研究了利用热扫描焊对成形零件进行在线局部热处理以提高零件的冶金性能和机械性能[15]。
美国肯塔基大学的Zhang Yuming与国内哈尔滨工业大学的王其隆教授合作,采用一种特殊的焊接工艺———可控惯量的熔滴过渡MA G焊(con2 trolled inertial droplet transfer MA G welding,CID T2 MA GW),进行焊接熔敷快速成形制造[16～17]。文献[16]对焊接熔敷成形过程中的CAD建模、文件处理、分层切片、加工矢量路径规划、进行了较详细的研究,此外着重研究了焊接过程的热量和质量流动机理及其控制措施,对焊接电弧的引弧、熄弧进行控制,以获得最佳焊接熔敷成形效果。
1998年8月,在美国得克萨斯州奥斯汀召开的第九届实体自由建造论坛上(9th Solid Freeform Fabrication Symposium),韩国、印度和德国的两个研究小组提出了利用焊接熔敷工艺与铣削法相结合的混合制造新概念[18～19]。韩国的研究小组提出焊接和5轴数控铣削联合用于金属零件直接快速成形。印度工学院和德国Fraunhofer制造技术和自动化学院的研究者组成的研究小组提出焊接和2～1/2轴数控铣削联合用于金属零件直接快速成形,其中具有复杂形状的层面由倾斜的铣刀铣削而成。
国内对于焊接熔敷快速成形技术的研究尚处于起步跟进阶段,为数不多的研究者作了初步的探讨[20～22]。总之,纵观国内外焊接熔敷快速成形技术的研究尚处于基础研究阶段,而且由于焊接过程的复杂性,实现焊接熔敷快速成形技术的商业化尚且需要一段较长的时间。
3 焊接熔敷快速成形技术目前存在的主要问题及对策
目前,焊接熔敷快速成形技术存在的主要问题是成形零件的精度、机械和冶金性能与实际应用的要求还有相当大的差距,因此必须加大对该技术的研究力度,促使其尽快成熟。此外,由于焊接过程的多参数非线性耦合的高度复杂性,在焊接熔敷快速成形的数值模拟方面也遇到了相当大的难度,目前对于焊接电弧形成、熔滴过渡、熔池形状、焊缝金属组织和性能变化、焊接变形及焊接残余应力的变化等方面的研究工作尚少见。以下就焊接熔敷快速成形零件的精度、机械和冶金性能、数值模拟方面的有关问题及对策进行初步分析。
3.1 成形零件的精度问题
焊接熔敷快速成形零件的精度包括几何尺寸精度和表面粗糙度两方面的内容。精度是衡量成形零件质量的主要标准。目前,焊接熔敷快速成形零件的精度普遍不高是由焊接工艺过程的特点决定的,即焊接熔池形状以及焊接过程稳定性的可控性不够。焊接熔敷快速成形技术中由于材料的堆积是以高温液态熔滴金属过渡的方式进行,增加了精确控制材料数量及能量的难度,材料堆积时液态金属熔池的存在,使零件边缘形状及零件精度的控制变得困难;同时,材料的堆积过程也是一个复杂的冶金过程,伴随零件内部组织转变、焊接变形及残余应力等问题,以上的因素都影响零件的性能及几何精度。因此,提高焊接熔敷快速成形零件精度的对策应该从以下几方面考虑。
3.1.1 叠层堆积材料数量的精确控制
焊接熔敷快速成形中叠层堆积材料由熔化的焊
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接材料和部分基体两部分构成。因此,欲精确控制叠层堆积材料的数量,就必须控制焊接材料和基体的熔化。因为焊接材料通过高温熔化的金属熔滴过渡到焊接熔池,所以首先要实行熔滴控制,即熔滴金属的尺寸、温度、过渡频率、过渡方式的控制。通过控制熔滴的大小、过渡频率就可以直接控制熔入焊接熔池的材料数量,这主要通过控制焊接工艺参数实现对金属熔滴的长大、分离、过渡等过程的控制。文献[11]对焊接熔敷快速成形中的熔滴控制进行了研究,结果表明通过熔滴控制可以成形较高精度的零件。但是,相关的研究还很不够,今后应该继续这方面的进一步研究。3.1.2 焊接热输入量的控制
焊接热输入包括输入熔滴和基体的热量,为了实现工艺控制,二者的比例应当可以调节。对于相同的熔敷速度,不同的熔滴过渡模式带入基体的热量不同。因此,通过控制焊接工艺参数,选择最佳的熔滴过渡模式,使得输入熔滴和基体的热量合适,获得最佳的熔敷堆积效果是重要的研究内容。3.1.3 焊接熔池形状的控制焊接熔池形状对焊道形状的影响较大,应该通过控制基体的热量输入,保持焊接熔池形状的稳定,以便获得稳定的焊接熔敷质量。3.1.4 焊接变形及残余应力对精度的影响
焊接过程受热的非均匀性导致的热应力与变形,将严重影响成形零件的几何精度和表面粗糙度。因此,对焊接熔敷成形过程的热应力、变形以及残余应力的产生机理及其分布特征进行系统研究,采取适当的反馈机制控制焊接工艺参数实现对焊接变形和残余应力分布进行控制,或者利用在线局部焊后热处理方法消除焊接变形和残余应力,提高成形零件的几何精度和降低表面粗糙度值。3.2 成形零件的性能问题
由于焊接过程的复杂性使焊缝的组织及性能转变过程相当复杂,焊接熔敷快速成形是通过叠层堆焊进行的,所以热循环过程比一般焊接过程复杂得多,零件的组织及性能变化更加复杂,增加了控制的难度。为了获得冶金结合致密、具有优异机械性能的零件,除了合理选择焊接工艺参数之外,可以利用焊后热处理或在线局部热处理的方法改善零件的组织结构和机械性能。文献[14～15]采用热扫描焊接方法对焊接熔敷成形零件进行在线局部热处理,大大提高了零件的组织及性能。3.3 数值模拟问题
焊接熔敷成形过程是多参数耦合作用的复杂过程,受焊接方法、焊接工艺参数和成形零件的几何形状及尺寸等因素的影响。因此,除了必须解决一般快速成形技术的共性问题外,还必须解决如何通过控制焊接工艺参数有效地控制零件的几何尺寸、显微组织转变、热应力变化及焊接变形等诸多复杂问题。解决这些问题依靠传统的工艺实验方法不仅试验周期长、费用大,且难以从理论上系统解决问题,有些问题的解决甚至是不可能的。采用计算机数值模拟方法解决上述问题是可行的途径。目前,在焊接熔敷快速成形技术数值模拟方面的研究还很少,仅有一些关于焊接熔深预测的有限元热分析研究。必须利用数值模拟的方法建立焊接熔敷成形过程的模型,从理论上系统研究解决焊接工艺参数与零件几何形状、显微组织转变、应力与变形等关系的基础问题。
4 焊接熔敷快速成形技术的未来发展趋势
焊接熔敷快速成形技术是最有希望实现直接进行金属零件制造的快速成形技术之一,具有低成本、高效率的优点。但是,其发展尚且处于起步阶段,还有相当多的问题亟待进一步研究。今后,焊接熔敷快速成形技术除了几何建模、分层切片、路径规划等快速成形技术的共性问题的研究之外,还必须在焊接工艺方法、熔滴控制、热输入控制、零件的显微组织和性能控制等方面做进一步研究,提高成形零件的质量,使焊接熔敷快速成形技术向实用性和商业化方向迈进。对此,有以下几个方面尚待进一步发展完善:
(1)针对焊接熔敷快速成形的特点设计专用软件,实现分层切片、焊接熔敷路径规划算法的优化及成形过程的计算机仿真。
(2)针对焊接熔敷成形的特点,找出能够保证焊缝尺寸稳定、形状规范、表面状况良好的焊接熔敷工艺参数组合,配合软件的合理设计以提高熔敷堆积的精度和表面质量,减少甚至消除后续加工。
(3)使用焊接机器人取代数控工作台来扩大焊接熔敷成形的包络范围,并用于大尺寸零件的成形。
(4)通过实验手段及数学分析,实现在成形过程中实时调整熔滴大小、焊接电流、送丝速度、焊接速度、焊丝直径等各个焊接工艺参数的优化配置,并建立焊接参数专家数据库。
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(5)采用新的工艺方法,实现熔滴金属过渡的有效控制(例如采用“一脉一滴”的技术),提高成形零件的尺寸精度。
(6)在焊接熔敷堆积的过程中,增加对各个焊接参数的监控,提高过程参数的采集与整个系统控制的整合力度,实现更高程度的闭环控制,为提高零件的精度提供保证。
(7)对于焊接熔敷堆积过程中如何采取抛丸、超声等多种方法消除残余应力,并与整个系统整合,将是今后研究的方向。
(8)在多材质焊接熔敷堆积直接成形复杂的功能合金零件方面,需要对软件、工艺方法、设备的设计与改造进行进一步的研究。
(9)基于实验中使用的焊接熔敷参数以及采集的温度、应力等方面数据,通过计算机进行焊接熔敷堆积过程温度场、应力场方面的数值模拟,为后续实验提供参考。
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征 订
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K ey w ords:rotary ultrasonic machining;ductile2mode ma2 terial removal;material remove rate
教学难点与重点： 难点： 《产品逆向工程技术》教案 共 页 第 页 授课教师: 教研室： 备课日期： 年 月 日 课 题： 教 学 准 备： 教学目的与要求： 授 课 方 式： 项目四 快速成型技术认识 任务一 认识快速成型技术 PPT 掌握快速成型技术的原理、工作流程和特点。 讲授（90＇） 重点：快速成型技术的原理、工作流程和特点。 教 学 过 程： 上节课回顾→讲授课题→课堂小结
“ “ 张家界航院教案 第 页 上节课回顾： 讲授课题： 项目四 快速成型技术认识 通过前面的几节课我们学习了什么是逆向工程。通过逆向工程技术， 企业可以迅速的设计出符合当前流行趋势，以及符合人们消费需求的产品， 快速抢占市场。市场这块蛋糕就那么大，谁先抢到谁先吃，后来的就只能 看别人吃。现在的企业发展战略已经从以前的“如何做的更多、更好、更 便宜”转变成了“如何做的更快”。所以快速的响应市场需求，已经是制 造业发展的必经之路。 但是一件产品是不是设计出来就完事了？从设计到产品，中间还有一 个制造的过程，逆向工程解决了快速设计的问题，但是如果在制造加工阶 段耗费太长的时间，最后依然是无法快速的响应市场。尤其是在加工复杂 薄壁零件的时候，往往加工一件零件的周期要好几周，甚至几个月才能完 成，比如飞机发动机上的涡轮，加工周期要 90 天。 怎么解决这个问题呢？这就要用到今天我们这节课要讲的内容：快速 成型技术。快速成型技术就是在这种背景需求下发展起来的一种新型数字 化制造技术，利用这项技术可以快速的将设计思想转化为具有结构和功能 的原型或者是直接制造出零部件，以便可以对设计的产品进行快速评价、 修改。按照以往的技术，在生产一件样品的时候，要么开模、要么通过复 杂的机加工艺来生产，这样不管是从成本的角度还是时间的角度来讲，都 会带来成本的提高。而快速成型技术可以极大地缩短新产品的开发周期， 降低开发成本，最大程度避免产品研发失败的风险，提高了企业的竞争力。 任务一 认识快速成型技术 快速成型技术（Rapid Prototype ，简称 RP)有许多不同的叫法，比如 “3D 打印”( 3D printing)、分层制造”( layered manufacturing ，LM) 、增材制 造”（ additive manufacturing ，AM) 等。同学们最熟悉的应该就是“3D 打 印”，其实刚开始的时候，3D 打印本是特指一种采用喷墨打印头的快速成 型技术，演变至今，3D 打印成了所有快速成型技术的通俗叫法，但是现在 在学术界被统一称为“增材制造”。 增材制造是一种能够不使用任何工具（模具、各种机床），直接从三 维模型快速地制作产品物理原型也就是样件的技术，可以使设计者在产品 的设计过程中很少甚至不需要考虑制造工艺技术的问题。使用传统机加的 方法来加工零件时，在设计阶段设计师就需要考虑到零件的工艺性，是不 是能够加工出来。对于快速成型技术来讲，任意复杂的结构都可以利用它 的三维设计数据快速而精确的制造出来，解决了许多过去难以制造的复杂 结构零件的成型问题，实现了“自由设计，快速制造”。 一、物体成型的方式 之所以叫“增材制造”很好理解就是通过“堆积”材料的方式进行制 造。与之相应的还有“减材制造”和“等材制造”。在现代成型学的观点 中，物体的成型方式可分以下几类：
快速成型技术的应用与发展前景 一．什么是快速成型技术 快速成形技术又称快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。即，快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。 二．快速成型技术的产生背景 (1)随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈，产品的开发速度日益成为主要矛盾。在这种情况下，自主快速产品开发(快速设计和快速工模具)的能力(周期和成本)成为制造业全球竞争的实力基础。 (2)制造业为满足日益变化的用户需求，要求制造技术有较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产而不增加产品的成本。因此，产品的开发速度和制造技术的柔性就十分关键。 (3)从技术发展角度看，计算机科学、CAD技术、材料科学、激光技术的发展和普及为新的制造技术的产生奠定了技术物质基础。 三．快速成形技术的特点 快速成型技术具有以下几个重要特征： l ）可以制造任意复杂的三维几何实体。由于采用离散／堆积成型的原理．它将一个十分复杂的三维制造过程简化为二维过程的叠加，可实现对任意复杂形状零件的加工。越是复杂的零件越能显示出 RP 技术的优越性此外， RP 技术特别适合于复杂型腔、复杂型面等传统方法难以制造甚至无法制造的零件。 2 ）快速性。通过对一个 CAD 模型的修改或重组就可获得一个新零件的设计和加工信息。从几个小时到几十个小时就可制造出零件，具有快速制造的突出特点。 3 ）高度柔性。无需任何专用夹具或工具即可完成复杂的制造过程，快速制造工模具、原型或零件。 ４）技术高度集成性。RP技术是计算机、数控、激光、材料和机械等技术的综合集成。CAD技术通过计算机进行精确的离散运算和繁杂的数据转换，实现零件的曲面或实体造型，数控技术为高速精确的二维扫描提供必要的基础，这又是以精确高效堆积材料为前提的，激光器件和功率控制技术使材料的固化、烧结、切割成为现实。快速扫描的高分辨率喷头为材料精密堆积提供了技术保证术产生背景。 ５）快速响应性。快速原型零件制造从CAD设计到原型 (或零件 )的加工完毕，只需几个小时至几十个小时，复杂、较大的零部件也可能达到几百小时，但从总体上看，速度比传统成形方法要快得多。尤其适合于新产品的开发，RP技术已成为支持并行工程和快速反求设计及快速模具制造系统的重要技术之一
试卷 2. 3.快速成型技术的主要优点包括成本低，制造速度快，环保节能，适用于新产品开发和单间零件生产等 4.光固化树脂成型（SLA）的成型效率主要与扫描速度，扫描间隙，激光功率等因素有关 5. 也被称为：3D打印，增材制造； 6.选择性激光烧结成型工艺（SLS）可成型的材料包括塑料，陶瓷，金属等； 7.选择性激光烧结成型工艺（SLS）工艺参数主要包括分层厚度，扫描速度，体积成型率，聚焦光斑直径等； 8.快速成型过程总体上分为三个步骤，包括：数据前处理，分层叠加成型（自由成型），后处理； 9.快速成型技术的特点主要包括原型的复制性、互换性高，加工周期短，成本低，高度技术集成等； 10.快速成型技术的未来发展趋势包括：开发性能好的快速成型材料，改善快速成形系统的可靠性，提高其生产率和制作大件能力，优化设备结构，开发新的成形能源，快速成形方法和工艺的改进和创新，提高网络化服务的研究力度，实现远程控制等； 11.光固化快速成型工艺中，其中前处理施加支撑工艺需要添加支撑结构，支撑结构的主要作用是防止翘曲变形，作为支撑保证形状； 二、术语解释 1.STL数据模型 是由3D SYSTEMS 公司于1988 年制定的一个接口协议，是一种为快速原型制造技术服务的三维图形文件格式。STL 文件由多个三角形面片的定义组成，每个三角形面片的定义包括三角形各个定点的三维坐标及三角形面片的法矢量。stl 文件是在计算机图形应用系统中，用于表示三角形网格的一种文件格式。它的文件格式非常简单，应用很广泛。STL是最多快速原型系统所应用的标准文件类型。STL是用三角网格来表现3D CAD模型。STL只能用来表示封闭的面或者体，stl文件有两种：一种是ASCII明码格式，另一种是二进制格式。 2.快速成型精度包括哪几部分 原型的精度一般包括形状精度，尺寸精度和表面精度，即光固化成型件在形状、尺寸和表面相互位置三个方面与设计要求的符合程度。形状误差主要有：翘曲、扭曲变形、椭圆度误差及局部缺陷等；尺寸误差是指成型件与CAD模型相比，在x、y、z三个方向上尺寸相差值；表面精度主要包括由叠层累加产生的台阶误差及表面粗糙度等。 3.阶梯误差 由于快速成型技术的成型原理是逐层叠加成型，因此不可避免地会产生台阶效应，使得零件的表面只是原CAD模型表面的一个阶梯近似（除水平和垂直表
焊接快速成形技术的发展现状及思考 发表时间：2018-09-04T09:50:31.067Z 来源：《防护工程》2018年第9期作者：赵延林 [导读] 超声波焊和搅拌摩擦焊)的快速成形技术的国内外发展现状，论述了该技术在成形材料及送给方式、成形组织性能控制和成形精度控制方面存在的问题，并就这些问题提出了相应的解决思路。 赵延林 摘要:焊接快速成形是一种集计算机、焊接、数控加工和材料科学等技术于一体的金属材料逐层叠加制造技术，主要用于小批量和复杂金属零件的直接制造。介绍了该技术的成形原理和发展优势，总结了基于熔化极气体保护焊、钨极气体保护焊、等离子弧焊及一些新型焊接方法(如冷金属过渡焊、超声波焊和搅拌摩擦焊)的快速成形技术的国内外发展现状，论述了该技术在成形材料及送给方式、成形组织性能控制和成形精度控制方面存在的问题，并就这些问题提出了相应的解决思路。 关键词:焊接;快速成形;发展现状;焊接新技术 引言： 焊接快速成形技术将传统的堆焊工艺与快速成形技术相结合，实现了金属零件的直接成形。通过计算机辅助软件(CAD)或扫描实物获得三维离散化模型，将模型沿某一坐标方向按一定的厚度进行分层切片处理，根据每层截面轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代码并输入成形机，将金属原材料逐层堆焊成三维零件，最后对零件进行修整后处理。相对于传统减材制造技术，焊接快速成形技术有诸多优势:省略了铸锻等大型机械加工设备，避免了减材加工造成的原材料浪费，突破了复杂结构零件的制造桎梏，允许客户定制产品，较短的成形周期缩减了订货到提货的时间，因此该先进制造技术不仅可以带来巨大的经济效益，而且可以减少对环境的污染。 一、国内外焊接快速形成技术发展现状分析 20世纪80年代，Babcock－Wilcox公司采用GMAW与PAW(PlasmaArcWelding)的混合焊，制造了奥氏体不锈钢及镍基超合金的部件。1992年，英国Rolls·Royce公司与克莱菲尔德大学联合开发了基于GMAW/GTAW(GasTungstenArcWeld-ing)的焊接快速成形系统，制造了航空发动机零部件。1998年，英国诺丁汉大学的J．D．Spencer等人利用基于机器人的焊接方法制造了金属模具。Mughal等人利用有限元模拟研究基于GMAW快速成形间隔冷却时间和连续沉积的温度场分布特征，分析成形间隔冷却时间对连续沉积过程重复加热和热量积累的影响规律，并对单层制造过程热应力分布及变形情况进行了研究。PaulA．Colegrove等人对基于GMAW焊接快速成形过程的残余应力和微观结构的改善进行了研究，通过高压轧制的方法降低残余应力、减少变形及表面粗糙度，这也导致了晶粒的再结晶。华中科技大学的周龙早、刘顺洪等人对基于焊接机器人的快速成形工艺的前期模型切片处理以及扫描路径规划算法进行了研究，编写了焊接机器人快速成形软件，该软件能够准确地完成三维模型的分层处理及路径规划，进而提高了其成形精度。该校王桂兰等人研究了电磁场对基于焊接机器人的GMAW 熔积成形温度场及残余应力的影响，采用红外热像仪对附加电磁场前后的成形过程温度场分布情况及变化规律实时监测，并利用X射线衍射仪测量了成形件表面残余应力。结果表明:添加高频振荡磁场之后，成形件表面产生感应热，促使成形件表面温度场各温度区域范围增大，冷却速度降低，成形件表面的纵向和横向残余应力均减小，一定程度上改善了成形件的性能。ZhangYuming等人对基于GMAW的快速成形工艺的切片分层方法和成形精度控制进行了初步的研究。研究表明，采用好的堆积路径可以提高成形精度;在焊道的始端和末端，通过控制焊接电流和焊接速度，可以控制成形形状;熔滴过渡形式是影响成形质量的重要因素，低热输入、平稳的熔滴过渡能促进良好的成形。[1] 二、当前我国焊接快速成型技术存在的问题及思考 1、成形材料及送给方式 焊接快速成形的原材料主要有粉材和丝材两类。目前使用的粉材主要是用于金属零件表面修复的金属粉末，而对于成形专用粉末研究不足。专用粉末需满足粒径细小、粒度分布较窄、球形度高、流动性好和松紧密度高等要求。目前应用的丝材直径多集中在0．8～1．6mm 之间，直径在0．8mm以下的专用焊丝仍有待研究解决。对于不同焊接工艺及不同材质的零件所需的专用焊丝也需要大力研究。采用先铺粉再用电弧熔积的成形方法，容易出现电弧吹粉的问题。对此，可以考虑改变粉材的加入方式，如在粉中加入粘结剂，按一定比例配成黏稠状物质，再将其逐层铺送。例如将这种方法用于金属零件表面修复时，把修复材料配成黏稠物质，然后将其抹在所需修复表面缺陷处，再利用电弧熔积完成修复。[2] 2、成形组织和性能控制 焊接快速成形过程中焊接热源不断输入热量，成形层温度场复杂多变，属于多重加热重熔过程，因此成形件的组织及性能变化复杂。堆积金属不仅受基板的约束，同时熔覆金属层间相互约束，成形件残余应力分布变得复杂，容易出现融合不良、组织性能达不到要求等缺陷。成形过程热输入的控制方法除了通过改进焊接工艺及焊枪结构、降低焊接热输入量外，也可利用计算机数值模拟方法研究焊接工艺参数，定义热分析物理参数，建立堆积模型，正确划分网格，加载合适的热源，求解得到温度场分布云图及温度随高度和时间变化曲线，分析焊接参数、扫描路径和层间间隔时间等工艺参数对温度场分布的影响规律。设计合适的冷却系统，调控温度场分布，通过视觉传感系统实时监测熔池图像及弧长信息，并反馈给主控系统，以此调整工艺参数。可以考虑采用一些新的焊接方法来降低焊接热输入。如冷金属过渡焊接工艺，采用短路过渡，当起弧后，焊接电流开始降低，直至弧灭，焊丝回抽有助于熔滴过渡，熔滴从焊丝端脱落后，电弧再次点燃。通过这种冷－热交替降低焊接热输入。对于由于合金成分造成组织性能达不到要求的问题可采用合金化处理方法，除了通过粉材本身实现合金化外可考虑通过外加成分实现。如将某种粉材与造渣、脱氧、合金化、粘结等物质按一定比例配成新的粉材，再将其逐层铺送。在某些特定场合可用一种替代焊接电弧热源的方法，如铝热剂法。铝热剂是铝粉和难熔金属氧化物的混合物，可用于引发一些需要高温的反应。将铝热剂及其他材料配成黏稠物质，可以低温点燃并用于熔积成形。 3、成形精度控制 焊接快速成形过程包括建立模型、切片分层处理和逐层熔覆堆积等一系列过程，各环节不可避免地产生误差，影响成形精度。影响成形精度的主要因素包括以下几种:①切片分层处理误差;②焊接快速成形过程中热量不断累积，可能造成熔融金属流淌，导致台阶效应，影响成形精度;③通过逐层熔覆堆积的成形方法会产生残余应力，这使成形件翘曲变形，变形的累积会严重影响成形精度;④在成形焊接过程中，每次起弧和灭弧都会产生焊瘤，继而降低成形精度。成形精度的提高除了通过加强对前期模型处理的精确性研究外，可考虑通过有限元模
快速成型技术的现状和发展趋势 1 快速成型技术的基本成型原理 近十几年来，随着全球市场一体化的形成,制造业的竞争十分激烈。尤其是计算机技术的迅速普遍和CAD/CAM技术的广泛应用,使得快速成型技术 (Rａpid Prｏtｏtyping简称RP)得到了异乎寻常的高速发展,表现出很强的生命力和广阔的应用前景。 传统的加工技术是采用去材料的加工方式，在毛坯上把多余的材料去除，得到我们想要的产品。而快速成型技术基本原理是：借助计算机或三维扫描系统构建目标零件的三维数字化模型,之后将该信息传输到计算机控制的机电控制系统,计算机将模型按一定厚度进行“切片”处理，即将零件的3D数据信息离散成一系列2Ｄ轮廓信息，通过逐点逐面的增材制造方法将材料逐层堆积,获得实体零件，最后进行必要的少量加工和热处理,使零件性能、尺寸等满足设计要求。。它集机械工程、CＡD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身,可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件,从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。 目前,快速成形的工艺方法已有几十种之多，大致可分为7大类，包括立体印刷、叠层实体制造、选择性激光烧结、熔融沉积成型、三维焊接、三维打印、数码累积成型等。其基本的原理如下图所示。 图1 快速成型原理示意图 2 快速成型技术在产品开发中的应用 不断提高RP技术的应用水平是推动RP技术发展的重要方面。目前,西安交通大学机械学院,快速成型国家工程研究中心,教育部快速成型工程研究中心快
速成型技术已在工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到了广泛应用。并且随着这一技术本身的发展，其应用领域将不断拓展。ＲP技术的实际应用主要集中在以下几个方面: 2.１用于新产品的设计与试制。 (1)CAＩD应用: 工业设计师在短时间内得到精确的原型与业者作造形研讨。 (2）机构设计应用: 进行干涉验证，及提早发现设计错误以减少后面模具修改工作。 (3)ＣＡE功效:快速模具技术以功能性材料制作功能性模具,以进行产品功能性测试与研讨。 (4)视觉效果：设计人員能在短时间之内便能看到设计的雛型，可作为进一步研发的基石。 （５)设计确认:可在短时间内即可完成原型的制作，使设计人员有充分的时间对于设计的产品做详细的检证。 （6）复制于最佳化设计：可一次制作多个元件，可使每个元件针对不同的设计要求同时进行测试的工作，以在最短时间内完成设计的最佳化。 (7)直接生产: 直接生产小型工具，或作为翻模工具 2．2 快速制模及快速铸造 快速模具制造传统的模具生产时间长，成本高。将快速成型技术与传统的模具制造技术相结合,可以大大缩短模具制造的开发周期,提高生产率,是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径。快速成形技术在模具制造方面的应用可分为直接制模和间接制模两种，直接制模是指采用RP技术直接堆积制造出模具,间接制模是先制出快速成型零件，再由零件复制得到所需要的模具 ２.3 机械制造 由于RＰ技术自身的特点，使得其在机械制造领域内,获得广泛的应用,多用于制造单件、小批量金属零件的制造。有些特殊复杂制件，由于只需单件生产,或少于50件的小批量，一般均可用ＲP技术直接进行成型，成本低,周期短。２.4 医疗中的快速成形技术 在医学领域的应用近几年来,人们对RP技术在医学领域的应用研究较多。以医学影像数据为基础,利用RP技术制作人体器官模型,对外科手术有极大的应用价值。 ２.5 三维复制 快速成形制造技术多用于艺术创作、文物复制、数字雕塑等。 ２.6 航空航天技术领域 航空航天产品具有形状复杂、批量小、零件规格差异大、可靠性要求高等特点，产品的定型是一个复杂而精密的过程,往往需要多次的设计、测试和改进,
几种常见的快速成型技术 一、FDM 丝状材料选择性熔覆（Fused Deposition Modeling）快速原型工艺是一种不依靠激光作为成型能源、而将各种丝材加热溶化的成型方法，简称FDM。 丝状材料选择性熔覆的原理室，加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作X-Y平面运动。热塑性丝状材料（如直径为1.78mm的塑料丝）由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热和溶化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.127mm厚的薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。 这种工艺方法同样有多种材料选用，如ABS塑料、浇铸用蜡、人造橡胶等。这种工艺干净，易于操作，不产生垃圾，小型系统可用于办公环境，没有产生毒气和化学污染的危险。但仍需对整个截面进行扫描涂覆，成型时间长。适合于产品设计的概念建模以及产品的形状及功能测试。由于甲基丙烯酸ABS（MABS）材料具有较好的化学稳定性，可采用加码射线消毒，特别适用于医用。但成型精度相对较低，不适合于制作结构过分复杂的零件。 FDM快速原型技术的优点是： 1、制造系统可用于办公环境，没有毒气或化学物质的危险。 2、工艺干净、简单、易于材作且不产生垃圾。 3、可快速构建瓶状或中空零件。 4、原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。 5、原材料费用低，一般零件均低于20美元。 6、可选用多种材料，如可染色的ABS和医用ABS、PC、PPSF等。 FDM快速原型技术的缺点是： 1、精度相对国外SLA工艺较低，最高精度0.127mm。 2、速度较慢。 二、SLA 光敏树脂选择性固化是采用立体雕刻（Stereolithography）原理的一种工艺，简称SLA，也是最早出现的、技术最成熟和应用最广泛的快速原型技术。 在树脂液槽中盛满液态光敏树脂，它在紫外激光束的照射下会快速固化。成型过程开始时，可升降的工作台处于液面下一个截面层厚的高度，聚焦后的激光束，在计算机的控制下，按照截面轮廓的要求，沿液面进行扫描，使被扫描区域的树脂固化，从而得到该截面轮廓的塑料薄片。然后，工作台下降一层薄片的高度，以固化的塑料薄片就被一层新的液态树脂所覆盖，以便进行第二层激光扫描固化，新固化的一层牢固的粘结在前一层上，如此重复不已，知道整个产品成型完毕。最后升降台升出液体树脂表面，即可取出工件，进行清洗和表面光洁处理。 光敏树脂选择性固化快速原型技术适合于制作中小形工件，能直接得到塑料产品。主要用于概念模型的原型制作，或用来做装配检验和工艺规划。它还能代替腊模制作浇铸模具，以及作为金属喷涂模、环氧树脂模和其他软模的母模，使目前较为成熟的快速原型工艺。 SLA快速原型技术的优点是： 1、需要专门实验室环境，维护费用高昂。 2、系统工作相对稳定。 3、尺寸精度较高，可确保工件的尺寸精度在0.1mm（但，国内SLA精度在0.1——0.3mm之间，并且存在一定的波动性）。 4、表面质量较好，工件的最上层表面很光滑，侧面可能有台阶不平及不同层面间的曲面不平。 5、系统分辨率较高。
《材料成型技术》教学大纲 大纲说明 课程代码：3335006 总学时：48学时（讲课42学时，实验6学时） 总学分：3 课程类别：专业模块选修课 适用专业：机械设计制造及其自动化专业 预修要求：工程图学、机械工程材料、机械设计、材料力学 一、课程的性质、目的、任务： 本课程将理论与工艺一融为一体，首先对整个材料的加工过程作综合描述，进而引出材料成型所涉及的一些基本问题，并简要介绍其发展现状。然后阐述材料成型所涉及的若干共性理论问题，包括液态金属的凝固理论、材料成型的热过程、塑性成型的物理、力学基础等，最后分别介绍了各种材料成型的工艺方法、过程分析、技术要点及相关的工艺设备和模具等。通过本课程的学习，使学生掌握材料凝固成型、塑性成型、焊接成型的理论和基本工艺。对塑料成型、粉末成型、表面成型做一般了解。 二、课程教学的基本要求： 本课程以课堂讲授为主；每章布置作业，以巩固和加深对基本原理的理解和应用。实验的主要内容是了解材料成型的工艺、工装（模具）。 考核形式为笔试，总评成绩将参考平时作业（占5%）和实验情况（占5%）。 三、大纲的使用说明： 大纲正文 第一章绪论学时：2学时（讲课2学时）本章讲授要点：了解材料成型技术的基本方法、基本问题和发展现状，了解学习本课程的意 义。 重点：成型技术的基本方法 难点： 第二章材料凝固理论学时：6学时（讲课6学时）本章讲授要点：了解凝固过程中的热力学计算方法，凝固理论在铸造、焊接工艺中的应用。 重点：热力学计算及在铸造、焊接工艺中的具体应用。 难点：热力学计算 第一节材料凝固概述 第二节凝固的热力学基础
第三节形核 第四节生长 第五节溶质再分配 第六节共晶合金的凝固 第七节金属及合金的凝固方式 第八节凝固成型的应用 习题：课外补充4-6题 第三章材料成型热过程学时：4学时（讲课4学时）本章讲授要点：了解材料加热热效率的计算方法，学会分析温度场。 重点：热效率的计算方法，分析温度场。 难点：分析温度场。 第一节材料成型热过程的基本特点 第二节材料加热过程的热效率 第三节温度场 第四节焊接热循环 习题：课外补充3-5题 第四章塑性成型理论基础学时：6学时（讲课6学时）本章讲授要点：从金属学角度分析材料塑性变形对性能的影响，根据屈服准则分析材料的塑性变形力学条件。 重点：塑性变形对材料性能的影响。材料应力、应变状态分析，屈服准则的应用。 难点：塑性变形对材料性能的影响。材料应力、应变状态分析，屈服准则的应用。第一节金属冷态下的塑性变形 第二节金属热态下的塑性变形 第三节应力状态和应变状态分析 第四节屈服准则 第五节应力状态对塑性和变形抗力的影响 第六节真实应力-应变曲线 习题：课外补充3-5题 第五章凝固成型技术学时：4学时（讲课4学时）本章讲授要点：了解凝固成型的方法及凝固件的结构设计要点。 重点：凝固成型件的结构设计 难点：凝固成型件的结构设计 第一节凝固成型用金属材料 第二节液态金属的获得 第三节凝固成型方法 第四节凝固成型件的结构设计
科学实践 摘要：快速成型技术兴起于20世纪80年代，是现代工业发展不可或缺的一个重要环节。本文介绍了快速成型技术的产生、技术原理、工艺特点、设备特点等方面，同时简述快速成型技术在国内的发展历程。 关键词：快速成型烧结固化叠加发展服务 0引言 在现代市场经济全球一体化背景下的今天，企业要在竞争日益激烈的市场经济中掌握先机，占据有利地位，需要有技术和产品上的创新，把握并引导市场的发展方向。与此同时，对于市场的需求，企业需要做出快速的响应，切合当前需求，而现有的常规技术手段已经不能对市场的需求做出最快的反应。与此同时快速制造技术的快速发展，体现了现代先进制造技术对全球制造业的支撑，通过应用快速成型技术企业能迅速响应市场需求，最快速度的抢占新兴市场。企业需要通过采用快速成型技术来降低开发、生产成本、缩短研发周期、提高市场快速响应能力，保持强大的市场竞争力。 1快速成形技术的产生 快速原型（Rapid Prototyping，RP）技术，又称快速成形技术，是当今世界上飞速发展的制造技术之一。快速成形技术最早产生于二十世纪70年代末到80年代初，美国3M公司的阿伦赫伯特于1978年、日本的小玉秀男于1980年、美国UVP公司的查尔斯胡尔1982年和日本的丸谷洋二1983年，在不同的地点各自独立地提出了RP的概念，即用分层制造产生三维实体的思想。查尔斯胡尔在UVP的继续支持下，完成了一个能自动建造零件的称之为Stere-olithography Apparatus(SLA)的完整系统SLA-1，1986年该系统获得专利，这是RP发展的一个里程碑。同年，查尔斯胡尔和UVP的股东们一起建立了3D System公司。与此同时，其它的成形原理及相应的成形系统也相继开发成功。1984年米歇尔法伊杰提出了薄材叠层（Laminated Object Manufacturing，以下简称LOM）的方法，并于1985年组建Helisys公司，1992年推出第一台商业成形系统LOM-1015。1986年，美国Texas大学的研究生戴考德提出了选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，简称SLS)的思想，稍后组建了DTM公司，于1992年开发了基于SLS的商业成形系统Sinter-station。斯科特科瑞普在1988年提出了熔融成形(Fused Deposi-tion Modeling，简称FDM)的思想，1992年开发了第一台商业机型3D-Modeler。 自从80年代中期SLA光成形技术发展以来到90年代后期，出现了几十种不同的RP技术，但是SLA、SLS和FDM几种技术，目前仍然是RP技术的主流，最近几年LJP（立体喷墨打印）技术发展迅速，以色列、美国、日本等国的RP设备公司都力推此类技术设备。 2快速成型技术特点 RP技术与传统制造方法（即机械加工）有着本质的区别，它采用逐渐增加材料的方法（如凝固、焊接、胶结、烧结、聚合等）来形成所需的部件外型，由于RP技术在制造产品的过程中不会产生废弃物造成环境的污染，（传统机械加工的冷却液等是污染环境的），因此在当代讲究生态环境的今天，这也是一项绿色制造技术。 RP技术集成了CAD、CAM、激光技术、数控技术、化工、材料工程等多项技术，解决了传统加工制造中的许多难题。 RP技术的基本工作原理是离散与堆积，在使用该技术时，首先设计者借助三维CAD或者通过逆向工程所采集的几何数据，建立数 字化模型，这是完成快速成型制造的一项基本条件，借助现有的主流三维设计软件建立三维模型，再经过三维CAD导出相应的文件格式输入快速成型机当中，通过逐点、逐面进行三维的立体堆积，部件完成后，再经过必要的后续处理，使完成的部件在性能、形状尺寸、外观上等方面达到设计要求。 RP技术的特点 从原理上说，应用RP技术来进行产品制造，可以忽略产品部件的外形复杂程度(这也是与传统机械加工方式制造产品的最大区别之一)，原材料的利用率接近100%，制造精度最高可达0.01mm。 RP技术的主要特点有： 2.1制造快速 RP技术是并行工程中进行复杂原型或者零件制造的有效手段，能使产品设计和模具生产同步进行，从而提高企业研发效率，缩短产品设计周期，极大的降低了新品开发的成本及风险，对于外形尺寸较小，异形的产品尤其适用。 2.2CAD/CAM技术的集成 设计制造一体化一直来说是现在的一个难点，计算机辅助工艺（CAPP）在现阶段由于还无法与CAD、CAM完全的无缝对接，这也是制约制造业信息化一直以来的难点之一，而快速成型技术集成CAD、CAM、激光技术、数控技术、化工、材料工程等多项技术，使得设计制造一体化的概念完美实现。 2.3完全再现三维数据 经过快速成型制造完成的零部件，完全真实的再现三维造型，无论外表面的异形曲面还是内腔的异形孔，都可以真实准确的完成造型，基本上不再需要再借助外部设备进行修复。 2.4成型材料种类繁多 到目前为止，各类RP设备上所使用的材料种类有很多，树脂、尼龙、塑料、石蜡、纸以及金属或陶瓷的粉末，基本上满足了绝大多数产品对材料的机械性能需求。 2.5创造显著的经济效益 与传统机械加工方式比较，开发成本上节约10倍以上，同样，快速成型技术缩短了企业的产品开发周期，使的在新品开发过程中出现反复修改设计方案的问题大大减少，也基本上消除了修改模具的问题，创造的经济效益是显而易见的。 2.6应用行业领域广 RP技术经过这些年的发展，技术上已基本上形成了一套体系，同样，可应用的行业也逐渐扩大，从产品设计到模具设计与制造，材料工程、医学研究、文化艺术、建筑工程等等都逐渐的使用RP技术，使得RP技术有着广阔的前景。 3现阶段主流的RP工艺方法介绍 3.1SLA（立体光造型技术） 立体光造型技术是典型的逐层制造法，采用光敏树脂（聚丙烯酸脂）为原料，紫外激光在工控机的控制下根据零件的分层截面信息，在光敏树脂等相应材料的液面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂经过光聚合反应而固化，形成零件的一个分层截面，一层固化好后工作平台下降一个分层厚的距离，以便在先前固化好的零件分层截面是重新涂抹一层新的液态树脂，然后工控机控制激光再扫描下一分层截面，层与层之间也因此而紧密连接在一起没有缝隙。如此反复直至 快速成型技术及在我国的发展罗庚（贵阳生产力促进中心快速成型服务中心） 第一手的测试数据。树立典型，用第一手的数据和直接的经济效率吸取使用单位，使使用单位对锅炉节能降耗改造工程的作用和意义有更直接的认识，吸引其主动开展改造工程，为以后大规模的节能工作打下坚实的基础。 3.5质监系统应强化对工业锅炉节能降耗工作的监管和技术指导与服务。切实加强锅炉给水水质监管，做好水处理设备投入和水处理人员的培训，保障锅炉给水水质指示达到GB1576《工业锅炉水质》标准要求，防止锅炉结垢。 参考文献： [1]颜曙光.浅析工业锅炉节能减排.中小企业管理与科技.2009.(6). [2]陈听宽.节能原理与技术[M].北京.机械工业出版社.1998. [3]刘茂俊.燃煤工业锅炉节煤实用技术[M].北京.中国电力出版社.2000. （上接第165页） 166
快速成型技术的发展和应用 摘要：科技飞速发展的今天，人类对制造业也提出了更高的要求，行业竞争也日趋激烈。 快速成型技术也应运而生，并且展现了它强大的生命力和广阔的应用前景。目前，快速成型技术已在工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到了广泛应用。并且随着这一技术本身的发展，其应用领域将不断拓展。 The rapid development of science and technology today, the human is put forward higher requirements on manufacturing, industry competition is increasingly fierce. Rapid prototyping technology also arises at the historic moment, and shows its strong vitality and broad application prospects. At present, the modelling of rapid prototyping technology has been in the industry, machinery manufacturing, aerospace, military, architecture, film and television, home appliances, light industry, medicine, archaeology, cultural art, sculpture, jewelry, and other fields has been widely used. And with the development of the technology itself, and will continue to expand its application field. 关键词：快速成型，堆积法，高集成性、高柔性、高速性，自动、直接、快速、精确。 前言： 21世纪是以知识经济和信息社会为特征的时代，随着科学技术的发展和社会需求的多样化，全球统一市场和经济全球化的逐步形成，产品的竞争更加激烈。在工业化的国家中，60%—80%的财富是由制造业提供的。制造业是衡量一个国家实力水平的重要标志之一，也是创造社会财富和国民经济赖以生存发展的重要支柱产业。 现代制造已不仅仅是机械制造，而且具有大制造，全过程，多科学的新特点。大制造应包括机电产品的制造，工业流程制造，材料科学制造等等，所以它是一个广义的制造概念。 我国在先进制造技术方面和国外有比较大的差距，特别是我国制造业的自动化，信息化水平不高。大力发展和应用先进制造技术，勇气改造传统产业和形成高技术，提升我国制造业得产业结构，产品结构和组织结构，增强其技术创新能力，产品开发，和市场竞争能力。是制造业，特别是机械制造业走出困局的关键性措施。这样才能保证我们世界工厂地位的确立，实现由制造业大国向制造业强国的转变。 快速成型技术的诞生 快速成型技术作为一个专用名词在20世纪80年代末期，美国为了加强其制造业的竞争力与促进国民经济的增长，根据其制造业面临的挑战与机遇，并对其制造业存在的问题进行深刻反省提出来的。快速成型技术是集成制造技术，电子技术，信息技术，自动化技术，能源晕技术，材料科学以及现在管理技术等众多技术的交叉，融合和渗透而发展起来的，涉及到制造业中的产品设计，加工装配，检验测试，经营管理等产品生命周期全过程，已实现优质，高效，低耗，清洁，灵活生产，提高对动态多变，细分的市场的适应能力和竞争能力的一项综合技术。 快速成型技术是顺应这一潮流而出现的先进制造技术，它能自动，直接，快速，精确的将设计思想物转化具有一定功能的原型或直接制造零件，快速成型技术是先进制造技术的重要组成部分，也是制造技术在制造理论的一次革命性飞跃，快速成型技术目前在美国，欧洲，日本等地已被广泛应用，受到制造业界及各类用户的普遍重视。 世界上第一台快速成形机于自1988年诞生于美国。快速成型制造技术是国外20世纪80年
四种常见快速成型技术 FDM 丝状材料选择性熔覆（Fus ed Dep osi tion Mod eling）快速原型工艺是一种不依*激光作为成型能源、而将各种丝材加热溶化的成型方法，简称FDM。 丝状材料选择性熔覆的原理室，加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作X-Y平面运动。热塑性丝状材料（如直径为1.78m m的塑料丝）由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热和溶化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.127mm厚的薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。 这种工艺方法同样有多种材料选用，如ABS塑料、浇铸用蜡、人造橡胶等。这种工艺干净，易于操作，不产生垃圾，小型系统可用于办公环境，没有产生毒气和化学污染的危险。但仍需对整个截面进行扫描涂覆，成型时间长。适合于产品设计的概念建模以及产品的形状及功能测试。由于甲基丙烯酸ABS（M AB S）材料具有较好的化学稳定性，可采用加码射线消毒，特别适用于医用。但成型精度相对较低，不适合于制作结构过分复杂的零件。 FD M快速原型技术的优点是： 1、操作环境干净、安全可在办公室环境下进行。 2、工艺干净、简单、易于材作且不产生垃圾。 3、尺寸精度较高，表面质量较好，易于装配。可快速构建瓶状或中空零件。 4、原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。 5、材料利用率高。 6、可选用多种材料，如可染色的A BS和医用A BS、PC、PP SF等。 FDM快速原型技术的缺点是： 1、做小件或精细件时精度不如SLA，最高精度0.127mm。 2、速度较慢。 SL A 敏树脂选择性固化是采用立体雕刻（Stereo litho gra phy）原理的一种工艺，简称SLA，也是最早出现的、技术最成熟和应用最广泛的快速原型技术。 在树脂液槽中盛满液态光敏树脂，它在紫外激光束的照射下会快速固化。成型过程开始时，可升降的工作台处于液面下一个截面层厚的高度，聚焦后的激光束，在计算机的控制下，按照截面轮廓的要求，沿液面进行扫描，使被扫描区域的树脂固化，从而得到该截面轮廓的塑料薄片。然后，工作台下降一层薄片的高度，以固化的塑料薄片就被一层新的液态树脂所覆盖，以便进行第二层激光扫描固化，新固化的一层牢固的粘结在前一层上，如此重复不已，知道整个产品成型完毕。最后升降台升出液体树脂表面，即可取出工件，进行清洗和表面光洁处理。 光敏树脂选择性固化快速原型技术适合于制作中小形工件，能直接得到塑料产品。主要用于概念模型的原型制作，或用来做装配检验和工艺规划。它还能代替腊模制作浇铸模具，以及作为金属喷涂模、环氧树脂模和其他软模的母模，使目前较为成熟的快速原型工艺。 SL A快速原型技术的优点是： 1、成形速度较快。 2、系统工作相对稳定。 3、尺寸精度较高，可确保工件的尺寸精度在0.1m m（但，国内SL A精度在——0.3mm之间，
焊接冶金学(基本原理)课后习题 1.试述熔化焊接、钎焊和粘接在本质上有何区别？ 熔化焊接：使两个被焊材料之间(母材与焊缝)形成共同的晶粒 针焊：只是钎料熔化，而母材不熔化，故在连理处一般不易形成共同的晶粒，只是在钎料与母材之间形成有相互原于渗透的机械结合。 粘接：是靠粘结剂与母材之间的粘合作用，一般来讲没有原子的相互渗透或扩散。 2.怎样才能实现焊接，应有什么外界条件？ 从理论来讲，就是当两个被焊好的固体金属表面接近到相距原子平衡距离时，就可以在接触表面上进行扩散、再结晶等物理化学过程，从而形成金属键，达到焊接的目的。然而，这只是理论上的条件，事实上即使是经过精细加工的表面，在微观上也会存在凹凸不平之处，更何况在一般金属的表面上还常常带有氮化膜、油污和水分等吸附层。这样，就会阻碍金属表面的紧密接触。 为了克服阻碍金属表面紧密接触的各种因素，在焊接工艺上采取以下两种措施：1)对被焊接的材质施加压力目的是破坏接触表面的氧化膜，使结合处增加有效的接触面积，从而达到紧密接触。 2)对被焊材料加热(局部或整体) 对金属来讲，使结合处达到塑性或熔化状态，此时接触面的氧化膜迅速破坏，降低金属变形的阻力，加热也会增加原于的振动能，促进扩散、再结晶、化学反应和结晶过程的进行。 3.焊条的工艺性能包括哪些方面? （详见：焊接冶金学（基本原理）p84） 焊条的工艺性能主要包括：焊接电弧的稳定性、焊缝成形、在各种位置焊接的适应性、飞溅、脱渣性、焊条的熔化速度、药皮发红的程度及焊条发尘量等 4.低氢型焊条为什么对于铁锈、油污、水份很敏感？（详见：焊接冶金学（基本原理）p94） 由于这类焊条的熔渣不具有氧化性，一旦有氢侵入熔池将很难脱出。所以，低氢型焊条对于铁锈、油污、水分很敏感。 5.焊剂的作用有哪些？ 隔离空气、保护焊接区金属使其不受空气的侵害，以及进行冶金处理作用。 6.能实现焊接的能源大致哪几种？它们各自的特点是什么？ 见课本p3 ：热源种类 7.焊接电弧加热区的特点及其热分布？（详见：焊接冶金学（基本原理）p4）热源把热能传给焊件是通过焊件上一定的作用面积进行的。对于电弧焊来讲，这个作用面积称为加热区，如果再进一步分析时，加热区又可分为加热斑点区和活性斑点区； 1)活性斑点区活性斑点区是带电质点(电子和离于)集中轰击的部位，并把电能转为热能； 2)加热斑点区在加热斑点区焊件受热是通过电弧的辐射和周围介质的对流进行的。 8.什么是焊接，其物理本质是什么？ 焊接：被焊工件的材质(同种或异种)，通过加热或加压或二者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子问的结合而形成永久性连接的工艺过程称为焊接。
计算机集成制造技术与系统——读书报告 题目名称： 专业班级： 学号： 学生姓名： 指导老师
快速成型技术及其发展 摘要：快速成型技术兴起于20世纪80年代，是现代工业发展不可或缺的一个重要环节。本文介绍了快速成型技术的产生、技术原理、工艺特点、设备特点等方面，同时简述快速成型技术在国内的发展历程。 关键词：快速成型烧结固化叠加发展服务 1 快速成形技术的产生 快速原型（Rapid Prototyping，RP）技术，又称快速成形技术，是当今世界上飞速发展的制造技术之一。快速成形技术最早产生于二十世纪70年代末到80年代初，美国3M公司的阿伦赫伯特于1978年、日本的小玉秀男于1980年、美国UVP公司的查尔斯胡尔1982年和日本的丸谷洋二1983年，在不同的地点各自独立地提出了RP的概念，即用分层制造产生三维实体的思想。查尔斯胡尔在UVP的继续支持下，完成了一个能自动建造零件的称之为Stereolithography Apparatus (SLA)的完整系统SLA-1，1986年该系统获得专利，这是RP发展的一个里程碑。同年，查尔斯胡尔和UVP的股东们一起建立了3D System公司。与此同时，其它的成形原理及相应的成形系统也相继开发成功。1984年米歇尔法伊杰提出了薄材叠层（Laminated Object Manufacturing，以下简称LOM）的方法，并于1985年组建Helisys 公司，1992年推出第一台商业成形系统LOM-1015。1986年，美国Texas大学的研究生戴考德提出了选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，简称SLS)的思想，稍后组建了DTM 公司，于1992年开发了基于SLS的商业成形系统Sinterstation。斯科特科瑞普在1988年提出了熔融成形(Fused Deposition Modeling，简称FDM)的思想，1992年开发了第一台商业机型3D-Modeler。 自从80年代中期SLA光成形技术发展以来到90年代后期，出现了几十种不同的RP技术，但是SLA、SLS和FDM几种技术，目前仍然是RP技术的主流，最近几年LJP（立体喷墨打印）技术发展迅速，以色列、美国、日本等国的RP设备公司都力推此类技术设备。 2基本原理 快速成形技术是在计算机控制下，基于离散、堆积的原理采用不同方法堆积材料，最终完成零件的成形与制造的技术。 1、从成形角度看，零件可视为“点”或“面”的叠加。从CAD电子模型中离散得到“点”或“面”的几何信息，再与成形工艺参数信息结合，控制材料有规律、精确地由点到面，由面到体地堆积零件。 2、从制造角度看，它根据CAD造型生成零件三维几何信息，控制多维系统，通过激光束或其他方法将材料逐层堆积而形成原型或零件。 3快速成型技术特点 RP技术与传统制造方法（即机械加工）有着本质的区别，它采用逐渐增加材料的方法（如凝固、焊接、胶结、烧结、聚合等）来形成所需的部件外型，由于RP技术在制造产品的过程中不会产生废弃物造成环境的污染，（传统机械加工的冷却液等是污染环境的），因此在当代讲究生态环境的今天，这也是一项绿色制造技术。 RP技术集成了CAD、CAM、激光技术、数控技术、化工、材料工程等多项技术，解决了传统加工制造中的许多难题。 RP技术的基本工作原理是离散与堆积，在使用该技术时，首先设计者借助三维CAD或者