快速制造技术及其应用共66页文档

第七章快速制模技术及应用第一节快速制模的基本概念模具工业是制造业的重要组成部分，对国民经济和社会发展将起到越来越大的作用，模具制造的水平已成为衡量一个国家制造能力的重要标志之一。

快速制模技术是将传统的制模方法与快速成形技术相结合，使模具制造周期缩短、成本降低、经济效益提高，在精度和使用寿命方面满足生产要求。

快速制模的目标是以最快的速度从三维CAD设计模型获得所需要的最终产品零件。

随着新的快速成形技术的不断出现，快速制模技术也在不断迅速发展，并成为快速制造的重要组成部分。

按照模具的寿命(零件生产数量)，快速制模可以分为：1.用于制作少量原型(4～20件)的硅橡胶模。

2.用于小批量生产(100～5,000件)的环氧树脂背衬模和低碳钢一渗铜模。

3.用于批量生产(10,000～100,000件以上)的工具钢一渗铜模和电铸镍壳背衬模。

按照模具的用途，快速制模可以分为：1．金属铸造模的快速制造。

2．塑料注射模的快速制造。

3．钣金成形模的快速制造。

4．电火花成形电极的快速制造。

为了进一步阐明快速成形与快速制模以及各种快速制模技术之间的联系，可通过一张不完整的路线图，描述塑料注射模的快速制造，如图7-1所示。

230图7-1 快速成形和快速制模的路线从图中可见，快速成形的制件除了作为概念模型或有结构的、可装配的功能模型外，正在迅速发展和具有广阔应用前景的是快速制模领域，即用于制作母模、直接制模和间接制模。

将原型作为母模，先浇出硅橡胶模，然后通过在硅橡胶模具中真空浇铸聚亚胺酯复合物，可复制出一定批量的原型。

聚亚胺脂复合物具有与大多数热塑性塑料大致相同的性能，生产出的最终零件已经可以满足高级的功能验证和装配测试，以及作为试制产品供展览用。

短期或中期使用的热塑性材料注射模可以将原型当作母模，再进行金属喷镀来制作。

制作生产模具型腔的其他方法还有：电沉积或金属树脂混合物浇注等。

用这些快速制模方法制作出的模具，几乎与传统方式生产的模具一样。

发展趋势：随着 科技的发展金属 电化学技术将更 加成熟和完善应 用范围也将更加 广泛。
陶瓷型铸造技术及应用
陶瓷型铸造技术：利用陶瓷材 料制作模具用于铸造金属零件
优点：模具寿命长可重复使用 成本低
应用领域：汽车、航空航天、 医疗等行业
技术特点：可制作复杂形状的 零件精度高表面质量好
快速成型与快速模具制造技术 的应用领域与前景
快速成型与快速模具制造技术 的挑战与展望
技术发展面临的挑战
技术成熟度：快速成型与快速模具制造技术尚处于发展阶段技术成熟度有待提高 成本问题：快速成型与快速模具制造技术的成本较高需要降低成本以提高竞争力 材料限制：快速成型与快速模具制造技术对材料的要求较高需要开发更多适用的材料 应用领域：快速成型与快速模具制造技术在部分领域的应用尚不成熟需要进一步拓展应用领域
快速模具制造技术：通过计算机辅助设计（CD）和计算机辅助制造（CM）将数字模型转化为模 具的过程。
原理：利用计算机辅助设计（CD）和计算机辅助制造（CM）技术将数字模型转化为物理实体或 模具实现快速成型和快速模具制造。
应用：广泛应用于工业设计、模具制造、医疗、航空航天等领域。
技术发展历程
1980年代：快速成型技术开始出现 1990年代：快速模具制造技术逐渐成熟 2000年代：快速成型与快速模具制造技术广泛应用于工业生产 2010年代：快速成型与快速模具制造技术不断创新应用领域不断扩大
叠层实体制造技术及应用
技术原理：通 过逐层叠加材 料形成三维实
体
应用领域：广 泛应用于航空 航天、汽车、
医疗等领域
优势：制造速 度快成本低可 制造复杂结构
应用实例：航 空航天领域的 复杂零件制造 汽车领域的原 型制造医疗领 域的个性化植

快速制造技术快速制造(RM-rapid manufacturing)是基于离散－堆积成形原理的先进制造技术的总称。

由产品的三维CAD模型数据直接驱动，组装(堆积)材料单元而完成任意复杂具有使用功能的零件的技术。

直接快速制造可以避免繁复的工、模具制造；降低产品制造的耗时；使产品的制造成本有较大的下降。

例如，可增加产品设计的自由度，可采用非均质材料，可采用客户定制以及及时制造的生产方式，易于实行异地制造等越是形状复杂且批量小的零件，越应当采用快速制造技术。

激光立体光刻技术Stereolithography (SLA)激光立体光刻技术最早是由美国3D System公司开发，由计算机传来的三维实体数据文件，经软件分层处理后，驱动扫描激光头，发出紫外激光束在液态紫外光敏树脂的表层进行扫描。

液态树脂表层受光束照射的那些点发生聚合反应形成固态。

每一层的扫描完成之后，工作台下降一个凝固层的厚度，一层新的液态树脂又覆盖在已扫描过的层表面。

一把刮刀准确地刮过新的树脂层以保证其厚度的均匀性。

如果实体上有悬空结构，可以通过预先判断并生成必要的支撑工艺结构。

依次类推形成最后的零件。

利用这种快速成形工艺可以快速制造功能零件。

生产SLA 系统的主要制造商有美国的3Dsystems公司、德国的EOS公司以及国内的西安交通大学等。

分层实体制造技术Laminated Object Manufacturing (LOM)LOM快速原型技术将特殊的箔材一层一层地堆叠起来，激光束只须扫描和切割每一层的边沿。

常用的箔材是在一个面上涂热熔树脂胶的纸。

箔材由供料卷筒被拉出，胶面朝下平整地经过造型平台，由位于另一方的收料卷筒收卷起来。

每敷覆一层纸，就由一个热压辊压过纸的背面，将其粘合在平台上或前一层纸上。

这时激光束开始沿着当前层的轮廓进行切割。

激光束经准确聚焦，使之刚好能切穿一层纸的厚度。

在模型四周和内腔的纸被激光束切割成细小的碎片以便后期处理时可以除去这些材料。

实例7：大尺寸零件反求测量
指标 设备
FARO P12-7关节便 携式测量系统
测量范围 （m） 3.7
单点球测试重 单点锥测试重 复精度（mm） 复精度 （mm） ±0.064 ±0.073
激光扫描头扫 描精度 （mm） ±0.05
注：采用转站蛙跳球标定模板，测量范围可以无限扩展， 非常适合于大型风力叶片，汽车外形的三维数字化测量。
CCD测量范 围（mm） 400×600×3 00
单帧测量精度 （mm） ±0.02/100
整体测量精度 0.1mm/M
备注 能获取零件的 内部结构数据
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快速制造技术
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快速制造技术
11:40:38
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快速制造技术 数字近景工业三维摄影(面扫描）测量系统的测量相对精度可达到 1/100000，适合于大型曲面模具、艺术模型、面板、天线及部件的检测。 主要应用领域包括：航空航天、大型天线、汽车制造、造船及其它工业 测量领域。
快速制造技术及其应用
（产品数字化快速开发技术与应用）
快速制造技术
主 要 内 容
快速制造技术 逆向工程（反求工程）及其应用 激光快速成型技术及其应用 快速模具制造技术及其应用
11:40:38
2
快速制造技术
一、快速制造技术
1. 2.
快速制造(RM--Rapid Manufacturing) 是基于离散- 堆 积成形原理的先进制造技术的总称。 基本定义：“由产品的三维CAD 模型数据直接驱动，组 装(堆积) 材料单元而制造出任意复杂且具有使用功能的 零件的科学技术。”
激 光 器 扫 描 镜
激 光 束 铺粉 装置 零件
Z轴 升降台

第2章快速成型技术及其在铸造中的应用2.1 引言快速成型（Rapid Prototyping-RP）技术是国际上新开发的一项高科技成果，简称快速成型技术。

它的核心技术是计算机技术和材料技术。

快速成型技术摒弃了传统的机械加工方法，根据CAD生成的零件几何信息，控制三维数控成型系统，通过激光束或其它方法将材料堆积而形成零件的。

用这种方法成型，无需进行费时、耗资的模具或专用工具的设计和机械加工，极大地提高了生产效率和制造柔性。

从制造原理上讲，快速成型（RP）技术一改“去除”为“堆积”的加工原理，给制造技术带来了革命性的飞跃式发展。

基于RP原理的快速制造技术经十几年的发展，在创新设计、反求工程、快速制模各方面都有了长足的进步。

RP技术的应用可大大加快产品开发速度，缩短制造周期，降低开发成本。

现代市场竞争的特点是多品种、小批量、短周期，要求企业对市场能快速响应并不断推出新产品占领市场，如新型电话机的市场寿命仅6个月，又如台湾和日本摩托车行业，每三个月就推出一种新型摩托车投入市场，摩托车几万辆就需改型。

二十世纪九十年代以来，在信息互联网支持下，由快速设计、反求工程、快速成形、快速制模等构成的快速制造技术取得很大进展。

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Alan J. Hebert(1978)、日本的小玉秀男(1980)、美国UVP公司的Charles W. Hull(1982)和日本的丸谷洋二(1983)，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。

Charles W. Hull 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，Charles W. Hull和UVP的股东们一起建立了3D System公司。

进行装配校核、干涉检查等对新产品开发，尤其是在有限空间内的 复杂、昂贵系统（如卫星、导弹）的可制造性和可装配性检验尤为重要。
如果一个产品的零件多而且复杂就需要做总体装配校核。在投产之 前，先用快速成型制造技术制作出全部零件原型，进行试安装，验证设 计的合理性和安装工艺与装配要求，若发现有缺陷，便可以迅速、方便 地进行纠正，使所有问题在投产之前得到解决。下图为某发动机气缸部 件中气缸盖改进设计后制作的用于装配检验的LOM模型。
右图所示为用于冷却系统流动分析的 气缸盖模型。为了进行分析，该气缸 盖模型装在了曲轴箱上，并配备了必 要的辅助零件。图中的蓝色液体高亮 显示了腔体的内部结构。当分析结果 不合格时，可以将模型拆卸，对模型 零件进行修改之后重装模型，进行另 一轮的流动分析，直至各项指标均满 足要求为止。
第二节 快速成型技术的应用领域
第一节 快速原型的基本用途
新产品的开发总是从外形设计开始的，外观是否美观和实用往往决 定了该产品是否能够被市场接受。传统的加工方法中，二维工程视图在设
计加工和检测方面起着重要作用。其做法是根据设计师的思想，先制作出
效果图及手工模型，经决策层评审后再进行后续设计。但由于二维工程视 图或三维观感图不够直观，表达效果受到很大限制，而手工制作模型耗时
图10-13 对RP模型需求的行业
第二节 快速成型技术的应用领域
1. 汽车行业
快速成型技术应用效益较为显著的行业为汽车制造业，世界上几乎 所有著名的汽车生产商都较早地引入快速成型技术辅助其新车型的开发， 取得了显著的经济效益和时间效益。 现代汽车生产的特点就是产品的多型号、短周期。为了满足不同的 生产需求，就需要不断地改型。虽然现代计算机模拟技术不断完善，可以 完成各种动力、强度、刚度分析，但研究开发中仍需要做成实物已验证其 外观形象、工装可安装性和可拆卸性。对 于形状、结构十分复杂的零件，可以采用 快速成型技术制作零件原型以验证设计人 员的设计思想，并利用零件原型做功能性 和装配性检验。右图为采用光固化快速成 型及技术制造的汽车水箱面罩原型。

1976年，P. L. DiMatteo进一步明确 地提出，这种堆积技术能够用来制 造用普通机加工设备难以加工的曲 面，如螺旋桨、三维凸轮和型腔模 具等。在具体实践中，通过铣床加 工成形沿高度标识的金属层片，然 后通过粘接成叠层状，采用螺栓和 带锥度的销钉进行连接加固，制作 了型腔模，如图所示。
由DiMatteo制作的型腔模叠层模型
第三节 快速成型技术的特点及优越性
❖ 快速成型技术的优越性
◎ 用户受益 用户在产品设计的最初阶段，也能见到产品样品甚至少量产品，这使得用户能及早、 深刻地认识产品，进行必要的测试，并及时提出意见，从而可以在尽可能短的时间 内，以最合理的价格得到性能最符合要求的产品。
第一章 概 论
1 快速成型技术的早期发展 2 快速成型技术的主要方法及分类 3 快速成型技术的特点及优越性 4 快速成型技术的发展趋势
1902年，Carlo Baese在他的美国专利(# 774549)中，提出了用光敏聚合 物制造塑料件的原理，这是现代第一种快速成形技术—“立体平板印 刷术”(StereoLithography)的初始设想。
1940年，Perera提出了在硬纸板上切割轮廓线，然后将这些纸板粘结 成三维地形图的方法。
第一章 概 论
1 快速成型技术的早期发展 2 快速成型技术的主要方法及分类 3 快速成型技术的特点及优越性 4 快速成型技术的发展趋势
第二节 快速成型技术的主要方法及分类
❖ 快速成型过程
快速成型离散和叠加过程
快速成型技术的制造方式是基 于离散堆积原理的累加式成型， 从成型原理上提出了一种全新 的思维模式，即将计算机上设 计的零件三维模型，通过特定 的数据格式存储转换并由专用 软件对其进行分层处理，得到 各层截面的二维轮廓信息，按 照这些轮廓信息自动生成加工 路径，在控制系统的控制下， 选择性地固化光敏树脂或烧结 粉状材料或切割一层层的成型 材料，形成各个截面轮廓薄片， 并逐步顺序叠加成三维实体， 然后进行实体的后处理，形成 原型或零件，如图所示。

快速成型制造技术一．快速制造技术简介快速制造(RM-rapid manufacturing)是基于离散－堆积成形原理的先进制造技术的总称。

由产品的三维CAD模型数据直接驱动，组装(堆积)材料单元而完成任意复杂具有使用功能的零件的技术。

直接快速制造可以避免繁复的工、模具制造；降低产品制造的耗时；使产品的制造成本有较大的下降。

例如，可增加产品设计的自由度，可采用非均质材料，可采用客户定制以及及时制造的生产方式，易于实行异地制造等越是形状复杂且批量小的零件，越应当采用快速制造技术。

快速成型(Rapid Prototyping)是上世纪80年代末及90 年代初发展起来的新兴制造技术，是由三维CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的总称。

它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。

由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。

与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。

通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段相结合，已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了广泛应用。

快速成型技术自问世以来，得到了迅速的发展。

由于RP技术可以使数据模型转化为物理模型，并能有效地提高新产品的设计质量，缩短新产品开发周期，提高企业的市场竞争力，因而受到越来越多领域的关注，被一些学者誉为敏捷制造技术的使能技术之一。

二．快速成型的基本原理与传统的机械切削加工，如车削、铣削等“材料减削”方法不同的是，“快速成型制造技术”是靠逐层融接增加材料来生成零件的，是一种“材料迭加”的方法，快速成型技术采用离散/堆积成型原理，根据三维CAD模型，对于不同的工艺要求，按一定厚度进行分层，将三维数字模型变成厚度很薄的二维平面模型。

第二节 快速成型技术的分类 一、按成型方法可分为两类：
1.基于激光或其它光源的成形技术，如：立体光造型 （SLA）、 迭层实体制造（LOM）、选择性激光烧结（SLS）、 形状沉积制造（SDM）等 。 2.基于喷射的成形技术，如：熔融沉积制造（FDM）、三维 打印制造（3DP）等。
二、具体工艺：
1.立体光造型（Stereo lithography：SLA）： 光造型装置一直以美国3D Systems公司的SLA型产品独占鳌头，并 形成垄断市场。其工作原理如图1所示。由激光器发出的紫外光， 经光学系统汇集成一支细光束，该光束在计算机控制下，有选 择的扫描液激光器扫描镜升降装置容器光敏树脂体光敏树脂表 面，利用光敏树脂遇紫外光凝固的机理，一层一层固化光敏树 脂，每固化一层后，工作台下降一精确距离，并按新一层表面 几何信息使激光扫描器对液面进行扫描，使新一层树脂固化并 紧紧粘在前一层已固化的树脂上，如此反复，直至制作生成一 零件实体模型。激光立体造型制造精度目前可达±0.1mm,主要 用作为产品提供样品和实验模型。
间隙或称裂纹孔洞面片丢失切片轮廓不封闭制作时扫描线超出轮廓导致样件制作失败法向量错误顶点记录顺序混乱三维模型数据混乱但不影响切片和样件制作顶点错误两个以上三角形重建stl文件重叠或分离错误单精度计算如圆整误差较大不能切片面片退化三角网格化计算不完重建stl文件拓扑信息紊乱细微特征在三角网格化圆整时造成重建stl文件stl文件的检测和修复stl文件的错误检测与修复算法研究赵吉宾等计算机应用2003vol23no2p323336第二节三维模型的分层处理基于拓扑信息的算法基于stl模型的分层基于三角面片的位置信息按使用数据格式三角面片没有组织形式cad模型的直接分层rp分层算法等层厚切片按分层方法适应性切片第三节扫描路径的生成技术轮廓扫描viv1v2

产工作奠定 了坚实的基础 。 本文 以此为视角， 对现代快速模具制造技术及其 应用 问题进行了系统的研究， 得出了一些结论， 希望这些 结论能够在一定程
度上指导实践。 １ 直接快速模 具和 间接 快速模具技术及其 比较
对直接快速模具制造来说，指 的是通过对不同类 型快速原型技术 的应 用， 直接制造 出模具本身 ， 接下来再进行 一些必要 的后续处理 工作， 比如机
科 学 进步
科学 与财富
现代快速模具制造技术及其应用
齐向前
（ 平高集 团有限公司 河南 平项 山 ４ ６ ７ ０ ９ ９ ） 摘 要： 在二十世纪 后半期， 快 速成形与制造技术被看做 是制造 领域中最为重大的进展之一， 这种融合了激光技术、 材料科学和信息控制技术 的新型 技术模式， 经过多年的发展之后 已经在汽车 、 家 电、 航空、 医疗等 多个不同 的领域得 到了广泛 的应 用， 并成功的实现 了面 向市场 的产 品造型设 计敏 捷化控
加工等， 目的在 于获得模具所规定的机械性能与尺寸精度 以及表面粗糙度 等１ ２ １ 。 在目 前情况下 ， 可 以直接制造 金属模具 的工艺较多， 主要涉及到激光选
区烧结、 三维打印以及形状沉积制造与三维焊接等 。但是 ， 即便这种直接快 速模具的制造技术具有其独特 的特征， 比如制造过程相对简单， 能够更加充
在汽车工业领域 ， 汽车覆盖件的材料较薄， 尺 寸较大 ， 而且形状特 殊， 对表面 质量的要求相对较高 。 将快速模具制造技术应用其中， 可以对覆盖件进行特
别 的设计 ， 传统的通 过数 控铣进行 的机 加工制造 不但 投资较大 、 风 险更 高， 并且其 生产周期相对较长。而基于快速模具制造 的熔射高熔 点合金 的快速

快速成形技术的发展及应用摘要快速成形技术（Rapid Prototyping，RP）是一种借助计算机、激光，精密传动和数控等现代手段，将计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)集成于一体，根据在计算机上构造的三维模形，以逐层累计的建造方式在很短时间内直接制造产品样品的技术，无需传统的机械加工机床和模具。

该项技术创立了产品开发的新模式，使设计师以前所未有的直观方式体会设计的感觉，感性而迅速的验证和检查所设计的产品结构和外形，从而使设计工作进入了一种全新的境界，改善了设计过程中的人机交流，缩短了产品开发的周期，加快了产品更新换代的速度，降低了企业投资新产品的风险，加强了企业引导消费者的力度。

关键词快速成形先进技术高效制造正文快速成形技术又称快速原型制造技术，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。

下面我将从RP起源、RP技术分类、RP特点、RP应用四个方面来讲解。

1、RP起源分层制造三维物体的思想雏形可追溯到4000年前。

中国出图的漆器用粘结剂把丝、麻粘结起来铺敷在底胎（类似RP的基板）上，待漆干后挖去底胎成形。

人们发现，古埃及人在公元前就已经将木材切成板后重新铺叠，制成像现代胶合板似的叠合材料。

1892年，Blanther主张用分层方法制作三维地图模形。

1979年，东京大学的中川威雄教授利用分层技术制造了金属冲裁模、成形模和注塑模。

20世纪70年代末到80年代初，美国3M公司的Alan J.Hebert（1978年）、日本的小玉秀男（1980年）、美国UVP公司的Charles W.Hull（1982年）和日本的丸谷洋二（1983年），各自独立的提出了RP的概念，即利用连续层的选取固化制作三维实体的新思想。

24 Chp3 服务内容
1．粉末材 料
成形材料除了填料和黏结剂两个主体部分，还需要加入一 些粉末助剂调节其性能，可加入一些固体润滑剂增加粉末滚动 性，如氧化铝粉末、可溶性淀粉、滑石粉等，有利于铺粉层均 匀；加入二氧化硅等密度大且粒径小的颗粒增加粉末密度，减 小孔隙率，防止打印过程中黏结剂过分渗透；加入卵磷脂减少 打印过程中小颗粒的飞扬以及保持打印形状的稳定性等。另外， 为防止粉末由于粒径过小而团聚，需采用相应方法对粉末进行 分散。
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快速制造技术及应用
2
第1章 快速制造技术入门
第3章 基于固化快速成形
的运动，以供应支架材料。左右送粉缸运动选用光杠—丝杠传动
传动。
16 Chp3 服务内容
1．3DP 打印机机 械运动机
构
三维快速成形技术不同，所使用的成形设备略有不同。3DP 打印机外形上与普通的打印机区别不大，设备有左、右两个供粉 缸。如果工作从左供粉缸开始，左供粉缸内的粉末材料通过铺粉 锟均匀分布到工作平台的金属盘上，这时铺粉锟运动到右侧的供 粉缸位置，粉末平铺后，由打印头按轮廓逐层喷出液体黏结剂进 行黏结，工作台降低一个层厚的距离。然后右边成形缸内的粉末 材料通过铺粉锟均匀分布到工作平台金属盘上前一层成形层上， 铺粉锟回到到左侧供粉缸位置，依次重叠循环，直到制作完成。
图7-3 3DP技术成形原理
3DP技术不但可以制作出 内部空心的零件，而且还能制 作出各种形状复杂、要求精细 的零件。同时，3DP技术将原 本只能在成形车间才能进行的 工艺搬到了普通办公室，使其 应用更加广泛。