模具制造工艺学模具快速成型制造技术教学课件PPT.ppt
8.1 快速成型技术简介,8.2 快速成型技术工艺方法,8.3 快速成型技术的制模方法,第8章 模具快速成型制造技术,1.快速成型技术的基本原理,8.1 快速成型技术简介,第8章 模具快速成型制造技术,快速成型制造技术原理如图8-1所示。它采用离散/堆积成型原理，根据三维CAD模型，对不同的工艺要求，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，再将数据进行一定的处理，输入加工参数，产生数控代码，在数控系统控制下以平面加工方式连续加工出每个薄层，并使之黏结而成型。,图8-1快速成型制造技术原理,1.快速成型技术的基本原理,1.快速成型技术的基本原理,快速成型技术核心是由三维设计模型直接通过软件驱动快速成型机，基于离散、堆集成型原理，逐步堆积成型材料，层层叠加形成物理模型。它不必采用传统的加工机床和工模具，只需传统加工方法的30%50%的工时和20%35%的成本，就能直接制造产品或模具。,前处理。包括原型零件三维模型的构造、三维模型的近似处理、快速成型方向的选择和三维模型的切片处理。分层叠加成型。它是快速成型的核心，包括模型截面轮廓的制作与截面轮廓的叠合。后处理。包括工件的剥离、后固化、修补、打磨、抛光和表面强化处理等。,原型零件快速成型的全过程包括前处理、分层叠加成型和后处理，如图8-2所示。,2.快速成型加工的基本过程,图8-2 原型零件快速成型的全过程,2.快速成型加工的基本过程,3.快速成型数据模型的转换与处理,图8-3 从CAD模型到RPM系统的数据转换与处理过程,快速成型数据模型的转换与处理的过程如图8-3所示。,4.快速成型系统的数据格式,目前，最普遍的方法是采用美国3D System公司开发的STL（Sterolithography）格式文件。STL格式文件格式简单、实用，是快速原型系统所应用的标准接口文件。它是用一系列的小三角形平面来逼近原来的模型，每个小三角形用三个顶点坐标和一个法向量来描述，三角形的大小可以根据精度要求进行选择。,4.快速成型系统的数据格式,（1）STL格式文件的规则,取向规则。三角形平面的法向量方向和它的三个顶点的排列顺序符合右手法则。,实体封闭规则。,共顶点规则。每相邻的两个三角形平面只能共享两个顶点,取值规则。每个小三角形平面的顶点坐标值必须是正数，不能为零或负数。,5.快速成型技术的特点,(1)制造的快速性。(2)制造技术的高度集成化。(3)制造的自由性。(4)制造过程的高柔性。,出现错误的裂缝或孔洞。三角形过多或过少。微小特征遗漏或出错。,（2）STL格式文件的错误及其修复,4.快速成型系统的数据格式,6.快速成型技术的工艺方法,光固化成型法（Stereo Lithography Appearance，SLA）；叠层实体制造法（Laminated Object Manufacturing，LOM）；熔融沉积制造法（Fused Deposition Modeling，FDM）；选择性激光烧结法（Selective Laser Sintering，SLS）。,7.快速成型技术的应用,图8-6 快速成型技术在工业领域中的应用,8.2.1 光固化成型法,8.2 快速成型技术工艺方法,第8章 模具快速成型制造技术,1光固化成型的概念,光固化成型法（Stereo Lithography Appearance，SLA），是目前快速成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。它用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面，这样层层叠加构成一个三维实体。,8.2.1 光固化成型法,2光固化成型的原理,光固化成型技术不同于传统的材料去除制造方法，它是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。该方法的成型原理：SLA将所设计零件的三维计算图像数据转换成一系列很薄的模型截面数据，然后在快速成型机上，用可控制的紫外线激光束，按计算机切片软件所得到的每层薄片的二维图形轮廓轨迹，对液态光敏树脂进行扫描固化，形成连续的固化点，从而构成模型的一个薄截面轮廓。,成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。下一层以同样的方法制造。当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮刀将黏度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地黏在前一层上。图8-7所示为光固化成型设备工作原理示意图。,8.2.1 光固化成型法,2光固化成型的原理,图8-7 光固化成型设备工作原理示意图1-激光源；2-扫描系统；3-刮刀；4-工作台；5-液槽；6-可升降工作台,8.2.1 光固化成型法,2光固化成型的原理,3光固化成型的工艺过程,8.2.1 光固化成型法,光固化成型的工艺过程一般可分为前处理、光固化成型和后处理三个阶段。具体步骤如图8-8所示。,图8-8 光固化快速成型的过程,光固化成型的后处理主要包括原型的清理、去除支撑、后固化以及必要的打磨等工作。,（1）前处理,CAD三维造型。数据转换。确定摆放方位。施加支撑。切片分层。,（2）光固化成型（3）后处理,3光固化成型的工艺过程,8.2.1 光固化成型法,4光固化成型的应用,8.2.1 光固化成型法,（1）用SLA制造模具,用SLA工艺快速制成的立体树脂模可以代替蜡模进行结壳，型壳焙烧时去除树脂膜，得到中空型壳，即可浇注出具有高尺寸精度和几何形状、表面粗糙度较小的合金铸件或直接用来制作注射模的型腔，这可以大大缩短制模过程，缩短制品开发周期，降低制造成本。,（2）对样品形状及尺寸设计进行直观分析 在新产品设计阶段，虽然可以借助设计图纸和计算模拟对产品进行评价，但不直观，特别是形状复杂产品，往往因难于想象其真实形貌而不能做出正确、及时的判断。,（3）用SLA制件进行产品性能测试与分析 在塑料制品加工企业，由于SLA制件有较好的力学性能，可用于制品的部分性能测试与分析。,4光固化成型的应用,8.2.1 光固化成型法,5光固化成型的优点,光固化成型法是最早出现的快速成型制造工艺，经过了实践的检验，成熟度高；它由CAD数字模型直接制成原型，加工速度快，产品生产周期短，无须切削工具与模具；可以加工结构外形复杂及使用传统手段难于成型的原型和模具；,可使CAD数字模型直观化，降低修复错误的成本；可为试验提供试样，并对计算机仿真计算的结果进行验证与校核；可联机操作，并进行远程控制，利于实现生产的自动化。,8.2.1 光固化成型法,5光固化成型的优点,6光固化成型的缺点,SLA系统造价高昂，使用和维护成本过高；SLA系统是对液体进行操作的精密设备，对工作环境要求苛刻；,8.2.1 光固化成型法,6光固化成型的缺点,成型件多为树脂类，强度、刚度、耐热性有限，不利于长时间保存；预处理软件与驱动软件运算量大，与加工效果关联性太高；软件系统操作复杂，入门困难，使用的格式文件不为广大设计人员熟悉。,8.2.2 叠层实体制造法,1叠层实体制造法的工作原理,叠层实体制造法（Laminated Object Manufacturing，LOM）又称分层实体制造。如图8-10所示，LOM工作原理是根据零件分层几何信息切割箔材或纸等，将所获得的层片黏结成三维实体。LOM工艺只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。,图8-10 LOM工作原理示意图1-激光器；2-激光；3-薄材料；4-收料辊；5-夹紧辊；6-进给机构；7-工作平台；8-制成件；9-原料筒；10-送料夹紧辊；11-加热辊；12-计算机；13-扫描控制系统,8.2.2 叠层实体制造法,1叠层实体制造法的工作原理,2叠层实体制造法的工艺过程,8.2.2 叠层实体制造法,（1）设计模型,设计三维CAD模型并进行数据转换。,（2）切片软件,在快速成型LOM系统中，除了激光快速成型设备硬件外,还必须配备将CAD数据模型、激光切割系统、机械传动系统和控制系统连接起来并协调运动的专用软件，该套软件通常称为切片软件。图8-11所示为截面轮廓被切割后所生成的制件。,图8-11 截面轮廓被切割后所生成的制件1-工件；2、3-内轮廓线；4-外轮廓线,2叠层实体制造法的工艺过程,8.2.2 叠层实体制造法,（2）切片软件,（3）LOM工艺参数,2叠层实体制造法的工艺过程,8.2.2 叠层实体制造法,激光切割速度。加热辊温度。激光能量。切碎网格尺寸。,（4）原型制造,基底制作。原型制作。余料去除。后置处理。,3叠层实体制造法的优点,8.2.2 叠层实体制造法,制造时间较短；制造成本比较便宜，因为其对于大型模具也无需铸造预模型；薄型板料之间通过黏结剂工艺可获得较高的黏结力。黏结剂是指一种热熔的环氧树脂，这种黏结剂具有较高的热稳定性、高的黏结力和良好的绝缘性；,无须设计和制作支撑结构；由多个零件组成的模具（凸模、凹模和压边圈），其所有的零件可同时进行制造，由此获得较高的精度；设备采用了高质量的元器件，有完善的安全保护装置，因而能长时间连续运行，可靠性高、寿命长。,4叠层实体制造法的缺憾,8.2.2 叠层实体制造法,不能直接制作塑料工件；工件（特别是薄壁件）的抗拉强度和弹性不够好；工件易吸湿膨胀，因此，成型后应尽快进行表面防潮处理；工件表面有台阶纹，其高度等于材料的厚度（通常为0.1mm），因此，成型后需进行表面打磨。,8.2.3 熔融沉积制造法,1熔融沉积制造法的工艺原理,熔融沉积制造法（Fused Deposition Modeling，FDM）又称丝状材料选择性熔覆法。其工作原理如图8-12所示。FDM工艺关键是保持熔融的成型材料刚好在凝固点之上，通常控制在比凝固点高1左右。目前，最常用的熔丝线材主要是ABS、人造橡胶、铸蜡和聚酯热塑性塑料等。1998年，澳大利亚开发出了一种新型的金属材料塑料复合材料丝用于FDM工艺。,图8-12 FDM的工作原理1-喷射器；2-支撑体；3-基层材料；4-模型,8.2.3 熔融沉积制造法,1熔融沉积制造法的工艺原理,8.2.3 熔融沉积制造法,2熔融沉积制造法的工艺过程,FDM快速成型包括：设计三维CAD模型、CAD模型的近似处理、对STL格式文件进行分层处理、造型、后处理。,设计三维CAD模型；三维CAD模型的近似处理；对STL格式文件进行分层处理；产品的造型包括两个方面：支撑制作和实体制作。后处理。,3熔融沉积制造法的优点,8.2.3 熔融沉积制造法,由于采用了热熔挤压头的专利技术，使整个系统融构造原理和操作简单，系统运行安全、维护成本低，FDM快速成型系统成本较低，不需要其他快速成型系统中昂贵的激光器。材料利用率高，且材料寿命长。可以成型任何复杂程度的零件，FDM原型特别适合有空隙的结构，可节约材料与成型时间。,体积小，无污染，是办公室环境的理想桌面制造系统。原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小。支撑去除简单，无需化学清洗，分离容易。,4熔融沉积制造法的缺点,8.2.3 熔融沉积制造法,当然，FDM工艺与其他快速成型制造工艺相比，也存在着许多缺点：,成型件的表面有较明显的条纹；沿着成型轴垂直方向的强度比较弱；需要设计与制作支撑结构；需要对整个截面进行扫描涂覆，成型时间较长；原材料价格昂贵。,8.2.4 选择性激光烧结法,1选择性激光烧结的概念及原理,选择性激光烧结法（Selective Laser Sintering，SLS）又称选区激光烧结。SLS工艺是利用粉末状材料成型的，其工作原理如图8-13所示，将材料粉末铺洒在已成型零件的上表面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成型的部分黏结；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结新一层截面。,8.2.4 选择性激光烧结法,1选择性激光烧结的概念及原理,2选择性激光烧结法的优点,8.2.4 选择性激光烧结法,（1）SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛，如尼龙、蜡、ABS、树脂裹覆砂（覆膜砂）、聚碳酸脂（Poly Carbonates）、金属和陶瓷粉末等都可以作为烧结对象。（2）由于SLS工艺具有制造工艺简单，柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜，成本低、材料利用率高（约为100%）、成型速度快等特点。（3）可用SLS技术制作的树脂原型或陶瓷原型代替木模。,8.2.4 选择性激光烧结法,3选择性激光烧结法的缺点,SLS系统的速度、精度和可靠性还不能完全满足要求。冷却时间长，对加热温度、激光参数比较敏感，工艺参数需要较长时间摸索。可制造零件的尺寸有一定限制。成本比较高。表面粗糙。烧结过程挥发异味。有时需要比较复杂的辅助工艺。,4选择性激光烧结法的发展方向,8.2.4 选择性激光烧结法,SLS工艺未来的发展应该注意以下几个方面：,开发更适合SLS工艺使用的新型材料，使材料与工艺更好地相结合，以制造出性能、表面粗糙度及精度更好的零件；提高生产效率，减少产品的成本；更好地与信息技术的发展相结合，开发远程制造系统等新技术。,5选择性激光烧结法的实际应用,8.2.4 选择性激光烧结法,SLS工艺已经成功应用于汽车、造船、航天、航空、通信、微机电系统、建筑、医疗、考古等诸多行业，为许多传统产业带来了信息化的气息。,（1）使模型直观化（2）制造功能部件（3）模具制造,8.3 快速成型技术的制模方法,第8章 模具快速成型制造技术,8.3.1 快速成型技术在模具制造中的应用,（1）快速模具制造（2）浇铸模具制造（3）模具设计和样品验证（4）装配和功能验证,汽车、摩托车。航空、航天。国防。轻工业。,具体应用举例如下：,8.3.2 直接制模技术,1直接制造铸造用蜡模,摩托车缸体为典型的复杂薄铸件，模铸件材质为铝合金，要求较高的表面质量和精度。因此，可选择用SLS工艺直接制造蜡模，如图8-14所示，再用精密铸造的方法浇注铸件。由于制件过薄，且有很细的孔洞。铝合金的熔点低，因此，可以直接用石膏灌浆，宜选用石膏型精密铸造获得铸件，如图8-15所示。,图8-14 摩托车缸体的SLS蜡模 图8-15 摩托车缸体的快速铸件,2直接制造金属模具,8.3.2 直接制模技术,（1）利用SLS工艺制造金属模具,1）金属粉末大功率激光烧结成型技术,用金属粉末作为基体材料（铁粉），加入适量的黏结剂，烧结成型得到原型件，然后进行后续处理，包括烧蚀黏结剂、高温焙烧、金属熔渗（如渗铜）等工序，最终制造出电火花加工电极，如图8-16所示。并用此电极在电火花机床上加工出三维模具型腔，如图8-17所示。,图8-16 非标齿轮模腔的EDM电极 图8-17非标齿轮模具型腔,2）混合金属粉末激光烧结成型技术,2直接制造金属模具,8.3.2 直接制模技术,（1）利用SLS工艺制造金属模具,成型粉末为两种金属粉末的混合体，其中的一种熔点较低，起黏结剂的作用。目前，中国科学院金属所和西北工业大学等单位正致力于高熔点金属的激光快速成形研究，南京航空航天大学在这方面也进行了研究，用镍基合金混铜粉进行烧结成形的试验，成功地制造出具有较大角度的倒锥形状的金属零件，如图8-18所示。,图8-18 镍基合金铜粉烧结成型的零件,3）金属树脂粉末激光烧结成型技术,2直接制造金属模具,8.3.2 直接制模技术,（1）利用SLS工艺制造金属模具,利用金属树脂混合粉末，如美国DTM公司的COPPERPA材料，经激光烧结成型制作中空金属模具，然后灌注金属树脂粉末，以强化内部结构，使之可以承受注射成型的压力、温度条件要求，最后得到金属暂时模。,2直接制造金属模具,8.3.2 直接制模技术,（2）利用LOM工艺制造金属模具,LOM的新工艺采用金属箔作为成型材料，可以直接制造出铸造用EPS汽化模，批量生产金属铸件。图8-19所示为翻制的金属模具毛坯。,图8-19 翻制的金属模具毛坯,8.3.3 间接制模技术,1快速制作简易模具,如果零件批量较小（几十到几千件），或者是用于产品的试生产，则可以用非钢铁材料制造成本相对较低的简易模具。此类模具一般先用快速成型技术制作零件原型，然后根据该原型翻制成硅橡胶模、金属树脂模和石膏模；或对快速成型原型进行表面处理，用金属喷镀法或物理汽相沉积法镀上一层低熔点合金（如卡克塞特锌合金，即Kirksite合金）或镍来制作模具。,（1）硅橡胶模具（Silicon Rubber Mold，SRM）（2）环氧树脂模具（Epoxy Resin Mould，ERM）（3）金属树脂模具（Metal Resin Mould，MRM）（4）金属喷涂模具（Metal-Spraying Mould，MSM）1）金属冷喷涂制模技术 2）金属热喷涂制模技术,2利用快速成型技术快速制作钢模具,8.3.3 间接制模技术,（1）陶瓷型精密铸造法（2）熔模精密铸造法（3）用化学黏结钢粉浇注型腔（4）砂型铸造法,3利用快速成型电火花电极制造钢模具,（1）电铸法（Electroforming）（2）振动研磨法制备石墨电极,8.3.4 快速成型技术的发展趋势,开发性能好的快速成型材料，如成本低、易成型、变形小、强度高、耐久及无污染的成型材料。提高快速成型系统的加工速度和开拓并行制造的工艺方法。改善快速成型系统的可靠性、生产率和制作大件能力，优化设备结构，尤其是提高成型件的精度、表面质量、力学和物理性能，为进一步进行模具加工和功能试验提供基础。开发快速成型的高性能RPM软件。,开发新的成型能源。快速成型方法和工艺的改进和创新。进行快速成型技术与CAD、CAE、RT、CAPP、CAM以及高精度自动测量、逆向工程的集成研究。提高网络化服务的研究力度，实现远程控制。,思考题和习题,第8章 模具快速成型制造技术,思考题和习题,第8章 模具快速成型制造技术,
