快速成形与快速速模具制造技术.ppt

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1、四川信息职业技术学院,快速成形与快速模具制造2.快速成形与快速制模的前景,教学目的与要求,1.了解快速成形技术。2.掌握快速成形技术的原理。3.了解快速成形的类型及原理。4.掌握快速制模技术。,RPM-快速成型与快速制造RP-快速成型RM-快速制造PT-快速制模技术（1）快速开发用于传统制造工艺的模具（2）减少用模具成形工件所需的时间，成形的时间。,快速模具的分类 实制用模具成形的工件数量 过渡模具（10-103）正式批量生产模具（103-106）铸造模 所能完成的工艺 注塑模 锻压模,快速成形技术的含义 快速成形(Rapid Prototyping，简称RP)技术是 20世纪 80 年代中期

2、发展起来的一种高新技术，它从成形原理上提出一个分层制造、逐层叠加成形的全新思维模式，即将计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机数字控制(CNC)、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体，依据计算机上构成的工件三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的二维轮廓信息，快速成形机的成形头按照这些轮廓信息在控制系统的控制下，选择性地固化或切割一层层的成形材料，形成各个截面轮廓，并逐步顺序叠加成三维工件。,快速成形技术的全过程可以简单描述为分层/叠加或者离散/堆积。一个复杂的实体零件，可以认为是由一些具有物质的点、线、面叠加而成的。从 CAD模型中获得这些点、线、面的几何信

3、息(离散)，把它与成形参数信息结合，转换为控制成形机工作的 NC代码，控制材料有规律地、精确地叠加起来(堆积)，从而构成三维实体零件。这种制造方法又叫做自由制造,快速成形类型,A.光固化成形(SLA)B.分层实体制造(LOM)C.选择性激光烧结(SLS)D.熔融沉积成形(FDM)除上述4种最为熟悉的技术外，还有许多技术也已经实用化，如三维打印技术、光屏蔽工艺、直接壳法、直接烧结技术、全息干涉制造等。,1.光固化成形,SLA(Stereo lithography Apparatus)工艺也称光造型、立体光刻及立体印刷，其工艺过程是以液态光敏树脂为材料充满液槽，由计算机控制激光束跟踪层状截面轨迹，

4、并照射到液槽中的液体树脂，而使这一层树脂固化，之后升降台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，然后再进行新一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到1个三维实体模型。该工艺的特点是：原型件精度高，零件强度和硬度好，可制出形状特别复杂的空心零件，生产的模型柔性化好，可随意拆装，是间接制模的理想方法。缺点是需要支撑，树脂收缩会导致精度下降，另外光固化树脂有一定的毒性而不符合绿色制造发展趋势。,2.分层实体制造,LOM(Laminated Object Manufacturing)工艺或称为叠层实体制造，其工艺原理是根据零件分层几何信息切割箔材和纸等，将所获

5、得的层片粘接成三维实体。其工艺过程是：首先铺上一层箔材，然后用CO，激光在计算机控制下切出本层轮廓，非零件部分全部切碎以便于去除。当本层完成后，再铺上一层箔材，用滚子碾压并加热，以固化黏结剂，使新铺上的一层牢固地粘接在已成形体上，再切割该层的轮廓，如此反复直到加工完毕，最后去除切碎部分以得到完整的零件。该工艺的特点是工作可靠，模型支撑性好，成本低，效率高。缺点是前、后处理费时费力，且不能制造中空结构件。,3.选择性激光烧结,SLS(Selective Laser Sintering)工艺，常采用的材料有金属、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作为成形材料。其工艺过程是：先在工作台上铺上一层粉末，在计

6、算机控制下用激光束有选择地进行烧结(零件的空心部分不烧结，仍为粉末材料)，被烧结部分便固化在一起构成零件的实心部分。一层完成后再进行下一层，新一层与其上一层被牢牢地烧结在一起。全部烧结完成后，去除多余的粉末，便得到烧结成的零件。该工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、金属、蜡等材料的零件。造型精度高，原型强度高，所以可用样件进行功能试验或装配模拟。,4.熔融沉积成形,FDM(Fused Deposition Manufacturing)工艺又称为熔丝沉积制造，其工艺过程是以热塑性成形材料丝为材料，材料丝通过加热器的挤压头熔化成液体，由计算机控制挤压头沿零件的每一截面的轮廓

7、准确运动，使熔化的热塑材料丝通过喷嘴挤出，覆盖于已建造的零件之上，并在极短的时间内迅速凝固，形成一层材料。之后，挤压头沿轴向向上运动一微小距离进行下一层材料的建造。这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。该工艺的特点是使用、维护简单，成本较低，速度快，一般复杂程度原型仅需要几个小时即可成型，且无污染。,面临问题,1.工艺问题2.材料问题3.精度问题4.软件问题5.能源问题6.应用领域问题,1.工艺问题,快速成型的基础是分层叠加原理，然而，用什么材料进行分层叠加，以及如何进行分层叠加却大有研究价值。因此，除了上述常见的分层叠加成形法之外，正在研究、开发一些新的分层叠加成形法，以便进一步改善制

8、件的性能，提高成形精度和成形效率。2.材料问题成型材料研究一直都是一个热点问题，快速成型材料性能要满足：有利于快速精确的加工出成型；用于快速成型系统直接制造功能件的材料要接近零件最终用途对强度、刚度、耐潮、热稳定性等要求；有利于快速制模的后续处理。发展全新的RP材料，特别是复合材料，例如纳米材料、非均质材料、其他方法难以制作的材料等仍是努力的方向。,3.精度问题,快速成形件的精度一般处于0.1 mm的水平，高度（Z）方向的精度更是如此。快速成型技术的基本原理决定了该工艺难于达到与传统机械加工所具有的表面质量和精度指标，把快速成型的基本成形思想与传统机械加工方法集成，优势互补，是改善快速成型精度

9、的重要方法之一。4.软件问题快速成型系统使用的分层切片算法都是基于STL文件格式进行转换的，就是用一系列三角网格来近似表示CAD模型的数据文件，而这种数据表示方法存在不少缺陷，如三角网格会出现一些空隙而造成数据丢失，还有由于平面分层所造成的台阶效应，也降低了零件表面质量和成形精度，目前，应着力开发新的模型切片方法，如基于特征的模型直接切片法、曲面分层法，即：不进行STL格式文件转换，直接对CAD模型进行切片处理，得到模型的各个截面轮廓，或利用反求工程得到的逐层切片数据直接驱动快速成型系统，从而减少三角面近似产生的误差，提高成形精度和速度。,5.能源问题,当前快速成型技术所采用的能源有光能、热能

10、、化学能、机械能等。在能源密度、能源控制的精细性、成型加工质量等方面均需进一步提高。6.应用领域问题由于快速成型技术的巨大吸引力，现在，不仅工业界对其十分重视，而且许多其他的行业都纷纷致力于它的应用和推广，在其技术向更高精度与更优的材质性能方向取得进展后.可以考虑加入生物医学、考古、文物、艺术设计、建筑成型等多个领域的应用，形成高效率、高质量、高精度的复制工艺体系。,3D打印技术,是快速成形技术的一种，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术（即“积层造形法”）。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的

11、直接制造。特别是一些高价值应用（比如髋关节或牙齿，或一些飞机零部件）已经有使用这种技术打印而成的零部件，意味着“3D打印”这项技术的普及。,成型原理：何种成型法，都是采取原料加层方法形成3D物体，每次打印一层材料只有0.1mm-0.2mm厚，与2维打印机相比，3D打印机多了一维，即Z轴，通过X-Y-Z轴的运动，将原料逐层堆积而成，如熔融塑料成型法，喷嘴喷出熔融的塑料丝，承物平台作3维运动，即可堆积出3D实物（等于一层层粘上去）。,特点：,1.三维打印技术的魅力在于它不需要在工厂操作，2.3D打印技术最突出的是无需机械加工或任何模具，直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的

12、研制周期，提高生产率和降低生产成本。3.摒弃生产线而降低了成本；大幅减少了材料浪费。4.制造出传统生产技术无法制造出的外形。5.有些3D打印机可放置桌面，小而轻便,应用领域：,1.航天科技航空发动机的重要零部件2.军事行业武器制造（3D打印手枪）3.音乐行业3D打印机打印可视化音乐4.医疗行业骨骼打印5.文物行业文物替代品从而保护原始作品6.建筑领域3D打印房屋7.制造业 汽车打印8.食品产业食品的打印9.生活用品配件、饰品、美容护肤,快速成形与传统制造方法的区别 传统制造方法根据零件成形的过程可以分为两大类型：一类是以成形过程中材料减少为特征，通过各种方法将零件毛坯上：多余材料去除，如切削加

13、工、磨削加工、各种电化学加工方法等，这些方法通常称为材料去除法；另一类是材料的质量在成形过程中基本保持不变，如采用各种压力成形方法以及各种铸造方法的零件成形，它在成形过程中主要是材料的转移和毛坯形状的改变，这些方法通常称为材料转移法.这两种方法是日前制造领域中普遍采用的方法，也是非常成熟的方法，能够满足加工精度等各种要求。传统的制造方法无法很好的满足新产品快速开发的要求，促 使在制造领域中发生了一场大的变革，这就是快速成形制造技术的出现。快速成形制造方法与传统制造方法的比较如图 1-3 所示。,图1-3传统加工与快速成形比较,（a）传统加工,（b）快速成形,快速成形与传统制造方法的关系：两者关

14、系相辅相成、互相补充；快速成形制造方法主要是制造样品，也就是将设计者的设计思想、设计模型迅速转化为实实在在的、看得见、摸得着的三维实体样件。主要应用于新产品的快速开发；真正的大批量生产，包括中批量生产还是要采用传统制造方法来实现.,高度柔性，CAD模型直接驱动技术的高度集成 成型过程中信息过程和材料过程一体化，适合成型材料为非均质并具有功能梯度或有孔隙度要求的原型成型的快速性,快速模具制造技术的含义 快速模具制造(Rapid Tooling，简称RT)就是以快速成形技术制造的快速原形零件为母模，采用直接或间接的方法，实现硅胶模、金属模、陶瓷模等模具的快速制造，从而形成新产品的小批量制造，降低新

15、产品的开发成本。因而，它越来越受到产品开发商和模具界的广泛重视，可以说,J快速模具制造是传统快速模具制造技术与现代先进制造技术相结合的典范。RT 的显著特点是制模周期短、工艺简单、易于推广，制模成本低，精度和寿命都能满足特定的功能需要，综合经济效益良好，特别适用于新产品开发试制、工艺验证和功能验证以及多品种小批量生产。目前，RT 已被广泛应用到汽车制造、航空航天、军工、电子、医学和家电等领域。运用 RP技术可以直接制造模具，也可以利用快速原形经过中间转化制造模具，其一般的工艺流程如图 1-6所示。,快速模具制造技术与传统模具制造技术的区别 1、传统的模具制造方法很多，如数控铣削加工、成形磨削、

16、电火花成形加工、电火花线切割加工、电解加工、电铸加工、压力加工、铸造和照相腐蚀等。由于这些方法相对而言工艺复杂，加工周期长，费用高，故影响了新产品对市场的响应速度；2、应用 RP技术制造快速模具，在最终生产模具之前进行新产品试制或小批量生产，可大大提高产品开发的一次成功率，有效地缩短开发时间和节约开发费用。基于 RP&RT集成环境的快速模具制造技术，可实现最终零件或产品的快速制造；3、快速模具的制作周期仅为传统的数控加工方法的 1/101/3，生产成本仅为 1/5l/3。,3.快速模具制造的发展前景,1.多种模式的模具制造技术 1）传统模具传统制造工艺的模具，适用于批量生产 2）无模成形此模式

17、设想在CAD系统上设计产品，并在某种计算机控制的设备上直接生产设计的产品，无需采用模具 3）一次性模具介于前两种模式之间的一种中间模式，是制造业的设想,传统模具、一次性模具与无模成形比较,结论,1.快速模具制造的一个目的在于快速开发、制作用于传统制造工艺的模具2.快速软模与快速过渡模已经接近一次性模具的目标。3.快速成形的目标正是无模成形,2.改善快速模具的性能,1.使用梯度材料2.进一步采用计算机辅助工程与虚拟制造3.提高快速模具的质量1.尺寸精度与表面光洁度。冲模和塑料模要求高，铸造模相对较低。2.强度与硬度。冲模要求高，以便保证模具具有寿命。3.工作温度。塑料模与铸造模的温度控制要求高。4.散热性好。塑料模与铸造模散热性要求高，使模具能更好的散热，以便缩短工艺循环时间，提高生产率与工件质量。,