湖南大学工程材料与测试分析课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,一、技术背景,20世纪80年代以来，计算机技术、传感技术、材料科学、CAD/CAM,、,CIMS,、,激光技术以及结构科学的飞速发展与交叉渗透，为快速原型技术（RPT,）,的发生和发展奠定了坚实的技术基础。,美国的3D Systems公司于1988年生产出了世界上第一台现代快速成型机SLA-250(液态光敏树脂选择性固化成型机），开创了快速成型技术发展的新纪元。,近十年涌现了几十种快速成型工艺：LOM、FDM、SLS、3DP等。,去除成形,用分离的方法，把多余材料有序地从基体 上分离出去而成形的方法。如机械加工、钳工、电火花加工、激光加工等,受迫成形,利用材料的可成形性，使之在一定约束的条件下（如温度、边界、外力等）成形。如铸造、锻造、粉末冶金等,堆积成形,运用合并与连接的方法，把材料（气、液、固态）有序地堆积起来的成形方法。如焊接、RP,生长成形,利用材料的活性进行成形的方法，如“克隆”生物,二、快速成形技术原理,快速成形技术的原理,离散堆积原理,三,快速成形的基本工艺过程,CAD,建模,STL,转换,生成片层,NC,代码,实体加工,零件原型,后处理,切片处理,前处理,快速成型系统工作,后处理,用,Pro/E,设计的零件模型,STL,面片化的零件模型,A Typical RP Process,CAD 3-D Design and,STL Interface,Post Curing,Fabrication,Slicing&Part,Preparation,Orient&Support,M-RPMS,设备以,SSM,模式工作，生产用于快速工模具制造的原型,SSM,分层实体制造,技术体系组成,CAD造型,材料及制备,快速原型制造工艺与装备,其他信息来源 物理原型,其他制造技术,快速模具,实际零件,反求工程,数控代码,信息处理,数据接口,技术体系组成,信息：,数字化信息：CAD三维数据模型；表面离子化模型；分层后的层片文件；扫描矢量文件；数控代码文件,物理形态信息：生成的原型；加工而成的零件；自然形成的各种实物等,信息处理：,数字形态信息,数字形态信息,物理形态信息,物理形态信息,信息处理,数据处理,将加工对象的三维实体模型离散化，得到层片文件；根据不同工艺进行填充得到扫描矢量文件；与CNC结合，进而生成数控代码文件；,信息物化,快速成型设备在数控代码的控制下，逐层加工堆积得到物理原型；,物性转换,不同物理实体间的转换,实物信化,将物理实体的几何信息数字化；,技术体系的基本环节,三维CAD造型,利用各种三维CAD软件进行几何造型，得到零件的三维CAD 数字模型，获得初始信息的最常用方法；,反求工程,将物理形态零件几何信息数字化，得到三维CAD模型或层片模型；,数据转换,三维CAD造型或反求工程得到数据进行大量处理，才能用于控制RP成型设备制造零件；,原型制造,利用快速成型设备将原材料堆积成为三维物理实体；,物性转换,快速原型制造零件力学、物理性质不能直接满足工业需要，需要进一步处理，对其物理性质进行转换；,虚拟集成,技术体系的基本环节,A地,造型,C地,反求工程,B地,数据转换,F地,物性转换,Internet,D地,销售,E地,原型制造,四,、典型快速原型制造工艺,快速成型的主要工艺方法,立体印刷,（Stereo Lithography Apparatus-SLA,）,分层实体制造,（Laminated Object Manufacturing-LOM,）,选择性激光烧结,（Selected Laser Sintering-SLS,）,熔融沉积成形,（Fused Deposition Modeling-FDM,）,三维打印,（Three-Dimensional Printing-3D-P,）,固基光敏液相法,（Solid Ground Curing-SGC,）,1、立体印刷-SLA,Stereo Lithography Apparatus,1984年由Charles Hul发明并获美国专利，1988年美国3D Systems公司推出商品化样机SLA-1,，,是世界上第一台快速原型成形机,SLA是最早出现且技术上最为成熟的RPT,，,也称液态光敏树脂选择性固化,SLA是,基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长（,=325nm,）,和功率（P=30mW,）,的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也从液态转变成固态,SLA的工艺原理,SLA的工艺,特点,成型材料,自由基光固化树脂,阳离子光固化树脂,混杂型光固化树脂,SLA的特点,成型方法简单，能直接生产塑料件；,表面粗糙度较低，尺寸精度较高,成型中有相的变化，翘曲变形较大。需要支撑结构,成型速度较低，原材料有污染、气味很大,成本高（树脂和激光器价格昂贵、寿命短）,2、分层实体制造-LOM,Laminated Object Manufacturing,由Michael Feygin 于1986年研制成功，美国Helisys 公司推出商品化机器,LOM是采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等，在材料表面事先涂覆上一层热熔胶，加工时用CO,2,激光器或刀具在计算机控制下进行切割，然后通过热压辊热压，使当前层与下面已成型的工件粘接，从而堆积成型,LOM工艺原理,LOM工艺演示,LOM工艺演示,LOM工艺演示,LOM工艺特点,成型材料,薄材：如纸、塑料薄膜,热熔胶,涂布工艺,LOM工艺的特点,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，因此适合大、中型零件的加工,零件尺寸精度较高,，,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，所以翘曲变形小，成型时无需加支撑。但是，材料浪费大，且清除废料困难,3、选择性激光烧结-SLS,Selective Laser Sintering,由美国德州Austin 分校C.R.Dechard 于1989年研制成功，后被美国DTM公司商品化，推出商品化机器,SLS工艺是利用粉末材料（金属或非金属粉末）在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成形,SLS工艺原理,SLS工艺演示,SLS工艺演示,SLS工艺演示,SLS工艺原理,CO2,激光器,激光束/镜组/扫描镜,推平滚子,粉末缸,成型腔,粉末面,成型腔尺寸：381*330*457,mm,SLS工艺特点,成型材料,蜡粉、聚苯乙烯（PS)、工程塑料（ABS）、聚碳酸酯（PC)、尼龙（PA)、,金属粉末,、覆膜砂、覆膜陶瓷粉，近年来更多的采用复合粉末，粉粒直径为50125m,工艺特点,材料适应面广，不仅能制造塑料制件，还能制造蜡模、陶瓷和金属零件,成型精度一般、能直接制造制件和装配件（轴承整体）,制件翘曲变形相对较小，但对于容易发生变形的地方应设计有支撑结构,实心零件成型时间较长，适合中小零件的生产。,4、熔化沉积成形-FDM,Fused Deposition Modeling,由美国学者Dr.Scott Crump 于1988年研制成功。并由美国Stratasys 公司推出商品化的设备，FDM1600、FDM1650、FDM8000、Quantum,FDM工艺采用热塑性材料，如ABS、蜡、尼龙等，一般以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化后，从小孔挤出堆积成形,FDM工艺原理,FDM工艺演示,FDM工艺演示,FDM工艺的特点,FDM不用激光，使用、维护简单，成本低。用蜡成形的零件原型可直接用于,石蜡铸造；用,ABS工程塑料制造的原型则具有较高强度，在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。,由于FDM工艺一般在80120,C,进行，材料的收缩率必然会引起尺寸误差，同时会产生热应力，导致制件的翘曲变形，因此需要设计支撑结构。,FDM工艺适合成型小塑料件，,最高精度,0.127mm,。,由于是填充式扫描，因此成型时间较长，为克服这一缺点，可采用多个热喷头同时进行涂覆，提高成型效率。,几种常见RPT特点比较,低,较复杂,小截面较慢,大截面较快,LOM,高,几乎无费料,简单,小截面较快,大截面较慢,FDM,较高,较复杂,小截面较快,大截面较慢,SLS,较高,较复杂,小截面较快,大截面较慢,SLA,材料利用率,制件后处理,成形速度,五,、快速成形技术的应用,快速成形技术的应用领域,产品快速设计/制造,设计：新产品的设计与开发,制造：,快速,工,/,模具制造,、快速铸造,分析：,试验分析模型,生物制造,：,生物医学和组织工程,工艺品,：,与美学有关的各工程,领域,1、在产品设计中的应用,用于新产品的设计评估,RP原型可直接用于模拟性能测试、模拟装配实验和生产可行性评估,采用RPT进行新产品开发，可减少产品开发成本3070%，减少开发时间50%。,2、快速模具制造技术,快速模具制造技术RT（Rapid Tooling）,采用模具生产零件是现代工业的主要生产工艺和手段,传统模具制造生产周期长，模具需反复调试，制造成本高,快速模具制造可节约成本3/4，缩短生产周期约2/3,传统金属冷作模具制造流程,下料锻造,调 试,模具设计,球化退火,机械加工,修 配,热处理,投 产,快速原型和模具制造技术示意图,快速模具制造的分类,直接模具制造,用 LOM 系统制做的制件经表面处理，其强度比一般木材还要高，可直接用作铸造木模；用 SLS 等方法则可直接制造熔模铸造用的蜡模以及造型或压力加工用金属模。,间接模具制造,用快速原型制件作母模可复制出蜡模、硅橡胶模、环氧树脂模或聚氨脂模等软模具；据此软模具又可浇铸出环氧树脂、石膏、陶瓷、低熔点金属、金属基复合材料等硬模具。这些简易模具可用作各种铸造模、注塑模、蜡模的成型模以及拉伸模等，实现塑料件或金属件的小批量生产。,用快速原型制件作母模，通过金属喷涂等方法可快速制造电脉冲机床用电极。,快速模具技术的发展方向,提高模具制造精度,开发新材料新工艺,直接制造高强度金属模具,3、快速铸造技术,快速铸造技术RC（Rapid Casting）,概念,利用快速成型技术直接或间接制造铸造用模样、模板、型芯或型壳等，再结合传统铸造技术，快速制造铸件的工艺方法。,目前主要利用RP技术快速制取铸造模样,4、快速成形技术在医学领域中的应用：,生物制造技术,生物制造的定义,生物制造是生物科学与制造科学交叉的边缘学科，其目标是运用现代成形学的原理和方法，从制造科学的角度，采用现代成形技术、数据重构技术、模拟仿真技术等与分子生物学和细胞学相结合，以寻求新的组织和器官的假体与活体的制造原理和方法，以及新的制造工艺。,生物制造的主要应用,制作生物体模型,生物假体制造,生物相容不降解永久植入体制造,生物相容降解植入体制造,生物假体制造,人体解剖学数据三维重构,快速,成形,体外,治疗、,诊断、,康复等,辅助模型,非生物活性材料,生物相容不降解永久植入体制造,人体解剖学数据三维重构,快速,成形,生物相容性材料,（不可降解）,植入体内,永久存在,康复、,美容、,治疗、,药物载体,人工耳软骨材料及其性能,医用聚氨酯,成形性能,力学性能,足够的强度和刚度，抵抗皮肤的牵拉，不产生永久变形,足够的柔韧性，具有和天然耳朵相似的手感,足够的抗疲劳性，使用寿命应该在数十年,生物相容降解植入体制造,人体解剖学数据三维重构,快速,成形,生物相容,可降解材料,植入体内,短期存在,组织,器官,5、与美学有关的各工程,领域及,工艺品制作,与美学有关的各工程,领域,RPT对一切有美学需求的设计，如轿车、桥梁、雕塑等是一种重要工具，它可以将设计者的构思迅速表达成三维实体，便于设计修改和,再,创作。此外，RPT在文物、艺术品复制或复原等方面具有相当的优势和应用前景。,RPT在艺术领域应用实例,6、反向工程（RE）（Reverse Engineering）,RP与RE（Reverse Engineering）,五、快速成形技术 发展中的问题,RP发展中的问题,一、材料方面的限制,离散/堆积成形的,堆积过程伴随着材料的相变和温度变化,残余应力难以消除,翘曲和变形,RP材料价格偏高（由于改性需求等）限制了其应用。如美国3D Systems SLA设备专用树脂200250美元/公斤,美国Stratasys公司ABS等丝材在20004000公斤,二、成形精度与成形速度的矛盾,RP数据处理过程，材料的离散/堆积过程均需单元化处理，导致精度下降,台阶效应成形原理性误差,RP技术的快速性归根到底还是其柔性决定的，但材料单元在堆积过程中伴随着的物理化学变化使后处理成为必须，使其柔性下降，大大降低了其快速性,精度与速度的矛盾，十分突出,离散单元个数与尺寸的三次方成反比，若单元略微变大，速度大大加快，精度下降一些,一种可行的解决办法用阵列喷射（成千的喷头集成在一起采用打印机的“Drop on demand”方式制造层面,三、价格问题,RP是机械、材料、自动化、信息等技术的集成，制造高技术成本高，一旦工艺成熟，开发商使用专利来保护自己，这就给,RP设备生产和技术服务带来经济上的代价,3D System 2001.3推出的Viper Si2的SLA设备，18万美元；1994年的SLA7000 80万美元,