快速成型与快速模具考试课件综合知识.doc

第一章概述
1、时代背景：其产生的时代背景是现代工业生产正在从大规模批量化生产转变为小批量和个性化生产，产品的生命周期和投放市场的时间越来越短。
2、技术背景：快速成形技术能快速地将产品零件的计算机辅助设计模型（CAD模型）转换为物理模型、零件原型和零件，而无需采用专用工具和工装。
3.离散-堆积的成形原理是RP的成形学基础
4、 材料成型的基本方法：1） 去除成形法；2）受迫成形法；3）离散/堆积成形法（快速成形法）；4）生长成形法；
5、去除成型法：概念： 切削去除余量材料而成形，如车、铣、刨、钻、电火
花加工、等离子切割、化学腐蚀、水射流强力侵蚀等；成形特点： 1）成形精度高，是目前大批量生产的主要成形手段；2）成形形状受到刀具干涉的限制，无法成形弯曲贯通之内孔，无法制造具有材料梯度之结构； 3）成形过程与材料制备过程无关（大大限制了其应用领域）；
6、受迫成型法：概念：材料在型腔的约束下成形，如铸造、锻压、注塑等；成形特点：1) 成形过程中需要制造模具，周期长，成本高，成形的柔性很低，仅适用于大批量生产；2）成形形状可以十分复杂，但成形精度低；3）成形过程与材料的制备有一定程度的结合；
7、生长成形：概念解释： 通过细胞的可控复制、装配而堆积成形，生长物
具有特定的形状，能够完成特定的功能；成形特点：1）信息处理过程和物理成形过程紧密结合；2）材料制备与材料成形紧密结合，是材料成形的最高层次；
8、快速成型法：概念：根据离散/堆积原理，在CAD模型直接驱动下完成材料的有序堆积而成形，被称为快速原 型（Rapid Ptototyping）技术，国际上简称为RP技术。成形特点：
1）无需任何模具等专用工具，只需将零件的CAD模型（数字模型）输入计算机，无需人工编程，可自动完成零件的成形制造；2）材料制备和成形过程紧密结合；3）能够加工形状极其复杂的零件，可成形梯度结构，适应多种不同材料；4）成形精度适中；5）成形柔性在各种成形手段中最高；6）整合了信息处理技术和物理成形技术，并正朝着更紧密结合的方向发展；7）是大批量定制生产的主要生产模式。
9、离散堆积成型原理：CAD模型——沿Z轴离散——层片信息处理——层片加工和粘结——层片堆积——后处理。
快速成型过程：创建CAD模型——软件分层或离散化——分层制造——逐层制造直至完成——取出零件——必要的后处理——最终零件
10、工艺按堆积单元的几何形态分类：从点到体的堆积成形，如BPM、SL、SLS；从线到体的堆积成形，如FDM；从面到体的堆积成形，如LOM、SGC；
11、工艺按是否需另外设计支撑结构分类：无需单独设计支撑的成形方法，如SLS、3D Printing、3D Plotting、LOM、SGC、3DP等；需另外设计支撑结构的成形方法，如FDM、SL等。
12、快速成形技术的应用领域：新产品的设计与开发；快速工/模具制造；试验分析模型；生物医学和组织工程； 建筑、航空航天、军事、汽车、机械、电子、电器、玩具、工艺品等许多领域。
13、快速成形技术在新产品开发中的应用：外形设计：很多产品特别是家电、汽车等对外形的美观和新颖性要求极高。一般检验外形的方法是将产品图形显示于计算机终端，但经常发生“画出来好看而做出来不好看”的现象，且由于“可看不可摸”，很不直观。采用RP技术可以很快做出原型，供设计人员和用户从各种标准和角度进行审查，使得外形设计及检验更直观有效快捷。检查设计质量：以模具制造为例，传统的方法是根据几何造型在数控机床上开模，这对于一个价值数十万乃至数百万元的复杂模具来说风险太大，设计上任何不慎，反映到模具上就是不可挽回的损失。 RP方法可在开模前真实而准确地制造出零件原型，设计上的各种细微问题和错误就能在模型上一目了然地显示出来，这就大大减少了开模风险。功能检测：设计者可以利用原型快速进行功能测试以判明是否最好地满足设计要求，从而优化产品设计。手感：通过原型，人们能触摸和感受实体，这对照相机、手握电动工具等的持握部分设计极为重要，在人机工程应用方面具有广泛的意义。供货询价及用户评价等：由于能及时提供产品模型给用户评价，大大增加了产品的竞争力。装配干涉检验：对有限空间内的复杂系统，进行装配干涉检验是极为重要的，如导弹、卫星系统。试验分析模型：RP技术还可以应用在计算分析与试验模型上。
14、快速成型技术的发展趋势：提高RP系统的速度、控制精度和可靠性。提高数据处理的速度和精度。研发成本低、易成形、变形小、强度高、耐久及无污染的材料。开发新的成形能源。研发新的成形方法。继续研究快速制模和快速制造技术。通过对现有RP系统的改进和新材料的开发，进一步扩大应用范围。
第二章典型的快速成型工艺
15、最常用的激光功率实时控制是采用脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation)方法来实现。
16、分层实体制造：利用波长10.6μm 的红外激光切割箔材,如纸、塑料薄膜、陶瓷箔材，实现离散—堆积原理的RP工艺为叠层实体制造。
17、光成形工艺或光固化工艺：利用325~355 n m的紫外激光对光敏树脂的光固化作用，逐点固化光敏树脂构成一个层面，层层叠加以形成一个三维实体，实现离散—堆积成形原理的RP工艺。
18、选择性激光烧结：同样应用红外激光，但不是切割而是将粉末材料烧结成一个层面，层层叠加构造一个三维实体之RP工艺。
19、直接将粉末材料熔化而烧结的工艺称为直接粉末烧结；
20、若在粉末表层覆膜一层低熔点材料，激光通过熔化这层材料而将粉末粘结一体的工艺称为间接粉末激光烧结。
21、LOM叠层实体制造（SSM）工艺特点：1、用激光（如CO2 激光）进行切割。2、采用成卷的带料供材。3、零件截面轮廓外的废弃材料用打网格的办法使之成为小的方块，以便去除。4、行程开关控制加工平面升降。5、热压辊对最上面的新层加热加压。6、先进行热压、粘结，再切割截面轮廓，以防止定位不准和错层问题。
22、LOM工艺的优点：1、成型速度快，制作实心大尺寸制件有优势。只须在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面，因此工艺简单，成型速度快，易于制造大型零件；2、精度高。工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲变形，零件的精度较高，激光切割为0.1mm，刀具切割为0.15mm；3、无须后固化处理。4、无须设计支撑和制作支撑结构。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LOM工艺无需加支撑；5、废料易剥离。（废料打格）6、原材料价格便宜。
22、LOM工艺在RP市场中曾经位居第二位，由于以下原因，其在RP家族中的地位正在日益下降：1、成本价格上，无法与基于喷射技术的RP工艺竞争。这主要是CO2 激光系统增加了其设备成本和运行成本所致。2、精度上无法与光固化工艺竞争。精度一般在0.15~0.25mm之间，远达不到光固化工艺的水平。3、力学性能差，只适合做外形检查。4、材料浪费大。这是LOM工艺本身决定的，一般箔材利用率< 50%，废弃部分无法重复利用。5、设备系统较复杂，工作稳定性不如基于微滴喷射技术的系统。6、原型易吸湿膨胀，成形后需进行表面防潮处理。7、原型表面有台阶纹，需打磨。此外，切割的箔材也会造成一定的污染。
23、光固化成型工艺SL特点：1、基于液态光敏树脂的光聚合原理，将激光聚集到液态光固化材料（如光固化树脂）表面逐点扫描，令其有规律地完成由点到线到面的固化。2、采用工作台浸没其中的液槽供料。3、工作台在液槽中下降移动一个层片厚度的距离，重新覆盖一层液态材料。4、刮板刮去多余的固化物和半固化物，同时完成下一层的均匀涂覆。5、激光进行下一层扫描，再建造一个层面并牢固地粘贴到上一层上，由此层层迭加成为一个三维实体。6、需要设计支撑帮助Z向悬空部分的成形。
24、选择性激光烧结工艺特点：1、用红外激光直接烧结各种粉末材料或粉末的覆膜而成形一个薄层。2、用铺粉机构供料。3、成形工作台下降一个层面高度后再进行下一层的铺粉。4、后一层与前一层烧结在一起，层层叠加形成三维实体。5、未烧结的粉末自然形成原型的支撑。
25、微滴性: ① 由于组装单元很小，制造一个微滴单元所消耗的功率极小（整体铸锻的制造工艺所需功率大出若干个数量级），因而设备功率小。② 由于单元体积小，相应地各种热损失大大减少,能源利用率极高。③ 大型整体铸锻工艺需要巨大的机械设备和重型模具和工装，巨大的厂房和大型运输工具；而采用微滴组装概念的工艺无需大型装备，因而对各种设备和设施的投资相应地大大减少。组装性:① 组装性是快速制造柔性的根本保证。无需改变工装或模具，只要改变CAD模型，即可组装（制造）另一个零件。② 成形形状和材料组分的任意复杂性，即成形件的结构和组份复杂程度不受限制。
26、快速制造：就是根据微滴组装的原理，充分发挥微滴性与组装性之优势，组装金属、陶瓷和生物活性材料甚至细胞和生物大分子等，形成具有特定机械功能、特种物理化学性能的功能零件之先进制造技术。
27、熔融沉积成型工艺FDM特点: 1、将材料熔化/溶化，形成熔融态或液态，再从压力腔中挤出/喷射；2、制造丝状或点状单元，经堆积形成层面；3、成形工作台下降一个层面高度，层面迭加形成三维实体的快速成形工艺。4、丝状材料通过供料机构供料。5、需要设计支撑帮助Z向悬空部分的成形。
第三章数据准备与处理（三维模型构建方法）
28、接触式测量方法的优缺点：1、系统结构技术成熟，准确性、可靠性高。2、测量不受物体表面的颜色、反射特性和曲率的影响。3、可快速准确的测量出物体表面的面、圆柱、圆锥和球等基本几何形状。
29、常用三维设计加工软件：1、 Pro/E （美国）2、UG （美国）1、CATIA （法国）4、I-DEAS （美国）5、Cimatron（以色列）。
30、STL文件是美国3D Systems公司提出的一种用于CAD模型与RP设备之间数据转换的文件格式。
31、STL文件的定义：STL文件是通过对CAD实体模型或曲面模型进行表面三角化离散得到的,相当于一种全由小三角形面片构成的多面体来逼近还原CAD实体模型。STL模型的数据是通过给出三角形法向量的三个分量及三角形的顶点坐标来实现的。STL记载了组成STL实体模型的所有三角形面。有二进制和文本文件良种形式。
32、分层技术：RP技术是基于离散-堆积成形原理的成形方法，无论离散还是堆积都与层面处理有关。故RP技术又称为层面制造技术。分层技术是层面制造的核心技术。是将计算机中的三维模型沿Z向离散为轮廓线来表述的技术。
33、分层方法：1、STL分层（1）定层厚分层：以相同的层厚对零件模型进行分层。（2）自适应分层：以不同的层厚对零件模型进行分层。2、直接CAD模型分层：在CAD系统内直接分层，无需借助中介的文件转换方式。
34、CAD模型直接分层优点：1、提高工件的精度。2、减少快速成形的前处理时间。3、避免STL格式文件的检查和修改过程。4、降低模型文件的规模。5、直接采用快速成形机数控系统的曲线插补功能，提高工件表面质量。
35、快速成形设备两大主要功能：截面轮廓制作：据切片处理得到的数据在计算机的控制下，用其成形头（激光头或喷头）在X-Y平面内，自动按截面轮廓运动，固化树脂（或切割纸，烧结粉末材料，喷涂粘结剂，热熔材料等），得到一层层截面轮廓。截面轮廓叠合：每层截面轮廓形成后，快速成形机将下一层材料送至已成形的轮廓面上，并在其上进行新一层轮廓面的叠合，如此重复获得三维实体。
36、（光固化）扫描系统：由一组定位镜和两只振镜组成。两只振镜可根据控制系统的指令，按照每一截面轮廓曲线的要求作往复转摆，从而将来自激光器的光束反射并聚焦于液态树脂的表面，在该面上作X-Y平面的扫描运动。在这一层光束照射的部位，液态光敏树脂在光能的作用下快速固化，形成相应的一层固态截面轮廓。
37、（光固化）对液态树脂进行光扫描曝光的方法：自由液面型成形系统光源从上方往下对液面树脂进行扫描照射。约束型液面扫描系统光源从下部隔着一层玻璃板往上对液态树脂进行扫描照射。
38、（光固化）自由液面型成形系统特点：目前多数设备以这种方式成形。需精确检测液态树脂的液面高度。需精确控制液面与液面下已固化树脂层上表面的距离（即层的厚度）。液槽容积较大。
39、（光固化）约束型液面扫描系统特点：不需要精确控制上液面的高度。液槽容积小，不易造成失效损失。树脂已固化部分（成形部分）没有浸泡在液态树脂中，避免原型件变形。
40、（光固化）计算机控制软件系统：1 STL格式文件的侦错和修补软件；2 三维模型的切片软件；3 激光扫描速度与功率的自动匹配软件；4 激光光束宽度的自动补偿软件；5 温度控制软件等。
41、SL技术快速制造具有功能的零件主要通过以下两条途径：第一是改进光固化树脂的性能，在保留其高精度的同时，大大提高其强度和韧性；第二是采用固体激光器大大提高其功率，从而增加固化扫描速度大大提高生产率。国内外开发的采用UV固体激光器的SLA类型设备功率大于1000mW，扫描速度达7~10m/s高生产率的光固化设备，我国许多公司的光固化新设备均达到此项技术指标。
42、激光选区烧结成形设备：采用激光器在数控系统控制下扫描被预加热的粉末材料并熔化，然后层层粘结成形。结构主要有机械、光学、温度和计算机控制部分组成。机械结构包括：机体， Z轴升降机构，铺粉机构等。
43、（激光烧结）计算机控制软件系统：STL格式文件的侦错和修补软件；三维模型的切片软件；激光扫描速度与功率的自动匹配软件；激光光束宽度的自动补偿软件；温度控制软件等。
44、叠层实体制造设备：采用CO2激光器在数控系统控制下切割涂覆纸，通过热压层层粘结成形。结构主要有机械、光学和计算机控制部分组成。机械结构包括：机体，Z轴升降机构，走纸机构，热粘压机构，模型取出装置等。光学系统包括： CO2激光器，外光路， X-Y扫描机构，切割头驱动伺服电极和排烟除尘装置等。激光器功率：20~50W； 波长：10.5~10.7μm (处于远红外波段）。
45、（叠层）计算机控制软件系统：1 STL格式文件的侦错和修补软件； 2 三维模型的切片软件；3 激光切割速度与切割功率的自动匹配软件；4 激光光束宽度的自动补偿软件。
46、（熔融沉积）计算机控制软件系统： STL格式文件的侦错和修补软件；三维模型的切片软件；喷头参数控制软件；温度控制软件等。
47（生物制造）微滴喷射（成形材料喷射）：将低粘度液态(包括熔融态)成形材料从喷头中经喷嘴断续喷出而成形。喷头与微流挤出喷头不同，更精密。微滴喷射（非成形材料喷射）：将粘结剂、固化催化剂或固化抑制剂等非成形材料用微滴喷射技术选择性地喷到成形材料（精细的粉末或型砂）表面，通过渗透覆膜机制使成形材料互相粘结而形成一个层面，层层叠加而形成一个三维实体。
47、生物制造的新工艺：低温沉积制造（low-temperature deposition manufacturing,简称LDM）工艺;分层原位胶联（layered in situ Cross-linking,简称LISC）工艺;细胞打印（cell printing）工艺;生物绘图工艺（Bio-Proltter）;细胞组装工艺（Cell Asembler）等
第六章快速模具制造技术：
48、快速模具制造分直接和间接快速模具制造：
1、直接快速模具是利用不同类型的RM技术直接制造出模具本身，然后利用一些必要的后处理和机加工以获得模具所要求的力学性能、尺寸精度和表面粗糙度。
2、间接快速模具制造也是快速制造中的重要方面。其特点是一方面可以较好地控制模具的精度、表面质量、力学性能与使用寿命，另一方面也可以满足经济性的要求。
49、主要的快速制造技术：1、LENS称为激光近形制造技术，该工艺采用激光熔敷的方法层层堆积金属成形，它由美国Sandia国家实验室的David Keicher发明，并由Optomec Design公司于1997年开始商业化运行。2、DLF称为直接光制造技术，与LENS技术类似，由美国Las Alamos 国家实验室开发。3、LAM称为激光添加制造技术，采用激光去熔化金属粉末层层堆积成形，采用的激光器为19KW的大功率CO2激光器，成形室的尺寸为3m×3m×1.2m，可以进行大型零件的毛坯制造，由美国AeroMet公司开发。4、DMD称为直接金属沉积技术，与LENS技术类似，具有一套基于视觉的双反馈控制系统能对熔池进行闭环控制，由美国密西根州POM公司开发。5、DMLS 称为直接金属激光烧结工艺，采用不同熔点的几种金属粉末，通过SLS工艺制作金属零部件，它由德国EOS公司开发。 6、SLM称为激光选区熔化技术，采用单一成分的金属粉末，其主要特点是金属粉末在激光辐照下，达到完全熔化，而非局部熔结，它由德国F&S/MCP公司首先开发利用。7、EBM称为电子束熔化快速制造技术，利用电子束选区熔化金属粉末成形，它由瑞典Arcam公司申请专利并进行商业化运行。 8、PCM工艺称为无木模铸造，它采用逐点喷射粘接剂和催化剂即两次同路径扫描的方法来实现铸造用树脂砂粒间的粘接，完成铸型制造。当前由我国佛山峰华自动成形设备有限公司以及美国Extrude Hone集团的子公司Prometal公司进行产业化运作。 9、LCVD-RP称为激光气相化学沉积成形技术，它是最早将气态成形材料用于快速成形技术来制作原型零件的工艺，由美国康涅狄格大学材料科学研究所的Marcus和Birmingham提出。 10、LCLD-RP称为激光液相化学沉积成形技术，利用激光束使液态的成形材料发生光电化学反应、热电化学反应、光分解反应、热分解反应等，沉积出金属，并逐层得到三维实体零件。 11、MAPLE DW称为基材辅助脉冲激光蒸发直写技术，利用脉冲激光的光压将附着在“色带”上的材料质点“打印”到基底上实现微结构的制造，由美国海军研究实验室(Naval Research Laboratory)的D. B. Chrisey首先提出。 12、LGDW称为激光引导直写技术，利用光压对悬浮的微粒材料的操纵能力（捕获、输运和沉积）装配（制造）具有精细复杂结构的实体，它由美国密歇根理工大学的M.J. Renn等人首先提出。13、LDM称为低温沉积制造工艺，将快速成形的离散-堆积原理与热致相分离法相结合，能够实现支架分级结构孔隙的成形，由清华大学研制成功。
50、快速制造技术的主要应用：1、光固化快速制造工艺：第一是改进光固化树脂的性能，在保留其高精度的同时，大大提高其强度和韧性；第二是采用固体激光器大大提高其功率，从而增加固化扫描速度大大提高生产率。2、熔融挤压快速制造工艺：熔融挤压堆积成形技术不需使用激光束，设备价格较低，因此，改进熔融挤压的材料和成形工艺，提高成形件的强度和精度，使之达到直接制造功能零件的目的，工业应用前景十分诱人。国内在开发MEM熔融挤压快速制造系列设备的基础上，在成形材料方面的攻关取得了重要进展，完成了新型精密喷头、新型支撑软件的开发，成形件的强度和精度大大提高，成形的零件不但可以进行装配，而且可以进行功能实验。3、激光选区烧结快速制造工艺：激光熔覆快速制造是一种采用激光熔覆的方法将金属粉末进行逐层堆积，最终形成具有一定形状的三维实体的技术，在宇航、航空、造船和国防等领域具有极大的应用前景，它将引起重型锻、铸业，特别是特殊性能（如高温、高强度等）材料坯件成形的新一轮变革。由于激光熔覆快速制造技术成型的金属零件内部组织细化，性能高，能实现材料梯度和结构梯度功能，因而在最近几年已成为研究的热门领域之一。4、金属粉末电子束熔覆/烧结快速制造工艺：金属粉末电子束熔覆/烧结快速制造技术与SLS技术类似，主要区别是使高能束由激光束换成了电子束，成形过程在真空室环境内进行。5、铸型的微滴喷射快速制造：快速铸造砂型制造采用微滴喷射技术，在铸型CAD模型直接驱动下喷射树脂或其它粘结剂，粘结型砂、陶瓷粉末等耐火材料而完成铸型制造的技术。6、激光选区烧结覆膜砂快速铸造砂型制造：激光选区烧结树脂覆膜的锆砂和石英砂等，可以通过直接快速制造铸造用砂型。覆膜砂通过激光烧结成形后，一般并不需要为增加强度、减少树脂含量的再烧结步骤，通过SLS工艺所获得的“绿件”壳型可以直接用来浇铸。7、激光选区烧结覆膜陶瓷粉快速制造：陶瓷壳型覆膜陶瓷粉的粒度比覆膜砂小，一般是粉末或粉粒，有时也用细微粉末或微粉末。烧结在高温工作室内进行以降低壳型的翘曲。直接制造出的陶瓷壳型具有很高的强度，可以直接作为壳型进行浇铸。
51、快速模具制造方法：硅橡胶制模技术；铝填充环氧树脂模；SLA成形的树脂壳-铝填充环氧树脂背衬；SLS直接烧结低碳钢-渗铜模；低熔点合金模；三维打印渗铜模；纤维增强聚合物压制模；电铸镍壳-陶瓷背衬模；气相沉积镍壳-背衬模；具有共形冷却道的镍-铜壳-背衬模；烧结工具钢/碳化钨-渗铜模；直接金属激光液相烧结模；熔模铸造金属模；切削加工母模；直接金属喷镀模；