快速成型三次作业.doc

第一次作业
1、 快速成形技术发展的新动向？
答：总的说来快速成型技术将向小批量、高效率、高精度发展。 快速成型技术经过十几年的发展，设备与材料两方面都有了长足的进步。目前由于该技术的成本 高，加以制件的精度、强度和耐久性能还不能满足用户的要求，暂时阻碍了RP技术的推广普 及。此外，近年来CNC切削机床亦在大步向前发展：一方面，价格大幅度下降；另一方面， 高速、高精度的CNC机床问世，制件时间缩短，精度及表面质量提高。因此，不少企业使用C NC 切削机床快速制造金属或非金属模具及零件，向RP技术提出了新的挑战。但是，在成形复杂 、中空的零件方面，CNC切削机床是不能取代RP技术的。这种直接从概念设计迅速转为产品 的设计-生产模式，必然是21世纪中制造技术的主流。随着技术的进步，RP技术还会大踏步 地向前发展,并将成为许多设计公司、制造公司、研究机构和教育机构等的基本技术和装备 。
　　 未来几年的主要发展趋势如下：
　　①提高RP系统的速度、控制精度和可靠性　优化设备结构，选用性能价格 比高、寿命长的元器件，使系统更简洁，操作更方便，可靠性更高，速度更快。开发不同档 次、不同用途的机型亦是RP系统发展的一个方面，例如：一方面开发高精度、高性能的机型 ，以满足对制件尺寸、形状和表面质量要求更高、或有特殊要求的用户。另一方面，开发专 门用于检验设计、模拟制品可视化，而对尺寸精度形状精度和表面粗糙度要求不高的概念 机。
　　②提高数据处理速度和精度　研究开发用CAD原始数据直接切片方法， 减少数据处理量以及由STL格式转换过程而产生的数据缺陷和轮廓失真。
　　③研究开发成本低、易成形、变形小、强度高、耐久及无污染的成形材料　将现有的材料，特别是功能材料进行改造或预处理，使之适合于RP技术的工艺要求。从RP 的特点出发，结合各种应用要求，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、其它方法难以制作的复合材料等。降低RP材料的成本，发展新的更便宜的材料。
　　④开发新的成形能源　前述的主流成形技术中，SLA、LOM和SLS均以激光作为能源，而激光系统(包括激光器、冷却器、电源和外光路）的价格及维护费昂贵而传输效 率较低，影响制件的成本。新成形能源方面的研究也是RP技术的一个重要方向。
　　⑤研究开发新的成形方法　在过去的十年中，许多研究者开发出了十几种 成形方法，基本上都基于立体平面化-离散-堆积的思路。这种方法还存在着许多不足，今后 有可能研究集“堆积”和“切削”于一体的快速成形方法，即 RP与CNC机床和其它传统的加 工方式相结合，以提高制件的性能和精度，降低生产成本。还可能从RP原理延伸，产生一些 新的快速成形方法。
　　⑥继续研究快速制模和快速制造技术　一方面研究开发RP制 件的表面处理技术，提高表面质量和耐久性；另一方面研究开发与注塑技术、精密铸造技术 相结合的新途径和新工艺，快速经济地制造金属模具、金属零件和塑料件。
　　⑦应用范围扩大　通过对现有RP系统的改进和新材料的开发，使之能够经 济地生产出直接可用的模具、工业产品和民用消费品；制造出人工器官，用于治疗疾病。
2 。快速成形技术的定义和特点？
答：快速成型技术简称RT技术，概括指由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称。快速成形技术是一种基于离散堆积成形思想的新型成形技术，是集成计算机、数控、激光和新材料等最新技术而发展起来的先进的产品研究与开发技术。
其特点如下：
1、自由成型制造 自由成型制造也是快速成型技术的另外一个用语。作为快速成型技术的特点之一的自由成型制造的含义有两个方面：一是指无需要使用工模具而制作原型或零件，由此可以大大缩短新​产品的试制周期，并节省工模具费用；二是指不受形状复杂程度的限制，能够制作任何形状与结构、不同材料复合的原形或零件。

2、制造过程快速 从CAD数模或实体反求获得的数据到制成原形，一般仅需要数小时或十几小时，速度比传统成型加工方法快的多。该项目技术在新产品开发中改善了设计过程的人机交流，缩短了产品设计与开发周期。以快速成型机为母模的快速模具技术，能够在几天内制作出所需材料的实际产品，而通过传统的钢质模具制作产品，至少需要几个月的时间。该项技术的应用，大大降低了新产品的开发成本和企业研制新产品的风险。随着互联网的发展，快速成型技术也更加便于远程制作服务，能使有限的资源得到充分的利用，用户的需求也可以得到最快的响应。

3、添加式和数字化驱动成型方式 无论哪种快速成型制造工艺，其材料都是通过逐点、逐层以添加的方式累积成型的。无论哪种快速成型制造工艺，也都是通过CAD数字模型直接或者间接地驱动快速成型设备系统进行制造的。这种通过材料添加来制造原形的加工方式是快速成型技术区别传统的机械加工方式的显著特征。这种由CAD数字模型直接或者间接地驱动快速成型设备系统的原形制作过程也决定了快速成型的制造快速和自由成型的特征。

4、技术高度集成 当落后的计算机辅助工艺规划（Computer Aided Process Planning,CAPP）一直无法实现CAD与CAM一体化的时候，快速成型技术的出现较好的填补了CAD与CAM之间的缝隙。新材料、激光应用技术、精密伺候驱动技术、计算机技术以及数控技术等的高度集成，共同支撑了快速成型技术的实现。

5、突出的经济效益 快速成型技术制造原型或零件，无须工模具，也与成型或零件的复杂程度无关，与传统的机械加工方法相比，其原型或零件本身制作过程的成本显著降低。此外，由于快速成型在设计可视化、外观评估、装配及功能检验以及快速模具母模的功用，能够显著缩短产品的开发试制周期，也带来了显著的时间效益。也正是因为快速成型技术具有突出的经济效益，才使得该项技术一经出现，便得到了制造业的高度重视和迅速而广泛的应用。

6、广泛的应用领域 除了制造原型外，该项技术也特别适合于新产品的开发、单件及小批量零件制造、不规则或复杂零件制造、模具设计与制造、产品设计的外观评估和装配检验、快速反求与复制，也适合于难加工材料的制造等。这项技术不仅在制造业具有广泛的应用，而且在材料科学与工程、医学、文化艺术以及建筑工程等领域也有广阔的应用前景。
3 。快速成形技术在新产品研发中的应用主要有哪几方面？
答:
1、概念模型可视化
新产品开发的设计阶段，虽然可借助设计图纸和计算机模拟，但并不能展现原型，往往难以做出正确和迅速的评价，设计师可以通过制作样机模型达到检验的目的。传统的模型制作中主要采用的是手工制作的方法，制作工序复杂，手工制作的样机模型不仅工期长，而且很难达到外观和结构设计要求的精确尺寸，因而其检查外观及人机设计合理性的功能大打折扣。快速成型设备制作的高精度、高品质样机与传统的手工模型相比较可以更直观地以实物的形式把设计师的创意反映出来，方便产品的外观造型和人机特性评价。
现在的快速成型加工得到的成型件都是单一颜色，颜色主要由材料决定，为了对产品色彩外观进行评价，有时需要手工涂色，随着彩色成型技术的发展，这方面的问题可以解决。人机评价主要包括成型件尺寸及操作宜人性，快速成型可以很好地满足这方面的要求。
2、设计评价
通过快速成型制成的样机和实际产品一样是可装配的，所以它能直观地反映出结构设计合理与否，安装的难易程度，使结构工程师可以及早发现和解决问题。由于模具制造的费用一般很高，比较大的模具往往价值数十万乃至几百万，如果在模具开出后发现结构不合理或其他问题，其损失可想而知。而应用快速成型技术的样机制作可以把问题解决在开出模具之前，大大提高了产品开发的效率。
3、与反求工程结合
反求工程(Reverse Engineering,RE)也称逆向工程，就是用一定的测量手段对实物或模型进行测量，然后根据测量数据通过三维几何建模方法重建实物的CAD数字模型，从而实现产品设计与制造过程。对于大多数产品来说，可以在通用的三维CAD软件上设计出它们的三维模型，但是由于对某些因素，如对功能、工艺、外观等的考虑，一些零件的形状十分复杂，很难在CAD软件上设计出它们的实体模型，在这种情况下，可以通过对模型测量和数据处理，获得三维实体模型。
作为一种新产品开发以及消化、吸收先进技术的重要手段，反求工程和快速成型技术可以胜任消化外来技术成果的要求。对于已存在的实体模型，可以先通过反求工程，获取模型的三维实体，经过对三维模型处理后，使用快速成型技术，实现产品的快速复制，缩短了产品开发周期，大大提高产品的开发效率。

第二次作业
1、 你所知道的快速成形技术的典型成形工艺
答：①光固化工艺（SL）：SLA 技术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和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。
SLA工作原理：液槽中盛满液态光固化树脂激光束在偏转镜作用下，能在液态表而上扫描，扫描的轨迹及光线的有无均由计算机控制，光点打到的地方，液体就固化。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。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，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描新周化的一层牢周地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。
SLA 方法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。 SLA 工艺成型的零件精度较高，加工精度一般可达到 0.1 mm ，原材料利用率近 100 ％。但这种方法也有白身的局限性，比如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂有一定的毒性等。
以光敏树脂为原料，通过计算机控制紫外激光使其逐层凝固成型。这种方法能简捷、全自动地制造出表面质量和尺寸精度较高、几何形状较复杂的原型。其优点有：1）、成型过程自动化程度高。SL系统非常稳定，加工开始后，成型过程可以完全自动化，直至原型制作完成。2)、尺寸精度高。SL原型尺寸精度可以达到±0.1cm。3）、优良的表面质量。虽然在每层固化时侧面及曲面可能出现台阶，但上表面仍可得到玻璃状的效果。4）可以制作结构复杂、尺寸比较精细的模型。尤其是对于内部结构十分复杂、一般切削刀具难以进入的模型，能轻松一次成型。5）可以直接制作面向熔模精密铸造的具有空中结构的消失型。6）制作的原型可以在一定程度上替代塑料件。工艺过程有：1、前处理。包括CAD三维造型、数据转换、确定摆放方位、施加支撑、切片分层。2、原型制作。3后处理。
②叠层实体制造工艺（LOM）。多采用纸材，成本低廉，制作精度高，而且制造出来的木质原型具有外在的美感性和一些特殊的品质，因此受到较为广泛的关注，在产品概念设计可视化、造型设计评估、装配检验、熔模铸造型芯、砂型铸造木模、快速模具母模以及直接制模等方面得到了迅速应用。（Laminated Object Manufacturing，LOM）工艺LOM工艺称叠层实体制造或分层实体制造，由美国Helisys公司的Michael Feygin于 1986 年研制成功。LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成型的工件粘接。用CO2激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格。激光切割完成后工作台带动已成型的工件下降，与带状片材分离。供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域。工作合上升到加工平面，热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚。再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完。最后，去除切碎的多余部分，得到分层制造的实体零件。
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。因此成型厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件。工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲变形。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。缺点是材料浪费严重，表面质量差。
③SLS（Selective Laser Sintering）工艺 SLS工艺称为选域激光烧结，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于 1989 年研制成功。 SLS工艺是利用粉末状材料成型的。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连接。当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，有选择地烧结下层截面。
烧结完成后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理得到零件。
SLS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、蜡等材料的零件，特别是可以制造金属零件。这使SLS工艺颇具吸引力。SLS工艺无需加支撑，因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用。

④3DP (Three Dimension Printing）工艺三维印刷工艺是美国麻省理工学院E-manual Sachs等人研制的。已被美国的Soligen公司以DSPC（Direct Shell Production Casting）名义商品化，用以制造铸造用的陶瓷壳体和型芯。
3DP 工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成型，如陶瓷粉末、金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连结起来的，而是通过喷头用粘结剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉来上面。
用粘结剂粘接的零件强度较低，还须后处理。先烧掉粘结剂，然后在高温下渗人金属，使零件致密化，提高强度。

⑤ FDM （Fused Depostion Modeling）工艺 熔融沉积制造（ FDM ）工艺由美国学者Scott Crump于 1988 年研制成功。 FDM 的材料一般是热塑性材料，如蜡、 ABS 、尼龙等。以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。
2 、快速成形技术的数据准备和处理你都了解了些什么？
答：在快速成型技术的数据准备和处理。首先，所有的快速成制造方法都是CAD数字模拟经过切片处理后直接驱动的。数据准备是指在设计方面一个是直接用CAD绘图软件设计三维造型，称概念设计；另一种方法是通过扫描机对实体扫描复制出三维模型，称反求工程。得到数据后需要转换成快速成型设备能接受的如STL、SLC、CLI、RPI、LEAF、SIF、等多种格式，这叫数据处理。现在运用最广的是美国3D Systems公司开发的STL文件格式。它是通过对CAD实体模型或曲面模型进行表面三角化离散得到的，类似于实体数据模型的表面有限元网格划分。STL遵循以下原则：取向原则、点点原则、取值原则、合法实体原则。

第三次作业
1、简述快速制造技术的种类和方法。
答：1、LENS（Laser Engineered Net Shaping）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。
2、DLF (Directed Light Fabrication)称为直接光制造技术，与LENS技术类似。
3、LAM (Laser Additive Manufacturing) 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。
4、DMD (Direct Metal Deposition)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。 5、DMLS (Direct Metal Laser Sintering) 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。
6、SLM (Selective Laser Melting)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。
7、EBM（Electron Beam Melting）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。
8、PCM (Patternless Casting Manufacturing) 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。
9、LCVD-RP（Rapid Prototyping of Laser-induced Chemical Vapor Deposition）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。
10、LCLD-RP（Rapid Prototyping of Laser-induced Chemical Liquid Deposition）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 (Matrix-assisted Pulsed Laser Evaporation Direct Writing)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。
12、LGDW （Laser-guided Direct Writing）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。
13、LDM（Low-temperature Deposition Manufacturing）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。 此外，一些快速成形技术，如SL，FDM等，经过工艺和材料等方面的改进和提高，也已经能制备出具有使用功能的零件，它们具备了快速制造特性。
2、简述快速模具制造的种类和方法。
答： 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。 包括： 板料叠加成形---LOM、粉末堆积成型---SLS和3D-P、丝材熔融堆积---FDM、微滴沉积成型---SDM和SDMHS、 气相沉积成形---DCLD、LMDED
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。包括：粉末冶金---粉末烧结成型、电铸成型、喷射沉积---金属喷涂和沉积、金属精密铸造---熔模铸造、陶瓷铸造。
3、何谓生物制造？其主要工艺有哪些？
答：生物制造指能够用于生物材料以及含有生命物质的材料的成形制造技术总称，它包括结构、功能、能源及运动机械仿生及仿生制造；生物自生长成形制造；机械超前反馈仿生与制造的科学与技术；生物工程制造原理及技术、新一代生物芯片制造原理与技术。
主要工艺有：
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。