第2章 快速原形制造技术概要.docx
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第2章快速原形制造技术概要
《先进制造技术》电子教案
授课章节
第2章快速原形制造技术
学时
2
教学目标
知识目标
1、了解快速原形制造技术的概念
2、理解快速原形工艺的原理、特点
3、了解快速原形制造的应用
能力目标
会根据不同的材料选择合适的快速成型工艺方法
情感目标
1、培养学生的学习兴趣,养成良好的学习习惯,提升自学能力
2、引导学生掌握正确的分析方法,养成解决生产实际问题的思维习惯
3、培养学生在分析、应用过程中的条理性、协调性和严谨性
教学重点
几种典型RPM工艺方法的工作原理及其工艺特点
教学难点
RP零件图形处理
实施教学目标过程设计
【第一环节】课程导入限时5分钟
1、
组织教学
考勤询问,鼓士气
2、
回顾1.2、1.3
1)先进制造技术的概念
2)先进制造技术的体系结构
3)先进制造技术的涵盖领域
4)先进制造技术的特点及发展趋势
每个问题限时1分钟,可提问4名学生,待其回答完成后纠正错误,并就回答情况作简要评价
3、
导入第2章
限时1分钟
【第二环节】授课过程限时80分钟
1、
快速原形制造技术概述
1)RP起源2)RP图形处理
限时30分钟。
为重、难点内容,引导学生积极思考、理解、记忆。
2、
快速成形工艺
1)SLA2)LOM3)SLS
4)FDM5)TDP
限时30分钟。
为重、难点内容,引导学生积极思考、引深。
3、
快速原形制造的应用
限时20分钟。
引导学生积极思考、理解、记忆。
组织学生分组讨论其他领域的应用。
【第三环节】归纳总结限时5分钟
1、
课后小结
1)快速原形制造技术概述
2)先快速成形工艺
3)快速原形制造的应用
限时4分钟。
串讲本次授课重点难点内容;简要评价本次授课学生的表现
2、
作业布置
1)预习3.1增材制造技术
2)简述各种快速成型工艺的原理
限时1分钟
【第一环节】课程导入
1.先进制造技术的概念
先进制造技术(AdvancedManufacturingTechnology,AMT)是传统制造技术、信息技术、计算机技术、自动化技术与管理科学等多学科先进技术的综合,并应用于制造工程之中所形成的一个学科体系。
2.先进制造技术的体系结构
1994年初,美国联邦科学、工程和技术协调委员会(FCCSET)下属的工业和技术委员会先进制造技术工作组提出将先进制造技术分为三个技术群:
1)主体技术群,包括面向制造的设计技术群和制造工艺技术群;
2)支撑技术群;
3)制造基础设施(制造技术环境)。
3.先进制造技术的涵盖领域
1)现代设计技术;
2)先进制造工艺;
3)制造自动化技术;
4)先进制造模式和管理技术。
4.先进制造技术的特点及发展趋势
先进制造技术具有精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集成化、全球化等特点。
归纳先进制造技术的发展趋势,大致有以下几个方面:
1)先进制造技术向超精微细领域扩展;
2)制造过程的集成化;
3)制造科学与制造技术、生产管理的融合;
4)绿色制造将成为制造业的重要特征;
5)虚拟现实技术在制造业中获得越来越多的应用;
6)制造全球化。
【第二环节】授课内容
20世纪80年代后期出现的快速原形制造(RapidPrototypingManufactureing,RPM)技术,被认为是制造技术领域的一次重大突破。
RPM可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转化为具有一定功能的原形,有效地缩短了产品的研究开发周期,以便在最短的时间内推出适应市场变化的新产品,在市场竞争中赢得先机。
2.1快速原形制造技术概述
2.1.1RP起源
1892年,Blanther主张用分层方法制作三维地图模型。
分层制造三维物体的思想雏形,可追溯到4000年前,中国出土的鲁漆器,用黏结剂把丝、麻黏结起来铺敷在底胎上,待漆干后挖去底胎成形。
考古也发现古埃及人在公元前就已将木材切成板后重新铺叠翻成叠合材料,类似现代的胶合板。
1979年东京大学的川威雄教授,利用分层技术制造了金属冲裁模、成形模和注塑模。
20世纪70年代末到80年代初,美国3M公司的AlanJ.Hebert(1978年)、日本的小玉秀一(1980年)、美国的Charlesw.Hull(1982年)和日本的丸谷洋二(1983年),各自独立地首次提出了RP的概念,即利用连续层的选区固化制作实体的新思想。
而美国的Charlesw.Hull则完成了第一个RP系统——StereolithographyApparatus,并于1984年获得专利,这是RP发展的一个里程碑,随后许多快速成形的概念、技术及相应的成形机才得以相继出现。
2.1.2RP零件图形处理过程
快速原形制造的计算机系统只接受三维CAD模型,进行切片处理。
三维CAD模型的获取方式:
在PC机或图形工作站上用三维软件pro/E、UG、CATIA等设计;或将已有产品的二维三视图转换成三维CAD模型,或用扫描机对已有的零件实样进行扫描。
其具体处理过程为:
1.三维模型的近似处理
产品零件上往往有一些不规则的自由曲面,在制作快速原形前必须对其进行近似处理,才有可能获取确切的截面轮廓。
在目前的快速原型系统中,最常见的近似处理方法是用STL文件格式进行数据转换,将三维实体表面用一系列相连的小三角形逼近自由曲面,得到STL格式的三维近似模型文件。
典型的STL文件,如下图所示。
典型的STL文件
2.三维模型的切片处理
STL文件切片处理,如下图所示。
STL文件切片处理
由于快速原形制造是按一层层截面轮廓来进行加工的,因此加工前必须从三维模型上,沿成形的高度方向每隔一定的间隔进行切片处理,以获取截面的轮廓。
间隔的大小根据待成型零件的精度和生产率要求选定。
间隔越小,精度越高,但成形时间越长。
间隔选取的范围为0.05~0.5mm,常用的是0.1mm左右。
无论零件形状多么复杂,对每一层来说却是简单的平面矢量扫描组,轮廓线代表了片层的边界。
根据具体工艺要求,将其按一定厚度分层,即将其离散为一系列二维层面,将这些离散信息同加工参数相结合,驱动成形机顺序加工各单元层面。
原形制作流程,如下图所示。
原形制作流程
2.2快速成形工艺
2.2.1SLA
立体光造型工艺(StereolithographyApparatus,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和强度的紫外光(如λ=325nm)的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技术成形原理,如下图所示。
光固化成形原理
1-升降台2-刮平器3-液面4-光敏树脂5-紫外激光6-成形零件
液槽中盛满液态光固化树脂,具有一定波长和强度的紫外激光光束在偏转镜作用下,能在液态表面上扫描,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控制下按加工零件各分层截面的形状对液态光敏树脂逐点扫描,被光照射到的薄层树脂发生聚合反应,从而形成一个固化的层面。
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再下降一层高度,已成型的层面上又布满一层树脂,刮平器将粘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。
截层厚度:
0.04~0.07mm,可控精度:
0.1mm。
用于小件制作。
表面质量好,精度较高;需要支撑结构;材料有污染。
2.2.2LOM
叠层实体制造工艺(LaminatedObjectManufacturing,LOM),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。
LOM成形原理,见下图所示。
LOM成形原理
1-收纸辊2-升降工作台3-加工平面4-定位装置(切割头)
5-激光器6热压辊7-计算机8-箔材带9-展开辊
加工时,热压辊热压片材,使之与下面已成形的工件粘接;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,工作台带动已成形的工件下降,与带状片材(料带)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,工作台上升到加工平面,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,得到分层制造的实体零件。
截层厚度:
0.07~0.15mm,精度:
与切割材质有关。
叠层实体制造工艺适合大中型制件,成型速度快,精度不高,材料浪费,废料清理困难。
2.2.3SLS
选择性烧结工艺(SelectiveLaserSintering,SLS),是利用粉末状材料成形的。
将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面,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,并与下面已成形的部分连接;当一层截面烧结完后,铺上新的一层材料粉末,选择地烧结下层截面。
SLS工作原理图,如下图所示。
SLS工作原理图
1-振镜2-激光器3、11-预热器4-计算机5-铺粉滚筒
6-工件7-升降台8-成型腔9-废料桶10-粉床
截层厚度:
0.1~0.2mm;
选择性烧结工艺适合中小型制件,材料使用广,成型效率不高,后处理复杂。
2.2.4FDM
熔融沉积制造工艺(FusedDepostionModeling,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。
FDM工作原理图,如下图所示。
FDM工作原理
截层厚度:
0.025~0.76mm,成型精度:
低
熔融沉积制造工艺适合小塑料件。
成型速度慢,费用低,变形小。
2.2.5TDP
三维印刷工艺(ThreeDimensionPrinting,TDP),与SLS工艺类似,采用粉末材料成形,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接起来的,而是通过喷头用粘接剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面(如图)。
用粘接剂粘接的零件强度较低,还须后处理。
先烧掉粘接剂,然后在高温下渗入金属,使零件致密化,提高强度。
TDP工作原理图,如下图所示。
TDP工作原理
2.3快速原型制造的应用
2.3.1快速制模技术
RP技术在模具制造中的应用称为快速制模技术。
同传统的模具制造工艺方法比,它的制造时间为传统工艺的1/3~1/10,而成本大概只有1/3~1/5,对于模具试制,市场开发有着重要的意义。
快速模具制造技术可以分为直接制模技术和间接制模技术,主要用于制造注塑模和铸造模等的生产。
把熔模铸造、喷涂法、陶瓷模法、研磨法、电铸法等转换技术与快速原形制造结合起来,就可以方便、快捷地制造出各种简易模具和永久性金属模具。
2.3.2军事领域
快速原形制造技术在军事领域主要应用于军事卫星、航测数字图像处理和军事武器等。
如炸弹、
火箭等的制造,三维地图模型的制作等。
海湾战争期间,美军根据伊拉克地下掩体的深度和坚固性,利用与信息技术紧密结合的RPM技术,在不到一周的时间内,便完成了从设计、制造、装配和测试等全过程的新型炸弹,并空运至战场。
2.3.3医疗领域
主要应用于头颅外科、牙科、人体器官、人造骨骼、辅助病理诊断、假肢、畸形修复等,
如下图所示。
医学应用
2.3.3文物领域
这方面的应用包括工艺品、首饰、灯饰、家具、建筑装饰以及建筑和桥梁的外观设计、古建筑
和文物的复原等,如下图所示。
工艺品和恐龙架
【第三环节】归纳总结
1.快速原形制造技术概述
RPM技术就是20世纪后期起源于美国,并很快发展起来的一种先进制造技术,RPM技术是近20年来制造技术领域的一次重大突破。
1892年,Blanther主张用分层方法制作三维地图模型。
分层制造三维物体的思想雏形,可追溯到4000年前,中国出土的鲁漆器,用黏结剂把丝、麻黏结起来铺敷在底胎上,待漆干后挖去底胎成形。
考古也发现古埃及人在公元前就已将木材切成板后重新铺叠翻成叠合材料,类似现代的胶合板。
1979年东京大学的川威雄教授,利用分层技术制造了金属冲裁模、成形模和注塑模。
20世纪70年代末到80年代初,美国3M公司的AlanJ.Hebert(1978年)、日本的小玉秀一(1980年)、美国的Charlesw.Hull(1982年)和日本的丸谷洋二(1983年),各自独立地首次提出了RP的概念,即利用连续层的选区固化制作实体的新思想。
而美国的Charlesw.Hull则完成了第一个RP系统——StereolithographyApparatus,并于1984年获得专利,这是RP发展的一个里程碑,随后许多快速成形的概念、技术及相应的成形机才得以相继出现。
由于快速原形制造的计算机系统只有接受三维CAD模型后,才能进行切片处理。
三维CAD模型的获取方式:
在PC机或图形工作站上用三维软件pro/E、UG、CATIA等设计;或将已有产品的二维三视图转换成三维CAD模型,或用扫描机对已有的零件实样进行扫描。
其具体处理过程为:
1)三维模型的近似处理
2)三维模型的切片处理
2.快速成形工艺
快速成形技术经过20年左右的发展,其工艺已经逐步完善,发展了许多成熟的加工工艺及成形系统。
RP系统可分为两大类:
基于激光或其他光源的成形技术如:
立体光造型、叠层实体制造、选择性激光烧结、形状沉积制造(ShapeDepositionManufacturing,SDM)等;基于喷射的成形技术如:
熔融沉积制造、三维印刷制造等。
3.快速原形制造的应用
快速成型技术除了应用于快速制造模具之外,还应用于军事、文物、考古、医学等领域。
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