先进制造技术022.pptx
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1、选择性液体固化的基本原理将激光聚集到液态光固化材料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,(如光固化树脂)表面逐点扫描,令其有规律地固化,由点到线到令其有规律地固化,由点到线到面,完成一个层面的建造。而后面,完成一个层面的建造。而后升降移动一个层片厚度的距离,升降移动一个层片厚度的距离,重新覆盖一层液态材料,进行第重新覆盖一层液态材料,进行第二层扫描,再建造一个层面,第二层扫描,再建造一个层面,第二层就牢固地粘贴到第一层上,二层就牢固地粘贴到第一层上,由此层层迭加成为一个三维实体。由此层层迭加成为一个三维实体。选择性液体固化工艺(SLA)SLA)SLASLA工工艺艺于于1984
2、1984年年获获美美国国专专利利,19881988年年美美国国3D 3D SystemSystem公公司司推推出出的的商商品品化化样样机机SLASLA1 1,是是世世界界上上第第一一台台快快速速原原型型技术成形机。技术成形机。立体光刻立体光刻(SLA SLA Stereo Stereo Lithography Apparatus)Lithography Apparatus)又称又称立体印刷立体印刷 光成形光成形 激光印刷激光印刷 光固化立体造型光固化立体造型SLASLA工艺成形的产品特点鼠鼠标标外外壳壳激激 光光树树脂脂原原型型照相机激光树脂原型照相机激光树脂原型 SLA方法是目前快速成形技术
3、领域中研究得最多最为成熟的方法。SLA 工艺成形的零件精度较高,能达到0.1mm;产品透明美观,可直接做力学实验。但这种方法也有自身的局限性,比如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂价格昂贵,有一定的毒性。选择性液体固化工艺(SLA)SLA)选择性层片粘接的基本原理 采用激光或刀具对片材进行切割。首先切割出工艺边框和原型的边缘轮廓线,而后将不属于原型的材料切割成网格状。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。通过升降平台的移动和箔材的送给,并利用热压辊辗压将后铺的箔材与先前的层片粘接在一起,再切割出的层片。这样层层迭加后得到下一个块状物,最后将不属于原型的材料小块剥除,就获得所需的三维实体。选择性
4、层片粘接(LOM)分层实体制造分层实体制造 (Laminated Object(Laminated Object Manufacturing-Manufacturing-LOMLOM)LOMLOM工工艺艺由由美美国国HelisysHelisys公公司司于于19861986年年研研制制成成功功。这这种种方方法法的的代代表表是是美美国国HelisysHelisys公公司司的的LOM-1050LOM-1050和和LOM-2030LOM-2030成形机,日本成形机,日本KiraKira公司的公司的KSC-50KSC-50成形机。成形机。选择性层片粘接工艺选择性层片粘接工艺1.1.由由于于LOMLOM工
5、工艺艺只只须须在在片片材材上上切切割割出出零零件件截截面面的的轮轮廓廓,而而不不用用扫扫描描整整个个截截面面,因因此此工工艺艺简简单单,成成型型速速度度快,快,易于制造大型零件;易于制造大型零件;2.2.工艺过程中不存在材料相变,因此不易引起翘曲工艺过程中不存在材料相变,因此不易引起翘曲变形,零件的变形,零件的精度较高,精度较高,激光切割为激光切割为0.1mm0.1mm,刀具,刀具切割为切割为0.15mm0.15mm;3.3.工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起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,所以到了支撑作用,所以LOMLOM工艺工艺无需加支撑;无需加支撑;4.4
6、.材料广泛,材料广泛,成本低,成本低,用纸制原料还有利于环保;用纸制原料还有利于环保;5.5.力学性能差,力学性能差,只适合做外形检查。只适合做外形检查。LOM产品的特点选择性层片粘接(LOM)返回返回选择性激光烧结的基本原理 SLS工艺是利用粉末状材料成形的。先在工作台上铺上一层有很好密实度和平整度的粉末,用高强度的CO2激光器在上面扫描出零件截面,有选择地将粉末熔化或粘接,形成一个层面,利用滚子铺粉压实,再熔结或粘接成另一个层面并与原层面熔结或粘接,如此层层叠加为一个三维实体。选择性激光烧结(SLS)选择性激光烧结(SLS)Selective Laser Sintering激光熔结(LF)
7、Laser Fusion 选择性激光烧结工艺由选择性激光烧结工艺由美国德克萨斯大学奥斯汀分美国德克萨斯大学奥斯汀分校于校于19891989年研制成功,已被年研制成功,已被美国美国DTMDTM公司商品化,推出公司商品化,推出SLS Model125SLS Model125成形机。成形机。影片影片1.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。特别是可以制造出能直接使用的金属零件。2.SLS工艺不需加支撑,因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用。SLSSLS的产品特点的产品特点 3.3.精度不高。平均精度为精度不高。平均精度为0.150.150.2mm0.2mm,表面粗糙度不好,不
8、宜做薄壁件。表面粗糙度不好,不宜做薄壁件。选择性激光烧结(SLS)返回返回熔融沉积成形的基本原理将热熔性材料(ABS、尼龙或蜡)通过喷头加热器熔化;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;材料迅速凝固冷却后,与周围的材料凝结形成一个层面;然后将第二个层面用同样的方法建造出来,并与前一个层面熔结在一起,如此层层堆积而获得一个三维实体。熔融沉积成形(FDM)Fused Deposition Modeling 熔融挤压成形(MEM)Melted Extrusion Modeling 熔融沉积成形工艺于熔融沉积成形工艺于19881988年研制成功,后由美国年研制成功,后由美国Strat
9、asysStratasys公司推出商品公司推出商品化的化的3D Modeler 10003D Modeler 1000和和FDM1600FDM1600等规格的系列产等规格的系列产品。品。熔融沉积成型(FDM)1.FDM工艺不用激光 器件,因此使用、维护简单,成本较低。2.2.精度可达精度可达0.12mm0.12mm,适合做薄壁件。,适合做薄壁件。3.3.污染小,材料可以回收。污染小,材料可以回收。FDMFDM的产品特点的产品特点熔融沉积成型(FDM)3.5.2 快速成形技术的理解 在快速成形技术的发展过程中,各个研究在快速成形技术的发展过程中,各个研究机构和人员均按照自己的理解赋予其不同的称机
10、构和人员均按照自己的理解赋予其不同的称谓,这些不同称谓即反映了快速成形技术不同谓,这些不同称谓即反映了快速成形技术不同方面的重要特征。方面的重要特征。离散堆积制造实体自由成形制造材料添加制造即时制造分层制造直接CAD制造 离散堆积制造是现代成形学理论中在对成形技术发展进行总结的基础上提出的,表明了模型信息处理过程的离散性,强调了成形物理过程的材料堆积性,体现了快速成形技术的基本成形原理,具有较强的概括性和适应性。实体自由成形制造实体自由成形制造(Solid(Solid Freeform Fabrication)Freeform Fabrication)表明快速表明快速成形技术无需专用的模腔或成
11、形技术无需专用的模腔或夹具,零件的形状和结构也夹具,零件的形状和结构也相应不受任何约束。相应不受任何约束。RPRP工艺工艺是用逐层变化的截面来制造是用逐层变化的截面来制造三维形体,在制造每一层片三维形体,在制造每一层片时都和前一层自动实现联接,时都和前一层自动实现联接,不需要专用夹具或工具,使不需要专用夹具或工具,使制造成本完全与批量无关,制造成本完全与批量无关,既增加了成形工艺的柔性,既增加了成形工艺的柔性,又节省了制造工装和专用工又节省了制造工装和专用工具的大量成本。具的大量成本。材料添加制造(Material Increase Manufacturing)将材料单元采用一定方式堆积、叠加
12、成形,有别于车削等基于材料去除原理的传统加工工艺。即时制造(Instant Manufacturing)反映该类技术的快速响应性。由于无需针对特定零件制定工艺操作规程,也无需准备专用夹具和工具,快速成形技术制造一个零件的全过程远远短于传统工艺相应过程,使得快速成形技术尤其适合于新产品的开发,显示了其适合现代科技和社会发展的快速反应的特征和时代要求。分层制造(Layered Manufacturing)将复杂的三维加工分解成一系列二维层片的加工,着重强调层作为制造单元的特点,每层可采取更低维单元进行累加或高维单元进行加工得到。直接直接CADCAD制造制造(Direct CAD Manufactu
13、ring)(Direct CAD Manufacturing)反反映了快速成形是映了快速成形是CADCAD模型直接驱动,实现了模型直接驱动,实现了设计与制造一体化,计算机中的设计与制造一体化,计算机中的CADCAD模型通模型通过接口软件直接驱动快速成形设备,接口过接口软件直接驱动快速成形设备,接口软件完成软件完成CADCAD数据向设备数控指令的转化和数据向设备数控指令的转化和成形过程的工艺规划,成形设备则象打印成形过程的工艺规划,成形设备则象打印机一样机一样“打印打印”零件,完成三维输出。零件,完成三维输出。快速成形由于采用了离散快速成形由于采用了离散/堆积的加工堆积的加工工艺,工艺,CADC
14、AD和和CAMCAM能够很顺利地结合在一起,能够很顺利地结合在一起,快速成形的工艺规划主要作用是对成形过快速成形的工艺规划主要作用是对成形过程进行优化以提高造型精度、速度和质量,程进行优化以提高造型精度、速度和质量,所以快速成形可容易地实现设计制造一体所以快速成形可容易地实现设计制造一体化。化。快速成形制造技术的基本概念快速成形(RP Rapid Prototyping)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。快速成形制造快速成形制造(RPM Rapid Prototyping Manufacturing)是使用
15、是使用RPRP技术,由技术,由CADCAD模型直模型直接驱动的快速完成任意复杂形状三维实体零件的技术接驱动的快速完成任意复杂形状三维实体零件的技术的总称的总称。3.5.3 快速成形制造技术的应用全全球球RP设设备备装装机机量量医学医学实验分析模型实验分析模型快速模具快速模具快速铸造快速铸造CAD系统与RP系统之间的接口标准一般用于快速成形的CAD 模型可以是实体模型、曲面模型和线框模型,通常的应用以实体模型为主。在CAD 系统中完成三维造型后,就要把数学模型转化成快速原型系统能够识别的文件格式,常用的有面片模型文件(如STL、CFL 文件等)或层片模型文件(如HPGL、LEAF、CLI 文件等
16、)。1.STL(Stereo Lithography interface specification)格式STL 最初是用于美国30Systems 公司生产的SLA 快速原型系统的一种文件格式,目前是快速原型系统与CAD 系统之间的准行业数据交换标准。一个STL 模型如图8 一1 所示。STL 文件格式中每一个三角面片由四个数据项表示,即三个顶点坐标和面片的法矢,而STL 文件就是所有三角面片的集合.STL 文件格式有ASCll 码和二进制码两种输出形式.二进制码输出形式所占用的文件空间比ASCll 码输出形式的小得多,但是ASCll 码输出形式直观明了、便于检查 从STL 数据模型可以看出,
17、它拟合实体表面的三角平面信息是散乱、无序存储的,平面片与平面片之间没有体现几何拓扑关系的信息,因此就不能保证实体模型的有效性、封闭性。在每一个三角平面的信息中都给出组成三角面片的3 个顶点坐标值。在相邻的三角面片的信息中,这些顶点的坐标值被重复给出,如果一个顶点为多个三角面片所共有,则同样的顶点坐标值将在每个三角面片中重复给出造成了大量的冗余数据。2.STL 文件格式的规则STL 文件格式的规则如下:1)共顶点规则每一个小三角面片必须与每个相邻的小三角面片共用两个顶点,也就是说,一个小三角面片的顶点不能落在相邻的任何一个三角面片的边上,否则不能顺利进行切片处理。2)取向规则对于每一个小三角面片
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