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1、第五章材料的其他成形工艺制造工艺基础本章提纲5.1 粉末冶金成形5.2 非金属材料成形5.3 快速成型技术粉末冶金成形的定义粉末冶金成形的定义采用采用成形成形和和烧结烧结等工序将等工序将金属粉末金属粉末，或，或金金属属与与非金属粉末非金属粉末的混合物，制成金属制品的工的混合物，制成金属制品的工艺方法。艺方法。5.1粉末冶金成形此工艺方法又被称为此工艺方法又被称为金属陶瓷法。金属陶瓷法。近代粉末冶金技术发展的三个重要标志：近代粉末冶金技术发展的三个重要标志： 克服了难熔金属熔铸过程中的困难；克服了难熔金属熔铸过程中的困难； 多孔含油轴承的研制成功及粉末冶金机械零多孔含油轴承的研制成功及粉末冶金机
2、械零件的发展，发挥粉末冶金少、无切削特点；件的发展，发挥粉末冶金少、无切削特点； 向新材料、新工艺发展。向新材料、新工艺发展。5.1粉末冶金成形与液态成形相比，粉末冶金主要优点：与液态成形相比，粉末冶金主要优点：可避免或者减少偏析、机加工量大等缺点；可避免或者减少偏析、机加工量大等缺点；材料某些独特的性能或者显微组织也只能用粉末材料某些独特的性能或者显微组织也只能用粉末冶金方法来实现；冶金方法来实现；一些活性金属、高熔点金属制品用其它工艺成形一些活性金属、高熔点金属制品用其它工艺成形十分困难。十分困难。5.1粉末冶金成形粉末压制过程的三个阶段：粉末压制过程的三个阶段：5.1粉末冶金成形 填充孔
3、隙，增加颗粒间的啮合。填充孔隙，增加颗粒间的啮合。 随着压力增加，粉末颗粒产生弹性变形，当压制压随着压力增加，粉末颗粒产生弹性变形，当压制压力达到材料屈服应力，粉末颗粒产生塑性变形。力达到材料屈服应力，粉末颗粒产生塑性变形。 在压制后阶段，粉末加工硬化，颗粒发生断裂和破在压制后阶段，粉末加工硬化，颗粒发生断裂和破碎，进一步填充孔隙中去。碎，进一步填充孔隙中去。影响粉末压制的关键因素影响粉末压制的关键因素- -压坯强度：压坯强度：5.1粉末冶金成形压坯强度是指压坯反抗外力作用保持其几何形状和压坯强度是指压坯反抗外力作用保持其几何形状和尺寸不变的能力尺寸不变的能力，是反映粉末质量优劣的重要标志，是
4、反映粉末质量优劣的重要标志之一。粉末颗粒之间的联结力大致可分为两种：之一。粉末颗粒之间的联结力大致可分为两种：(1)(1)粉末颗粒之间的机械啮合力粉末颗粒之间的机械啮合力(2)(2)粉末颗粒表面原子之间的引力粉末颗粒表面原子之间的引力影响粉末压制的关键因素影响粉末压制的关键因素- -压制的位移和变形：压制的位移和变形：5.1粉末冶金成形1 1粉末的位移粉末的位移粉末在松装堆集时，由于表面不规则相互搭架而形成拱桥孔洞的现象，叫做搭桥。当施加压力时，粉末体内的拱桥效应遭到破坏，粉末颗粒当施加压力时，粉末体内的拱桥效应遭到破坏，粉末颗粒便被此填充孔隙，重新排列位置，增加接触。便被此填充孔隙，重新排列
5、位置，增加接触。影响粉末压制的关键因素影响粉末压制的关键因素- -压制的位移和变形：压制的位移和变形：5.1粉末冶金成形2 2粉末的变形粉末的变形粉末体在受压后体积大大减少这是因为粉术在压粉末体在受压后体积大大减少这是因为粉术在压制时不但发生了位移，且发生了变形，粉末变形可制时不但发生了位移，且发生了变形，粉末变形可能有三种情况：能有三种情况：(1)(1)弹性变形弹性变形(2)(2)塑性变形塑性变形(3)(3)脆性断裂脆性断裂影响粉末压制的关键因素影响粉末压制的关键因素- -压制压力与压坯密度压制压力与压坯密度5.1粉末冶金成形每一条压制曲线一般可以分为三每一条压制曲线一般可以分为三个区域。个
6、区域。区密度随压力急速增加。区密度随压力急速增加。区密度随压力增加较慢。区密度随压力增加较慢。区密度几乎不随压力增加而变化。区密度几乎不随压力增加而变化。三个区域并没有严格的界限，同时，三种致密化方式也并三个区域并没有严格的界限，同时，三种致密化方式也并非各区独有。非各区独有。影响粉末压制的关键因素影响粉末压制的关键因素- -压制压力与压坯密度压制压力与压坯密度5.1粉末冶金成形实测的压制曲线受以下因素影响：实测的压制曲线受以下因素影响：压坯高径比压坯高径比H H/ /D D：H H/ /D D越大，压坯平均密度越低，使曲线向下越大，压坯平均密度越低，使曲线向下偏移。一般取偏移。一般取H H/
7、 /D D=0.5=0.51 1 。粉末粒度粉末粒度：单分散粉末粒度越小，压制曲线越偏下，反之偏上；：单分散粉末粒度越小，压制曲线越偏下，反之偏上；合适粒度组成的粉末比单一粒度粉末的压制曲线偏高。合适粒度组成的粉末比单一粒度粉末的压制曲线偏高。粉末颗粒形状粉末颗粒形状：形状越复杂，曲线位置越偏低。：形状越复杂，曲线位置越偏低。粉末加工硬化粉末加工硬化：加工硬化粉末压制曲线偏低；退火软化粉末，：加工硬化粉末压制曲线偏低；退火软化粉末，则偏高。则偏高。粉末氧化粉末氧化：金属粉末氧化后，压制曲线偏低。：金属粉末氧化后，压制曲线偏低。粉末烧结过程原理粉末烧结过程原理粉末有自动粘结或成团的倾向，特别是极
8、细的粉粉末有自动粘结或成团的倾向，特别是极细的粉末，即使在室温下，经过相当长的时间也会逐渐聚结末，即使在室温下，经过相当长的时间也会逐渐聚结。在高温下，结块更是十分明显。粉末受热，颗粒之。在高温下，结块更是十分明显。粉末受热，颗粒之间发生粘结，就是我们常说的间发生粘结，就是我们常说的烧结烧结现象现象5.1粉末冶金成形粉末烧结的基本过程粉末烧结的基本过程5.1粉末冶金成形粉末烧结后，烧结体的强度增加，原因在于： 颗粒间的联结强度增大，即联结面上原子间的引力增大。 孔隙体积和空隙总数的减少以及孔隙的形状变化。(1) (1) 粘结阶段粘结阶段 (2)(2)烧结颈长大阶段烧结颈长大阶段 (3)(3)闭
9、孔隙球化和缩小阶段闭孔隙球化和缩小阶段粉末烧结驱动力粉末烧结驱动力5.1粉末冶金成形从热力学的观点看，粉末烧结是系统自由能减小的从热力学的观点看，粉末烧结是系统自由能减小的过程，即烧结体相对于粉末体在一定条件下处于能过程，即烧结体相对于粉末体在一定条件下处于能量较低的状态。量较低的状态。烧结系统自由能的降低，烧结系统自由能的降低，是烧结过程的驱动力是烧结过程的驱动力。固相烧结组织示意：固相烧结组织示意：(a)(a)为粉末颗粒烧结前有为粉末颗粒烧结前有两个相邻的表面；两个相邻的表面；(b)(b)为烧结之后颗粒表面为烧结之后颗粒表面成为晶界，使得总表面成为晶界，使得总表面积减少，从而降低了系积减少
10、，从而降低了系统的自由能。统的自由能。烧结前烧结前烧结后烧结后烧结机制烧结机制5.1粉末冶金成形烧结过程中，颗粒粘结面上发生的量与质的变化以及烧结过程中，颗粒粘结面上发生的量与质的变化以及烧结体内孔隙的球化与缩小等过程都是以物质的迁移为前烧结体内孔隙的球化与缩小等过程都是以物质的迁移为前提的。烧结机制就是研究烧结过程中各种可能的提的。烧结机制就是研究烧结过程中各种可能的物质迁移物质迁移方式及速率方式及速率。1.1. 烧结初期颗粒间的粘结具有范德华力的性质烧结初期颗粒间的粘结具有范德华力的性质，不需要，不需要原子作明显的位移。原子作明显的位移。2.2. 其它的物质迁移形式，如扩散、蒸发与凝聚、流
11、动其它的物质迁移形式，如扩散、蒸发与凝聚、流动等，等，因原子移动的距离较长，过程的激活能较大，只有在因原子移动的距离较长，过程的激活能较大，只有在足够高的温度或外力的作用下才能发生。足够高的温度或外力的作用下才能发生。影响烧结的因素影响烧结的因素5.1粉末冶金成形烧结温度烧结温度是影响烧结体原子活性是烧结的重要因素。是影响烧结体原子活性是烧结的重要因素。烧结时间烧结时间延长一般都会不同程度地促使烧结完成，对粘性流动延长一般都会不同程度地促使烧结完成，对粘性流动机理的烧结较为明显，而对体积扩散和表面扩散机理影响较小。机理的烧结较为明显，而对体积扩散和表面扩散机理影响较小。物料颗粒度物料颗粒度减少
12、则总表面能增大因而会有效加速烧结，这对于减少则总表面能增大因而会有效加速烧结，这对于扩散和蒸发扩散和蒸发- -冷凝机理更为突出。冷凝机理更为突出。除此之外，例如通过控制物料的晶体结构、晶界、粒界、颗粒除此之外，例如通过控制物料的晶体结构、晶界、粒界、颗粒堆积状况和烧结气氛以及引入微量添加物等，以改变烧结条件堆积状况和烧结气氛以及引入微量添加物等，以改变烧结条件和物料活性，同样可以有效地影响烧结速度。和物料活性，同样可以有效地影响烧结速度。粉末冶金成形的工艺方法粉末冶金成形的工艺方法5.1粉末冶金成形粉末冶金工艺过程示意图原料粉末添加剂混合压制成形烧结零件成品粉末冶金成形的应用粉末冶金成形的应用
13、5.1粉末冶金成形工业部门金属粉末和粉末冶金材料、制品应用举例机械加工汽车、拖拉机电机制造精密仪器电气和电子工业计算机工业化学、石油工业军工航空航天和火箭原子能工程硬质合金，金属陶瓷，粉末高速钢机械零件，摩擦材料，多孔含油轴承，过滤器多孔含油轴承，铜石墨电刷仪表零件，软磁材料，硬磁材料电触头材料，电真空电极材料，磁性材料记忆元件过滤器，防腐零件，催化剂穿甲弹头，军械零件，高比重合金摩擦片，过滤器，防冻用多孔材料，粉末超合金发汗材料，难熔金属及合金，纤维强化材料核燃料元件，反应堆结构材料，控制材料本章提纲5.1 粉末冶金成形5.2 非金属材料成形5.3 快速成型技术5.2 非金属材料成形-塑料成
14、形塑料概念:以合成树脂或天然树脂为原料，在一定温度和压力条件下，可以用模具使其成型为具有一定形状和尺寸的塑料制件，当外力解除后，在常温下其形状保持不变。多数以合成树脂为基本成分，一般含有添加剂如：填料、稳定剂，增塑剂、色料或润化剂等。塑料的特点:比重小，比强度大；耐腐蚀，耐磨，绝缘，减磨，消声，减震；易成型，易复合等优良的综合性能。5.2 非金属材料成形-塑料成形1）注射成形注塑成型又称注射模塑成型，它是一种注射兼模塑的成型方法。用于大量生产与形状复杂产品等成型加工领域。5.2 非金属材料成形-塑料成形1）注射成形原理：将粒状原料在注射机的料筒内加热熔融塑化，在柱塞或螺杆加压下，压缩熔融物料并
15、向前移动，然后通过料筒前端的喷嘴以很高的速度注入温度较低的闭合模具内，冷却定型后，开模就得制品。5.2 非金属材料成形-塑料成形1）注射成形注射成形过程分为加料、塑料熔融、注射、制品冷却和制品脱模等5个工序。5.2 非金属材料成形-塑料成形1）注射成形料筒温度成型温度喷嘴温度模具温度注射压力成型周期5.2 非金属材料成形-塑料成形2）压塑成形压塑成形又称压缩成形、模压成形、压制成形等，主要用于热固性塑料的成形。5.2 非金属材料成形-塑料成形2）压塑成形基本成型原理：将粉状、粒状或纤维状的固态塑料，置于成型温度下的模具型腔中，然后闭模加压，使其成型、固化的过程。在这一过程中，置于模腔中的热固性
16、塑料，在高温和压力作用下，先由固态变为熔融状，并在此状态下充满整个模腔，熔融态逐渐变为固态，最后开模取得所需塑料制品。5.2 非金属材料成形-塑料成形2）压塑成形成形过程：加料、合模、排气、交联固化、制品脱模、清理模具等。5.2 非金属材料成形-塑料成形2）压塑成形成形工艺参数：成型温度、成型压力和成型时间等。模压压力Pm：使模塑料完全充满型腔所施加的必要压力。充模，压实物料；克服由气体逸散，小分子物质挥发及物料热膨胀造成的负压；闭模，获得模具型腔赋予的形状及尺寸。模压温度Tm：模压时规定的模具温度。作用：使物料熔融流动充满型腔；提供固化所需热量。调节和控制Tm的原则：保证充模固化定型并尽可能
17、缩短模塑周期成型时间：加料、合模、排气、加压、固化、脱模、模具清理等工序所需的时间5.2 非金属材料成形-塑料成形3）传递成形传递成形又称压注成形，它是在改进压缩成形的基础上发展起来的一种热固性塑料的成形方法。成形原理：先将塑料加入模具的加料室内，使其受热成为粘流状态，在柱塞压力的作用下，粘流态的塑料经过浇注系统，进入并充满闭合的型腔，塑料在型腔内继续受热受压，经过一定时间的固化后，打开模具取出塑料制品。5.2 非金属材料成形-塑料成形4）挤出成形挤出成形又叫挤塑、挤压、挤出模塑 借助螺杆和柱塞的挤压作用,使塑化均匀的塑料强行通过模口而成为具有恒定截面和连续制品，是热塑性塑料的主要成型方法之一
18、5.2 非金属材料成形-塑料成形4）挤出成形挤出成形是一种液态轧制过程。5.2 非金属材料成形-塑料成形4）挤出成形成形过程包括塑化、挤出成形和冷却成形等3个阶段5.2 非金属材料成形-塑料成形4）挤出成形压力:料筒中熔体压力可以达到55MPa,而口模压力一般是小于20MPa温度:根据不同的塑料而异,塑化温度一般是在180 250。挤出速率:是单位时间内挤出机口模挤出的塑料质量(Kg/h)或长度(m/min),与口模阻力、螺杆与料筒的结构、螺杆转速、加热系统和塑料特性有关。5.2 非金属材料成形-橡胶成形橡胶制品的生产主要包括混炼、成形、硫化等加工过程将各种配合混炼剂混入并均匀分散在橡胶中的过
19、程任务是生产出符合品质要求的混炼胶压延机压延得到板材、片材混炼成形挤出机上挤出棒材、管材及各种型材织物上贴胶而得到胶布、管带等成品加热、加压硫化5.2 非金属材料成形-橡胶成形广泛应用于各种橡胶制品的生产广泛应用于各种橡胶制品的生产。橡胶压制所用橡胶压制所用的原料是混炼胶或经成型后的橡胶半成品的原料是混炼胶或经成型后的橡胶半成品。生产工艺生产工艺基本上与热固性塑料的模压成型相同基本上与热固性塑料的模压成型相同，橡胶成形最后橡胶成形最后是通过交联是通过交联（硫化硫化）形成形成网状网状结构的制品结构的制品。在橡胶制品生产中在橡胶制品生产中，硫化硫化是最后的一道加工工序是最后的一道加工工序，而模型硫
20、化在硫化工艺中的使用最为广泛而模型硫化在硫化工艺中的使用最为广泛。1）压制成形5.2 非金属材料成形-橡胶成形1）压制成形适用于生产密封圈、垫片、带嵌件的橡胶制品，如手把、夹布胶带、轮胎，胶鞋等。 模具结构简单； 通用性强，适用面广。 操作方便。5.2 非金属材料成形-橡胶成形1）压制成形生胶生胶塑炼塑炼塑炼胶塑炼胶配合剂配合剂配料配料混炼混炼混炼胶混炼胶成型（半成品）成型（半成品）注压、模压、压出、压延、涂浸胶注压、模压、压出、压延、涂浸胶硫化硫化制品制品纤维材料纤维材料金属材料金属材料溶剂溶剂成型硫化同时进行5.2 非金属材料成形-橡胶成形1）压制成形橡胶制品的硫化橡胶制品的硫化硫化前硫化
21、前线形结构，分子间以范德华力相互作用线形结构，分子间以范德华力相互作用硫化时硫化时分子被引发，发生化学交联反应分子被引发，发生化学交联反应硫化后硫化后网状结构，分子间主要已以化学键结合网状结构，分子间主要已以化学键结合5.2 非金属材料成形-橡胶成形2）注射成形利用注射机的压力，将预热的胶料直接由机筒经喷嘴注入模腔成形、硫化定型的一种生产方法。加料胶料软化预热注压(射)硫化定型取出制品。工艺过程：5.2 非金属材料成形-橡胶成形2）注射成形注射速度 与注射压力、喷嘴直径及胶料性质有关。注射速度 注射温度和硫化速度 由于注射温度增加，缩短了注射时间，提高了生产效率。但注射速度过高，由于摩擦产生热
22、量大，易焦烧，或制品表面产生皱纹或缺胶。注射压力 注射压力对胶料填充模具有决定性的作用。其值大小取决于胶料的性质、注射机类型、模具结构及其他技术条件。注射压力 胶料的流动性 注射时间 胶料温度原则上注射压力在许可的压力范围内选择较高值。5.2 非金属材料成形-橡胶成形2）注射成形温度保证胶料顺利注射和快速硫化：机筒温度：橡胶的塑化过程其他技术条件和硫化胶某些性能（如硬度等）提高机筒温度可以提高注射温度，缩短注射时间和硫化时间。注射温度：胶料通过喷嘴之后的温度控制原则是在焦烧安全许可的前提下尽可能接近模腔温度。模具温度：根据胶料硫化的条件来确定。一般模温的选择应比焦烧时的温度低35 。5.2 非
23、金属材料成形-陶瓷成形成形方法坯料含水量3035%冷法石膏模常压冷法注浆加压冷法注浆抽真空冷法注浆有模无模压制成形法：干压成形，使用钢模 ，坯料含水量47%、等静压成形，使用橡皮膜，坯料含水量1.53%可塑成形法坯料含水量1826%注浆成形法热法（热压注法）：钢模成形方法分类5.2 非金属材料成形-陶瓷成形注浆成型常见的有普通注浆、高压注浆，适用范围广，常用于制作空心坯体、异型坯体。可塑成型常见的有滚压、旋压、挤压、辊压、塑压、拉坯、印模、轧模、雕塑，成型方法多，多用于制作回旋体、扁平状坯体，也可用于制作大型或异型产品。压制成型常见的有干压成型、等静压成型，日用陶瓷常用于制作盘、碟类产品，建筑
24、陶瓷常用于制作平板状陶瓷砖。热压注成型一般用于特种陶瓷的成型工艺5.2 非金属材料成形-陶瓷成形1）注浆成形在石膏模的毛细管力作用下，含有一定水分的粘土泥浆脱水硬化、成型的过程。目前：将所有基于坯料具有一定液态流动性的成型方法统归为注浆成型。工艺特点：（1）适于成型各种产品，形状复杂、不规则、薄、体积较大而且尺寸要求不严的器物，如花瓶、汤碗、椭圆形盘、茶壶等。（2）坯体结构均匀，但含水量大且不均匀，干燥与烧成收缩大。5.2 非金属材料成形-陶瓷成形1）注浆成形5.2 非金属材料成形-陶瓷成形利用蜡类材料热熔冷固的特点，将配料混合后的陶瓷细粉与熔化的蜡料粘合剂加热搅拌成具有流动性与热塑性的蜡浆，
25、在热压注机中用压缩空气将热熔蜡浆注满金属模空腔，蜡浆在模腔内冷凝形成坯体，再行脱模取件。2）热压注成形5.2 非金属材料成形-陶瓷成形3）压制成形将含水率为(47)%的粉状泥料在较高压力下在模型内压制成形。5.2 非金属材料成形-陶瓷成形4）注射成形5.2 非金属材料成形-复合材料成形从广义上讲，复合材料是由两种或两种以上不同化学性质的组分组合而成的材料。但在现代材料学界中，复合材料专指由两种或两种以上不同相态的组分所组成的材料。复合材料可定义为：用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。树脂基复合
26、材料成形金属基复合材料成形陶瓷基复合材料成形5.2 非金属材料成形-复合材料成形1）树脂基复合材料成形手糊成形喷射成形铺层成形缠绕成形模压成形层压成形5.2 非金属材料成形-复合材料成形1）树脂基复合材料成形-手糊成形原材料准备，模具准备，涂脱模剂原材料准备，模具准备，涂脱模剂喷涂胶衣，糊制成形喷涂胶衣，糊制成形固化，脱模固化，脱模修边，装配，验收修边，装配，验收5.2 非金属材料成形-复合材料成形1）树脂基复合材料成形-喷射成形5.2 非金属材料成形-复合材料成形1）树脂基复合材料成形-铺层成形5.2 非金属材料成形-复合材料成形1）树脂基复合材料成形-缠绕成形树脂配制纤维烘干浸胶胶纱烘干缠
27、绕固化检验、加工制品制造回转体复合材料干法：制品质量稳定，生产率高；投资大，层间剪切强度低；湿法劳动条件差，强度大，质量不易控制，不易自动化；半干法5.2 非金属材料成形-复合材料成形1）树脂基复合材料成形-模压成形生产率高，制品尺寸精确，质量好且稳定，表面光洁，价低，自动化程度高，无需辅助加工；模具复杂，投资高，适用于中小型玻璃钢制品。短纤维料模压法、毡料模压法、碎布料模压法、层压模压法、缠绕模压法、织物模压法、定向铺设模压法、预成形坯模压法、片状模塑料模压法等。5.2 非金属材料成形-复合材料成形1）树脂基复合材料成形-层压成形层叠胶布模板之间加热、加压固化冷却、脱模、修整层压板。制品表面
28、光，质量好且稳定，设备简单，生产率高。只能生产板材，且尺寸受限，制品精度低，劳动轻度大。5.2 非金属材料成形-复合材料成形2）金属基复合材料成形 固态法：基体处于固态的加工方法，以避免金属基体与增强材料之间的界面反应。包括粉末冶金法、扩散粘结法（热压法、热等静压法）、形变法（轧制、挤压、拉拔）、爆炸焊接法等。 液态法：基体处于熔融状态的加工方法。包括液态金属浸渍法、共喷沉淀法、热喷涂法等。 其他制造方法包括原位自生成法、物理气相沉淀法、化学气相沉淀法、化学镀、电镀、复合镀等。5.2 非金属材料成形-复合材料成形2）金属基复合材料成形-粉末冶金法制备成形制备成形颗粒增强金属基复合材料颗粒增强金
29、属基复合材料合金粉末合金粉末增强物增强物混合除气混合除气冷压成形冷压成形热压成形热压成形坯料坯料挤压成形挤压成形轧轧制制锻锻造造制件制件烧结烧结5.2 非金属材料成形-复合材料成形2）金属基复合材料成形-扩散结合法5.2 非金属材料成形-复合材料成形2）金属基复合材料成形-液态金属浸润法液态金属浸润法挤压铸造法预制件放入模具中（预热） 浇铸熔融金属加压凝固成形成本低，生产率高，但难以制造高要求高精度制品；用于批量生产陶瓷短纤维、颗粒、晶须增强铝、镁基复合材料真空压力浸渍法组织致密，性能好；可直接制成复杂零件；工艺简单，易控制，生产率高；但设备复杂，成本高用于铝基、铜基复合材料板材、棒材、线材生
30、产。5.2 非金属材料成形-复合材料成形3）陶瓷基复合材料成形模压成形：形状简单小件等静压成形：要求高的电子元件等注浆成形：精细陶瓷、粉末冶金件热压成形：形状复杂件注射成形：高温工程陶瓷大规模生产直接氧化法化学气相渗透法本章提纲5.1 粉末冶金成形5.2 非金属材料成形5.3 快速成型技术5.3 快速成型技术 全球一体化市场全球一体化市场、制造业竞争激烈制造业竞争激烈，产品的开发速度产品的开发速度成为市场竞争的主要矛盾成为市场竞争的主要矛盾。 从技术发展角度从技术发展角度，计算机计算机、CAD/CAMCAD/CAM、材料材料、激光等技激光等技术的发展和普及为新的制造技术的产生奠定了基础术的发展
31、和普及为新的制造技术的产生奠定了基础。 增材制造于增材制造于2020世纪世纪8080年代后期产生于美国年代后期产生于美国，并很快扩并很快扩展到日本及欧洲展到日本及欧洲，于于2020世纪世纪9090年代初引入我国年代初引入我国，是近是近2020年来制造技术领域的一项重大突破年来制造技术领域的一项重大突破。5.3 快速成型技术快速原型技术概念快速原型技术概念 快速成型技术的基本原理是基于离散的增长方式成型原型快速成型技术的基本原理是基于离散的增长方式成型原型或制品或制品。历史上这种历史上这种“增长增长” 制造方式由来已久制造方式由来已久，其发其发展根源可以追朔到早期的地形学工艺领域展根源可以追朔到
32、早期的地形学工艺领域 18921892年年，J J. . E E. . BlantherBlanther在其美国专利中曾建议用叠层的在其美国专利中曾建议用叠层的方法来制作地图模型方法来制作地图模型。该方法指出将地形图的轮廓线压印该方法指出将地形图的轮廓线压印在一系列的蜡片上并沿轮廓线切割蜡片在一系列的蜡片上并沿轮廓线切割蜡片，然后堆叠系列蜡然后堆叠系列蜡片产生三维地貌图片产生三维地貌图5.3 快速成型技术技术涉及CAD技术数据处理技术数控技术测试传感技术激光技术等机械电子、材料和计算机软件等高科技技术的有机综合、交叉应用。5.3 快速成型技术快速成型系统的组成快速成型系统的组成 快速成型系统是
33、若干先快速成型系统是若干先进技术集成的进技术集成的计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD)(CAD)计算机辅助制造计算机辅助制造(CAM)(CAM)计算机数字控制计算机数字控制(CNC)(CNC)激光激光精密伺服驱动精密伺服驱动新材料新材料5.3 快速成型技术快速成型主要工艺方法快速成型主要工艺方法 光固化成型法光固化成型法（StereolithographyStereolithography ApparatusApparatus，SLASLA）采用光敏树脂材料通过采用光敏树脂材料通过 激光照射逐层固化而成型激光照射逐层固化而成型 选择性激光烧结法选择性激光烧结法（SelectiveSelect
34、ive LaserLaser SinteringSintering，SLSSLS）采用粉状材料通过激光选择性烧结逐层固化而成型采用粉状材料通过激光选择性烧结逐层固化而成型 熔融沉积制造法熔融沉积制造法（FusedFused DepositionDeposition ManufacturingManufacturing，FDMFDM）采用熔融材料加热熔化挤压喷射冷却而成型采用熔融材料加热熔化挤压喷射冷却而成型 三维打印三维打印（ThreeThree DimensionalDimensional PrintingPrinting ， 3 3DPDP ）5.3 快速成型技术光固化快速成型(SLA，S
35、tereo lithography Apparatus)光固化快速成型装置一直以美国3D Systems公司的SLA型产品独占鳌头，并形成垄断市场。由激光器发出的紫外光，经光学系统汇集成一支细光束，该光束在计算机控制下，有选择的扫描液激光器扫描镜升降装置容器光敏树脂体光敏树脂表面，利用光敏树脂遇紫外光凝固的机理，一层一层固化光敏树脂每固化一层后，工作台下降一精确距离，并按新一层表面几何信息使激光扫描器对液面进行扫描，使新一层树脂固化并紧紧粘在前一层已固化的树脂上如此反复，直至制作生成一零件实体模型。光固化快速成型制造精度可达0.1mm,主要用作为产品提供样品和实验模型。5.3 快速成型技术光固
36、化成型工艺过程原理图光固化成型工艺过程原理图光固化成型过程光固化成型过程5.3 快速成型技术 成型开始时工作台在它的最高位置成型开始时工作台在它的最高位置（深度深度a a），此时液面此时液面高于工作台一个层厚高于工作台一个层厚，激光发生器产生的紫外激光在计激光发生器产生的紫外激光在计算机控制下聚焦到液面并按零件第一层的截面轮廓进行算机控制下聚焦到液面并按零件第一层的截面轮廓进行扫描扫描，使扫描区域的液态光敏树脂固化使扫描区域的液态光敏树脂固化，形成零件第一形成零件第一个截面的固化层个截面的固化层。 工作台下降一个层厚工作台下降一个层厚，使先固化好的树脂表面再敷上一使先固化好的树脂表面再敷上一层
37、新的液态树脂然后重复扫描固化层新的液态树脂然后重复扫描固化，与此同时新固化的与此同时新固化的一层牢固地粘接在前一层上一层牢固地粘接在前一层上，该过程一直重复操作到达该过程一直重复操作到达到到b b高度高度。光固化快速成型原理5.3 快速成型技术光固化快速成型原理 此时已经产生了一个有固定壁厚的圆柱体环形零件此时已经产生了一个有固定壁厚的圆柱体环形零件。这这时可以注意到工作台在垂直方向下降了距离时可以注意到工作台在垂直方向下降了距离abab。 到达到达b b高度后高度后，光束在光束在x xy y面的移动范围加大从而在前面面的移动范围加大从而在前面成型的零件部分上生成凸缘形状成型的零件部分上生成凸
38、缘形状。 当一定厚度的液体被固化后当一定厚度的液体被固化后，该过程重复进行产生出另该过程重复进行产生出另一个从高度一个从高度b b到到c c的圆柱环形截面的圆柱环形截面。 注意注意，周围的液态树脂仍然是可流动的周围的液态树脂仍然是可流动的，因为它并没有因为它并没有在紫外线光束范围内在紫外线光束范围内。 零件就这样由下及上一层层产生零件就这样由下及上一层层产生。5.3 快速成型技术 汽车汽车、航空航空、医学医学 该工艺适合比较复该工艺适合比较复杂的中小件杂的中小件、小齿小齿轮轮（尤其是具有小尤其是具有小齿者齿者）、小功能件小功能件、薄壁小件薄壁小件、造模造模的用缩小比例件的用缩小比例件光固化快速
39、成型的应用SLASLA产品产品5.3 快速成型技术选择性激光烧结法选择性激光烧结法概述概述选择性激光烧结工艺选择性激光烧结工艺（SelectedSelected LaserLaser SinteringSintering，SLSSLS）最早由美国人最早由美国人CarlCarl DeckardDeckard于于19891989年提出年提出，后美国后美国DTMDTM公司于公司于19921992年推出了该工艺的商业化生产设备年推出了该工艺的商业化生产设备。它利用粉末状材料它利用粉末状材料（主要有塑料粉主要有塑料粉、蜡粉蜡粉、金属粉金属粉、表面表面附有粘结剂的覆膜陶瓷粉附有粘结剂的覆膜陶瓷粉、覆膜金属
40、粉及覆膜砂等覆膜金属粉及覆膜砂等）在激在激光照射下烧结的原理光照射下烧结的原理，在计算机控制下按照界面轮廓信息在计算机控制下按照界面轮廓信息进行有选择的烧结进行有选择的烧结，层层堆积成形层层堆积成形。5.3 快速成型技术选择性激光烧结法选择性激光烧结法（Selective Laser SinteringSelective Laser Sintering，SLSSLS）5.3 快速成型技术代表性工艺：代表性工艺：选择性激光烧结选择性激光烧结（SLS)SLS)5.3 快速成型技术熔融沉积快速成型（ FDM ， Fused Deposition Modeling）5.3 快速成型技术熔融沉积快速成型
41、（ FDM ） 在熔积成型法在熔积成型法（FDMFDM）的过程中龙门架式的机械控制喷的过程中龙门架式的机械控制喷头可以在工作台的两个主要方向移动头可以在工作台的两个主要方向移动，工作台可以根据工作台可以根据需要向上或向下移动需要向上或向下移动。 热塑性塑料或蜡制的熔丝从加热小口处挤出热塑性塑料或蜡制的熔丝从加热小口处挤出。最初的一最初的一层是按照预定的轨迹以固定的速率将熔丝挤出在泡沫塑层是按照预定的轨迹以固定的速率将熔丝挤出在泡沫塑料基体上形成的料基体上形成的。 当第一层完成后当第一层完成后，工作台下降一个层厚并开始迭加制造工作台下降一个层厚并开始迭加制造一层一层。 FDMFDM工艺的关键是保
42、持半流动成型材料刚好在熔点之上工艺的关键是保持半流动成型材料刚好在熔点之上（通常控制在比熔点高通常控制在比熔点高1 1左右左右）。5.3 快速成型技术熔融沉积快速成型的应用5.3 快速成型技术3D打印技术改变传统的生产方式和生活方式 战略性新兴产业战略性新兴产业 美国美国、德国等发达国家高度重视并积极推广该技术德国等发达国家高度重视并积极推广该技术 以数字化以数字化、网络化网络化、个性化个性化、定制定制化化为特点为特点 推动第三次工业革命推动第三次工业革命。5.3 快速成型技术3D打印：一种典型的数字化制造技术打印：一种典型的数字化制造技术 英国科学家打英国科学家打印出了印出了“终结终结者机械
43、手臂者机械手臂” 日本年度预算日本年度预算申请支持申请支持3D3D打打印金属产品的印金属产品的技术研发技术研发 3D3D打印让法国打印让法国病人重获鼻子病人重获鼻子5.3 快速成型技术三维三维打打印原理图印原理图三维打印(3DP,Three Dimensional Printing )5.3 快速成型技术 首饰：直接首饰制造首饰：直接首饰制造 游戏：游戏玩偶制造游戏：游戏玩偶制造 消费品和日用品：个性化灯具，家具，礼品；消费品和日用品：个性化灯具，家具，礼品； 玩具，作为三维打印产品的玩具和玩具三维打印机；玩具，作为三维打印产品的玩具和玩具三维打印机； 食品：制作各种形状的蛋糕和食品；食品：制
44、作各种形状的蛋糕和食品； 建筑：建筑模型和直接建筑：建筑模型和直接楼宇楼宇打印；打印； 教育：大中小学的基本教育工具教育：大中小学的基本教育工具 3D打印的应用5.3 快速成型技术主流快速成型工艺的比较主流快速成型工艺的比较光固化选区激光烧结三维打印熔融沉积数控机床成形速度较快较慢较慢较慢快成形精度较高较低较低较低较高制造成本较高较低低较低较低复杂程度中等复杂中等中等中等、复杂零件大小中小件中小件中小件中小件中大件常用材料热固性光敏树脂石蜡、塑料、金属、陶瓷粉末等ABC塑料，其中还混合了铝和玻璃石蜡、尼龙、ABS、低熔点金属等ABS，POM（赛钢），亚克力，尼龙，PC，PP，电木。金属材料：铝合金、镁合金，锌合金，铜等END