快速制造技术

高
激光扫描 工业CT 层析法
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较快 较慢 较慢
无 有 无
较高 较高 较高
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快速制造技术
面扫描测量系统的应用领域
应用领域
工件和模具制造测 量 注塑模具测量
用
途
试验分析、回跳和修整、优选铣磨策略、磨损、复制、 锻件和铸件、造型与设计。 初检、收缩和翘曲、产品的反复改进、改进的控制、整 体和局部分析、尺寸控制。 白车身、优选磨铣策略、回跳和修整、孔的模型、截面 分析、边缘和特征分析、装配。 翼面扭曲和分析、平均弯曲线和弦长、最大宽度和偏移 厚度、前端/后端边缘半径、部件收缩趋势、总体气流 量、完成叶轮装配。 空气动力学、刻度模型、风洞、流体动力学计算 (CFD) 、数值模拟、虚拟装配、定位和装夹。
激 光 器 扫 描 镜
激 光 束 铺粉 装置 零件
Z轴 升降台
透 镜
刮 平 辊 子
SLS成型原理图
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熔融沉积法（FDM—Fused Deposition Modeling）
丝 材
电焊枪 Z 向 进 给
成型件 Ｘ－Ｙ 驱 动
FDM成型原理图
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快速制造技术及其应用
（产品数字化快速开发技术与应用）
快速制造技术
主 要 内 容
快速制造技术 逆向工程（反求工程）及其应用 激光快速成型技术及其应用 快速模具制造技术及其应用
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快速制造技术
一、快速制造技术
1. 2.
快速制造(RM--Rapid Manufacturing) 是基于离散- 堆 积成形原理的先进制造技术的总称。 基本定义：“由产品的三维CAD 模型数据直接驱动，组 装(堆积) 材料单元而制造出任意复杂且具有使用功能的 零件的科学技术。”
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快速制造技术
2. 快速成形工艺过程
成型制作
STL模型 CAD模型 *实体造型方法 *STL输出接口 *其它数据接口
加工文件
*模型制作定向 *分层处理 *加支撑
数据准备处理 CAD造型系统
成型过程 成型零件
快速成型系统 图1.1 快速成型技术工艺过程示意图
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快速制造技术
实例7：大尺寸零件反求测量
指标 设备
FARO P12-7关节便 携式测量系统
测量范围 （m） 3.7
单点球测试重 单点锥测试重 复精度（mm） 复精度 （mm） ±0.064 ±0.073
激光扫描头扫 描精度 （mm） ±0.05
注：采用转站蛙跳球标定模板，测量范围可以无限扩展， 非常适合于大型风力叶片，汽车外形的三维数字化测量。
z 成本为传统加工的1/3～1/5 z 周期缩短为1/5～1/10
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5. 中国RP技术研究及商业化概况
z 在 RP样机（ 87 年）商品化6年后，国内西安交大(SLA)、清华大 学(FDM)、华中理工大学(LOM)及相关研究机构（93年）开始RP技 术的研究。 z 中国RP技术的研究包括了RP设备（激光器、扫描振镜、控制软 件、支撑软件等关键技术）、材料及应用领域的诸多方面。 z 拥有市场主导工艺（SLA/SLS/FDM/LOM/SGC)设备、材料的核 心技术，形成了较完备的自主产权体系。 ¾ z z z z
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三维几何反求工程流程图
物理模型 测绘 三维测量 数控加工 快速原型 数据预处 理、分割 数控编程 层片数 据文件 三维重构
产品 原型
CAD STL 文件
主要由三维几何数据获取技术、数据分割及三维重 构、模型分析及快速制造三部分组成。
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快速制造技术
三维几何反求测量方法与设备
CCD测量范 围（mm） 400×600×3 00
单帧测量精度 （mm） ±0.02/100
整体测量精度 0.1mm/M
备注 能获取零件的 内部结构数据
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快速制造技术 数字近景工业三维摄影(面扫描）测量系统的测量相对精度可达到 1/100000，适合于大型曲面模具、艺术模型、面板、天线及部件的检测。 主要应用领域包括：航空航天、大型天线、汽车制造、造船及其它工业 测量领域。
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三维几何反求测量方法比较
测量方法
三维数字近景摄影 测量（面扫描）
精
度
速 度
快
材料 限制
无
形状限制
表面变化 不能过陡
成本
较高 ±0.02mm 高 ±0.5μm 较低 ±0.05mm 低 >0.1mm 较高 ±0.025mm
低
三坐标测量仪
慢
无
无 表面不能 过于光滑 无 无
汽车车灯架扫描后点云及三角化后的三角面、nurbs曲面
某型汽车轮毂扫描后点云及三角化后的三角面
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某型汽车曲轴扫描后点云及三角化后的三角面
某型摩托车外壳塑 料件扫描后点云
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实例6：人体扫描测量
拳头扫描（纹理清晰可见）
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快速制造技术分类
① ② 直接快速制造—通过RM直接完成功能零件； 间接快速制造—通过RP 完成工、模具制造，模具进行批 量生产。
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快速制造技术路线
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二、逆向工程（反求工程）及其应用
1. 逆向工程亦称反求工程，简称RE (Reverse Engineering). 2. 广义反求工程:以物理模型(模型、实物、样件)、软件(程序、技 术文档)、影像(图片、影视资料)等为研究对象，其目标是探求研 究对象的原理、技术方案、功能、材料、结构、表面特性、可靠 性等. 3. 几何反求：当设计者的理念以粘土或木模表达或只有产品样件而 没有设计蓝图或CAD模型等情况下，若要进行仿制或再设计，必须 对实物进行三维数字化处理，数字化手段包括传统测绘及各种先 进测量方法，将获得的三维离散数据作为初始素材，借助专用三 维重构软件并结合通用CAD系统构造实物的CAD模型，在此基础上 进行产品结构性能分析或利用各种先进制造方法制造出原型或产 品。 4. 机械工程领域目前主要侧重于几何反求。
企业60余家
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西安交大 哈工大 上海交大 大连理工大学 浙江大学 山东大学 南京航空航天大学 北方交通大学 苏州大学 四川大学 兰州交通大学 北京航空航天大学 西北工业大学 重庆工学院 甘肃理工大学 西华大学 台湾朝阳学院
长安汽车 比亚迪 五粮液普什模具 天津汽车研究所 柳州五凌（柳州微汽） 美国佩尔泰克公司 豪健摩托 湖北航宇公司 宝圣集团 西安7171所 台湾智泰科技 天旗（台资） 台特（台资）
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光固法（SL—Stereolithography）
光固化成型原理图
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快速制造技术
叠层法（LOM—Laminated Object Manufacturing）
LOM成型原理图
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激光选区烧结法（SLS—Selective Laser Sintering ）
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钣金成型测量
涡轮叶片测量
航空行业测量
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主要测量设备
zRMS600激光三维抄数机
◊采用国际最先进的外差式多 频相移三维光学测量技术,达 到国外2007年最新产品的技术 水平。 测量扫描速度快。单幅（最大 3米幅面）测量速度为3~6秒。 工件不需要喷显影剂、更适合 在线检测。
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快速制造技术
实例8：包含内部结构的反求测量
zSL350层切测量的汽车发动机内部结构
发动机 气缸盖 某典型 断层图 像轮廓 的提取
包含气缸盖 套的原始数据
平滑精简后 的水套数据
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发动机零部件的反求实例
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反求建模发动机实物
实例1：某农用车集团农用车仿形
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实例2：压气机叶轮扫描、逆向过程
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实例3：涡轮叶片检测
视图区域中的CAD模型和扫描数据进行对齐
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快速制造技术
实例4：陶瓷、文物复制仿形
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快速制造技术
ຫໍສະໝຸດ Baidu实例5：汽车工业应用
3.
快速原型技术是快速制造大家族中最先产生的制造技 术，在此基础上，又出现了快速工具、快速模具和快速 生物支架制造等。
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快速制造技术
快速制造技术主要特点
① ② ③ ④ 产品的三维CAD 设计是RM的前提； 无需任何专用工具，产品的设计数据直接驱动RM设备堆 积材料而进行成形制造过程； 所完成的是具有使用功能的零件 ； 所完成的功能零件的结构与形状无限制，可以是具有材 料梯度、结构梯度和特殊孔隙的复杂形状。
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层切法测量系统组成
图象传感器 数控铣床 场照明光源 铣刀 封装的被测件 夹具 工作台 层厚控制 计算机
高速平面切削
图象采集
数据处理
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三维面扫描测量原理（面扫描）
“三维面扫描测量系统”是通过在不同的位置和方向获取同一物体的 2幅以上的数字图像，经计算机图像匹配等处理及相关数学计算后 得到待测点精确的三维坐标。其测量原理和经纬仪测量系统一样， 均是三角形交会法。
指标 设备 RMSⅡ型三维面 扫描抄数机
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测量距离 500mm-1.2m 标准1m
单幅扫描精度 ≤0.03mm
测量深度 ≥300mm
单幅测量点数 ≥130万
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主要测量设备
z
S-Re300层切反求测量系统（自主开发）
指标 设备 S-Re300层切反 求测量系统
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掩模固化法（SGC—Solid Ground Curing）
紫外光源
电子成像系统
UV光固化
吸附清除 SGC原理图
蜡填充
铣削
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4. 快速成型技术的特点
z
80年代末发展起来的光机电一体化技术 （ 3D Systems SLA250 ） z 直接由CAD 数据制成三维实体 z 无需要传统的刀具、夹具 z 不受零件结构与形状复杂程度的限制 z z 高度柔性，高度集成化 可进行快速模具制造
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汽车发动机反求CAD模型
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三、激光快速成型技术及其应用 1. 快速成形原理
快速成型 ( Rapid Prototyping – RP ) 技术是近年来发展起来的直接 根据 CAD 模型快速生产样件或零件的成套技术总称，它集成了 CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是 先进制造技术的重要组成部分。 z 传统加工： 切削加工（车、铣、刨、磨） ΔM＜0（材料去除） 热成型加工（铸造、锻压） ΔM＝0（等量材料） z 快速成形： ΔM＞0（材料累加） 快速成型原理图
3. 主要快速成型工艺
z
光固法（SL—Stereolithography）
z 叠层法（LOM—Laminated Object Manufacturing） z 激光选区烧结法（SLS—Selective Laser Sintering ） z 熔融沉积法（FDM—Fused Deposition Modeling） z 掩模固化法（SGC—Solid Ground Curing） z 三维印刷法（3DP—Three Dimensional Printing） z 喷粒法（BPM—Ballistic Particle Manufacturing）
1. 三坐标测量仪 2. 激光扫描测量仪 3. CT断层测量 4. 层切测量（层析法） （层析法 5. 三维面扫描和工业数字近景摄影测量
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光切测量系统组成
CCD 柱面镜 扫描振镜 激光器
线结构 光扫描 控制单 元
图象采 集与处 理单元
计算机
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96年以来，有各种类型的RP设备商业化： 西安交大推出了基于SLA工艺的系列机型； 清华大学推出了基于FDM工艺的系列机型； 北京隆源公司推出了基于SLS的系列机型； 华中理工推出了基于LOM的系列机型。
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快速成型设备产业化
－实现了 5种产品11个型号的产业化