先进制造技术顾明成

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1、第五节第五节 快速原型制造技术快速原型制造技术 3.5.1 RPM技术的产生和发展 3.5.2 RPM技术原理 3.5.3 典型的RPM工艺方法 3.5.4 RPM技术的应用80年代末RPM技术首先在美国问世；工业国家称RPM技术是继数控技术后又一场技术革命；我国92年进入RPM领域；清华大学、西安交通大学、华中科技大学、北京隆源等单位在RMP设备、材料和软件方面先后完成了开发和产业化过程；我国MRP许多关键技术达到或领先国际先进水平。3.5.1 3.5.1 RPMRPM技术的产生与发展技术的产生与发展l 利用CAD软件，设计出产品的三维模型或实体模型；l 利用切片软件，将CAD模型离散化，即

2、沿某一方向分层切片，分割成许多层面，获得各层的轮廓数据；l 在计算机分层信息的控制下，通过一定的手段和设备，顺序加工出各层面的实体轮廓形状；l 通过熔合、粘结等手段，使获得的各实体层面逐层堆积成一体，从而快速制造出所要求形状的零件或模型l 即采用“分层制造，逐层叠加”的“增长法”成型工艺3.5.2 3.5.2 RPMRPM技术原理技术原理RPS分层切片STL文件CAD模型三维数字化仪等CAD造型系统1、光敏液相固化法(SLA)激光成形机中的激光束按数控指令扫描，使盛于容器内的液态光敏树脂逐层固化并粘结在一起。特点：可成形任意复杂形状零件；成形精度高，达0.1mm；材料利用率高，性能可靠。不足：

3、材料昂贵，光敏树脂有一定毒性。3.5.3 3.5.3 典型的典型的RPMRPM工艺方法工艺方法 SLA工艺原理图 2、选区片层粘结法（LOM）LOM 法是利用背面带有粘胶的箔材或纸材通过相互粘结成形的。特点：成形速度快，成形材料便宜，无相变、无热应力、形状和尺寸精度稳定不足：成形后废料剥离费时，不宜制作薄壁零件。LOM工艺原理图 3、选区激光烧结法（SLS）SLS工艺是采用粉末状材料成形的。用激光束在计算机的控制下有选择地进行烧结，被烧结部分固化在一起构成了零件的实心部分。特点：取材广泛，包括各种可熔粉末材料，不需要支撑材料。缺点是成形速度较慢，由于粉末铺层密度低会导致精度较低和强度较低。SL

4、S工艺原理图1-激光器 2-铺粉滚筒 3-激光窗 4-加工平面 5-原料粉末 6-生成零件 4、熔丝沉积成形法（FDM）FDM是由计算机根据CAD 模型确定的几何信息控制FDM 喷嘴,将使用的材料通过加热器的挤压头熔化成液体,使熔化的热塑材料丝通过喷嘴挤出,挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动,挤出半流动FDM工艺原理图 的热塑材料沉积固化成精确的实际部件薄层,覆盖于已建造的零件之上,并迅速凝固,形成一层材料。特点：无需激光系统，设备简单，运行费用便宜，尺寸精度高，表面光洁度好，适合薄壁零件。不足：需要支撑材料。FDM工艺原理图 3.5.4 3.5.4 RPMRPM技术的应用技术的应用RPM的

5、应用 快速模具制造工艺方法 第六节第六节 微细加工技术微细加工技术 3.6.1 3.6.1 微机械及其特征微机械及其特征 3.6.2 3.6.2 微细加工工艺方法微细加工工艺方法 3.6.3 3.6.3 微细加工技术的发展与趋势微细加工技术的发展与趋势v 微小机械 1-10mm；微机械 1m-1mm；纳米机械 1nm-1m。v 体积小、精度高、重量轻 如直径如发丝的齿轮、开动3mm大小的汽车、花生米大的飞机、在5mm2内放置1000台的微型发动机。v 性能稳定、可靠性高 微机械体积小，热膨胀、噪声、挠曲等影响小，具有抗干扰性，可在较差环境下稳定的工作。v 能耗低、灵敏度、工作效率高 不存在信号

6、延迟问题，可进行高速工作。v 消耗的能量远小于传统机械 如5*5*0.7mm3微型泵流速是比其体积大得多的小型泵流量的1000倍。v 多功能和智能化 集传感器、执行器、信号处理和电子控制电路为一体，易于实现多功能化和智能化。v 制造成本低 类似半导体制造工艺。3.6.1 3.6.1 微机械及其特征微机械及其特征3.6.2 3.6.2 微细加工工艺方法微细加工工艺方法 从基本加工类型看，微细加工可大致分四类：分离加工将材料的某一部分分离出去的加工方式，如分解、蒸发、溅射(可去除材料，也可增加材料)、破碎等接合加工同种或不同材料的附和加工或相互结合加工，如蒸镀、淀积、掺入、生长、黏结等变形加工使材

7、料形状发生改变的加工方式，如塑性变形加工、流体变形加工等材料处理或改性，如一些热处理或表面改性等1、超微机械加工利用超小型机床制作毫米级以下的微机械零件难点：微型刀具制造、刀具姿态、加工基准定位等微型超精密加工机床结构示意图 为车、铣、磨、电火花加工的多功能微型加工机床，最小设定单位为1nm，单晶金刚石刀具，刀尖圆弧半径为100nm左右2、光刻加工氧化 硅晶片表面形成一层氧化层；涂胶 涂光致抗蚀剂；曝光 通过掩模曝光；显影 曝光部分溶解去除；腐蚀 未被覆盖部分腐蚀掉；去胶 将光致抗蚀剂去除；扩散-向需要杂质的部分扩散杂质，以完成整个光刻加工过程。光刻加工工艺示例 3、体刻蚀加工技术体刻蚀加工技

8、术M 体微机械加工：用腐蚀方法将硅基片有选择性地去除部分材料的方法。M 各向同性腐蚀：以相同速度对所有晶向进行刻蚀；M各向异性腐蚀：在不同晶面，以不同速率进行刻蚀，利用晶格取向，可制作如桥、梁、薄膜等不同的结构。4 4、面刻蚀加工技术、面刻蚀加工技术l在硅基片上淀积磷玻璃牺牲层材料；l腐蚀牺牲层形成所需形状；l淀积和腐蚀结构材料薄膜层；l除去牺牲层就得到分离空腔微桥结构。制作双固定多晶硅桥工艺5、LIGA技术LIGA技术是由制版、电铸和微注塑工艺组成，是全新的三维立体微细加工技术。在光致抗蚀剂上生成曝光图形实体；用曝光蚀刻的图形实体作电铸用胎膜，在胎膜上沉积金属形成金属微结构件；用金属微结构件

9、作为注塑模具注塑出所需的微型零件。LIGA工艺过程6、封接技术目的：将微机械件连接在一起，使其满足使用要求。方法：反应封接、淀积密封膜和键合技术。反应封接：是将多晶硅结构与硅基片通过氧化反应封接在一起。淀积密封膜：是用化学气相淀积法在构件和衬底之间淀积密封膜。硅-硅直接键合：在高温下依靠硅原子力量直接键合在一起形成一个整体；静电键合：将硅和玻璃之间加上电压产生静电引力而使两者结合成一体。7 7、分子装配技术、分子装配技术扫描隧道显微镜STM、原子力显微镜AFM具有0.01nm分辨率，是精度最高的表面形貌观测仪。利用其探针尖端可以俘获和操纵分子和原子，并可按照需要拼成一定的结构，进行分子和原子的装配制作微机械。美国的IBM公司用STM操纵35个氙原子，在镍板上拼出了“IBM”三个字母；日本用原子拼成了“Peace”一词中国科学院化学研究所用原子摆成中国地图；加工方法多样化 两个领域：微机械加工、半导体化学加工；从单一加工技术向组合加工技术发展。从单纯硅材料向着多种类型材料发展 如玻璃、陶瓷、树脂等。提高微细加工的经济性 LIGA出现是微机械进行批量生产的范例。微细加工机理研究。3.6.3 3.6.3 微细加工技术的发展与趋势微细加工技术的发展与趋势