第5篇 材料高能束流加工技术 1
第1章 激光加工技术 3
1 导论 3
1.1 激光的特性 3
1.2 光学谐振腔 3
1.3 高斯光束 6
1.4 激光加工材料原理 6
1.5 激光加工的特点 8
2 激光切割 8
2.1 激光切割的特性 8
2.2 激光切割的基本原理 8
2.3 激光切割过程温度场的数学模型 9
2.4 激光切割零件的尺寸精度 10
2.5 激光切割的质量及影响因素 11
2.6 常用工程材料的激光切割 12
3 激光焊接 13
3.1 概述 13
3.2 激光焊接工艺的特点 14
3.3 激光焊接的分类 15
3.4 热导焊 15
3.5 激光深熔焊接 17
3.6 激光焊缝组织和常见缺陷 24
3.7 激光焊接技术新发展 25
4 激光表面处理技术 28
4.1 概述 28
4.2 激光相变硬化 29
4.3 激光抛光 33
4.4 激光冲击强化 35
4.5 激光冲击成形 39
4.6 激光热应力成形 42
5 激光微细加工 45
5.1 概述 45
5.2 激光制备薄膜技术 48
5.3 激光刻蚀 51
第2章 电子束加工技术 56
1 概述 56
1.1 电子束加工技术的发展 56
1.2 电子束加工工艺 56
1.3 电子束加工的特点 56
2 电子束焊接 57
2.1 工作原理和分类 58
2.2 设备和装置 59
2.3 接头设计和焊接工艺 64
2.4 几种材料的焊接 66
2.5 应用 68
2.6 安全防护 69
3 电子束打孔 69
3.1 原理 69
3.2 设备 70
3.3 工艺及应用 71
4 电子束表面改性技术 72
4.1 电子束能量转变 72
4.2 电子束表面改性的应用 73
5 电子束物理气相沉积 74
5.1 概述 74
5.2 电子束物理气相沉积设备 74
5.3 电子束物理气相沉积的应用 76
6 电子束熔炼 79
7 电子束辐照技术 81
7.1 高分子材料电子束辐射加工 81
7.2 医疗用品及食品的电子束辐射灭菌消毒 83
7.3 硅功率器件的电子束辐射改性 84
8 电子束曝光 84
8.1 基本原理 84
8.2 扫描电子束曝光 85
8.3 投影电子束曝光 87
8.4 电子束曝光工艺特点 87
8.5 电子束曝光技术的最新进展 88
第3章 等离子体及离子束加工技术 89
1 等离子体基本概念 89
1.1 等离子体基本特性、频率、离子间的相互作用 89
1.2 等离子体应用技术简介 90
2 低气压等离子体 91
2.1 人造低温等离子体简介 91
2.2 低气压等离子体发生器 91
2.3 等离子体诊断技术 93
3 低温等离子体加工技术及应用 95
3.1 低温等离子体技术对材料的表面改性技术 95
3.2 等离子体注入与沉积技术 97
3.3 等离子体和离子束刻蚀技术 109
3.4 等离子体聚合技术 111
4 等离子体喷涂技术 111
4.1 湍流等离子喷涂 111
4.2 层流等离子喷涂 117
4.3 真空等离子喷涂设备及工艺 121
4.4 等离子喷涂涂层类型及其应用 123
第4章 磨料水射流加工 125
1 简介 125
1.1 磨料水射流加工系统 125
1.2 分类及特点 125
1.3 应用领域 126
2 磨料水射流加工技术基础 126
2.1 磨料水射流加工原理 126
2.2 材料的去除机理 127
2.3 切口性能 129
2.4 切割性能数学模型 129
3 磨料水射流性能与建模 131
3.1 磨料分类与性质 131
3.2 磨料水射流的计算流体力学模型 134
3.3 算例 134
4 加工参数及其应用 136
4.1 参数名称与简单分类 136
4.2 加工参数优化 136
4.3 加工实例 137
5 提高磨料水射流切割性能的方法 142
5.1 射流入射角的实验优化 142
5.2 喷嘴的控制振动 143
5.3 多次切割 144
参考文献 146
第6篇 快速原型与快速制造 151
第1章 快速原型概述 153
1 快速成形技术的发展历程 154
1.1 按所用材料形态分类 155
1.2 按堆积单元的几何形态分类 156
1.3 按是否需另外设计支撑结构分类 156
1.4 按材料状态变化及其连接机理分类 156
2 快速成形技术在新产品开发中的应用 156
3 快速成形应用情况 157
4 快速成形技术的发展趋势 157
5 快速成形技术的国内外现状 158
第2章 离散-堆积成形原理 159
1 去除成形和受迫成形 159
2 生长成形 160
3 离散方法与离散论方法学 160
4 数字化方法与数字化成形 161
5 基于集合论的离散模型 162
6 快速成形工艺过程的离散分析 162
7 离散-堆积成形与其他成形原理的比较 163
第3章 RP技术链 165
1 三维数据模型获取 165
1.1 CAD直接设计 165
1.2 逆向工程 165
2 STL文件格式 169
2.1 STL文件的正确性 170
2.2 STL文件拓扑信息的建立 172
2.3 STL文件错误修正 172
3 成形方向优化 173
3.1 基本概念 173
3.2 成形方向决定因素的量化计算 174
3.3 最佳成形方向的选择 174
3.4 成形方向自动选择的实例分析 174
4 支撑添加 175
4.1 影响支撑结构质量的因素 175
4.2 支撑结构添加方式 175
4.3 FDM（MEM）工艺支撑 176
4.4 SL工艺支撑 179
4.5 SSM工艺自适应网格划分 182
5 分层技术 184
5.1 基本分层原理 184
5.2 减小分层层厚 186
5.3 自适应分层 186
5.4 CAD直接分层 188
5.5 曲面成形和曲面分层 191
6 扫描路径填充 192
6.1 扫描填充方式 192
6.2 扫描填充算法及软件设计 193
第4章 光固化快速成形工艺 194
1 光固化快速成形工艺 194
1.1 光固化快速成形工艺的定义 194
1.2 光固化快速成形工艺的特点 194
2 光固化快速成形工艺的硬件 195
2.1 光固化快速成形设备的总体组成 195
2.2 光固化成形设备的子系统 196
2.3 扫描振镜的校正 199
3 光固化快速成形工艺的软件 200
3.1 数据处理软件 200
3.2 成形控制软件 202
4 光固化快速成形设备 208
4.1 美国3D Systems公司 209
4.2 日本CMET公司 210
4.3 陕西恒通智能机器有限公司 211
4.4 北京殷华公司 211
4.5 武汉滨湖机电技术产业有限公司 212
第5章 激光选区烧结快速成形工艺 213
1 激光选区烧结快速成形工艺的概述 213
1.1 激光选区烧结基本原理 213
1.2 SLS工艺特点 214
2 激光选区烧结快速成形设备的主要构成 214
2.1 机械主体部分 214
2.2 光路系统 214
2.3 控制系统 215
2.4 辅助加热装置与冷却装置 215
3 激光选区烧结快速成形工艺的软件 215
3.1 分层软件 215
3.2 扫描路径生成软件 215
3.3 设备控制软件 216
4 激光选区烧结快速成形工艺的成形材料 216
4.1 石蜡粉末 216
4.2 聚合物粉末材料 216
4.3 金属粉末材料 216
4.4 陶瓷粉末材料 216
4.5 国内外SLS成形材料产品 217
5 激光选区烧结快速成形的工艺研究 217
5.1 可控制参数 217
5.2 成形机参数 218
5.3 材料性能参数 219
5.4 分层参数 221
6 激光选区烧结快速成形工艺的应用 221
6.1 设计和装配验证 221
6.2 外科整形模拟 222
7 激光选区烧结典型设备 223
第6章 叠层实体制造快速成形工艺 226
1 叠层实体制造的工艺过程及技术性能 226
1.1 叠层实体制造工艺的发展过程及特点 226
1.2 叠层实体制造系统的主要性能指标 227
1.3 叠层实体制造设备 228
2 叠层实体制造系统的功能与总体结构 230
2.1 系统功能 230
2.2 叠层实体制造控制系统 232
2.3 叠层实体制造结构设计要求 233
2.4 本体结构设计 234
3 成形材料及其性能要求 235
3.1 基纸的性能要求 235
3.2 熔融胶黏结剂及其热压变形 236
4 叠层实体制造工艺的关键技术 237
4.1 激光切割工艺 238
4.2 热压工艺 239
4.3 叠层实体制造工艺中零件的变形 241
4.4 温度场计算 243
5 叠层实体制造技术的工艺改进 245
5.1 大型原型的分区平行加工技术 245
5.2 减小翘曲应力的预分割方法 247
第7章 熔融挤出快速成形工艺 250
1 熔融挤出快速成形工艺概述 250
1.1 熔融挤出快速成形技术工艺原理 250
1.2 熔融挤出快速成形技术的特点 250
2 熔融挤出成形系统的构成 251
2.1 系统构成 251
2.2 喷头系统概述 251
2.3 丝材挤压喷头系统 252
2.4 螺旋挤压喷头系统 253
2.5 喷头可靠性 254
3 熔融挤出成形过程的数值模拟 255
3.1 MEM工艺过程描述 255
3.2 材料特性 255
3.3 热力耦合问题的有限元分析理论 256
3.4 物理模型的建立 256
3.5 各因素对熔融堆积成形工艺成形质量的影响 256
3.6 因素的综合影响 264
4 MEM工艺质量控制 265
4.1 材料的收缩与偏置 265
4.2 连续路径 265
4.3 送丝速度与扫描速度匹配 266
4.4 喷头的启停响应 266
4.5 路径的数控代码编排 267
4.6 其他工艺性方法 267
5 熔融挤出成形工艺典型设备 267
5.1 美国Stratasys公司 267
5.2 北京殷华激光快速成形及模具技术有限公司 268
6 熔融挤出快速成形工艺的典型案例 269
6.1 熔融挤出成形工艺在产品开发中的应用案例 269
6.2 基于熔融挤出工艺的快速制造以及快速工具应用案例 271
6.3 MEM技术在医学组织工程降解支架成形的应用案例 271
第8章 三维打印快速成形工艺 273
1 三维打印快速成形工艺原理 273
1.1 三维打印快速成形工艺 273
1.2 三维打印快速成形工艺的特点和优势 273
2 三维打印快速成形工艺的使能技术——数字微滴喷射技术 273
2.1 微滴喷射微输运方法 274
2.2 蘸笔直写微输运方法 276
2.3 国内外在微输运技术方面的其他相关研究工作 277
3 基于压电晶体的微滴喷射技术研究 278
3.1 基于压电晶体的微滴喷射原理 278
3.2 压电驱动微滴喷射装置设计 279
3.3 压电驱动微滴喷射系统的实现 283
3.4 喷射过程中微滴形态控制 284
4 3DP工艺的应用 286
4.1 基于MIT三维打印专利的应用 286
4.2 其他采用微输运技术的工艺 288
第9章 其他快速成形工艺 290
1 低温冰型快速成形工艺 290
1.1 低温冰型快速成形工艺原理 290
1.2 低温冰型快速成形工艺研究 290
1.3 低温冰型工艺的应用 293
2 轮廓成形工艺 295
3 三维绘图工艺 295
4 弹道微粒制造工艺 296
5 选择性抑制烧结SIS 296
第10章 多功能快速成形制造系统 298
1 功能集成的设计方法 298
1.1 功能分解 298
1.2 功能集成 298
2 基于功能集成的多功能快速成形系统 298
2.1 单一与复合的离散-堆积原理 298
2.2 单元技术的简单集成 299
2.3 单元技术的复杂集成 299
3 统一模型 300
3.1 统一数据处理模型 300
3.2 统一功能模型——机械电子学模型 302
3.3 统一结构模型 304
4 集成度计算 305
4.1 集成度计算原理 305
4.2 具有三种RP工艺的多功能RPM系统的集成度计算 306
5 多功能快速成形系统M-RPMS 306
第11章 快速制造概述 308
1 快速制造的组装性和微滴性 308
2 快速制造的内涵 308
2.1 制造过程中信息过程与物理过程相统一 308
2.2 制造过程中材料制备与材料成形相统一 309
2.3 制造过程中结构梯度与材料梯度相统一 309
3 快速制造的绿色制造本质 309
4 快速制造发展现状 310
4.1 主要的快速制造技术 310
4.2 快速制造的主要工艺方法 310
5 金属零件和模具快速制造主要研发和生产单位 311
6 快速制造的应用 312
第12章 激光快速制造技术 313
1 激光熔覆快速制造技术 313
1.1 概述 313
1.2 激光熔覆快速制造技术的硬件 314
1.3 激光熔覆快速制造技术的软件 317
1.4 激光熔覆快速制造技术的工艺研究 320
1.5 尺寸精度和表面粗糙度分析 323
1.6 激光熔覆快速制造技术的主要研究单位 323
1.7 激光熔覆快速制造技术的应用领域及发展方向 326
2 激光选区烧结快速制造技术 327
2.1 激光选区烧结快速制造技术的分类 327
2.2 激光选区烧结快速制造技术的材料 328
2.3 激光选区烧结快速制造技术的应用 331
2.4 激光选区烧结快速制造技术的研究内容与发展方向 333
3 激光选区熔化快速制造技术 333
4 金属板材叠加制造技术 333
5 生坯带激光烧结技术GTLS 334
第13章 电子束快速制造技术 335
1 电子束技术 335
1.1 电子束技术发展及应用概况 335
1.2 电子束技术原理 335
1.3 电子束加工的物理基础 335
1.4 电子束加工设备 336
1.5 电子束加工设备分类 337
2 电子束与快速制造技术 337
2.1 电子束与激光特征比较 337
2.2 电子束与激光的应用领域比较 338
2.3 电子束与激光在快速制造领域的应用特点比较 338
3 电子束选区熔化快速制造技术 339
3.1 定义及特点 339
3.2 粉末状态分析 339
3.3 电子束熔化快速制造系统 341
3.4 电子束熔化快速制造工艺 341
3.5 电子束熔化快速制造技术的典型应用 344
4 电子束熔覆快速制造技术 345
4.1 电子束熔炼技术 345
4.2 电子束熔覆快速制造技术 345
第14章 化学沉积快速制造技术 348
1 基于热化学沉积方法的快速制造技术 348
1.1 基于热化学沉积方法的快速制造技术的基本原理 348
1.2 适用于热化学沉积方法的快速制造技术的成形材料 348
1.3 基于热化学沉积方法的快速制造技术的特点 349
1.4 基于热化学沉积方法的快速制造系统 349
1.5 热化学沉积成形原理 351
1.6 影响工艺过程的主要参数 351
1.7 成形材料与工艺参数之间的合理匹配 352
1.8 基于热化学沉积方法的快速制造工艺试验 352
2 激光诱导气相化学沉积成形技术 354
3 电子束诱导气相沉积成形技术 355
4 激光诱导液相化学沉积成形技术 355
5 电化学液相沉积成形技术 356
6 基于化学沉积方法的快速制造技术的应用前景 356
第15章 快速模具制造 357
1 快速模具概述与分类 357
1.1 快速模具概述 357
1.2 快速模具技术的分类 357
1.3 快速模具技术的应用前景 359
2 非金属模具 359
2.1 直接非金属模具 359
2.2 间接非金属模具 361
3 金属模具 365
3.1 直接金属模具 365
3.2 间接金属模具 366
第16章 铸型制造技术 381
1 基本概念及分类 381
2 基于微滴喷射的直接RP铸型制造 381
2.1 无模铸型制造工艺（PCM） 381
2.2 直接壳型铸造工艺（DSPC） 395
2.3 Extrude Hone？Prometal RCT 397
2.4 Z Cast Direct Metal Casting工艺 398
3 基于激光的直接RP铸型制造 399
3.1 基于SLS工艺的直接RP铸型制造 399
3.2 基于SL工艺的直接RP铸型制造 404
3.3 基于LOM工艺的直接RP铸型制造 406
4 结语 407
第17章 激光引导直写技术 408
1 概述 408
2 光力原理 408
2.1 光力的几何光学解释 408
2.2 光压力的估算 409
2.3 基于GLMT的光力计算方法 409
3 应用光力的制造技术 410
3.1 激光引导直写技术LGDW 410
3.2 MAPLE DW技术 411
4 基于激光引导直写的微堆积制造方法 411
4.1 成形系统 411
4.2 粒子的捕获和输运 412
4.3 粒子的沉积 413
4.4 应用前景 413
第18章 生物制造 415
1 生物制造概论 415
1.1 概述 415
1.2 生物制造的科学技术前景 415
1.3 生物制造的定义 416
1.4 细胞受控组装 416
1.5 细胞受控组装的技术路线 417
1.6 生物制造与其他相关学科的关系 418
1.7 生物制造产品的特点 418
1.8 生物制造的体系结构 418
1.9 生物制造的应用情况与前景 418
2 生物制造的建模 419
2.1 生物制造相关模型及其建模技术 419
2.2 组织工程支架的梯度结构模型 420
2.3 模型的应用 423
3 器官假体的快速制造 425
3.1 假体的医学价值 425
3.2 假体材料 425
3.3 假体快速制造 426
3.4 假体临床应用 427
3.5 假体的发展方向 430
4 组织工程生物材料的快速成形 431
4.1 组织工程 431
4.2 组织工程生物材料 432
4.3 组织工程生物材料的快速成形工艺 432
4.4 应用 436
5 细胞-材料单元受控组装 439
5.1 细胞-材料单元受控组装的生物学基础 440
5.2 细胞-材料单元三维受控组装的生物材料基础 440
5.3 细胞组装的国内外研究现状 441
5.4 细胞受控组装的发展及应用前景 448
第19章 快速成形与快速制造技术的精度和表面质量研究 449
1 快速成形误差的主要表现形式 449
1.1 尺寸误差 449
1.2 形状误差 449
1.3 表面误差 449
1.4 分辨率 449
2 快速成形工艺中的误差分析 450
2.1 快速成形工艺的误差来源 450
2.2 快速成形技术的误差模型 451
2.3 快速成形技术中的误差分析与控制 453
3 快速成形原型或零件的变形 455
3.1 变形的力学分析 455
3.2 工艺参数对变形的影响及其控制 456
4 快速成形零件的表面质量 456
4.1 表面特征 456
4.2 表面几何形状偏差 457
4.3 成形件表面质量控制 458
5 MEM系统的误差分析与造型质量控制 459
5.1 MEM系统造型的误差分析 459
5.2 MEM工艺过程中数据处理产生的误差 459
5.3 成形过程中材料收缩和黏结产生的误差 460
5.4 设备与控制系统产生的误差 461
5.5 成形工艺产生的误差 461
6 快速成形机床的标准化研究 462
附录 464
A GARPA成员 464
B 国内RP＆RM主要研究和应用单位 466
C 国内RP＆RM主要设备制造单位 485
参考文献 488
第7篇 电加工机床质量控制与检测 501
第1章 绪论 503
1 坚持“质量第一”的方针 503
2 采用国际标准和国外先进标准 503
3 产品的认证制度 503
4 建立质量保证体系 503
第2章 电火花加工机床的质量控制 504
1 电气系统的质量控制 504
1.1 元器件的采购供应 504
1.2 防止静电对器件与系统的损坏 504
1.3 印刷板制作的质量控制 505
1.4 PCB板的测试与检查 506
1.5 线缆制作的质量控制 506
1.6 电柜安装 507
1.7 电柜的调试 508
2 电火花加工机床的联机调试 510
2.1 机床外观检验 510
2.2 安全可靠性检验 510
2.3 主机几何精度检验 510
2.4 机床性能检验 510
2.5 机床定位精度检验 510
2.6 机床工作精度检验 510
2.7 检验文件归档 510
第3章 电解加工机床的质量控制 511
1 机床本体的质量控制 511
1.1 床身 511
1.2 工作箱 511
1.3 主轴头 511
1.4 进给系统 512
1.5 导电系统 512
1.6 机床总体形位公差的控制 512
2 电源的质量控制 512
2.1 输出参数 512
2.2 稳压性能 513
2.3 快速短路保护系统 513
2.4 可靠性控制 513
3 电解液系统的质量控制 513
3.1 电解液系统的组成 513
3.2 输液系统 513
3.3 热交换系统 514
3.4 净化系统 514
4 控制系统的质量控制 514
4.1 参数控制系统 514
4.2 循环控制系统 514
4.3 保护和联锁系统 514
5 加工工艺的质量控制 514
5.1 加工间隙及加工参数 515
5.2 电解液 515
5.3 电解液流场 517
5.4 工艺装备的质量控制 517
第4章 电加工机床检测的一般要求 519
1 检测依据 519
2 抽样 519
3 测量不确定度评定 519
4 粗大检验误差的判别 520
5 首次检验结果出现“边缘数据”时的处理 520
6 数据处理 521
7 重要度 521
8 满足度 521
第5章 电火花加工机床的精度检测 522
1 电火花加工机床精度检测的一般要求与特点 522
2 电火花成形机的精度检验 523
2.1 检验要求说明 523
2.2 电火花成形机几何精度检验 524
2.3 电火花成形机定位精度检验 530
2.4 电火花成形机加工检验 535
3 低速走丝电火花线切割机的精度检验 536
3.1 检验要求说明 536
3.2 低速走丝电火花线切割机几何精度检验 537
3.3 低速走丝电火花线切割机数控精度检验 540
3.4 低速走丝电火花线切割机工作精度检验 542
4 高速走丝电火花线切割机的精度检验 543
4.1 检验要求说明 543
4.2 高速走丝电火花线切割机几何精度检验 543
4.3 高速走丝电火花线切割机数控精度的检验 546
4.4 高速走丝电火花线切割机工作精度检验 547
第6章 电加工机床安全防护的检测 548
1 机械安全防护 548
1.1 防止划伤 548
1.2 防止颠覆 548
1.3 限位装置 548
1.4 信号中断时的安全性 548
1.5 电极夹持的可靠性 549
1.6 储丝筒的安全运行 549
1.7 联锁机构 549
1.8 操作力 549
1.9 操作性 550
1.10 工作液系统 550
2 电气安全防护 550
2.1 控制系统可靠性 550
2.2 急停功能 551
2.3 “停止”器件 551
2.4 脉冲电源电缆线的绝缘 551
2.5 保护电路连续性 551
2.6 绝缘电阻试验 552
2.7 耐压试验 553
2.8 电源适应能力 553
2.9 电箱直接触电的防护 553
2.10 电箱（壁龛）一般要求 554
2.11 电箱防护等级 554
2.12 电机 555
2.13 照明 555
2.14 其他 555
3 电磁兼容性（EMC） 555
3.1 适应项目 555
3.2 要求 555
3.3 检查 555
4 防燃、防火（适用于使用可燃性工作液的电火花机床） 555
4.1 工作液 555
4.2 液面监控装置 556
4.3 液温监控装置 556
4.4 灭火器（适用于使用可燃性工作液的电火花机床） 556
5 环境影响 556
5.1 噪声 556
5.2 油雾、烟雾（适用于电火花成形机类机床） 557
6 其他 557
6.1 使用说明书 557
6.2 警示标志 557
6.3 包装 558
参考文献 559