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发布时间:2020-07-28 23:46:24

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作者:韩霞

出版社:机械工业出版社

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快速成型技术与应用快速成型技术与应用试读:

前 言

快速成型(Rapid Prototyping,RP)技术是20世纪90年代迅速发展起来的一种先进制造技术,是服务于制造业新产品开发的一种关键技术。它对促进企业产品创新、缩短新产品研发周期、提高产品竞争力等起着积极的推动作用。该技术自问世以来,逐渐在世界各国的制造业中得到了广泛的应用,并由此催生出一个新兴的技术领域。

日前,快速成型技术已被国际社会誉为第三次工业革命的重要标志,美、英、法、日等发达国家都已将快速成型技术纳入国家计划。我国对3D打印制定的发展目标是到2017年初步建立3D打印创新体系,培育出若干具有较强研发和应用能力的增材制造企业,并在全国建成一批研发及产业化示范基地等。目前初步拟定的重点发展方向放在金属材料、非金属材料、医用材料等的3D打印制造以及装备关键零部件的快速制造上。随着《国家增材制造发展推进计划》等系列规划的出台,相信我国3D打印产业将迎来新一轮的增长热潮。

快速成型技术是集CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术等为一体,由CAD模型直接驱动的快速制造出任意复杂形状三维物理实体的技术总称。不同类型的快速成型系统因所用成型材料不同,其成型原理和系统特点也各不相同,但其基本原理大致相同,都是采用分层制造、逐层叠加的制作工艺。

本书对当今快速成型技术与应用进行了系统、全面的介绍,详细介绍了目前常用的快速成型技术、材料及设备、数据处理及关键技术、应用及发展趋势等内容。本书的显著特点是实践内容较为丰富、条理清晰、图文并茂,可作为高等院校机械类和材料加工类专业以及相关职业技术院校的教材和参考书,也可作为制造业新技术培训教材及从事快速成型技术研究工作人员的参考书。全书共分七章:

第一章概论,介绍快速成型技术的概念、基本原理、工作过程以及其应用现状和发展趋势。

第二章几种典型的快速成型技术,介绍常用的几种快速成型(SLA、SLS、FDM、LOM、3DP)技术,以及快速成型技术的比较及选用原则。

第三章快速成型材料及设备,介绍SLA、SLS、FDM、LOM、3DP等快速成型技术用的成型材料、设备以及快速成型材料的发展方向。

第四章快速成型技术前期的3D建模技术,介绍3D建模软件的种类、特点与比较以及选用原则。

第五章快速成型技术数据处理及关键技术,介绍快速成型技术前期的数据预处理、快速成型技术中期的数据处理以及应用实例。

第六章快速成型技术的精度,介绍快速成型技术前期、中期处理精度以及快速成型制件的后处理及表面精度。

第七章快速成型技术的应用及发展趋势,介绍产品快速设计与制造系统的集成,逆向工程、快速成型与快速模具系统的集成以及快速成型技术的发展趋势。

编者查阅了大量的国内外制造业领域的文献与技术资料,并结合自己的丰富的实践经验及科研成果,总结出本书的技术内容,方便广大读者在进行相关领域的学习和研究时借鉴与参考;同时书中还附有产品设计制作模型图,以供读者参考。

编 者

第一章 概 论

内容提要

本章主要简述了快速成型(Rapid Prototyping,RP)技术的基本概念、基本原理、加工制造过程,以及当今的应用现状和发展趋势。由于RP技术是基于一种离散后又进行堆积的快速成型思想,即将复杂产品的三维加工首先离散成许多具有相同层厚的二维层片,然后再进行逐点、逐线进而逐面的材料堆积成型,因此又称为增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术。

快速成型技术之所以又被称为增材制造技术,是将之相对于传统的材料去除加工工艺(如传统的车、钳、铣、刨、磨等机械加工工艺,以及锻造、铸造等材料塑性变形制造工艺)而言的。在RP成型过程中,不采用传统机械加工的夹具和模具,其成型过程的难度与待成型产品的外观结构无关。目前,RP技术与数控加工、铸锻造、金属的冷喷涂以及模具制造等手段相结合,成为当今世界上新产品快速加工与制造的强有力手段之一。随着RP技术不断被深入研发,其外延技术在飞速扩展,目前已在轻工、航空航天、汽车、医学、生物及家电等多领域得到了广泛的应用。

第一节 快速成型技术的发展

随着计算机技术的飞速发展,计算机与相关技术的广泛应用极大地改变了新产品设计的技术手段、程序与方法。同时,设计师的设计观念和思维方式也有了一定的转变,以计算机技术为代表的高新技术开辟了产品设计的崭新领域。实践证明,先进的制造技术必须与优秀的设计结合起来,才能使高新技术真正服务于人类,而工业产品设计对推动高新技术的飞速发展起到了不可估量的作用。

工业产品设计不同于其他设计,它是对三维的、物质实体性的设计,在展开设计的不同阶段,设计师的大胆创意只靠效果图是检验不出其实体的体量关系的,只有辅以各种立体的三维实体模型,才能针对设计方案进行较直观的检测和修改。现在,我们运用RP技术替代传统的、手工模型的制作,能够更加精确、快速、直观并且完整地传递出产品的三维信息,建立起一种并行结构的设计系统,更好地将设计、工程分析与制造等三方面集成,使不同专业的人员能及时反馈信息,从而缩短产品的开发周期,最终保证产品设计与制造的高质量。

当前,市场环境发生了巨大变化,用户可以在世界范围内选择自己所需要的产品,因而对产品的品种、价格、质量及服务提出了更高的要求。一方面,消费者的需求也在趋于主体化、个性化和多样化;另一方面,产品设计师与制造商们都着眼于全球市场的激烈竞争。面对当前市场的激烈竞争,企业不但要迅速设计出符合消费者要求的产品,而且还必须要将它们在最短的时间内设计、加工与制造出来,从而尽快抢占市场。因此,能否快速地响应及满足市场的需求,已成为当今制造业发展的必由之路。

RP技术就是在这种社会背景下逐步形成并得以迅速发展的。它能快速、自动地将设计者借助三维实体建模软件设计出的模型,物化为具有一定结构与功能的三维实体模型或直接加工制造成功能制件,从而可以对所设计的产品进行快速评价、修改与再设计,即能在较短的时间内设计与研制出符合设计者与用户需求的新产品。这将大大缩短新产品的研发周期,降低产品的研发成本,在一定程度上最大限度地避免了产品研发失败的风险,从而提高企业的竞争力。一、快速成型技术的发展历程

从材料的加工制造史上可以看出,很早以前就有“材料叠加成型”的加工制造设想。1892年,J.E.Blanther的美国专利(#473901)中,建议用分层制造法加工地形图。这种方法的基本原理是,将地形图的轮廓线压印在一系列的蜡片上,接着按轮廓线切割蜡片,将其粘结在一起,然后将每一层面熨平,从而得到最终的三维地形图。1902年,Carlo Baese的美国专利(#774549)中,提出了用光固化聚合物加工制造出塑料件的原理,这是第一种现代快速成型技术——立体平板印刷术(Stereo Lithography)的初步设想。20世纪50年代后,世界上先后涌现出了几百个有关快速成型技术的专利,其中1976年Paul L Dimatteo的美国专利(#3932923)中,明确地提出了先用轮廓跟踪器将三维实体转化成n个二维轮廓薄片,然后将这些薄片用激光切割成型,最后用螺钉、销钉等将一系列薄片连接形成三维实体,如图1-1所示。以上这些设想都与现代的RP技术原理基本相似。

虽然早期的专利提出了一些快速成型的基本原理,但还不太完善,而且也没有实现快速成型机械及其使用原材料的商品化。20世纪80年代末,RP技术有了根本性的发展,1986~1998年,仅在美国注册的专利就约有24个。首先是Charles W Hull,1986年在他的美国专利(#4575330)中,提出了用激光束照射液态光固化树脂,进行分层制作三维实体的快速成型机的方案。1988年,美国3D System公司据此专利生产出了第一台快速成型设备SLA-250(液态光固化树脂固化成型设备)。在此后的10多年,快速成型技术开始迅速发展,涌现出了多种形式的快速成型技术与相应设备,如薄形材料选择性切割(LOM)、熔丝堆积(FDM)和粉末材料选择性烧结(SLS)等,并且在工业、医疗及其他领域得到了广泛的应用。目前,全世界已拥有快速成型设备12000多台,快速成型设备的制造公司大约有上百个,用快速成型设备进行对外服务的机构也有约上千个。

由于20世纪80年代RP技术的飞速发展,美国材料与实验协会(American So-ciety for Texting and Materials,ASTM)国际标准组织F42增材制造技术委员会定义RP技术为增材制造技术。该技术是将工程师所设计的复杂三维数据模型,通过采用切片的处理方式,将之转换成n个二维截面的组合,然后在计算机控制的增材设备制造机器,即快速成型设备上按顺序层层叠加并粘结这n个二维截面,最终堆积成所设计的三维实体模型。图1-1 Paul的分层形成法1—顶针 2—轮廓跟踪器 3—导轨 4、8—伺服电动机 5—激光束 6—工件 7—工作台 9—二维轮廓薄片二、快速成型技术在国内的发展状况

近年来,国内的快速成型技术与水平有了质的飞跃,主要以西安交通大学、清华大学为代表。国内各种快速成型技术的研发、设备的生产以及RP技术与市场、应用与服务等方面都取得了很大进展。

(一)技术方面

在国际上发展起来的RP技术,如SLA、LOM、FDM、SLS等,在国内基本上都有单位进行了成功的开发,而且大多数关键部件都实现了国产化。例如,FDM设备中的喷头结构,LOM设备中的激光器等,设备的稳定性、可靠性和造型精度及质量都有了显著的提高,成型材料的开发与性能也在不断进步。此外,许多高校和研究机构还创新地开展了RP新技术、新设备的研究,其中清华大学在快速成型技术方面投入的精力最大,最近开发出的低温冰型快速制造工艺和无模砂型制造工艺大大拓宽了RP领域,其技术在世界上处于领先地位。

(二)市场方面

近年来,国内RP市场已从起步阶段逐步走向发展阶段,快速成型技术已经逐渐成为一种通用的产品快速加工与制造的方法。目前,许多企业已有应用RP技术的设想或方案,应用行业主要集中在工业产品的样件制作领域,如家电、模具、玩具、汽车等新产品,新工艺品的开发与包装,以及外观要求较高的零部件或元器件的快速加工与制作。

(三)技术服务方面

目前,国内大部分企业购买RP设备的能力有限,可是对单个小批量的RP原形件的需求量又很大。在这种需求的刺激下,RP技术服务公司通过购买国外成熟的RP设备,将其用于开展三维实体数据的反求、快速成型技术及制造等服务,扩大了RP技术的宣传面,同时在RP技术应用的深度和广度上也都起到了促进作用。三、快速成型技术的基本流程与原理

(一)快速成型技术的基本流程

快速成型技术是近年快速发展起来的、直接利用三维实体造型软件快速生成模型或零件实体的技术的总称。用快速成型技术制作的产品样机或模型,俗称为RP手板。其主要是运用激光切割叠加或激光粉末烧结技术、分层实体造型、熔融挤压实体造型或光固化造型等方式生成产品的模型或样件。图1-2所示为快速成型技术的基本流程图。图1-2 快速成型技术的基本流程图

(二)快速成型技术的基本原理

RP技术是集CAD技术、数控技术、材料科学、机械工程、电子技术和激光等技术于一体的综合技术,是实现零件或产品设计从二维到三维实体快速制造的一体化系统技术。RP技术有多种快速成型的工艺方法,目前较为成熟并广泛采用的有光固化成型工艺、选择性激光烧结成型工艺、熔丝堆积成型工艺、分层实体成型工艺、三维打印成型工艺等。

RP技术的基本原理是:首先设计出所需产品或零件的计算机三维数据模型;然后根据RP技术的工艺要求,按照一定的方式将该模型离散为一系列有序的二维单元,通常在Z向将其按一定厚度进行离散(也称为分层),即将原来的三维CAD模型变成一系列的二维层片;再根据每个层片的轮廓信息,输入加工参数,自动生成数控代码;由成型系统将一系列二维层片自动成型的同时进行相互粘结,最终得到所需的三维物理实体模型或功能制件。图1-3所示为RP技术的基本原理示意图。图1-3 RP技术的基本原理示意图1—CAD实体模型 2—Z轴向分层 3—CAD模型分层数据文件 4—层层堆积、加工 5—后处理

目前PR系统的成型工艺原理大致相似,一般工艺过程基本都包含以下几个方面:

1.产品三维数字模型的构建 可以利用CAD软件直接进行三维数据模型的构建,也可以将已有的二维图形转换成3D模型;或利用逆向工程原理,对产品实体进行三维反求,得到三维的点云数据,然后借助相关软件对其进行修改及再设计,构造出所需的3D模型。

2.三角网格的近似处理 构成产品的表面往往有一些不规则的自由曲面,加工前要对模型进行近似处理,将3D数据转换为快速成型技术接受的数据,即三角网格面片资料。

3.三维模型的切片处理 根据需要选择合适的加工方向,在成型高度方向上用一系列一定间隔的平面切割近似处理后的三角网格模型,提取出一系列二维截面的轮廓信息。

4.RP成型件的加工与制造 根据二维切片轮廓信息,在PR系统中成型头按照各截面的轮廓信息做二维扫描运动,同时工作台做纵向移动,从而在工作台上一层层地堆积材料,然后将各层粘结,最终得到产品原型。

5.RP成型件的后处理 对成型件进行打磨、抛光、涂挂等后处理,或放在高温炉中进行后烧结,进一步提高其强度。

根据RP基本原理,产品或零件快速成型的全过程可以用图1-4表示。图1-4 产品快速成型的全过程1—三维CAD建模 2—三角网格化 3—分层处理 4—生成加工路径 5—RP系统 6—原型制件后处理 7—最终的原型制件

(三)RP技术与传统加工方法的比较

根据现代成型学的观点,物体的主要成型方式可分为以下两大类:

1.去除成型(Removal Forming) 运用分离的方法,把一部分材料有序地从基体上分离出去的成型方法。传统的机械加工方法,如车、铣、刨、磨、钻、电火花加工和激光线切割等都属于去除成型,去除成型是传统的产品加工方法。

2.添加成型(Adding Forming) 又称堆积成型,它是利用机械、物理、化学等方式通过按照一定轨迹有序地进行添加材料的方法,最终将所需的产品堆积成型。

快速成型技术属于添加成型,即增材制造成型,它在成型工艺上突破了传统

第二节 快速成型技术的市场及研究领域

RP技术之所以能够适合当今新产品研发的各种新要求,主要是因为它具有以下显著特点:

1.快速性 由于RP技术不必采用传统的加工机床和模具,只需传统加工方法的30%左右的工时和35%左右的成本,就能直接、快速地制造出产品或模型,从而大大缩短了新产品的研发周期。因此,RP技术非常适用于新产品的研发与管理。

2.设计与制造的一体化 在传统的产品研发过程中,设计与制造是分开进行的,因此常常会出现在制造中发现设计有问题,就必须重新开始设计的情况。在RP中,由于采用离散与堆积的加工工艺,使得CAD和CAM能够很好地结合,因此可以节省工时和研发费用。

3.自由成型制造 在制造过程中不需要专用工具,只是根据零件的形状进行快速制造,大大缩短了新产品的研发与试制时间。与此同时,由于RP技术是采用先离散,然后分层制造,因此可以不用考虑零件的复杂程度,就能将复杂的三维制造简化为二维叠加成型。

4.材料的广泛性 RP技术所用材料相当广泛,如光固化树脂材料,SLA使用涂有热熔胶的纸,SLS使用金属或非金属粉末材料,FDM使用ABS、石蜡和塑料等材料,可根据用户的需求选择合适的RP设备与相应的材料。

5.技术的高度集成 RP技术是计算机、三维软件数据、激光和全新材料技术的综合集成,只有在计算机技术、数控技术、激光技术和材料技术高度发展的今天才能得以发展的一项高新技术,因此具有鲜明的当今时代特征。一、应用RP技术开发新产品的市场

概括起来,应用RP技术开发新产品主要有以下几点优势:

1.可按用户要求快速地进行产品外形设计 在Pro/E等三维软件环境下设计产品与用户的交流存在一定的局限性。一方面,顾客对产品并没有完全的把握,需要制造出一个实实在在的实体模型来进行评价;另一方面,设计者也需要一个三维的实体模型来使消费者进行新产品的体验。因此,一个很好的办法就是采用RP技术快速制造出所需的实体模型。

2.便于产品进行功能测试和评价 虽然产品各零件之间的装配问题可在专用分析软件中进行,但是仍不能满足产品的功能验证和设计评审需要。因此,需要用RP技术快速制造出产品各零部件,然后将这些零部件装配成产品或样机进行功能测试和评价,这样可以最大限度地提高设计质量。

3.将设计与装配等方面出现的问题消灭在开模之前 通过对产品和样机进行验证,能及时发现设计与装配当中的问题,并进行改进设计,因此可将所有问题解决在产品或样机的模具制造之前。

4.缩短产品的研制开发周期 RP技术的应用使得设计与制造融为一体,因此设计方案能在很短的时间内变成实物,便于尽快验证、定型和得到用户的认可。

5.大大提高新产品研发的一次成功率,从而降低研发成本 在短时间内可对设计进行反复多次修改、核实以及优化。

6.降低产品复杂程度对制造的限制 由于RP技术是属于离散与分层制造,因此可将产品制造过程分解为简单的二维制造,而不受产品复杂内部结构的限制,从而降低了制造的难度,并解决了制造精度的问题。

应用RP技术开发新产品的市场,能够缩短产品的开发周期,降低开发成本,提高制造精度。因此,RP技术能够完全适合市场变化并满足对新产品开发提出的各种要求,具有很大的实用价值。二、RP技术的其他研究领域

1.快速模具(Rapid Tooling,RT)制作 在模具制造业,可以利用RP技术制得快速原型,再结合硅胶模、金属冷喷涂、精密铸造、电铸、离心铸造等方法生产出模具。快速成型件也可以直接或间接制得EDM电极,用于电火花加工生产模具。此外,RP技术制得的快速原型也可以直接作为模具。

2.医学应用是RP技术很重要的一个应用方向 除了应用于医疗器械的设计开发外,RP技术已经运用于人体器官(如骨骼、心脏等)、种植体(如人工关节等)的原型制作。目前,RP技术应用于医疗领域,使得医学水平和医疗手段不断提高。以数字影像技术为特征的临床诊断发展迅速,如利用CT、磁共振成像MRI、三维B超等技术对人体局部扫描可获得截面图像,再通过对器官进行计算机的三维建模,然后将这些数据传输到RP系统用以建造实体器官模型并进行科学研究,便能实现不通过开刀就可观看病人骨结构、种植体等。目前,国内外很多专科(如颅外科、骨外科、神经外科、口腔外科、整形外科和头颈外科等)都已经开始应用RP技术,帮助外科医生进行教学、诊断、手术规划等工作。三、RP技术的特点和使用范围

(1)极适用于形状复杂、具有不规则曲面零件的加工,零件的复杂程度与制造成本无关。

(2)能减少对熟练技术工人的需求。

(3)几乎无废弃材料,是一种环保型制造技术。

(4)成功地解决了计算机辅助设计中三维造型的实体化。

(5)系统柔性高,只需要修改三维CAD模型,就可快速制造出各种不同形状的零件。

(6)技术与制造集成,设计与制造一体化。

(7)不需要专用的工装夹具、模具,大大缩短了新产品的开发时间。

以上特点决定了RP技术主要适用于新产品开发,快速单件及小批量零件或产品的制造,具有复杂曲面形状的零件制造,模具设计与制造,也适用于难加工材料的制造、外形设计与检验、装配检验、订货等环节。四、RP技术的研究现状

RP技术从产生到现在,发展十分迅速。与过去相比,RP技术在制造能力方面有了很大的变化和提高,应用领域逐步扩展。随着RP技术的迅速发展,世界上研究RP技术的机构也越来越多,目前在互联网上有数百家。近年来,有关RP方面的书籍、杂志及国际会议层出不穷,有关RP方面的学术刊物也较多,如《快速成型制造》、《快速成型制造报告》以及《虚拟原型制造杂志》等。有关RP技术的相关学术会议有国际快速成型与制造会议、全美快速成型制造会议、欧洲快速成型与制造技术会议、国际制造过程自动化会议等。

目前,在RP技术技术领域,美国的RP技术一直处于领先地位,各种工艺大多在美国最先出现,其研究、开发的工艺种类也最多。例如,美国3D System公司采用的将金属粉末和粘结剂混合后的粉末烧结技术;Sanders Protoype公司采用的基于热熔金属喷射技术的Pattern Master是制作速度最快的RP设备之一;此外,美国Helisys公司研制的叠层实体制造设备在国际市场上同类产品中所占的比重也是最大的。美国研究RP模型材料的高校主要有Dayton大学、Michigan大学、Virginia技术大学等。此外,Virginia大学、Clemson大学、Georgia大学快速成型与制造中心等也从事RP技术的研究、开发与服务方面的工作。从事RP设备系统方面开发研究的美国高校主要有麻省理工大学、Stanford大学等。

日本在RP技术上的研究仅次于美国,如日本AUTOSTRADE公司研发出采用680nm左右波长半导体激光器为光源的RP系统,日本大阪大学国立先进工业科学与技术研究所采用SLM工艺制造出Ti人骨,日本Riken Institute于2000年研制出基于喷墨打印技术的、能制作出彩色原型件的RP设备。

欧洲也有许多研究机构和厂家开展了多种RP技术的研究,如德国EOS公司采用的将多种不同熔点的金属粉末混合烧结技术,芬兰Helsinki技术大学、德国Fraunhofer研究所、德国MCP公司、英国Notingham大学、荷兰Delft技术大学等都开展了相关的研究与开发工作。

在国内,RP技术研究开始于20世纪90年代,清华大学、西安交通大学、华中科技大学、北京航空工艺研究所等在RP成型理论与设备的研究方面都具有一定的、成熟的研究成果。

需要强调的是,2008年英国RepRap开源桌面级3D打印机的发布,导致近几年如MakeBot类型的大批廉价桌面型打印机快速研发与普及应用,使得原来只用于工业制造领域的3D打印机现在也可应用于日常办公,甚至家庭。相信不远的将来,它将成为办公设备中不可缺少的组成部分。

第三节 快速成型技术的用途

由前面叙述得知,RP技术与传统材料加工技术有本质的区别。它具有以下鲜明的特点:高柔性的数字化制造、技术的高度集成、快速性、所用的材料类型丰富多样,包括树脂、纸、工程蜡、工程塑料(ABS等)、陶瓷粉、金属粉、砂等,可以在航空、机械、家电、建筑、医疗等各个领域应用。此外,RP技术是逐层堆积成型的,因此它有可能在成型的过程中改变成型材料的组分,制造出具有材料梯度的模型产品,这点是其他传统工艺难以做到的,所以也是RP技术与传统工艺相比具有的很大优势之一。一、快速成型技术的作用

当前,RP技术与快速模具制造技术的出现引起了制造业领域里的一场革命,它不需要借助任何专门的辅助工夹具,就能够直接将三维CAD模型快速地加工制造成为三维实体模型,而产品造价几乎与其外观复杂程度无关。它特别适用于复杂结构零件的快速制造,并且制造柔性极高,随着各种RP技术的进一步发展,零件精度也不断提高。随着RP成型材料种类的增加以及材料性能的不断改进,RP技术的应用领域也在不断扩大,用途也越来越广泛,目前其主要用途可以概括为以下几方面:

(一)使三维设计原形实物化

为提高产品的设计质量,缩短产品的试制周期,RP技术可在数小时或1~2天内就可将设计人员的三维CAD模型直接加工成实体模型样品,从而使设计者、制造者、销售人员和用户都能在很短的时间内对新研发的产品做出评价与修改。

(二)设计者方面

在传统的设计与加工过程中,由于设计者自身的能力有限,不可能在短时间内仅凭产品的使用要求就能把产品各方面的问题都考虑周全并使其结果最优化。虽然在现代制造技术领域中提出了并行工程的方法,即以小组协同工作为基础,通过网络共享数据等信息资源同步考虑产品设计和制造的有关上下游问题,以实现并行设计,但仍然存在着设计与制造周期长、效率低等问题。

借助RP技术,设计者可以在设计的最初阶段就能拿到产品的实物样件,并可在不同阶段快速地修改和再设计,也可以制作出模具和少量的产品以供试验与测试,使设计者在短时间内得到优化结果。因此,RP技术是目前真正能实现并行设计的强有力手段。

(三)制造者方面

制造者在产品制造工艺设计的最初阶段,可通过实物样件快速制作出模具及少量的产品,以便及早地对该产品的工艺设计提出意见和建议,同时做好原材料、标准件、外协加工件、加工工艺和批量生产用模具等准备工作。这样可以减少失误和返工的次数,节省工时,降低成本和提高产品质量。因此,RP技术可以实现基于并行工程的快速生产准备。

(四)推销者方面

推销者在产品的最初阶段能借助于这种实物样品,及早并真实地向用户宣传,征求意见,以便准确、快速地预测出市场需求。因此,RP技术的应用可以显著地降低新产品的销售风险和成本,大大缩短其投放市场的时间并提高竞争力。

(五)用户方面

用户在产品设计的最初阶段就能见到产品的实物样件,使得他们能及早且全面地认识该产品,进行必要的测试并及时反馈意见。因此,RP技术可以在尽可能短的时间内,以最合理的价格得到外观、性能等符合要求的新产品。

(六)产品的性能测试方面

随着RP新型材料的开发,RP系统所制造的产品零件的原型已具备较好的力学性能,可用于传热及流体力学等试验。而用某些特殊光固化材料制作的模型还具有光弹的特性,它可用于零件受载荷下的应力应变分析。例如,克莱斯勒汽车公司对利用RP制作的车体原型进行高速风洞流体动力学试验,仅此项内容就节省开发成本约70%。又如,1997年美国通用汽车公司推出的某一车型,直接使用RP制作的模型进行车内空调系统、冷却循环系统及加热取暖等系统的传热学试验,此项研究与以往的同类试验相比,节省花费约40%。

(七)投标手段方面

RP原型已成为国外某些制造商家争夺订单的重要手段。例如,位于美国Detroit的一家制造公司,由于装备了两台不同型号的RP设备及采用快速精铸技术,只在接到Ford公司标书后的4个工作日内便生产出了第一个功能样件,因而使其在众多的竞争者中中标得到了一个合同,即年总产值达3000万美元的发动机缸盖精铸件合同。

(八)快速制造模具方面

模具的设计与制造过程是一个多环节的复杂过程。由于在实际制造和检测之前,很难保证产品在成型过程的每一个阶段的性能都符合要求,所以长期以来模具设计都是凭经验或是使用传统CAD进行的。因此,要设计和制造一副合适的模具往往需要经过设计、制造、试模和修模的多次反复,有时还不可避免地导致模具的报废。快速模具是在RP技术的基础上发展起来的一种新型模具制造技术,借助此项技术可以大大减少模具的生产成本和制造周期。

基于RE/CAD/CAE/RP的快速模具制造技术已成为当前模具制造业的热点,并被广泛地研究和推广应用。该技术曾被美国汽车工程杂志评为全球15项重大技术之首,已受到全球制造业的广泛关注。其中,RE(Reverse Engineering)为逆向工程。RP技术在模具制造方面的应用可分为直接制模和间接制模。

以RP技术制作的实体模型可用于制作模芯或模套,同时结合精铸、粉末烧结或石墨研磨等技术,可以快速制造出所需产品的功能模具或设备,其制造周期为传统加工方法的1/10~1/5,而成本却仅为其传统加工方法的1/5~1/3。实践证明,模具的几何复杂程度越高,RP所带来的效益就越显著。

模具的开发已成为制约新产品开发的瓶颈,要缩短新产品的开发周期和降低开发成本,首先必须缩短模具的开发周期和降低模具的成本。而快速模具制造对新产品的开发、试制和生产有着十分重要的作用,是制造业重点推广的一种先进技术。

总之,快速原型技术不仅制造原理与传统方法截然不同,重要的是RP技术可以缩短产品的研发周期,降低开发成本,从而提高企业的竞争力。随着快速原型制造产品的推广与普及,该项技术将成为21世纪的重要组成部分。二、快速成型技术的应用

快速成型技术自20世纪80年代问世以来,由于其本身具有的技术特点,在汽车、航天、家电、模具等多个行业获得了日益广泛的应用。目前,全世界有300多家快速成型服务机构、20多家设备制造商。国内该领域的研究也飞速发展,如清华大学、西安交通大学、南京航空航天大学和华中科技大学等从20世纪90年代初即开始了快速原型及相关技术的研究、开发、推广和应用。

(一)在工业设计新产品研发中的广泛应用

目前快速成型技术的一个重要应用是产品创新开发,尤其是在工业设计新产品研发中的应用。它不受复杂形状的任何限制,可迅速地将计算机设计出的三维原型转化成为可进一步评估的实物;我们可根据原型对设计的正确性、造型的合理性、可装配性和干涉情况等进行具体的检验和核查,尤其是对一些形状较复杂而贵重的零件,通过采用快速成型技术就可对原型进行检验,从而降低了开发成本和风险。通常情况下,采用快速成型技术可减少产品开发成本的30%~70%,减少开发时间50%以上。

(二)概念模型的可视化应用

由于快速成型技术能够迅速地将设计者的设计思想变成三维实体模型,因此不仅能节省大量的时间和精力,而且能准确地体现设计者的设计理念,为产品评审等决策工作提供直接、准确的模型依据,从而尽量减少决策工作中的不正确因素。

传统的外形评估方法是采用手绘的效果图及油泥模型,而现代设计则是越来越多地采用计算机软件设计出产品的三维CAD模型,然后借助快速成型技术将产品的外观直接表现出来。现在设计者可以通过模型外观感受或局部功能的合理分析与应用,以评价设计的正确性并加以改进。新产品的开发总是从外观设计开始的,外形是否美观与实用往往决定了该产品是否能够被市场快速地接受。很多产品,尤其是家电、汽车等对外形的美观和新颖性要求极高,产品的外观已成为影响产品市场竞争力的一个关键因素。

(三)开发新产品的快速评价应用

借助RP技术制作出的产品模型或样件,能够使用户非常直观地了解和接触尚未投入批量生产的产品外观及其性能,并及时做出评价。这样能使厂方根据用户的意见和评价及时地改进产品外观及性能,并为今后的销售创造有利条件,同时也可避免由于盲目生产可能造成的巨大损失。

与此同时,在工程投标中,投标方可以直观、全面地提供对产品的评价依据,使设计更加完善和符合用户需求,从而为中标创造有利条件。图1-6所示为护肤品瓶子的RP样件,图1-7所示为一女士鞋底的RP样件,将它们放在样品的参展会中,可以让厂商更直观地对产品做出评价。图1-6 护肤品瓶子的RP样件图1-7 鞋底的RP样件

(四)装配校验

对一些大型、复杂的仪器设备系统应进行装配检验及校验。而RP原型样件可以用于装配模拟,使我们可以观察到各工件之间如何配合以及如何相互影响。因此,在新产品投产之前,先用RP技术制作出零件原型,然后进行试安装,有助于验证设计的合理性,及时发现安装工艺与装配中出现的问题,以便快速、方便地纠正设计中出现的问题。

图1-8所示为一吸尘器的外壳RP样件,图1-9所示为一棘轮棘爪的RP样件。通过RP样件的模拟装配,可以一次性成功地完成该项设计。图1-8 吸尘器的外壳RP样件图1-9 棘轮棘爪的RP样件

(五)产品性能和功能测试

应用RP技术制作出的样品或模型,不仅可以进行产品外观的设计评价和结构校验,而且还能直接进行产品相关性能和功能参数的试验,如流动及应力分析、流体和空气动力学分析等。因此,采用RP技术能快速地将模型制造出来并进行产品的功能测试,以判断其是否满足设计者和用户的需求,从而进一步进行产品的优化设计和新产品的研发工作。

例如,上海联泰科技有限公司借助RP技术为某一汽车股份有限公司新型前保险杠(见图1-10)的设计进行了功能样件的试制,并用这批样件进行了其外观的验证、冲撞试验以及车辆路试等各项功能的检验。使用RP样件的方案共生产出6套前保险杠,样件的制造周期仅用了40天,费用约为60万元;而若采用传统的制造方法,则制造周期约为6个月,制作费用需要500万左右。图1-10 汽车前保险杠

(六)医学领域的广泛应用

目前,RP技术已广泛应用于医学领域,并在应用的同时借助于计算机断层照相法(Computed Tomography,CT)及核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)等高分辨率检测技术。基于CT图像的快速成型方法是利用CT图像数据,重构出可直接用于RP制造的层片数据文件。在医学领域,利用RP技术对断层图像进行处理,可得到仿真的实物模型,这已成为RP技术的一个新的研究热点。其主要应用于人工假肢、人工活性骨的制作。

1.设计和制作可植入假体 运用RP技术,种植体设计师们可以根据某一病人的CT数据来设计并制作出所需的种植体。

图1-11所示为某一骨骼种植体的制作过程。这种采用RP技术为特定病人解剖结构制作的种植体,能极大地减少种植体设计的出错率,还可为病人快速制定出具体的手术方案提供依据,同时也节省了麻醉时间,降低了整个手术的费用和术后并发症等。其具体的制作过程如下:将原始的CT数据转换成STL数据;利用RP技术制作缺损部位原型;采用硬质石膏、硅橡胶等材料进行翻模;制作熔模并进行熔模铸造,最终将其制作成假体。图1-11 某一骨骼种植体的制作过程a)原始的CT数据 b)3D数值模型 c)RP模型

2.外科手术规划 目前,复杂的外科手术往往需要在三维模型上进行演练以确保较高的手术成功率。采用RP技术可快速地制造出解剖的模型。医生借助解剖模型及其关键的区域,可以有效地与病人进行沟通,增进病人的理解,还能对病人以前的手术经历一目了然。与此同时,医生还可以在手术之前借助三维模型进行手术步骤的规划。由此可见,解剖模型的制作在很多复杂手术中显得非常重要和必要。

此外,运用RP技术加工出的生物模型,也逐渐成为生物力学研究的有力工具。例如,应用CT或MR数据,再结合RP技术所加工制作出的心腔模型,可研究人体心腔体系内的血流动力学特点;结合RP技术所加工制作出的鼻腔模型,可用来研究鼻腔内的气流通过情况。

(七)艺术领域的应用

PR技术可应用于工艺品及珍贵文物等的原型设计和复制,这为传统的工艺品的修复和仿制提供了一个全新的途径。首先,借助CAD软件和逆向工程技术,进行工艺品的三维实体的复原,并从各个角度进行编辑修改和再设计,赋予其材料,并进行恰当地渲染,以达到完美逼真的视觉效果,最后再利用RP技术得到所需的修复原型或仿制原型。

当前,古文物的复制是研究、继承和发扬我国文化遗产的重要手段。RP制造技术为艺术家以三维实体的形式更细腻、形象、准确、生动地表达自己的思想情感提供了一种全新的现代技术手段,同时也为古文物及艺术品的复制和多样化提供了强有力的高新技术工具。

图1-12a所示为贝多芬头像的复制品,它首先借助三维测量设备,获得贝多芬头像外部的点云数据,如图1-12b所示,再经过三维点云的编辑与处理,曲面的构造与重构,获得三维CAD数据模型,然后借助RP技术,快速地制作出与原品几乎相同的复制品。图1-12 艺术品头像的复制a)头像的复制品 b)头像的三维点云数据

图1-13所示为西汉“骠骑将军”霍去病大型石雕之一《大汉十六品——卧牛》的真品及复制品。目前,历经两千余年流传至今的气魄雄伟、造型洗练的西汉石雕仅存二十余件,且其表面大都风化剥落,而保护真品并能展示该文化遗产的最佳途径,就是借助三维扫描与快速成型技术,即先借助三维扫描技术将石雕的三维数据资料进行扫描并永久存储,再借助快速成型工艺与技术进行三维实体的展示与再现,从而使得不可再现的文化遗产得以世代流传并发扬光大。

(八)RP技术与工业设计发展的互动性

工业设计是一门新兴的技术、艺术与市场相结合的边缘学科,并由先进的技术推动向前发展。近年来,RP技术的快速复制功能也推动工业设计向前迈进了一大步。在当今信息迅速发展的时代,工业设计在设计、产品样机制作、开模等方面已实现了计算机一体化。制造领域中的高新技术开辟了工业设计的崭新局面。高精度、高效率的RP技术在工业设计中的应用极大地缩短了新产品的开发周期,降低了产品的开发成本,同时也提高了产品的设计质量。图1-13 《大汉十六品——卧牛》的真品及复制品a)真品 b)复制品

另一方面,工业设计也因其自身的特性,对RP技术提出了新的、更高的要求,对目前的RP技术及设备的成型空间、成型材料以及软件的兼容性等也提出了新的要求。促进RP技术“再设计、再发展”的过程,就是实现工业设计与RP技术最终形成良性的、互动发展的过程。

本章小结

本章主要简述了快速成型技术的概念、工作过程以及其应用和发展历程。当今RP技术发展的总趋势是完善现有技术和制件成型精度,探索新的成型工艺,开发新材料,寻找直接或间接制造高力学性能的金属与非金属制件的方法以及与其他技术的结合。该项技术在汽车、机械、电器电子等行业,国防、工业产品设计、生物医学、文物保护等领域中将会得到更为广泛的应用。

复习思考题

1.什么是RP技术?它与传统的机械加工方法有何本质区别?有哪些特点?简述RP制造过程。

2.简述快速成型技术的应用。

3.简述RP技术的基本原理。的成型方法,通过快速自动的成型系统与计算机三维数据模型有机地结合,无需任何附加的模具或机械加工,就能够快速制造出各种形状复杂的原型或零件,可以使生产周期大大缩短,生产成本大幅度降低。目前,它是一种非常有前景的新型快速制造技术。表1-1列出了两种主要成型方式的比较。表1-1 两种主要成型方式的比较

此外,与传统材料加工技术相比,RP技术还具有以下鲜明的特点:

(1)数字化制造,直接CAD模型驱动,如同使用打印机一样方便快捷。

(2)高度柔性和适应性。可以制造任意复杂形状的零件。

(3)快速。从CAD设计到零件加工完毕,只需几十分钟至几小时(若物体较大时)。

(4)材料类型丰富多样且利用率高。材料包括树脂、纸、工程蜡、工程塑料(ABS等)、陶瓷粉、金属粉、砂等。由于其加工概念的新颖性,累加加工工艺决定了其材料利用率几乎达到100%。

(5)产品的单价基本与复杂程度无关。图1-5a所示为产品单价与复杂程度的关系,图1-5b所示为产品单价与制造数量的关系。

(6)应用领域广泛。可在航空、机械、家电、建筑、医疗等各个领域应用。图1-5 产品单价与复杂程度及制造数量的关系a)产品单价与复杂程度的关系 b)产品单价与制造数量的关系1—传统方法 2—RP

第二章 几种典型的快速成型技术

内容提要

快速成型(RP)技术是由三维CAD数据模型直接驱动的、快速制造任意复杂形状的三维物理实体技术的总称。它是集计算机技术、数控技术、材料科学、激光技术及机械工程技术等为一体的高新技术。与传统加工制造方法不同,RP技术是从零件的三维几何CAD模型出发,通过将三维数据模型分层离散,再用特殊的加工技术(如熔融、烧结、粘结等)将特定材料进行逐层堆积,最终形成实体模型或产品,故也称为增材制造(Material Increasing Manufacturing,MIM)或分层制造技术(Layered Manufacturing Technology,LMT)。由于RP技术是把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加,因此它可以在不借助任何模具和工具的条件下,生成具有任意复杂曲面的零部件或产品,因而极大地提高了生产效率和制造的柔性。

目前比较成熟的RP技术和相应系统已有十余种,其中较为成熟的技术有:薄形材料切割成型(LOM)、丝状材料熔融成型(FDM)、液态光固化成型(SLA)、粉末材料烧结成型(SLS)等。尽管这些RP系统的结构和采用的原材料有所不同,但它们都是基于先离散分层,再堆积叠加的成型原理,即将一层层的二维轮廓逐步叠加成三维实体。其具体差别主要在于二维轮廓制作采用的原材料类型、成型的方法以及截面层与层之间的连接方式等内容。

第一节 快速成型技术的分类

一、快速成型的基本原理及工艺技术

RP技术是一种基于离散和堆积原理的崭新的快速制造技术。它将零件的三维CAD实体模型按一定方式进行离散,将其转变成为可加工的离散面、离散线和离散点,然后采用多种物理或化学方式,将这些离散面、线段和点进行逐层堆积,最终形成零件的实体模型。它与从毛坯上去除多余材料的切削加工方法完全不同,也与借助模具锻造、冲压、铸造和注射等成型技术有异,是一种自由成型之逐层制造技术。

(一)自由成型之逐层制造

采用RP成型技术时,产品或模型的具体成型过程是:首先采用相关的计算机绘图软件设计出三维CAD模型,然后经过相关的格式转换,再对零件进行分层切片,得到各层截面的二维轮廓形状;再按照这些二维的轮廓形状,采用激光束选择性地固化一层一层的液态光敏树脂,或者切割一层一层的特制纸或金属薄材,或者烧结一层一层的粉末材料,或者用喷射源选择性地喷射一层一层的粘结剂或热熔性材料,以形成每一层呈二维的平面轮廓形状;最终再一层层叠加,形成三维实体产品或模型。

由此可见,RP技术的成型过程是属于“材料增长”的方法,即用事先设置好的一层一层“薄片毛坯”逐步叠加形成具有复杂外形的三维实体零件。由于它的制作原理是将复杂的三维实体分解成二维轮廓的逐层叠加,所以有时也称之为“叠层制造”技术。其成型的基本原理如图2-1所示。图2-1 RP技术的基本原理a)CAD模型 b)STL格式 c)分层切片 d)叠层过程1—成型能源 2—升降台

(二)三维CAD模型之逐层制造

1.三维实体模型的近似处理 产品零件上往往有一些不规则的、复杂的自由曲面,在制作快速原型前必须对其进行一定的近似处理,才有可能获取比较准确的截面轮廓。在RP技术中,最常见的近似处理方法是用一系列的小三角形面片来逼近零件的自由曲面。其中,每一个三角形面片可以用三个顶点的坐标和一个法线矢量来描述,即STL格式文件。三角形的大小可以根据设计及用户需要进行设定,从而得到不同的曲面近似精度。目前大多数三维CAD软件都有输出STL文件的转换接口,若有时输出的三角形会有少量错误,则还需进行局部的编辑与修改。

2.三维实体模型的切片处理 RP的成型过程是按照截面轮廓来进行逐层加工的。加工前,须在三维实体上沿着成型的高度方向,每隔一定的间隔进行一次切片处理,以获取此层的截面轮廓。间隔的大小可根据待成型件的精度进行确定,间隔越小,精度越高,但成型时间也相应延长。目前间隔选取的范围一般为0.05~0.50mm,最常用的是0.1mm左右。在此取值下,能得到较光滑的成型曲面。各种RP快速成型系统都带有分层切片处理软件,能自动提取出三维CAD模型的截面轮廓。图2-2所示为对摩托车气缸盖的三维实体模型进行分层切片后得到的某一层截面轮廓。

3.截面轮廓的加工 在RP数控系统的控制下,快速成型设备中的激光头或喷头按照分层切片处理后的截面轮廓在二维平面内做轨迹运动,进行切割纸、固化液态树脂、烧结粉末材料或喷射粘结剂和热熔材料等,从而获得具有一定厚度的、一层层的截面轮廓。图2-2 摩托车气缸盖的CAD模型及其某一层截面的轮廓a)气缸盖 b)某一层截面的轮廓

4.截面轮廓的叠合 每层截面轮廓成型之后,RP设备就将下一层材料送至已成型的最后加工的一层轮廓表面上,再进行新一层截面轮廓的成型,并将一层层的截面轮廓逐步叠合在一起,最终形成三维的产品或模型。

(三)快速成型的前处理

1.三维CAD模型的几种表达方法

(1)构造型立体几何表达法。该方法采用布尔运算法则将一些简单的三维几何基元(如立方体、圆柱体、环、锥体等)加以组合,然后转化成复杂的三维实体。此方法的优点是易于控制存储的信息量,所得到的实体较真实有效,并且能方便地对其外形进行修改。此方法的缺点是,由于产生和修改实体的算法有限,因此构成图形的计算量很大,比较费时。

(2)边界表达法。该方法是根据顶点、边和面构成的表面来精确地描述三维实体的一种方法。此方法的优点是能快速地绘制出立体或线框模型。缺点是由于它的数据是以表格形式出现的,空间占用量大,修改设计不如构造型立体几何表达法简单,且所得到的实体不一定真实有效,有可能会出现错误的孔洞和部分特征颠倒现象,描述缺乏唯一性。

(3)参量表达法。对于一些产品模型的自由曲面难以用传统几何元素来进行描述的,可用参量表达法。该方法是借助参量化样条、贝塞尔曲线以及B样条来描述其自由曲面的。它的每一个X、Y、Z坐标都呈参量化形式。各种参量表达格式的差别在于对曲线的控制能力(即局部修改曲线而不影响临近特征的能力)以及建立几何体模型的能力,其中较好的一种为非有理B样条法(NURBS)。它既能表达出复杂的自由曲面,允许局部修改曲率,又能准确地描述几何特征。

(4)单元表达法。此方法来源于分析软件。在这些分析软件中,要求将三维实体表面离散成特定的单元形式。典型的单元形式有三角形、正方形或多边形等。在RP技术中采用的三角形近似,如将三维CAD实体模型转化成STL格式文件,就是一种单元表达法的应用形式。

2.RP技术中常用的文件格式

(1)STL(Stereo Lithography)格式。STL格式始于美国3D System公司生产的SLA快速成型系统,目前它已成为快速成型系统中最常见的一种文件格式。它是将曲面的三维CAD模型近似成一个个小三角形平面的组合,如图2-3所示。图2-3 STL文件的三角形面片格式

a)曲面模型 b)小三角形面片组成的模型

一般情况下,STL文件有ASCII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ASCII码输出形式的占用空间小得多,一般只是ASCII码的1/6。但是ASCII码输出形式的最大优点是可以阅读,并能进行直观地检查。

(2)IGES(International Graphics Exchange Standard)格式。IGES是目前大多数CAD系统采用的一种图形转换标准,可用于支持多种不同文件格式间的转化。

(3)HPGL(HP Graphics Language)格式。HPGL是美国惠普公司开发的用来控制自动绘图机的一种语言格式,目前它已被广泛地接受与应用。这种表达格式的基本组成结构是描述图形的矢量,用X和Y的坐标值来表示矢量的起点与终点以及绘图笔相应的抬起和放下等动作。现在一些与绘图原理有关的RP系统(如三维打印)就是采用HPGL来驱动喷头进行工作的。

(4)STEP(Standard for the Exchange of Product)格式。STEP是国际标准化组织提出的一种产品数据交换标准。目前,典型的CAD系统都可以输出STEP的格式文件。有些快速成型技术的研究人员正在研究借助STEP格式而不经过STL格式的转化,就可直接对三维实体模型进行分层和切片处理,从而有效地提高快速成型的精度。

(四)快速成型方向的选择

由于RP技术的基本原理是将复杂的三维实体分解成二维轮廓,然后再一层层地叠加,因此将各种格式的文件所表达出来的三维模型进行旋转,再进行切片可获得不同的模型成型方向。成型方向对工件的品质、材料消耗和模型的制作时间等方面都有很大的影响。

1.对工件品质的影响 一般情况下,大多数RP技术都较难控制Z轴方向界曝光功率及较大的穿透深度和较低的黏度等。功能测试型对成型材料成型后的强度、刚度、耐热性、耐蚀性等也有一定要求,若用于可装配测试,则对于材料成型的精度有更高的要求。模具型要求成型材料能适应具体模具制造的要求,如消失模铸造用原型材料要求材料成型后易于去除废弃的材料。RP技术常用的成型材料种类见表2-1。表2-1 RP技术常用的成型材料种类二、快速成型的基本工艺步骤

快速成型的过程一般都包含CAD模型的建立、前处理、原型制作和后处理四个步骤。其工艺流程如图2-4所示。图2-4 RP的基本工艺流程

(一)产品三维CAD实体模型的创建

RP系统是由三维CAD数据模型直接驱动,因此首先要构建出产

试读结束[说明:试读内容隐藏了图片]

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