快速成型.docx

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快速成型

快速成形技术

20世纪80年代后发展起来的快速成形技术（Rap记ProtoyPing,RP），被认为是近20年来制造领域的一次重大突破，其对制造业的影响可与20世纪50一60年代的数控技术相比。

快速成形技术综合了机械工程、CAD、数控技术、激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评估、修改及功能试验，大大缩短了产品的研制周期。

而以RP系统为基础发展起来并已成熟的快速工装模具制造、快速精铸技术则可实现零件的快速制造。

它是基于一种全新的制造概念―增材加工法。

由于CAD技术和光、机、电控制技术的发展，这种新型的样件制造工艺就日益在生产中获得应用。

我国于20世纪90年代初先后有武汉华中科技大学快速制造中心，陕西省激光快速成形与模具制造工程研究中心、西安交通大学先进制造技术研究所，北京隆源自动成形系统有限公司，北京清华大学殷华实业有限公司等在快速成形工艺研究、成形设备开发、数据处理及控制软件、新材料的研发等方面做了大量卓有成效的工作，赶上了世界发展的步伐并有所创新，现都已开发研制出系列化的快速成形商品化设备可供订购，并定期举办快速成形技术培训班。

中国机械工程学会下属的特种加工学会，于2001年增设了快速成形专业委员会，开展快速成形技术的普及和提高工作。

在众多的快速成形工艺中，具有代表性的工艺是：

光敏树脂液相固化成形、选择性激光粉末烧结成形、薄片分层叠加成形和熔丝堆积成形等4种。

以下对这些典型工艺的原理、特点等分别进行阐述。

第一节光敏树脂液相固化成形

光敏树脂液相固化成形（SL-Stereolithography）又称光固化立体造型或立体光刻。

它由CharlesHul发明并于1984年获美国专利。

1988年美国3D系统公司推出商品化的世界上第一台快速原型成形机。

SLA系列成形机占据着RP设备市场较大的份额。

一、液相光敏树脂固化成形―SL工艺原理SL工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。

这种液态材料在一定波长（人二325nm）和功率（尸二30mw）的紫外激光的照射下能迅速发生光聚合反应，相对分子质量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。

图8一1为SL工艺原理图。

液槽中盛满液相光敏树脂，激光束在偏转镜作用下，在液体表面上扫描，扫描的轨迹及激光的有无均由计算机控制，光点扫描到的地方，液体就固化。

成形开始时，工作平台在液面下一个确定的深度，液面始终处于激光的焦点平面内，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描即逐点固化。

当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。

然后升降台带动平台下降一层高度（约0.1mm），已成形的层面上又布满一层液态树脂，刮平器将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复，直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体原型。

SL方法是目前RP技术领域中研究得最多的方法，也是技术上最为成熟的方法。

SL工艺成形的零件精度较高。

多年的研究改进了截面扫描方式和树脂成形性能，使该工艺的精度能达到或小于0.lmm。

图8一1液相光敏树脂固化成形（SL）原理1一扫描镜2一Z轴升降台3一树脂槽4一光敏树脂5一托盘6一零件

二、特点和成形材料

这种方法的特点是精度高、表面质量好、原材料利用率将近100%，能制造形状特别复杂（如空心零件）、特别精细（如首饰、工艺品等）的零件。

制作出来的原型件，可快速翻制各种模具。

SL工艺的成形材料称为光固化树脂（或称光敏树脂），光固化树脂材料中主要包括齐聚物、反应性稀释剂及光引发剂。

根据引发剂的引发机理，光固化树脂可以分为三类：

自由基光固化树脂、阳离子光固化树脂和混杂型光固化树脂。

自由基光固化树脂、阳离子光固化树脂和混杂型光固化树脂各有许多优点，目前的趋势是使用混杂型光固化树脂。

三、SL光敏树脂液相固化成形设备和应用现在已有多种型号的此类设备可供订购，如华中科技大学快速制造中心、武汉滨湖机电技术产业公司的HRPL一I型光固化快速成形系统、清华大学的CPS快速成形机和西安交通大学激光快速成形与模具制造中心的LPs一600和LPS一350型的激光快速成形机等。

图8一Za为cPs一250型液相固化快速成形机的外形，图b为z轴升降工作台，图。

为X、Y工作台，图d为光学系统示意图。

cPS快速成形机采用普通紫外光源，通过光纤将经过一次聚焦后的普通紫外光导人透镜，经过二次聚焦后，照射在树脂液面上。

二次聚焦镜夹持在二维数控工作台上，实现X一y二维扫描运动，配合Z轴升降运动，从而获得三维实体。

z轴升降工作台主要完成托板的升降运动。

在制作过程中，进行每一层的向下步进，制

图8一2CPS型液相固化快速成形机的外形及结构组成a）CPS快速成形机外形h）z轴升降工作台c）X、Y工作台结构示意1一基板2一X轴步进电动机3一Y轴步进电动机4一同步带5一聚焦镜头d）光学系统示意图1一正极2一灯泡3一负极4一聚光罩5一光纤6一聚焦镜头7一液相光敏树脂8一树脂槽

作完成后，工作台快速提升出树脂液面，以方便零件的取出。

其运动形式采用步进电动机驱动，丝杠传动，导轨导向的形式，以保证Z向的运动精度。

结构包括步进电动机、滚珠丝杠副、导轨副、吊梁、托板、立板，如图8一2b所示。

X、Y方向工作台主要完成聚焦镜头在液面上的二维精确扫描，实现每一层的固化。

采用步进电动机驱动、精密同步带传动、精密导轨导向的运动方式，如图8一c所示。

光学系统的光源采用紫外汞氛灯，用椭球面反射罩实现第一次反射聚焦，聚焦后经光纤藕合传导，再经透镜实现二次聚焦，最后将光照射到树脂液面上，光路原理如图8一2d所示。

光敏树脂液相固化成形的应用有很多方面，可直接制作各种树脂功能件，用作结构验证和功能测试；可制作比较精细和复杂的零件；可制造出有透明效果的制件；制作出来的原型件可快速翻制各种模具，如硅橡胶模、金属冷喷模、陶瓷模、合金模、电铸模、环氧树脂模和消失模等。

第二节选择性激光粉末烧结成形

选择性激光粉末烧结成形（SelectedLaserSintering,SLS）工艺又称为选区激光烧结，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。

该方法已被美国DTM公司商品化。

一、选择性激光粉末烧结成形―SLS工艺原理SLS工艺是利用粉末材料（金属粉末或非金属粉末）在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下逐层堆积成形。

如图8一3所示，此法采用CO：

激光器作能源，目前使用的造型材料多为各种粉末材料。

在工作台上均匀铺上一层很薄（0.1一0.Zmm）的粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，一层完成后再进行下一层烧结。

全部烧结完后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理便获得零件。

二、特点和成形材料SLS工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、石蜡等材料的零件。

特别是可以直接制造金属零件，这使SLS工艺颇具吸引力。

另一特点是SLS工艺无需加支撑，因为没有被烧结的粉末起到了支撑的作用。

因此可以烧结制造空心、多层缕空的复杂零件。

图8一3选择性激光粉末烧结成形（SLS）原理1一零件2一扫描镜3一激光器4一透镜5一刮平辊子

sLs烧结成形用的材料，早期采用蜡粉及高分子塑料粉，用金属或陶瓷粉进行粘接或烧结的工艺也已达到实用阶段。

任何受热后能粘结的粉末都有被用作SLS原材料的可能性，原则上这包括了塑料、陶瓷、金属粉末及它们的复合粉。

近年来开发的较为成熟的用于SLS工艺的材料如表8一1所示。

为了提高原型的强度，用于SLS工艺材料的研究转向金属和陶瓷，这也正是SLs工艺优越于SL、LOM工艺之处。

近年来，金属粉末的制取越来越多地采用雾化法。

主要有两种方式：

离心雾化法和气体雾化法。

它们的主要原理是使金属熔融，高速将金属液滴甩出并急冷，随后形成粉末颗粒。

SLS工艺还可以采用其他粉末，比如聚碳酸醋粉末，当烧结环境温度控制在聚碳酸醋软化点附近时，其线胀系数较小，进行激光烧结后，被烧结的聚碳酸醋材料翘曲较小，具有很好的工艺性能。

三、SLS选择性激光粉末烧结成形设备和应用此类国产设备有华中科技大学研制的HRPS型系列激光粉末烧结系统和清华大学研制的AFS一300型激光快速成形机。

图84为两种激光粉末烧结成形设备的外形。

图8礴两种选择性激光粉末烧结成形设备的外形a）HRPS一1llA型激光粉末烧结机b）AFS一300型激光粉末烧结机

图8一5为AFS一300型激光选择性粉末烧结快速成形机的结构组成示意图。

机械结构主要由机架、工作平台、铺粉机构、两个活塞缸、集料箱、加热灯和通风除尘装置组成。

图8一为激光烧结成形机光路系统的主要组成部件，有：

激光器、反射镜、扩束聚焦系统、扫描器、光束合成器、指示光源。

其中的激光器为最大输出功率为50w的coZ激光器；扫描器由两个相互垂直的反射镜组成。

每个反射镜有一个振动电动机驱动，激光束先人射到X镜，从X镜反射到Y镜，再由Y镜反射到加工表面，电动机驱动反射镜振动，同时激光束在有效视场内扫描。

x镜和Y镜分别驱使光点在x方向和Y方向扫描，扫描角度通过微机接口进行数控，这样可使光点精密定位在视场内任一位置。

扫描振镜的全扫描角（光学角）为40。

，视场的线性范围要由扫描半径确定，光点的定位精度可达全视场的l/65535。

指示光源―由于加工用的激光束是不可见光，这样不便于调试和操作。

用一个可见光束与激光束合并在一起，可在调试时清晰看见激光光路，便于各光学元件和工件的定位和调整。

SLS激光粉末烧结的应用范围与sL工艺类似，可直接制作各种高分子粉末材料的功能件，用作结构验证和功能测试，并可用于装配样机。

制件可直接作熔模铸造用的蜡模和砂型、型芯，制作出来的原型件可快速翻制各种模具，如硅橡胶模、金属冷喷模、陶瓷模、合金模、电铸模、环氧树脂模和消失模等。

第三节薄片分层叠加成形

薄片分层叠加成形（LaminatedobjectManufacturing,LoM）工艺又称叠层实体制造或分层实体制造，由美国HelisyS公司于1986年研制成功，并推出商品化的机器。

因为常用纸作原料，故又称纸片叠层法。

一、薄片分层盈加成形―LOM工艺原理LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等作为成形材料，片材表面事先涂覆上一层热熔胶。

加工时，用c仇激光器（或刀）在计算机控制下按照CAD分层模型轨迹切割片材，然后通过热压辊热压，使当前层与下面已成形的工件层粘接，从而堆积成形。

图8一7是LOM工艺的原理图。

用CO：

激光器在最上面、刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的废料区域内切割成上下对齐的网格，以便于清除；激光切割完成后，工作台带动已成形的工件下降，与带状片材（料带）分离；供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域；工作台上升到加工平面；热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚；再在新层上切割截面轮廓。

如此反复直至零件的所有截面切割、粘接完毕，得到三维的实体零件。

图8一7薄片分层叠加成形（LOM）原理1一收料轴2一升降台3一加工平面4一CO：

激光器5一热压辊6一控制计算机7一料带8一供料轴

二、特点和成形材料

LOM工艺只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。

因此易于制造大型、实体零件。

零件的精度较高（误差＜0．巧mm）。

工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以LOM工艺无需加支撑。

LOM工艺的成形材料常用成卷的纸，纸的一面事先涂覆一层热熔胶，偶而也有用塑料薄膜作为成形材料。

对纸材的要求是应具有抗湿性、稳定性、涂胶浸润性和抗拉强度。

热熔胶应保证层与层之间的粘结强度，分层叠加成形工艺中常采用EVA热熔胶，它由EVA树脂、增粘剂、蜡类和抗氧剂等组成。

三、LOM分层叠加成形设备和应用图8一8是国产SSM一800型分层叠加成形设备的组成，由激光系统、走纸机构、X、Y扫描机构和Z轴升降机构、加热辊等组成，分布在设备的前部和后背部。

薄片分层叠加快速成形工艺和设备由于其成形材料纸张较便宜，运行成本和设备投资较低，故获得了一定的应用。

可以用来制作汽车发动机曲轴、连杆、各类箱体、盖板等零部件的原形样件。

1一X、Y轴2一热压系统图8一8SSM一800型分层叠加成形设备a）前面部分b）背后部分3一测高4一收纸辊5一Z轴6一送纸辊7一工作平台8一激光头

第四节熔丝堆积成形

熔丝堆积成形（FusedDepositionModeling,FDM）工艺由美国学者Dr.ScottCrump于1988年研制成功，并由美国Stratasys公司推出商品化的机器。

一、熔丝堆积成形―FDM工艺原理FDM工艺是利用热塑性材料的热熔性、粘结性，在计算机控制下层层堆积成形。

图8一9表示了FDM工艺原理，材料先抽成丝状，通过送丝机构送进喷头，在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结，层层堆积成形。

图8一9熔线堆积成形（FDM）工艺原理图

二、特点和成形材料该工艺不用激光，因此使用、维护简单，成本较低。

用蜡成形的零件原型，可以直接用于熔模铸造。

用ABS工程塑料制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。

由于以FDM工艺为代表的熔融材料堆积成形工艺具有一些显著优点，该工艺发展极为迅速。

成形材料是FDM工艺的基础。

FDM工艺中使用的材料除成形材料外还有支撑材料。

1．成形材料

FDM工艺常用ABS工程塑料丝作为成形材料，对其要求是熔融温度低（80一120"C）,粘度低，粘结性好，收缩率小。

影响材料挤出过程的主要因素是粘度。

材料的粘度低、流动性好，阻力就小，有助于材料顺利挤出。

材料的流动性差，需要很大的送丝压力才能挤出，会增加喷头的启停响应时间，从而影响成形精度。

熔融温度低对FDM工艺的好处是多方面的。

熔融温度低可以使材料在较低的温度下挤出，有利于提高喷头和整个机械系统的寿命；可以减少材料在挤出前后的温差，减少热应力，从而提高原型的精度。

粘结性主要影响零件的强度。

FDM工艺是基于分层制造的一种工艺，层与层之间往往是零件强度最薄弱的地方，粘结性好坏决定了零件成形以后的强度。

粘结性过低，有时在成形过程中由于热应力就会造成层与层之间的开裂。

收缩率在很多方面影响零件的成形精度。

2．支撑材料采用支撑材料是加工中采取的辅助手段，在加工完毕后必须去除支撑材料，所以支撑材料与成形材料的亲和性不能太好。

三、FDM熔丝堆积成形设备和应用MEM一250一n是实现熔丝堆积FDM工艺的国产设备，见图8一10。

它利用ABS丝材通过喷头被加热至熔融状态后从喷头挤出，在数控系统控制下层层堆积成形。

熔丝堆积成形工艺和设备有一定的应用面。

由于FDM工艺的一大优点是可以成形任意复杂程度的零件，经常用于成形具有很复杂的内腔、孔等零件但精度较差。

图8一10FDM熔丝堆积成形设备MEM一250一n1一加热喷头2一X扫描机构3一丝盘4一送丝机构5一Y扫描机构6一框架7一工作平台8一成形室表8一2为上述几种最常用的RP快速成形工艺优缺点比较。

表8一10几种常用的RP快速成形工艺优缺点比较

图8一11是快速成形制作应用的一些实例，其中图a为液相固化的手机壳体，图b为液相固化的风扇叶轮，图。

为粉末烧结壳体，图d为纸片叠层的洁具样件，图e为纸片叠层的箱盖样件，图f为纸片叠层的工艺美术品样件。

图8一11快速成形制作的一些实例

思考题和习题8一1快速成形的工艺原理与常规加工工艺有何不同？

其具有什么特点？

8一2试对常用的快速成形工艺的优缺点作一比较。