快速成型技术的原理.docx

1、快速成型技术的原理快速成型技术的原理、工艺过程及技术特点：1快速成型介绍RP技术简介 快速原型制造技术，又叫快速成形技术， （简称 RP技术）； 英文： RAPID PROTOTYPI（NG简称 RP技术），或RAPID PROTOTYPING MANUFACTUR，E简IN称G RPM。快速成型（ RP）技术是九十年代发展起来的一项先进制造技术，是为 制造业企业新产品开发服务的一项关键共性技术 , 对促进企业产品 创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极的推动作用。自 该技术问世以来， 已经在发达国家的制造业中得到了广泛应用， 并由 此产生一个新兴的技术领域。RP技术是在现代 CAD/

2、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的基础上集成发展起来的。 不同种类的 快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不 同。但是，其基本原理都是一样的，那就是 分层制造，逐层叠加 ， 类似于数学上的积分过程。形象地讲，快速成形系统就像是一台 立体打印机 。RP 技术的优越性显而易见：它可以在无需准备任何模具、刀具和工 装卡具的情况下，直接接受产品设计（ CAD）数据，快速制造出新产 品的样件、模具或模型。因此， RP 技术的推广应用可以大大缩短新 产品开发周期、降低开发成本、提高开发质量。由传统的 去除法 到今天的 增长法 ，由有模制造到无模制造

3、，这就是 RP技术对制造 业产生的革命性意义。2、它具体是如何成形出来的呢？形象地比喻： 快速成形系统相当于一台 立体打印机 。快速成型属于离散堆积成型。 它从成型原理上提出一个全新的思维 模式维模型， 即将计算机上制作的零件三维模型， 进行网格化处理并 存储，对其进行分层处理， 得到各层截面的二维轮廓信息，按照这些 轮廓信息自动生成加工路径， 由成型头在控制系统的控制下， 选择性 地固化或切割一层层的成型材料， 形成各个截面轮廓薄片， 并逐步顺 序叠加成三维坯件然后进行坯件的后处理，形成零件。快速成型的工艺过程具体如下：l)产品三维模型的构建。由于 RP 系统是由三维 CAD 模型直接驱 动

4、，因此首先要构建所加工工件的三维 CAD 模型。该三维 CAD模型 可以利用计算机辅助设计软件(如 Pro/E , I-DEAS , Solid Works , UG 等)直接构建，也可以将已有产品的二维图样进行转换而形成三 维模型，或对产品实体进行激光扫描、 CT 断层扫描，得到点云数据， 然后利用反求工程的方法来构造三维模型。2)三维模型的近似处理。由于产品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，以方便后续的数据处理工作。由于 STL格式文件格式简单、实用，目前已经成为快速成型领域的准标准 接口文件。 它是用一系列的小三角形平面来逼近原来的模型， 每个小 三角形用 3 个

5、顶点坐标和一个法向量来描述，三角形的大小可以根 据精度要求进行选择。 STL 文件有二进制码和 ASCll 码两种输出形 式，二进制码输出形式所占的空间比 ASCII 码输出形式的文件所占 用的空间小得多，但 ASCII 码输出形式可以阅读和检查。典型的 CAD 软件都带有转换和输出 STL 格式文件的功能。3）三维模型的切片处理。 根据被加工模型的特征选择合适的加工方 向，在成型高度方向上用一系列一定间隔的平面切割近似后的模型， 以便提取截面的轮廓信息。 间隔一般取 0.05mm0.5mm， 常用 0.1mm 。 间隔越小，成型精度越高，但成型时间也越长，效率就越低，反之则 精度低，但效率高

6、。4）成型加工。根据切片处理的截面轮廓，在计算机控制下，相应的 成型头（激光头或喷头）按各截面轮廓信息做扫描运动，在工作台上 一层一层地堆积材料，然后将各层相粘结，最终得到原型产品。5）成型零件的后处理。 从成型系统里取出成型件， 进行打磨、 抛光、 涂挂，或放在高温炉中进行后烧结，进一步提高其强度。快速成型特术具有以下几个重要特征：l ）可以制造任意复杂的三维几何实体。 由于采用离散堆积成型的 原理它将一个十分复杂的三维制造过程简化为二维过程的叠加， 可 实现对任意复杂形状零件的加工。 越是复杂的零件越能显示出 RP 技术的优越性此外， RP 技术特别适合于复杂型腔、 复杂型面等传统方 法难

7、以制造甚至无法制造的零件。2）快速性。通过对一个 CAD 模型的修改或重组就可获得一个新零 件的设计和加工信息。 从几个小时到几十个小时就可制造出零件， 具 有快速制造的突出特点。3）高度柔性。无需任何专用夹具或工具即可完成复杂的制造过程， 快速制造工模具、原型或零件4）快速成型技术实现了机械工程学科多年来追求的两大先进目 标即材料的提取（气、液固相）过程与制造过程一体化和设计 （CAD ） 与制造（ CAM ）一体化5）与反求工程（ Reverse Engineering ）、CAD 技术、网络技术、 虚拟现实等相结合，成为产品决速开发的有力工具。因此，快速成型技术在制造领域中起着越来越重要

8、的作用， 并将对制 造业产生重要影响。快速成型技术的分类：快速成型技术根据成型方法可分为两类： 基于激光及其他光源的成型 技术（ Laser Technology ），例如：光固化成型（ SLA ）、分层实体制 造（ LOM）、选域激光粉末烧结（ SLS）、形状沉积成型（ SDM）等；基 于喷射的成型技术（Jetting Technoloy ），例如：熔融沉积成型（FDM）、 三维印刷（ 3DP ）、多相喷射沉积（ MJD ）。下面对其中比较成熟的 工艺作简单的介绍。1、 SLA(Stereolithogrphy Apparatus )工艺 SLA 工艺也称光造型 或立体光刻，由 Charle

9、s Hul 于 1984 年获美国专利。 1988 年美 国 3D System 公司推出商品化样机 SLA-I ，这是世界上第一台快速成 型机。 SLA 各型成型机机占据着 RP 设备市场的较大份额。SLA 技术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 一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应， 分子量急剧 增大，材料也就从液态转变成固态。SLA工作原理：液槽中盛满液态光固化树脂激光束在偏转镜作用下， 能在液态表而上扫描， 扫描的轨迹及光线的有无均由计算机控制， 光 点打到的地方，液体就固化。成型开始时，工作平台在液面下一个确 定的深度 聚焦后的光斑在液面上按计算机的指

10、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， 已成型的层面上又布满一层树脂， 刮板将 粘度较大的树脂液面刮平， 然后再进行下一层的扫描， 新周化的一层 牢周地粘在前一层上， 如此重复直到整个零件制造完毕， 得到一个三 维实体模型。SLA 方法是目前快速成型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。 SLA 工艺成型的零件精度较高，加工精度一般可 达到 0.1 mm ，原材料利用率近 100 。但这种方法也有白身的局 限性，比如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂有一定的 毒性等。叠层实体制造或分层实体制造，由美

11、国 Helisys 公司的 Michael Feygin 于 1986 年研制成功。 LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄 膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，热压辊热压片材， 使之与下面已成型的工件粘接。 用 CO2激光器在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区域内 切割出上下对齐的网格。 激光切割完成后， 工作台带动已成型的工件 下降，与带状片材分离。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。工作合上升到加工平面，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粘接

12、、切割完。最后，去除切碎的多余 部分，得到分层制造的实体零件。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。因此成型厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件。工艺过程中 不存在材料相变， 因此不易引起翘曲变形。 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。 缺点是材料浪费严重，表面质量差。3、 SLS(Selective Laser Sintering )工艺 SLS 工艺称为选域激光 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。 SLS 工艺是利用粉末状材料成型的。将材料粉末铺洒在已

13、成型零件的上表面， 并刮平， 用高强度的 CO2激光器在刚铺的新层上 扫描出零件截面， 材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起， 得到零件的截面，并与下面已成型的部分连接。当一层截面烧结完后， 铺上新的一层材料粉末，有选择地烧结下层截面。 烧结完成后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理得到零件。 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、蜡等材料的零件，特别是可以制造金属零件。这使 SLS工艺颇具 吸引力。 SLS工艺无需加支撑，因为没有烧结的粉末起到了支撑的作 用。4、 3DP (Three Dimension Printing )工艺三维印刷工艺是美国麻省 理

14、工学院 E-manual Sachs 等人研制的。已被美国的 Soligen 公司以 DSPC( Direct Shell Production Casting )名义商品化，用以制造铸造用的陶瓷壳体和型芯。3DP 工艺与 SLS工艺类似，采用粉末材料成型，如陶瓷粉末、金属粉 末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连结起来的， 而是通过喷头用 粘结剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉来上面。 用粘结剂粘接的零件强度较低，还须后处理。先烧掉粘结剂，然后在 高温下渗人金属，使零件致密化，提高强度。5 . FDM( Fused Depostion Modeling )工艺 熔融沉积制造( FDM )

15、 工艺由美国学者 Scott Crump 于 1988 年研制成功。 FDM 的材料一 般是热塑性材料，如蜡、 ABS 、尼龙等。以丝状供料。材料在喷头 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，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。快速成型技术的应用领域：目前 RP技术的发展水平而言，在国内主要是应用于新产品（包括产 品的更新换代） 开发的设计验证和模拟样品的试制上， 即完成从产品 的概念设计（或改型设计） - 造型设计- 结构设计- 基本功能评估 - 模拟样件试制这段开发过程。 对某些以塑料结构为主的产品还可以进 行小批量试制，或进行一些物理方面的功能测试、装

16、配验证、实际外 观效果审视， 甚至将产品小批量组装先行投放市场， 达到投石问路的 目的。快速成型的应用主要体现在以下几个方面：（1）新产品开发过程中的设计验证与功能验证。 RP技术可快速地将 产品设计的 CAD模型转换成物理实物模型， 这样可以方便地验证设计 人员的设计思想和产品结构的合理性、可装配性、美观性，发现设计 中的问题可及时修改。如果用传统方法，需要完成绘图、工艺设计、 工装模具制造等多个环节，周期长、费用高。如果不进行设计验证而 直接投产，则一旦存在设计失误，将会造成极大的损失。（2）可制造性、可装配性检验和供货询价、市场宣传，对有限空间 的复杂系统，如汽车、卫星、导弹的可制造性和

17、可装配性用 RP 方法 进行检验和设计， 将大大降低此类系统的设计制造难度。 对于难以确 定的复杂零件，可以用 RP，技术进行试生产以确定最佳的合理的工 艺。此外， RP 原型还是产品从设计到商品化各个环节中进行交流的 有效手段。比如为客户提供产品样件，进行市场宣传等，快速成型技 术已成为并行工程和敏捷制造的一种技术途径。（3）单件、小批量和特殊复杂零件的直接生产。对于高分子材料的 零部件，可用高强度的工程塑料直接快速成型，满足使用要求 ; 对于 复杂金属零件， 可通过快速铸造或直接金属件成型获得。 该项应用对 航空、航天及国防工业有特殊意义。（ 4）快速模具制造。 通过各种转换技术将 RP原

18、型转换成各种快速模 具，如低熔点合金模、硅胶模、金属冷喷模、陶瓷模等，进行中小批 量零件的生产，满足产品更新换代快、批量越来越小的发展趋势。快 速成型应用的领域几乎包括了制造领域的各个行业， 在医疗、人体工 程、文物保护等行业也得到了越来越广泛的应用。快速成型技术的主要应用各行业的应用状况如下：汽车、摩托车：外形及内饰件的设计、改型、装配试验，发动机、 汽缸头试制。家电：各种家电产品的外形与结构设计，装配试验与功能验证，市 场宣传，模具制造。通讯产品： 产品外形与结构设计， 装配试验，功能验证，模具制造。 航空、航天：特殊零件的直接制造，叶轮、涡轮、叶片的试制，发 动机的试制、装配试验。轻工业

19、：各种产品的设计、验证、装配，市场宣传，玩具、鞋类模 具的快速制造。医疗：医疗器械的设计、试产、试用， CT 扫描信息的实物化，手 术模拟，人体骨关节的配制。国防：各种武器零部件的设计、 装配、试制，特殊零件的直接制作， 遥感信息的模型制作。总之，快速成型技术的发展是近 20 年来制造领域的突破性进展，它 不仅在制造原理上与传统方法迥然不同， 更重要的是在目前产业策略 以市场响应速度为第一的状况下， RP 技术可以缩短产品开发周期， 降低开发成本，提高企业的竞争力。下面通过一些事例，说明该项技 术在产品开发过程中起的作用。1. 设计验证：用于新产品外观设计玲证和结构设计验证， 找出设计缺 陷，

20、完善产品设计。在现代产品设计中，设计手段日趋先进，计算机 辅助设计使得产品设计快捷、直观，但由于软件和硬件的局限，设计 人员仍无法直观地评价所设计产品的效果和结构的合理性以及生产 工艺的可行性。 快速成型技术为设计人员迅速得到产品样品， 直观评 判产品提供了先进的技术手段。 我公司为某摩托车生产厂新型 250 摩 托车制作的覆盖件样件，包括油箱、前后挡板、车座和侧盖等共 13 件。采用 AFS成型技术，仅用 12 天就完成了全部制作。设计人员将 样件装在车体上， 经过认真评价和反复比较， 对产品的外观做了重新 修改，达到了理想状态。这一验证过程，使设计更趋完美，避免了盲 目投产造成的浪费。2装

21、配验证：制出样品实件，进行装配实验。天津某公司委托我方 加工传真机外壳及电话。 用户不仅要进行外观评价， 而且要将传真机 的内部部件装入样件中， 进行装配实验和结构评价。 该公司首先选择 传统加工方法，分块加工， 手工粘结，仅加工一套电话听筒就耗资肆 仟元，耗时 20天。预计制作传真机样品需 2 个月，费用为 2?5万元。 我公司用快速成型技术，仅用 15 天就将该产品一套共六件交给委托 方。用户在装配实验中发现了 7 处装配干涉和结构不合理处。 将前后 两种方法相比，传真机 BABS塑料组装样件传统加工方法工序繁多， 手工拼接费时、费力，材料浪费大、加工周期长。对复杂的结构和曲 面，加工粗糙

22、， 尺寸精度低，制作的实物模型与设计模型之间不能建 立一一对应的关系， 因而在装配实验中很难检查出设计错误。 而自动 成型法，高度自动化，一次成型，周期短，精度高，与设计模型之间 具有一一对应的关系，更适合样品组装件的生产和制造。 3功能验证：我公司为某摩托车厂制作 250 型双缸摩托车汽缸头。 这是一款新设计的发动机，用户需要 10 件样品进行发动机的模拟实 验。该零件具有复杂的内部结构，传统机加工无法加工，只能呆用铸 造成型。整个过程需经过开模、制芯、组模、浇铸、喷砂和机加等工 序，与实际生产过程相同。其中仅开模一项就需三个月时间。这对于 小批量的样品制作无论在时间上还是成木上都是难以接受

23、的。 我们采 用选区激光烧结技术， 以精铸熔模材料为成型材料， 在快速成型机上 仅用 5天即加工出该零件的 10 件铸造熔模，再经熔模铸造工艺， 10 天后得到了铸造毛坯。经过必要的机加工， 30 天即完成了此款发动 机的试制。4快速铸造：在制造业特别是航空、航天、国防、汽车等重点行业， 共基础的核心部件一般均为金属零件， 而且相当多的金属零件是非对 称性的、 有不规则曲面或结构复杂而内部又含有精细结构的零件。 这 些零件的生产常采用铸造或解体加工的方法。在铸造生产中，模板、 芯盒、压蜡型、 压铸模的制造往往是用机加工的方法来完成的，有时 还需要钳工进行修整，不仅周期长、耗资大，而且从模具设计

24、到加工 制造是一个多环节的复杂过程， 咯有失误就会导致全部返工。 特别是 对一些形状复杂的铸件，如叶片、叶轮、发动机缸体、缸盖等，模具 的制造是一个难度更大的问题，即使使用数控加工中心等昂贵的设 备，在加工技术与工艺可行性方面仍有很大困难。可以设想，如果遇 到此类零件的试制或小批量生产， 其制造周期、 成本及风险是相当大 的。 激光快速成型技术已被证明是解决小批量复杂零件制造的非常有效 的手段。迄今为止，我们己通过激光快速成型成功地生产了包括叶铃、 叶片、发动机转子、泵体、发动机缸体、缸盖等千余仕扫盘钻件 我 们将快速成型与铸造工艺的结合称为快速铸造工艺。 图 5 给出了快速 铸造工艺与传统铸

25、造工艺的比较。 由于快速铸造过程无须开模具， 因 而大大节省了制造周期和费用。 图 6 是采用快速铸造方法生产的燃气 二动机 S 段，零件直径 80Om，m高 410m们，按传统金属铸件方法制 造，模具制造周期约需半年，费用几十万。用快速铸造方法，快速成 型铸造熔模 7天（分 6段组合） ，拼装、组合、铸造 10天，费用每件 不超过 2万（共 6件） 。用快速成型方法生产的新型坦克增压器的铸造 熔模，我们用 5天时间就完成了 37 件蜡模的生产，使整个试制任务比原计划提前了 3 个月5翻模成型：实际应用上，很多产品必须通过模具才能加工出来。 用成型机先制作出产品样件再翻制模具， 是一种既省时又

26、节省费用的 方法。发动机泵壳原型件产品用传统机加工方法很难加工， 必须通过 模具成型。据估算，开模时间要 8个月，费用至少 30 万。如果产品 设计有误， 整套模具就全部报废。 我们用快速成型法为该产品制作了 塑料样件， 作为模具母模用于翻制硅胶模。 将该母模固定于铝标准模 框中，浇入配好的硅橡胶，静置 12?20 小时，硅橡胶完全固化，打开 模框，取出硅橡胶用刀沿预定分型线划开，将母模取出，用于浇铸泵 壳蜡型的硅胶模即翻制成功。通过该模制出蜡型，经过涂壳、焙烧、 失蜡、加压浇铸、 喷砂，一件合格的泵壳铸件在短短的两个月内制造 出来，经过必要的机加工， 即可装机运行，使整个试制周期比传统方 法

27、缩短了三分之二，费用节省了四分之三。6样品制作：制造产品替代品，用于展示新产品，进行市场宣传， 如通讯、家电及建筑模型制作等。7工艺和材料验证：快速制作各种蜡模，用于精铸新工艺和新型材 料的摸索、 验证以及新产品制造所需辅助工具及部件的试验。 近无余 量精铸叶片的实验品。 首先按不同收缩率用成型机一次制作几个叶片 蜡模，然后涂壳、编号、失蜡铸造。将所得叶片铸件进行测量，反复 几次即可确定不同材料无余量精铸收缩率， 为批量生产奠定基础。 如 果用开模具的办法进行此项试验， 其费用和周期都将大大增加。 发动 机高速涡轮，要求材质高，铸件密实。使用激光快速自动成型机，制 作精铸用蜡模四个，编号涂壳，

28、使用不同配比特殊合金，分别浇铸， 对所得四件样品进行测试， 分别加以比较分析， 即确定材料最佳配方。 从制模到取得结果仅需一个月。8反求工程与快速成型：成型机成型的一件摩托车的前面板样件， 面板上包含了一个前大灯和二个侧灯的外罩， 它们与面板构成一个完 整的曲面。 这是一个用反向工程进行零件详细设计的典型实例。 整个 工艺过程是首先由模型工根据摩托车的整体形象要求用油泥制作概 念模型，经评审满意后用三座标测量仪进行数值化， 测量数据用 Pro/E 软件的 Scantools 模块进行整理并转换成曲面模型， 再转换成实体模 型并进 细节计。糟加筋、孔和车孔的轮廓等结构，最后由成型机制 作出样件模型， 经过打磨和喷漆的处理后装在摩托车上进行外观、 装 配等检验， 整个过程从完成三座标测量到得到样件仅用一周时间。 此 时得到的样件模型巴不同于最初的油泥模型，而成为与实际零件壁 厚、尺寸一致，筋、孔等结构齐全的零件模型，这比油泥模型无疑是 一个很大的进步。 如果这时需对模型进行修改， 只需在 CAD系统上就 可完成。当模型的外观和细部结构确定无误后， 就可利用最后的模型 数据进行模具设计和加工