1、,第七章 快速成型技術,7.1 光敏樹脂液相固化成型,成型原理,成型工藝,基本應用,成型特點,SLA工藝是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理的。這種液態(tài)材料在波長325 nm和功率30 mW的紫外線照射下發(fā)生光聚合反應，分子量急劇增大從液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)。 在液槽3中盛滿了光敏樹脂4，氦-鎘激光器或氬離子激光器1發(fā)出的紫外激光束，在控制系統(tǒng)的控制激光偏轉鏡下，按零件的各分層截面信息在光敏樹脂表面進行逐層掃描，使被掃描區(qū)域的樹脂薄層產生光聚合反應而固化，形成零件的一個薄層。一層固化完畢后，升降的工作臺2下移一個層厚距離（約0.1 mm），以使原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂，刮板將粘度較大的樹脂

2、液面刮平，然后進行下一層的掃描，新固化的一層牢固地粘接在前一層上，如此重復直至整個零件制造完畢，得到一個三維實體原型6。 當實體原型完成后，首先將實體取出，并將多余的樹脂排凈，去掉支撐后進行清洗，然后再將實體原型放在紫外激光下進行整體固化。刮板的作用是能將所需要的樹脂十分均勻地涂覆在上一層上，可得到較好的精度，使產品表面更光滑。,優(yōu)點： 1）成型過程自動化程度高。SLA系統(tǒng)非常穩(wěn)定，加工開始后成型過程可以完全自動化，直至原型制造完成。 2）尺寸精度高。SLA原型制造的尺寸精度可以達到0.01 mm。 3）表面質量好。雖然在每層固化是側面及曲面有可能出現臺階，但上表面仍可達到玻璃狀效果。 4）可

3、制造結構復雜的模型。尤其對于內表面結構復雜，切削刀具難以達到的模型，也能一次成型。 5）制造原型可以一定程度的代替塑料制品。 6）可以直接直接制造面向熔模鑄造具有中空型結構的熔模。,缺點： 1）成型過程中有物理和化學變化，所以制造出來的原?？赡軙a生變形，為此制造時需要支撐。 2）液態(tài)樹脂固化后的性能還不如常用的工業(yè)塑料，一般比較脆，容易斷裂，不適宜進行機械加工。另外在大多情況下，不能進行抗力和熱的測試。 3）設備運轉和維護成本高。液態(tài)樹脂和激光器的價格高，光學元件需定期調整。 4）液體樹脂有氣味和毒性，并需要遮光保護，以防聚變，所以選擇有局限。 5）有時需二次固化。在很多情況下，經快速成型系

4、統(tǒng)光固化后的原型樹脂并未完全固化，為提高原型的使用性能，需經過二次固化。,光敏樹脂液相固化成型特點,光敏樹脂液相固化成型工藝,前處理,1）CAD三維造型。三維造型是CAD模型的最好表達，也是快速原型制作必須的原始數據。三維造型可以在UG、Pro/E、Catie等大型商業(yè)軟件上進行。 2）數據轉換。數據轉換是對產品CAD模型的近似處理，主要是生成STL格式的數據文件。注意控制STL文件生成的精度。通用CAD軟件都有STL數據輸出。 3）確定擺放位置。擺放位置不但影響著制作時間和效率，更影響這后續(xù)支撐的施加以及原型制造的表面質量等。從縮短原型制作的時間來看，應選尺寸最小的方向作為疊層方向；為了提高

5、原型質量和提高關鍵尺寸和形狀的精度，又需選尺寸最大的方向作為疊層方向；為減少支撐、節(jié)省材料、便于后處理，常傾斜擺放。 4）施加支撐。對于結構復雜的數據模型，支撐的施加是費時而精細的。比較先進的支撐類型為點支撐，即在支撐和需要支撐的模型面是點接觸的。 5）切片分層。根據設備系統(tǒng)的分層厚度沿高度方向進行切片，生成RP系統(tǒng)需求的SLC格式的層片數據文件，提供給光固化快速原型制造系統(tǒng)進行原型制作。,光固化成型,后處理,光固化成型前需要啟動光固化快速成型系統(tǒng)，使光敏樹脂的溫度達到預設的合理溫度，激光器開啟后也需要一段穩(wěn)定時間。設備運行正常后開啟原型制作控制軟件，讀入層片數據文件。一般的疊層制作控制軟件都

6、有默認設置，根據每次原型制作的具體要求進行一些調整。另外要注意工作臺網板與樹脂液面位置的調整，確保支撐與工作臺網板的穩(wěn)固連接。一切準備就緒后，啟動疊層制作，機器會全自動完成整個制作過程?？刂艭RT會顯示激光器能源信息、激光掃描速度、原型幾何尺寸、總疊層數、目前正在固化的疊層、工作臺升降速度等有關信息。,光固化成型,后處理,1）原型制作完成后，工作臺升出液面，停留5-10 min，以晾干原型表面和去除包裹在原型里面的多余樹脂。 2）將原型和工作臺網板一起斜放晾干，并將其浸入丙酮、酒精等，攪動并刷掉殘留氣泡，再將原型從網板上取下，進行清洗。 3）原型清洗完畢后，去除支撐結構。去除支撐時要注意不要刮

7、傷原型表面和精細結構。 4）再次清洗后置于紫外烘箱中進行整體固化，對于有些性能要求不高的原型也可以不進行二次固化。,光敏樹脂液相固化成型的應用,光敏樹脂液相固化成型的應用有很多方面，可直接制作各種樹脂功能件，用作結構驗證和功能測試；可制作比較精細和復雜的零件；可制造出透明效果的元件；制造出來的原型可快速翻制各種模具，如硅橡膠模、金屬冷噴模、陶瓷模、合金模、電鑄模、環(huán)氧樹脂模和消失模等。 1）賽車行業(yè)：賽車的每個微小的改動都有可能顯著提高車速，因此賽車也及其重視零部件的高效設計和一些塑料、橡膠或金屬零件的快速制造。 2）航空領域：航空發(fā)動機上許多零件都是經過精密鑄造來制造的，對于高精度的木模制造

8、，傳統(tǒng)工藝的成本很高，且制作時間長，而用SLA工藝可以直接制造熔模鑄造的母模，時間和成本可以得到顯著降低。 3）電器行業(yè)：家用電器的外觀設計要求越來越高，這使得電器產品外殼零部件的快速制作具有廣泛的市場要求，而光固化原型的樹脂品質是最適合于電器塑料外科的功能要求，因此光固化快速原型在電器制造業(yè)中有相當廣泛的應用。 4）醫(yī)療領域：SLA工藝在醫(yī)療領域也有廣泛的應用，包括人體器官的教學和交流模型、手術規(guī)劃與演練模型、植入體、手術器械的開發(fā)等。,薄片分層疊加成型設備有計算機、原材料存儲和送料機構、熱粘壓機構、激光切割系統(tǒng)、可升降工作臺和數控系統(tǒng)等組成。其中計算機由于接受和存儲工件的三維模型，沿模型的

9、高度方向取一系列的橫截面輪廓線，發(fā)出控制指令。原材料存儲及送料機構將存于其中的原材料逐步送到工作臺上方。熱粘壓機構將一層層材料粘合在一起。激光切割系統(tǒng)安裝計算機提供的橫截面輪廓線，逐一在工作臺上的材料切割出輪廓線，并將無輪廓區(qū)切割成小方格，以便成型后能剔除廢料。可升降工作臺支撐成型工件，并在每層成型之后，降低一個材料厚度（通常為0.1-0.2 mm）。以便送進、粘合和切斷新的一層材料。數控系統(tǒng)執(zhí)行計算機發(fā)出的指令，控制材料的送進，然后粘合、切割，最終形成三維工作原型。,7.2 薄片分層疊加成型,特點,應用,原理,工藝,薄片分層疊加成型的特點,缺點,優(yōu)點,1）原型精度高。因為一是在制作過程中只有

10、一層膠會發(fā)生狀態(tài)變化，引起的變形??；二是上膠工藝采用微粒吸附法，其翹曲變形??；三是三個坐標都有步進電機驅動，通過滾珠絲桿傳動，導軌也采用滾動導軌；四是激光切割的切口寬度的自動補償。這些是的最后加工精度可達0.1-0.2 mm（X,Y方向），0.2-0.3 mm（Z方向）。 2）制件能承受200的高溫，有較好的硬度等力學性能，可進行各種切削加工。 3）無需固化處理，也無需設計支撐等。 4）材料便宜、成本低，制件尺寸大，廢料容易處理。 5）設備操作方便，安全可靠，自動化程度高。,1）工件的抗拉強度差。 2）不能直接制作塑料工件。 3）工件吸濕容易膨脹，因此需要表面防潮處理。 4）工件表面有臺階紋，

11、其高度等于材料的厚度，因此成型后需要打磨。,薄片分層疊加成型工藝過程,前處理,1）CAD模型和STL文件。各種快速原型制造系統(tǒng)的原型制作過程都是在CAD模型的直接驅動下進行的，所以快速原型制作過程也稱謂數字化成型。CAD模型相當于傳統(tǒng)流程中的加工圖紙，為原型制作過程提供數字信息。 目前國際上通用的造型軟件UG、Pro/E、Catie、Climatro、Solid Edge、MDT等的模型文件輸出格式有多種，一般都有STL數據格式。 2）切片處理。薄片分層疊加成型是在計算機造型技術、數控技術、激光技術、材料科學等基礎上發(fā)展起來的，在薄片分層疊加成型制造系統(tǒng)中，除了激光快速成型設備硬件外，還需配備

12、將CAD數據模型、激光切割系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)連接并協(xié)調起來的專用軟件，即切片軟件。由于薄片分層疊加成型是按一層層截面輪廓來進行加工的，因此，加工前必須在三維模型上用切片軟件，在成型的高度方向每隔一定的間隔進行切片處理，以便提取截面的輪廓。間隔的大小要按生產率和加工精度來確定。一般為0.05-0.5 mm，常用的是0.1 mm。 疊層的厚度會產生累計誤差，實際生產中經常根據時間測量結果對CAD的STL模型進行實時切片處理。,光固化成型,后處理,疊加成型工藝參數： 1）激光切割速度是影響薄片分層疊加成型的表面質量和加工效率的重要因素，可根據激光器型號規(guī)格進行選定； 2）加熱輥的溫度和壓力

13、設置應該根據原型層面尺寸大小、紙張厚薄和環(huán)境溫度來決定； 3）激光能量的大小影響切割紙材的厚度和切割速度，通常切割速度和激光能量成拋物線關系； 4）切碎網格尺寸影響余料去除和原型表面質量。 原型制造過程： 1）基底制作：由于疊層在制作過程中工作臺要頻繁升降，為實現原型和工作臺之間的連續(xù)，需要制作基底，一般為3-5層。 2）原型制作：當所設參數設定之后，設備便根據給定的工藝參數自動完成原型所以疊層的制作過程。,疊片成型,后處理,1）余料處理：將成型過程產生的廢料、支撐結構與工件分離。 2）后置處理：為使表面狀況或機械強度等滿足需要，保證其尺寸穩(wěn)定性、精度等的要求，需如下后置處理：原型表面不夠光滑

14、，其表面存在因分層引起的小臺階，以及因STL格式化造成的小缺陷；原型的薄壁和某些小特征結構強度剛度不夠；原型的某些尺寸、形狀不夠精確；制件的耐溫性、耐濕性、耐磨性、表面硬度不夠滿意；制件表面的顏色不符合產品要求等。通常采用修補、打磨、拋光、表面涂覆等。,薄片分層疊加成型的應用,薄片分層疊加成型設備由激光系統(tǒng)、走紙機構、掃描機構和Z軸升降機構、加熱輥等組成。成型工藝由于其原料比較便宜，運行成本和投資低，所以常用來制作汽車發(fā)動機曲軸、連桿、各類箱體、蓋板等零部件原型樣件。 1）汽車車燈：隨著汽車制造也的發(fā)展，車燈組件的設計要求在內部滿足結構和裝配要求，在外部要滿足外觀完美的要求?？焖俪尚图夹g的出現

15、，較好的迎合了車燈結構與外觀開放需求。 2）鑄鐵手柄：某些機床操作手柄為鑄鐵件，人工方式制作砂型鑄造用的木模十分費時，且精度得不到保證。隨著CAD技術的發(fā)展，具有復雜曲面形狀的手柄設計可以直接在CAD軟件平臺上完成，借助快速成型技術，尤其是薄片分層疊加成型技術，可以直徑由CAD磨削高精度地快速制作砂型鑄造木模。 3）制鞋工業(yè)：鞋子的款式更新是保持鞋業(yè)競爭能力的重要手段，WWW（Wolverine World Wide）公司的設計師首先設計鞋底和鞋跟的模型圖形，從不同的角度用各種材料產生三維光照模型顯示，以盡早排除不好的裝飾和設計，再通過薄片分層疊加成型技術制造實物模型來最后確定設計方案。,采用

16、鋪粉輥將一層粉末平鋪在已成型零件表面，并加熱至低于該粉末燒結點的溫度，控制系統(tǒng)控制激光束在粉層上掃描，使粉末熔化燒結,并與已成型的部分粘結。當一層燒結完后，工作臺下降一個層厚，又鋪上粉末，進行新一層的燒結，直至完成整個原模。SLS使用的是CO2激光器，原料為蠟、聚碳酸酯、尼龍、金屬及其他。 當實體構建完成并在原型部分充分冷卻后，粉末會上升到初始位置，將其拿出并放置到一個空的工作臺，用刷子刷去表面的粉末，露出加工部分，其余殘留的粉末可用壓縮空氣除去。,7.3 選擇性激光粉末燒結成型,特點,應用,原理,工藝,選擇性激光粉末燒結成型的特點,缺點,優(yōu)點,1）可加工的材料種類多。這種方法可采用加熱時粘度

17、降低的任何粉末材料，通過材料或各類含粘結劑的涂層顆粒制造出任何造型。 2）制造工藝簡單?？捎枚喾N材料，按采用的原料不同，可以直接生產復雜形狀的原型、型腔模三維構建或部件及工具。例如，制造概念原型，可按照最終產品模型的概念原理、熔模鑄造原型及其他少量母模生產、直接制造金屬注塑模等。 3）高精度。依賴于材料種類和粒徑、產品的幾何形狀復雜程度，該工藝一般0.05-2.5 mm的公差，當粉末粒徑0.1 mm時，原型精度=1%。 4）無需支撐。未燒結的粉末對工件的懸臂或薄壁等有支撐作用。 5）材料利用率高。由于不需要支撐、不需要基底、也不會出現廢料，所以材料的利用率高，接近100%，而且SLS用的粉末價

18、格普遍較低。,1）表面粗糙。SLS的原材料是粉末，過程是粉末燒結，所以原型表面質量較低。 2）燒結過程會發(fā)出異味。粉末材料在激光的加熱下熔化，其中的高分子會發(fā)出一些異味。 3）輔助工藝復雜。SLS技術視所用的材料而異，有時需要比較復雜的輔助工藝，例如聚酰胺粉末的燒結，為了避免激光掃描燒結過程在材料因高溫引起燃燒，必須引入阻燃氣體；而為了使粉末材料可靠燒結，需要將工作空間和粉末等都加熱到規(guī)定的溫度；還有在燒結完去除粉末的過程中需要防止引起粉塵污染。,選擇性激光粉末燒結成型工藝過程,1）材料：石蠟、高分子、金屬、陶瓷粉末和它們的復合粉末材料。 2）金屬材料直接燒結成型是用激光的能源對金屬粉末直接燒

19、結，使其熔化，實現疊層堆積，其工藝流程為：CAD模型分層切片激光燒結RP原型零件金屬件。其成型過程短，無需后處理，要有大功率激光器，保證直金屬粉末直接熔化。燒結中激光參數選擇、被燒結金屬粉末材料熔凝過程控制是燒結成型的關鍵。 3）激光器的功率越高，能量密度越高，材料熔化越充分，粉末燒結后越不容易產生凹凸不平的燒結層面。功率過大產生過熱而汽化，形成燒結飛濺現象。 4）光斑直徑越小，熔池的尺寸也就可以控制的越小，越溶液在燒結過程在形成致密、精細、均勻一致的微觀組織，也可以得到精度較好的三維結構。但是光斑越小，預示這激光作用區(qū)內的能量密度提高，燒結飛濺現象將變得嚴重。 5）掃描間隔對層面質量和層間結

20、合、燒結效率等有直接影響。合理的掃描間隔應保證燒結線間與層間有少許的重疊。 6）激光束前移，熔池的前半部分金屬熔化，后半部分液態(tài)金屬凝固。熔池內溫度、熔體的流速和散熱不同，凝固特征存在差別。激光功率不大時成為異質形核核心；而當激光功率大時能均質形核，形成等軸晶。 例：鎳基F105合金：激光功率為900 W，光斑直徑0.8 mm，掃描間隔0.6 mm，掃描速度1.2 m/min，粉層厚度0.1 mm。成型的零件組織嚴密，晶粒細，表面質量好。,選擇性激光粉末燒結成型的應用,直接制作快速模具 SLS工藝可以選擇不同的材料粉末制造不同用途的模具，如燒結金屬模具和陶瓷模具，用作注塑、壓鑄、擠塑等塑料成型

21、模具及鈑金成型模具。DTM公司將SLS燒結得到的模具，放在聚合物的溶液中浸泡一定的時間后，放入加熱爐中加熱蒸發(fā)聚合物，接著進行滲銅，出爐后打磨并嵌入模架內即可。,復雜金屬零件的快速無模鑄造 將SLS激光快速成型技術與精密鑄造工藝結合起來，特別適合具有復雜形狀的金屬功能零件整體制造。在新產品試制和零件單件生產中，不需要復雜工裝和模具，可大大提高制造速度，并降低成本。,內燃機進氣管模型 采用SLS工藝快速制造內燃機進氣管模型，可以直接與相關零部件安裝，進行功能驗證，快速檢測內燃機的運行效果，以評價設計的優(yōu)劣，然后進行針對性的改進，以達到內燃機進氣管產品的設計要求。,特點,7.4 熔絲堆積成型,原理

22、,應用,熔絲堆積也叫熔融沉積，是將絲狀熱熔性材料加熱熔化，通過帶有一個微細噴嘴的噴頭擠噴出來。噴頭可沿X軸方向移動，而工作臺則沿Y方向移動。如果熱熔性材料的溫度始終稍高于固化溫度，而成型部分的溫度稍低于固化溫度，就能保證熱熔性材料擠噴出噴嘴后與前面一層熔結在一起。一個層面沉積完成后，工作臺按預定的增量下降一個層的厚度，再繼續(xù)熔噴沉積，直到完成整個實體造型。 其過程如下：將實芯絲材原材料纏繞在供料輥上，由電機驅動輥子旋轉，輥子和絲材之間的摩擦力使絲材向噴頭的出口輸送。在供料輥和噴頭之間有一個導向套，導向套采用低摩擦材料制成，以便絲材能順利、準確地由供料輥送到噴頭的內腔，最大送料速度為10-25

23、mm/s，推薦速度5-18 mm/s，噴頭的前端有電阻式加熱器，在其作用下，絲材被熔化（熔模鑄造的蠟絲熔融溫度74，機加工蠟絲為96，聚烯烴樹脂絲為106，ABS為270，聚酰胺絲為155），然后通過出口（內徑0.25-1.32 mm）涂覆至工作臺，因此絲材是熔點不高的熱塑性塑料或蠟。絲材熔融沉積層厚隨噴頭的運動速度（最高為380 mm/s）而變化，通常最大層厚為0.15-0.25 mm。,熔絲堆積成型的特點,缺點,優(yōu)點,1）可以成型任意復雜的零件，常用于成型具有復雜內腔或內孔的零件。 2）蠟作原型可以直接用于熔模鑄造。 3）材料利用率高，原材料無毒，可在辦公環(huán)境安裝。無化學變化，制件的翹曲變

24、形小。 4）系統(tǒng)構造原理簡單、操作方便、成本低、運行安全。 5）無需支撐、無需化學清洗、無需分離。,1）成型件表面有明顯的條紋 2）沿成型軸垂直方向的強度差 3）對整個截面掃描涂覆，成型時間長。 4）原材料價格高,表7-1 FDM工藝與其他快速成型工藝的比較,熔絲堆積成型的應用,豐田公司：用于轎車右側鏡支架和四個門把手的母模制造，顯著降低成本，轎車右側鏡支架模具節(jié)省20萬美元，而四個門把手的模具節(jié)省30萬美元。,借助FDM工藝制作玩具水槍模型，通過對多個零件一體制造，減少了制件數，避免了焊接和螺紋鏈接，顯著提高了模型制作的效率。,Mizuno公司開發(fā)一套新的高爾夫球桿，通常需要13個月，用FDM 技術大大縮短了這個過程，可以迅速得到反饋意見并進行修改，加快了造型階段的設計驗證。,快速原型制造技術已被廣泛應用于汽車、機械、航空航天、家用電器、電子通訊、建筑、醫(yī)學、玩具等產品的設計開發(fā)過程，如產品的外觀評估、方案選擇、裝配檢查、功能測試、用戶看樣訂貨、塑料件開模前校驗設計以及少量的產品制造等，也有應