《快速成型系统》PPT课件.ppt

第二章 快速成型系统,内容简介：,液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统 粉末材料选择性烧结快速成型系统 薄形材料选择性切割快速成型系统 丝状材料选择性熔覆快速成型系统 其他快速成型系统 主要快速成型系统的比较与选用,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.1 SLA快速成型的原理和分类,SLA快速成型技术，又称光固化成型技术； 英文名称：Stereo Lithography Apparatus; 简称：SLA或SL 以光固化树脂为原料，通过计算机控制紫外 激光使其凝固成型。,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,SLA快速成型的原理和分类 SLA快速成型的基本过程及支撑机构 SLA快速成型的成型材料及其选择 SLA快速成型的优缺点 快速成型机简介 光固化成型的应用,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.1 SLA快速成型的原理和分类,1.SLA快速成型的原理,SLA成型系统由液槽 、可升降工作台、 激光器、扫描系统、 和计算机控制系统 等组成。,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.1 SLA快速成型的原理和分类,1.SLA快速成型的原理,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.1 SLA快速成型的原理和分类,2.SLA快速成型的分类 按照所用光源的不同，分为： 紫外激光成型 普通紫外光成型 二者的区分是光波的波长不同。 对于紫外激光，由氦镉激光器产生，波长325nm,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.1 SLA快速成型的原理和分类,2.SLA快速成型的分类 也可由氩离子激光器产生，波长365nm,对于普通紫外光，为波长为254nm的低压汞光；,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.2 SLA快速成型的基本过程及支撑机构,1.激光固化的基本过程,制造数据获取,层准备,层固化并 层层堆积,后 处 理,CAD模型离散,再涂层,激光束 扫描液面,卸除支撑机构 清洗零件及其他,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.2 SLA快速成型的基本过程及支撑机构,1.激光固化的基本过程, 制造数据的获取,通常将CAD模型沿某一方向分层切片，从而 得到一组薄片信息，包括每一薄片的轮廓信息 和实体信息。,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.2 SLA快速成型的基本过程及支撑机构,1.激光固化的基本过程, 制造数据的获取,（a）三维造型,（b）数据转换,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.2 SLA快速成型的基本过程及支撑机构,1.激光固化的基本过程, 制造数据的获取,（c）确定摆放位置,（d）施加支撑,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.2 SLA快速成型的基本过程及支撑机构,1.激光固化的基本过程, 层准备,在获取了制造数据后，在进行层层堆积成型时， 扫描前每一待固化层液态树脂的准备。 层准备通常是通过涂层系统来完成。 层准备有两项要求： 准备好待固化的一薄层树脂； 要求保证液面位置的稳定性和液面的平整性；,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.2 SLA快速成型的基本过程及支撑机构,1.激光固化的基本过程, 层固化,在层准备好了以后，用一定波长的紫外激光按 分层所获得的层片信息，以一定的顺序照射树脂 面使其固化为一个薄层的过程。,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.2 SLA快速成型的基本过程及支撑机构,1.激光固化的基本过程, 层层堆积,层层堆积实际上是层准备和层固化的不断重复,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.2 SLA快速成型的基本过程及支撑机构,1.激光固化的基本过程, 后处理,指整个零件成型后对零件进行的辅助处理工艺， 包括零件的取出、清洗、卸除支撑、磨光、表面 喷涂以及后固化等再处理过程。,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.2 SLA快速成型的基本过程及支撑机构,2.激光固化快速成型的支撑机构,在光固化快速成型中，虽然不需要机械加工 的工装夹具，但所有的零件在制作过程中都需要 支撑。 可把支撑机构看作是快速成型系统中与原型 同时制作的工装夹具。 支撑可以防止零件在加工过程中因收缩变形而 引起的制作失败,保持原型在制作过程中的稳定性, 保证原型在制作时相对于加工系统的精确定位。,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.2 SLA快速成型的基本过程及支撑机构,2.激光固化快速成型的支撑机构,目前，在SLA中经常使用的几种形式的支撑： 角板支撑（斜板支撑） 主要用于支撑悬臂结构部分， 角板的一个臂和垂直面连接， 一个臂和悬臂部分连接，为悬臂 面在制作过程中提供支撑， 同时也可约束悬臂部分上翘变形。,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.2 SLA快速成型的基本过程及支撑机构,2.激光固化快速成型的支撑机构,目前，在SLA中经常使用的几种形式的支撑： 投影特征边支撑（直板支撑） 主要用来支撑腿部结构。,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.2 SLA快速成型的基本过程及支撑机构,2.激光固化快速成型的支撑机构,目前，在SLA中经常使用的几种形式的支撑： 单臂板支撑 这种结构主要是针对那些长条结构特征设计的， 其主柱是沿着零件结构特征的中心线，或边的 投影线，其次柱主要是为了加强支撑的稳定性。,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.2 SLA快速成型的基本过程及支撑机构,2.激光固化快速成型的支撑机构,目前，在SLA中经常使用的几种形式的支撑： 臂板结构支撑 这种结构的支撑是一些十字交叉的臂结构，它 主要是为了大的支撑区域提供内部支撑。,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.2 SLA快速成型的基本过程及支撑机构,2.激光固化快速成型的支撑机构,目前，在SLA中经常使用的几种形式的支撑： 柱形支撑,柱形支撑主要是为零件中的孤立轮廓或一些 小的无支撑结构特征提供支撑。,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.3 SLA快速成型的成型材料及其选择,光固化成型工艺是以光固化树脂为成型材料的，成型材料的性能会直接影响成型件的质量。,1.对光固化成型材料的要求 两个基本条件：能够成型及成形后的形状和 尺寸精度。 成型材料易于固化，成型后具有一定的粘接强度； 成型材料的粘度不能太高，以保证加工层平整； 成型材料本身的热影响小，收缩应力小； 成型材料对光有一定的透过深度；,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.3 SLA快速成型的成型材料及其选择,2.光固化成型材料的分类, 自由基光固化树脂 阳离子光固化树脂 混杂型光固化树脂,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。,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.3 SLA快速成型的成型材料及其选择,3.光固化成型材料的选择 目前，Ciba-Geigy、DuPont和Allied Signal 等公司都生产光固化聚合物，其牌号与性能见 表2-2. SLA型快速成型系统也采用一些树脂直接制作 模具。这些材料在固化后有较高的硬度、耐磨性和制件精度，价格较低。,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.4 SLA快速成型的优缺点,1.SLA快速成型的优点 可成型任意复杂形状的零件，包括中空零件； 零件的成型周期与其复杂成型无关； 成型精度高； 成型过程中高度自动化； 成型效率高； 成型材料的利用率接近100%； 成型无需刀具、夹具、工装等生产准备； 彻底解决了CAD造型中看得见、摸不着的问题；,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.4 SLA快速成型的优缺点,2.SLA快速成型的缺点 需要设计支撑机构； 需要对整个截面进行扫描固化； 成型过程有物相变化，制件容易翘曲； 产生紫外激光的激光器寿命短、价格昂贵； 液态光固化聚合物固化后性能尚不如常用 的工业塑料； 固化过程容易产生刺激性气体，有污染；,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.5 快速成型机简介,1.激光快速成型机的组成 包括硬件系统和软件系统两大部分； 硬件系统包括：激光发射系统、扫描系统、 计算机控制系统、工作台升降系统、刮涂系统等； 软件系统：三维造型软件UG、PRO/E等； 数据转换与处理软件 Magics RP 快速成型监控软件 AFSWin,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.5 快速成型机简介,2. LPS-600快速成型机简介,西安交通大学是我国最早 研制激光快速成型技术的 单位之一，其开发的LPS- 600快速成型机达到国际 同类产品水平。但价格 只有进口价格的1/3 1/4.,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.5 快速成型机简介,2. LPS-600快速成型机简介,采用混合式步进电机，配合细分 驱动电路，与滚珠丝杠直接联接 实现高分辩率驱动，省去了中间 的齿轮传动级。,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.5 快速成型机简介,2. LPS-600快速成型机简介,主要技术参数： 加工尺寸：600600500 加工精度：0.1mm 加工层厚：0.10.3mm 激光器波长：325nm 激光器功率：45mW 32mW 扫描系统：光斑直径：0.2mm 扫描速度，2 0.2m/s 数据格式：STL,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.5 快速成型机简介,3. 其他激光快速成型机简介,上海联泰科技,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.6 光固化成型的应用,自美国3D System公司推出推出第一台商品化设备SLA-250以来，光固化成型迅速推广。,1.汽车行业,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.6 光固化成型的应用,2.航空领域,航空领域中发动机上许多零件是精密铸造的。 其母模的制作可用快速成型方法制得；,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.6 光固化成型的应用,3.电器行业,光固化原型的树脂品质， 最适合电器塑料外壳的 功能要求；,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第一章 快速成型系统,2.1.6 光固化成型的应用,4.医疗领域,人体器官的教学与交流模型、手术规划与演练模型、 植入体与手术器械开发等；,2.2 粉末材料选择性烧结快速成型系统,第二章 快速成型系统,粉末材料选择性烧结工艺又称为选区激光 烧结（Selective Laser Sintering），简称 SLS。 由美国得克萨斯大学奥汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。 该方法已被美国DTM公司商品化。 SLS工艺是利用粉末材料（金属粉末或非金属粉末）在激光下烧结的原理，在计算机 控制下层层堆积成型。 SLS的原理和SLA很相似。,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第二章 快速成型系统,2.2.1 SLS快速成型的原理,SLS快速成型系统组成：, CO2激光器 光学系统 粉料送进系统 回收系统 升降台 工作台 构造室,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第二章 快速成型系统,2.2.1 SLS快速成型的原理,SLS快速成型过程：,在工作台上用辊筒 铺一层加热至略低于 熔化温度的粉末材料； 然后，激光束在计算 机的控制下，按照截面 轮廓信息，对实心部分 所在的粉末进行扫描，,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第二章 快速成型系统,2.2.1 SLS快速成型的原理,SLS快速成型过程：,使粉末温度升到熔 化点，于是粉末颗粒 交界处溶化，粉末 相互粘结，逐步得到 本层轮廓。,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第二章 快速成型系统,2.2.1 SLS快速成型的原理,SLS快速成型过程：,在非烧结区的粉末 仍呈松散状，作为工件 和下一层粉末的支撑。 一层成型完成后，工作 台下将一截面层的高度， 再进行下一层的铺料和 烧结，如此循环，直至 完成整个三维模型。,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第二章 快速成型系统,2.2.1 SLS快速成型的原理,在成型过程中， 未经烧结的粉末对 模型的空腔和悬臂 部分起着支撑作用。 不必另外生成 支撑工艺结构。,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第二章 快速成型系统,2.2.2 SLS快速成型的基本过程,1.粉末原料的烧结工艺过程 粉末材料选择性烧结工艺的原材料一般为粉末 可选用的粉末一般为金属粉末、陶瓷粉末和塑料 粉末等，可分别制造出相应材料的原型或零件。 金属粉末的烧结 金属粉末的原材料经过SLS工艺可以烧结成 金属原型零件。,CAD模型,分层切片,激光烧结,RP原型零件,金属件,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第二章 快速成型系统,2.2.2 SLS快速成型的基本过程,1.粉末原料的烧结工艺过程 金属粉末的烧结 单一金属粉末的烧结 金属混合粉末的烧结 金属粉末与有机黏结剂粉末的混合体烧结。,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第二章 快速成型系统,2.2.2 SLS快速成型的基本过程,1.粉末原料的烧结工艺过程 陶瓷粉末的烧结 陶瓷材料在进行选择性烧结时需要加入黏结 剂，常用的的陶瓷材料有Al203和SiC; 黏结剂主要有无机黏结剂、有机黏结剂和金属 黏结剂。,磷酸二氢氨 （NH4H2PO4),甲基丙烯酸甲酯（PMMA),铝粉（Al）,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第二章 快速成型系统,2.2.2 SLS快速成型的基本过程,1.粉末原料的烧结工艺过程 塑料粉末的烧结 将塑料粉末预热至稍低于其熔点，然后控制 激光束加热粉末，使其达到烧结温度，从而把 塑料粉末烧结在一起。 塑料粉末烧结为直接激光烧结，烧结好的制 件一般不需要后续处理。,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第二章 快速成型系统,2.2.2 SLS快速成型的基本过程,2.烧结件的后处理 粉末材料经过选择性烧结后只是形成了原型 或零件的坯体，为了提高其力学性能和热学性能 还需要进行后处理。 烧结件的后处理方法有多种： 高温烧结 热等静压烧结 熔浸 浸渍,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第二章 快速成型系统,2.2.2 SLS快速成型的基本过程,2.烧结件的后处理 高温烧结 金属和陶瓷坯体均可用高温烧结的方法进行处理。坯体经高温烧结后，坯体内部孔隙减少，密度、强度增加，性能也得到改善。,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第二章 快速成型系统,2.2.2 SLS快速成型的基本过程,2.烧结件的后处理 热等静压 金属和陶瓷坯体均可采用热等静压进行后 处理。热等静压后处理工艺是通过流体介质将 高温和高压同时均匀地作用于坯体表面，消除 其内部气孔，提高密度和强度，并改善其他性能。,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第二章 快速成型系统,2.2.2 SLS快速成型的基本过程,2.烧结件的后处理 溶浸 溶浸是将金属或陶瓷制件与另一低熔点的金属接触或浸埋在液态金属内，让液态金属 填充制件的孔隙，冷却后得到致密的零件。,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第二章 快速成型系统,2.2.2 SLS快速成型的基本过程,2.烧结件的后处理 浸渍 浸渍后处理和溶浸相似，不同的是浸渍将液态非金属物质浸入多孔的选择性激光烧结坯体的孔隙内，经过浸渍后处理的制件尺寸变化 很小。,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第二章 快速成型系统,2.2.3 SLS 工艺参数的影响,SLS的工艺参数主要包括铺粉层厚、预热温度、激光功率、光斑直径、扫描速度、扫描方向等； 激光能量与扫描速度 预热温度与铺粉层厚,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第二章 快速成型系统,2.2.3 SLS快速成型的材料及选择,1.选择性烧结成型对材料性能的要求 具有良好的烧结成型性能； 对直接用作功能零件或模具的原型，其 力学性能和物理性能要满足使用要求； 当原型间接使用时，要有利于快速、方便 的后续处理和加工工艺。,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第二章 快速成型系统,2.2.3 SLS快速成型的材料及选择,2.激光烧结成型材料的种类 用于SLS工艺的材料是各种粉末，如金属、 陶瓷、石蜡以及聚合物的粉末，如尼龙粉、聚碳 酸酯粉、蜡粉等； 工程上一般按颗粒的大小来划分颗粒等级。 SLS工艺采用的粉末粒度一般在50125um。,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第二章 快速成型系统,2.2.4 SLS快速成型的优缺点,粉末材料选择性烧结和其他快速成型工艺 相比，最大的独特性就是能够直接制作金属制品，同时，该工艺具有如下优点： 材料范围广，开发前景好 制造工艺简单，柔性度高 精度高，材料利用率高 料价格便宜，成本低 应用面广，生产周期短,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第二章 快速成型系统,2.2.4 SLS快速成型的优缺点,随着成型材料的多样化，使得SLS技术越来 越适合于多种应用领域； 例如：用蜡做精密铸造蜡模；用热塑性塑料 做消失模；用陶瓷做铸造型壳、型芯和陶瓷件；用金属粉末做金属零件等； SLS成型工艺的缺点：能量消耗高，原型表面粗糙疏松，对某些材料需要单独处理等；,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第二章 快速成型系统,2.2.5 SLS快速成型的设备,目前，研究选择激光烧结（SLS)设备工艺的 单位有：美国DTM公司、3D Systems公司、德国 EOS公司，以及国内的华中科技大学、北京隆源 公司等。 DTM公司于1992、1996、和1999年先后推出了 Sinterstation 2000、2500和2500Plus机型。,2.1 液态光固化聚合物选择性固化快速成型系统,第二章 快速成型系统,2.2.5 SLS快速成型的设备,华中科技大学的HRPS-A激光粉末烧结系统， 在选择性激光烧结成型技术方面有自己特点： 硬件方面。扫描系统采用国际著名公司的 振镜式动态聚焦系统，具有高速度和高精度的 特点；激光器采用美国C02激光器，具有稳定性 好，可靠性高，模式好，寿命长，功率稳定等 特点。,2.1