第三章快速成型材料及设备-II

1、第二节快速成型制造设备 快速成型设备的研究与开发是快速成型制造技术的重要部分 ，各种快速成型设备可以说是相应的快速成型技术方法以及相关 材料等研究成果的集中体现，快速成型设备系统的先进程度是衡 量快速成型技术发展水平的标志。 随着1988年3D SystemsSLA250以来，世界范围内相继推出 了和快速成型方法对应的多种商品化设备和实验室阶段的设备。 3 快速成型材料及设备 和快速成型技术方法一样，目前，商品化比较成熟的和快速成型技术方法一样，目前，商品化比较成熟的 设备系统有光固化成型设备系统、叠层实体制造设备设备系统有光固化成型设备系统、叠层实体制造设备 系统、熔融沉积制造设备系统以及选

2、择性激光烧结成系统、熔融沉积制造设备系统以及选择性激光烧结成 型系统等。上述这些比较成熟的商品化设备系统的销型系统等。上述这些比较成熟的商品化设备系统的销 售量平均以售量平均以50左右的速度在逐年递增，标志着快速左右的速度在逐年递增，标志着快速 成型技术的应用正处于繁荣发展的阶段。成型技术的应用正处于繁荣发展的阶段。 一、光固化快速成型制造设备 20世纪70年代末到80年代初期，美国3M公司的Alan J. Hebert(1978) 、日本的小玉秀男(1980)、美国UVP公司的Charles W. Hull(1982)和日本 的丸谷洋二(1983)，在不同的地点各自独立地提出了RP的概念，即

3、利用连 续层的选区固化产生三维实体的新思想。Charles Hull在UVP的继续支持 下，完成了一个能自动建造零件的称之为SLA-1的完整系统。同年， Charles Hull和UVP的股东们一起建立了3D Systems公司，并于1988年首 次推出SLA-250机型，如图所示。 目前，研究光固化成型设备的单位有美国 的3D Systems公司、Aaroflex公司，德国的 EOS公司、F&S公司，日本的SONY/D-MEC 公司、Teijin Seiki公司、Denken Engieering公 司 、 M e i k o 公 司 、 U n i p i d 公 司 、 N T T DA

4、TA&CMET公司，以色列的Cubital公司以及 国内的西安交通大学、上海联泰科技有限公司 等。 3 快速成型材料及设备 在上述研究SLA设备的众多公司中，美国3D Systems公司的 SLA技术在国际市场上占的比例最大。 3D Systems公司在继1988年推出第一台商品化设备 SLA250以来，又于1997年推出了SLA250HR、SLA3500、 SLA5000三种机型，在光固化成型设备技术方面有了长足的进 步。其中，SLA3500和SLA5000使用半导体激励的固体激光器 ，扫描速度分别达到2.54m/sec和5m/sec，成层厚最小可达 0.05mm。 3 快速成型材料及设备

5、此外，还采用了一种称之为此外，还采用了一种称之为Zephyer recoating system的新技的新技 术，该技术是在每一成层上，用一种真空吸附式刮板在该层上涂术，该技术是在每一成层上，用一种真空吸附式刮板在该层上涂 一层一层0.050.1mm的待固化树脂，使成形时间平均缩短了的待固化树脂，使成形时间平均缩短了20%。该。该 公司于公司于1999年推出年推出SLA7000机型。机型。 SLA7000与与SLA5000机型相比，成体积虽然大致相同，但其扫机型相比，成体积虽然大致相同，但其扫 描速度却达描速度却达9.52m/sec，平均成型速度提高了，平均成型速度提高了4倍，成层厚最小可倍，

6、成层厚最小可 达达0.025mm，精度提高了一倍。，精度提高了一倍。 3D Systems公司最新推出的机型是公司最新推出的机型是Vipersi2SLA。 3D Systems公司的SLA-3500机型 3D Systems公司的SLA-5000机型 3 快速成型材料及设备 3D Systems公司的SLA-7000机型 3D Systems公司的Vipersi2SLA机型 3 快速成型材料及设备 国内西安交通大学在光固化成型技术、设备、材料等方面进行了大量的 研究工作，推出了自行研制与开发的SPS、LPS、和CPS三种机型，每种 机型有不同的规格系列，其工作原理都是光固化成型原理。其中SPS

7、600和 LPS600成型机如图所示。 西安交通大学SPS600成型机 西安交通大学LPS600成型机 3 快速成型材料及设备 西安交通大学光固化成型机主要性能指标与技术特征 该成型机激光器、扫描与光聚焦系统两关键部件从国外引进，扫描速度SPS最大可达7m/s、 LPS可达2m/s，精度达0.1mm；全范围扫描分辨率达3.6m，整机控制精度达50m，高于 国外同类机器水平，保证了可靠性；扫描光斑直径=0.2mm，SPS激光寿命5000h，LPS激光 寿命2000h，与国外水平相同。 采用了快速排序分层法，大大加快分层速度，且具有对分层数据自动诊断和修复功能。 国际上创新的YLSF成型工艺，大大

8、减小了翘曲等变形误差，提高了原型件制作质量。优于 美国3D Systems公司的工艺方法；拐角误差采用自适应延时控制，较少了轮廓误差的影响， 此为国际首创。 3 快速成型材料及设备 零件成型精度达零件成型精度达0.1mm(100mm)，与国外水平，与国外水平 相同；样件测试尺寸合格率达到美国相同；样件测试尺寸合格率达到美国3D Systems公司公司SLA系列机器系列机器 的水平，高于日本的水平，高于日本CMET公司公司Soup型机器的水平。型机器的水平。 不同材料与结构，可调整回流量，从而改善涂层质量，此为国际首不同材料与结构，可调整回流量，从而改善涂层质量，此为国际首 创；且可以采用不同公

9、司、不同牌号的树脂，有良好的兼容性和创；且可以采用不同公司、不同牌号的树脂，有良好的兼容性和 开放性。优于美国开放性。优于美国3D Systems公司、日本公司、日本CMET公司的同类产品。公司的同类产品。 零件模型管理和成型数据生成软件在零件模型管理和成型数据生成软件在Windows95下自主开发、整下自主开发、整 机自制，用户界面全部汉化，具有优异的交互性和易学性。而且机自制，用户界面全部汉化，具有优异的交互性和易学性。而且 三维三维STL模型的检视、分层过程与编辑、支撑结构的设计全部实现模型的检视、分层过程与编辑、支撑结构的设计全部实现 了图视化操作；而成型控制软件是在了图视化操作；而成

10、型控制软件是在DOS下开发，保证满足了控下开发，保证满足了控 制的实时性要求，操作界面全部汉化和图视化。制的实时性要求，操作界面全部汉化和图视化。 上海联泰科技有限公司开发的光固化成型设备主要有RS-350H、RS- 350S、RS-600H和RS-600S等机型。 上海联泰公司开发的RS-600S光固化成型机 3 快速成型材料及设备 3 快速成型材料及设备 模具工程技术研究中心 METRC3 快速成型材料及设备 二、叠层实体快速成型制造设备 目前研究叠层实体制造成型（LOM）设备和工艺的单位有美国的 Helisys公司、日本的Kira公司、Sparx公司、新加坡的Kinergy公司以及国 内

11、的华中科技大学和清华大学等。 其中Helisys公司的技术在国际市场上所占的比例最大。1984年Michael Feygin提出了分层实体制造（LOM）的方法，并于1985年组建Helisys公 司 ， 1 9 9 2 年 推 出 第 一 台 商 业 机 型 L O M - 1 0 1 5 （ 台 面 3 8 0 m m 2 5 0 m m 3 5 0 m m ） 后 ， 又 于 1 9 9 6 年 推 出 台 面 达 815mm550mm508mm的LOM-2030H机型，其成型时间比原来缩短 了30%，如图所示。 3 快速成型材料及设备 Helisys公司除原有的LPH、LPS和LPF三个

12、系列纸材品种以外， 还开发了塑料和复合材料品种。Helisys公司在软件方面开发了面向 Windows NT4.0的LOMSlice软件包新版本，增加了STL可视化、纠 错、布尔操作等功能，故障报警更完善。 国内华中科技大学研制的HRP系列薄材叠层快速成形系统（如图 所示）无论在硬件还是在软件方面都有自己独特的特点。 3 快速成型材料及设备 华中科技大学LOM成型机主要性能指标与技术特征 X-Y扫描单元采用交流伺服驱动和滚珠丝杆传动，升降工作台为4柱导向 和双滚珠丝杆传动（专利），保证了系统的高精、高速和平稳传动； 无拉力叠层材料送进系统（专利），送进可靠，速度高，材料利用率高 ； 抽风排烟装

13、置采用随动式吹风和强力抽排烟装置（专利），能及时充分地 排出烟尘，防止烟尘污染； 采用国际著名的美国公司CO2激光器，稳定性好，可靠性高，模式好，寿 命长，功率稳定，切割质量好，并且可更换气体，具有较高的性能价格比 ，并配以全封闭恒温水循环冷却系统。 3 快速成型材料及设备 独立开发的功能强大的HRP2001软件，具有易于操作的友好图形用户 界面，开放式的模块化结构，国际标准输入输出接口，具有以下功能： STL文件识别及重新编码； 独有的容错及数据过滤切片技术，大幅度提高工作效率； STL文件可视化，具有旋转、平移、缩放等图形变换功能； 原型制作实时动态仿真； 独有的变网格划分技术； 数据拟合

14、，速度规划，速度预测，高速插补控制，任意组合曲线的高速、高精连续加工，为 该公司独有的技术； 激光能量随切割速度适时控制，保证了切割深度和线度均匀，切割质量好； 激光光斑直径随内外轮廓自动补偿，提高了制件的精度； 系统故障诊断，故障自动停机。 3 快速成型材料及设备 清华大学也研究并推出了LOM快速成型设备SSM-500与SSM-1600。其 中SSM-1600设备是世界上最大的快速成型设备，可成型零件的最大尺寸为 1600mm800mm700mm，适用于制造大规模的快速原型。该设备具有 大尺寸，高精度，高效率，高可靠性的显著技术特点。该设备与精密铸造等 技术结合可用于制造大型的快速模具。其主

15、要技术特点为： 先进的分区并行加工方式（国家专利）； 快速板式热压装置（国家专利）； 无张力快速供纸技术（国家专利）； 机床式高稳定性铸铁床身； 高精度、高可靠性的运动系统，控制系统； 高性能激光系统及光学系统。 3 快速成型材料及设备 3 快速成型材料及设备 三、选择性激光烧结快速成型制造设备 研究选择性激光烧结（SLS）设备工艺的单位有美国的DTM公司、3D Systems公司、德国的EOS公司以及国内的北京隆源公司和华中科技大学 等。 1986年，美国Texas大学的研究生C. Deckard提出了选择性激光烧结（ SLS）的思想，稍后组建了DTM公司，于1992年推出SLS成型机。DT

16、M 公司于1992年、1996年和1999年先后推出了Sinterstation 2000、2500和 2500Plus机型，如图所示。其中2500Plus机型的成体积比过去增加了 10%，同时通过对加热系统的优化，减少了辅助时间，提高了成型速度。 DTM公司的Sinterstation2500机型 DTM公司的Sinterstation2500 Plus机型 3 快速成型材料及设备 华中科技大学的HRPS-III激光粉末烧结系统 3 快速成型材料及设备 华中科技大学的HRPS-III激光粉末烧结系统的特点： 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（最大扫描速度为4m/s ）

17、和高精度（激光定位精度小于50m）的特点；激光器采用美国CO2激光器，具有稳定性好 、可靠性高、模式好、寿命长、功率稳定、可更换气体、性能价格比高等特点，并配以全封闭 恒温水循环冷却系统；新型送粉系统（专利）可使烧结辅助时间大大减少；排烟除尘系统能及 时充分地排除烟尘，防止烟尘对烧结过程和工作环境的影响；全封闭式的工作腔结构，可防止 粉尘和高温对设备关键元器件的影响。 独自开发的功能强大的HRPS2002软件，具有易于操作的友好图形用 户界面，开放式的模块化结构，国际标准输入输出接口，具有以下功能： 切片模块：具有HRPS-STL(基于STL文件)和HRPS-PDSLice（基于直接切片文件，

18、由用户 选用）两种模块； 数据处理：具有STL文件识别及重新编码，容错及数据过滤切片，STL文件可视化，原型制 作实时动态仿真等功能； 工艺规划：具有多种材料烧结工艺模块（包括烧结参数、扫描方式和成型方向等）； 安全监控：设备和烧结过程故障自动诊断，故障自动停机保护。 3 快速成型材料及设备 3 快速成型材料及设备 四、熔融沉积快速成型制造设备 研究熔融沉积制造（FDM）设备工艺的单位主要有美国的Stratasys公 司、MedModeler公司以及国内的清华大学等。 Stratasys公司的SLS技术在国际市场上所占比例最大。Scott Crump在 1988年提出了熔融沉积（FDM）的思想

19、，并于1991年开发了第一台商业 机型。Stratasys公司于1993年开发出第一台FDM1650（台面为 250mm250mm250mm）机型，如图所示。 Stratasys公司的FDM-1650机型 3 快速成型材料及设备 Stratasys公司又先后推出了FDM2000、FDM3000和FDM8000机型，其中 FDM8000的台面达457mm457mm610mm。引人注目的是1998年Stratasys公司 推出的FDM-Quantum机型，最大成型体积为600mm500mm600mm，如图所示 。由于采用了挤出头磁浮定位系统，可在同一时间独立控制两个挤出头，因此其成 型速度为过去的5倍。Stratasys公司1998年与MedModeler公司合作开发了专用于一 些医院和医学研究单位的MedModeler机型，使用ABS材料，并于1999年推出可使用 聚 脂 热 塑 性 塑 料 的 G e n i s y s 型 改 进 机 型 G e n i s y s X s ， 其 成 体 积 达 305mm203mm203mm，如图所示。 Stratasys公司的FDM-Quantum机型 Stratasys公司的FDM- Genisys Xs机型 3 快速成型材料及设备 国内清华大学研制的熔融挤压沉积成型(Melte