《逆向工程及快速成型原理》—快速成形技术

1、快速成形（RP） u目的、原理与过程 u主要特征 u其他称谓 u基本概念 u主要应用 u术 u主要方法 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 快速成形 目的、原理与过程 目的 缩短研发周期，提高 研发效率，提高竞争 力 原理 以层叠的方式将材料 累积成形 过程 三维三维CAD模型模型 分分 层层 层面信息处理层面信息处理 层面加工与堆叠层面加工与堆叠 后处理后处理 快速成形基本过程快速成形基本过程 由由CADCAD软件设计出所需零软件设计出所需零 件的计算机三维曲面或实件的计算机三维曲面或实 体模型体模型 将三维模型沿一定方向（将三维模型沿一定方向（ 通常为通常为Z Z向）离散成一系向）离散成

2、一系 列有序的二维层片（习惯列有序的二维层片（习惯 称为分层）称为分层） 根据每层轮廓信息，进行根据每层轮廓信息，进行 工艺规划，选择加工参数工艺规划，选择加工参数 ，自动生成数控代码，自动生成数控代码 成形机逐层成形并堆叠，成形机逐层成形并堆叠， 得到三维物理实体得到三维物理实体 清理零件表面，去除辅助清理零件表面，去除辅助 支撑结构支撑结构 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 快速成形 主要特征 RP与NC机床的主要区别在于高度柔性。无论是数控机床还是加工中心， 都是针对某一类型零件而设计的。对于不同的零件需要不同的装夹， 用不同的工具。虽然它们的柔性非常高，可以生产批量只有几十件、 甚

3、至几件的零件，而不增加附加成本。但它们不能单独使用，需要先 将材料制成毛坯。而RP技术具有最高的柔性，对于任何尺寸不超过成 形范围的零件，无需任何专用工具就可以快速方便的制造出它的模型 (原型)。从制造模型的角度，RP具有NC机床无法比拟的优点，即快速 方便、高度柔性。 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 快速成形 主要特征 高度柔性，可制造任意复杂形状的三维实体； CAD模型直接驱动，设计制造高度一体化； 成形过程无需专用夹具或工具； 成形过程自动化程度高，无需人员干预或较少 干预； 成形过程快速，适应现代激烈的市场竞争。 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 快速成形 其他称谓 离散堆积

4、制造 实体自由成形制造 材料添加制造 即时制造 分层制造 直接CAD制造 离散堆积制造是现代成形学理离散堆积制造是现代成形学理 论中在对成形技术发展进行总论中在对成形技术发展进行总 结的基础上提出的，表明了模结的基础上提出的，表明了模 型信息处理过程的离散性，强型信息处理过程的离散性，强 调了成形物理过程的材料堆积调了成形物理过程的材料堆积 性，体现了快速成形技术的基性，体现了快速成形技术的基 本成形原理，具有较强的概括本成形原理，具有较强的概括 性和适应性。性和适应性。 实体自由成形制造实体自由成形制造 (Solid Freeform Fabrication)(Solid Freeform

5、Fabrication)表表 明快速成形技术无需专用的模腔或明快速成形技术无需专用的模腔或 夹具，零件的形状和结构也相应不夹具，零件的形状和结构也相应不 受任何约束。受任何约束。RPRP工艺是用逐层变化工艺是用逐层变化 的截面来制造三维形体，在制造每的截面来制造三维形体，在制造每 一层片时都和前一层自动实现联接一层片时都和前一层自动实现联接 ，不需要专用夹具或工具，使制造，不需要专用夹具或工具，使制造 成本完全与批量无关，既增加了成成本完全与批量无关，既增加了成 形工艺的柔性，又节省了制造工装形工艺的柔性，又节省了制造工装 和专用工具的大量成本。和专用工具的大量成本。 材料添加制造材料添加制造

6、 (Material Increase Manufacturing)(Material Increase Manufacturing) 将材料单元采用一定方式堆积、叠加将材料单元采用一定方式堆积、叠加 成形，有别于车削等基于材料去除原成形，有别于车削等基于材料去除原 理的传统加工工艺。理的传统加工工艺。 即时制造即时制造(Instant (Instant Manufacturing)Manufacturing) 反映该类技术的快速响应性。由于反映该类技术的快速响应性。由于 无需针对特定零件制定工艺操作规无需针对特定零件制定工艺操作规 程，也无需准备专用夹具和工具，程，也无需准备专用夹具和工具，

7、 快速成形技术制造一个零件的全过快速成形技术制造一个零件的全过 程远远短于传统工艺相应过程，使程远远短于传统工艺相应过程，使 得快速成形技术尤其适合于新产品得快速成形技术尤其适合于新产品 的开发，显示了其适合现代科技和的开发，显示了其适合现代科技和 社会发展的快速反应的特征和时代社会发展的快速反应的特征和时代 要求。要求。 分层制造分层制造 (Layered Manufacturing)(Layered Manufacturing) 将复杂的三维加工分解成一系列二维将复杂的三维加工分解成一系列二维 层片的加工，着重强调层作为制造单层片的加工，着重强调层作为制造单 元的特点，每层可采取更低维单元

8、进元的特点，每层可采取更低维单元进 行累加或高维单元进行加工得到。行累加或高维单元进行加工得到。 直接直接CADCAD制造制造 (Direct CAD Manufacturing)(Direct CAD Manufacturing)反映了反映了 快速成形是快速成形是CADCAD模型直接驱动，实现了模型直接驱动，实现了 设计与制造一体化，计算机中的设计与制造一体化，计算机中的CADCAD模模 型通过接口软件直接驱动快速成形设型通过接口软件直接驱动快速成形设 备，接口软件完成备，接口软件完成CADCAD数据向设备数控数据向设备数控 指令的转化和成形过程的工艺规划，指令的转化和成形过程的工艺规划，

9、成形设备则象打印机一样成形设备则象打印机一样“打印打印”零零 件，完成三维输出。件，完成三维输出。 快速成形由于采用了离散快速成形由于采用了离散/ /堆积的堆积的 加工工艺，加工工艺，CADCAD和和CAMCAM能够很顺利地结能够很顺利地结 合在一起，快速成形的工艺规划主要合在一起，快速成形的工艺规划主要 作用是对成形过程进行优化以提高造作用是对成形过程进行优化以提高造 型精度、速度和质量，所以快速成形型精度、速度和质量，所以快速成形 可容易地实现设计制造一体化。可容易地实现设计制造一体化。 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 快速成形 主要应用 医学 实验分析模型 快速模具 快速铸造 全球

10、全球RPRP设备装机量设备装机量 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 快速成形在医学上的应用 根据CT扫描信息，应用熔融挤压快速成 形的方法可以快速制造人体器官模型的 骨骼（如颅骨、牙齿）和软组织（如肾） 等，并且不同部位采用不同颜色的材料 成形，病变组织可以用醒目颜色，可以 进行手术模拟、人体骨关节的配制，颅 骨修复。 在康复工程上，采用熔融挤压快速成形 的方法制造人体假肢具有最快的成形速 度，假肢和肌体的结合部位能够做到最 大程度的吻合，减轻了假肢使用者的痛 苦。 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 快速成形在实验分析模型上的应用 利用加工的样品，找出新产 品外观&结构设计缺陷，完善

11、设计。 利用加工出的样品可以进行 装配和功能验证。 利用新产品样件可先进行市 场调研，投标、招标。 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 快速成形在快速模具上的应用 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 快速成形在快速铸造上的应用 点击看铸件 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 快速成形 相关技术 RP是多种技术的交叉结合，主要相关技术有： 计算机辅助设计（CAD） 反求工程（RE） 数控技术（NC） 材料技术 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 RPMRPM & CAD& CAD 产品模型发展到三维实体模型，能较完整的产品模型发展到三维实体模型，能较完整的 表示一个三维物体。这为表示一个

12、三维物体。这为RPRP技术的产生准备技术的产生准备 了条件，同时也提出了需求。因为如果没有了条件，同时也提出了需求。因为如果没有 能表示三维物体的数据模型，而只是一些图能表示三维物体的数据模型，而只是一些图 纸，想要用纸，想要用RPRP的原理制造出实体模型就需要的原理制造出实体模型就需要 手工计算出各个截面，编制每个截面的加工手工计算出各个截面，编制每个截面的加工 代码。计算劳动量太大，以致无法实现。代码。计算劳动量太大，以致无法实现。 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 卫星遥感地表高程数据重构的地卫星遥感地表高程数据重构的地 球三维快速原型球三维快速原型 RPRP & RE& RE 逆向

13、工程及快速成型原理快速成 形技术 RP & NCRP & NC RPRP技术就是数控技术最新应用的领域之一。技术就是数控技术最新应用的领域之一。 RPRP技术要求将材料精确地堆积，并长时间保技术要求将材料精确地堆积，并长时间保 持较高的定位精度，防止错层。如果没有高持较高的定位精度，防止错层。如果没有高 可靠性、高精度的数控系统是无法实现的。可靠性、高精度的数控系统是无法实现的。 数控技术的应用，是数控技术的应用，是RPRP技术能够产生并发展技术能够产生并发展 成熟必不可少的条件。成熟必不可少的条件。 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 RP & RP & 材料材料 概念型对材料成型精度和物

14、理化学特性要求不高概念型对材料成型精度和物理化学特性要求不高 ，主要要求成型速度快。如对光固化树脂，要求，主要要求成型速度快。如对光固化树脂，要求 较低的临界曝光功率、较大的穿透深度和较低的较低的临界曝光功率、较大的穿透深度和较低的 粘度。粘度。 n成型材料是成型材料是RPRP技术发展的关键环节。它影响原型的成型技术发展的关键环节。它影响原型的成型 速度、精度和物理、化学性能，直接影响到原型的二次速度、精度和物理、化学性能，直接影响到原型的二次 应用和用户对成型工艺设备的选择。应用和用户对成型工艺设备的选择。 n与与RPRP制造的四个目标（概念型、测试型，模具型，功能制造的四个目标（概念型、测

15、试型，模具型，功能 零件）相适应，对成型材料的要求也不同零件）相适应，对成型材料的要求也不同 n概念型概念型 n测试型测试型 n模具型模具型 n功能型功能型 测试型对于材料成型后的强度、刚度、耐温性、测试型对于材料成型后的强度、刚度、耐温性、 抗蚀性等有一定要求，以满足测试要求。如果用抗蚀性等有一定要求，以满足测试要求。如果用 于装配测试，则对于材料成型的精度还有一定要于装配测试，则对于材料成型的精度还有一定要 求。求。 模具型要求材料适应具体模具制造要求，如对于模具型要求材料适应具体模具制造要求，如对于 消失模铸造用原型，要求材料易于去除。消失模铸造用原型，要求材料易于去除。 逆向工程及快速

16、成型原理快速成 形技术 快速成形工艺 液态树脂光固化成形(SLA) 选择性激光烧结成形(SLS) 薄材叠层快速成形(LOM) 熔丝沉积成形(FDM) 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 液态树脂光固化成形 工作原理 成形系统 成形过程 成形材料 成形精度 应用实例 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 液态树脂光固化成形 工作原理 利用光能对液态树脂进行有选择的固化，逐层成形，得 到三维实体原型。国际通称Stereolithography，简称SL 或SLA。 光：紫外(UV)激光, 如固体Nd:YVO4（半导体泵浦）激光和氦镉 (HeCd)激光、氩离子激光，波长为320370nm（处于中紫

17、外至 近紫外波段）或半导体激光（波长约680nm ）。 液态树脂：光敏树脂，一种由光聚合性预聚合物（pre- polymer）或齐聚物(oligomer)、光聚合性单体（monomer）及 光聚合引发剂等为主要成分组成的混合液体。 固化：光敏树脂在光的照射下，由于光引发剂的作用，引发 预聚合物和活性单体发生聚合反应而固化 选择：扫描、遮光掩膜 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 液态树脂光固化成形 工作原理 曝光方式 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 液态树脂光固化成形 工作原理 光扫描曝光原理 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 液态树脂光固化成形 成形系统 液槽 工作台 激光器 扫

18、描系统 数控系统 等 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 液态树脂光固化成形 成形系统 自由液面型自由液面型约束液面型约束液面型 约束液面型结构可精确控制成形层厚度（玻璃板上表面与固 化层下表面间距）；不需精确控制上液面高度；不需一次注 入大量液态树脂，避免失效；材料利用率高；已固化部分不 被浸泡，避免原型件变形。 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 液态树脂光固化成形 成形过程 前处理 分层叠加 后处理 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 液态树脂光固化成形 成形过程 前处理 为提高成形精度（收缩变形、工艺支撑结构、阶梯 效应等），制造实体前需对数字模型进行修饰、调 整和补偿 直接对C

19、AD三维模型数据的修改或调整 修改或调整扫描路径数据 调整成形方向 扩大或缩小模型 设定一次同时制作多个模型 设定模型在升降工作台上的位置 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 液态树脂光固化成形 成形过程 前处理 修改或调整扫描路径数据 精度设定 切片厚度设定 扫描轨迹偏移 添加底垫支撑， 添加框架及柱形支撑 扫描路径选择 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 液态树脂光固化成形 成形过程 分层叠加 成形时间总层数X（单层扫描时间未固化层形成 时间） 总层数模型高度/层厚度 单层扫描时间截面积x扫描密度（截面内填充率） /扫描速度 扫描速度是激光强度、树脂感光度和层厚度的函数， 且与单位时间

20、固化量有关； 缩短成形时间的措施：？ 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 液态树脂光固化成形 成形过程 后处理 取出成形件 排出未固化树脂（预设排液孔或钻孔） 表面清洗（溶剂或超声波） 去除支撑 后固化处理（长波紫外灯照射光固化或热固化，注意 减少内应力） 机械加工（钻孔或攻螺纹，注意防止开裂） 打磨、抛光或喷漆（去掉层间台阶，打磨用砂纸由 粗到细；喷漆前要用腻子填补后打磨再喷漆） 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 液态树脂光固化成形 成形材料 光固化性树脂的组成 齐聚物或预聚合物 决定光固化产物的物理特性，粘度较高。如丙烯酸脂、环 氧树脂等； 单体： 作为稀释剂，固化时也参与反应 光引

21、发剂 光照下分解产生能引发聚合反应的活性中心 增感剂 吸收光后通过能量传递等方式作用于引发剂从而扩大吸光 波长带和吸收系数，提高光的效率 其他助剂 如消泡剂、流平剂等 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 液态树脂光固化成形 成形材料 对光固化性树脂的要求 良好的储存稳定性（通常不发生热聚合，可见光下不反 应） 粘度低（容易在前一层快速流平，便于加料与清除） 光敏性好，对355nm处的光具有较高的吸收和响应 速度 合适的透射深度（太浅层间粘结不好，太深导致过固化） 固化收缩小（特别要求后固化处理中收缩要小） 一次固化程度高（减少后固化收缩与变形） 固化产物溶胀小，耐溶剂性好 固化产物的机械强度

22、高 毒性小 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 液态树脂光固化成形 成形材料 光固化性树脂分类 自由基光固化体系 自由基光引发剂、自由基预聚物、稀释剂等 成本低、固化速度快；固化收缩大，表层易受氧的阻隔 而固化不充分 阳离子光固化体系 阳离子光引发剂、环氧树脂、增感剂等 体积收缩小；成本高、固化速度慢，固化深度不够 混杂光固化体系 高分子合金：丙烯酸单体和不饱和聚酯聚合而得，具有 互穿网络结构 复合光敏树脂：将陶瓷粉末加入光敏树脂液中 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 液态树脂光固化成形 成形材料 光固化特性 固化形状 固化曲线 感光度 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 液态树脂光固

23、化成形 成形材料 光固化特性 固化曲线 固化深度与曝光量的对数比例曲线 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 液态树脂光固化成形 成形材料 光固化特性 感光度 分子吸光系数 引发剂浓度c，固化深度Dp 相同曝光量下，引发剂浓度越高，固化范围越浅 温度越高，感光度越高（粘度也越低） 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 液态树脂光固化成形 成形精度 影响因素 软件误差 数字模型（STL格式）近似误差 分层切片误差（目前最小厚度0.025） 扫描路径误差 成形过程误差 激光束（位置、功率） 树脂固化收缩 形状多余增长（固化深度超量） ？主要影响因素？主要影响因素 逆向工程及快速成型原理快速成 形技

24、术 液态树脂光固化成形 成形精度 衡量标准 精度测试标准件（1990北美光固化成形技术应用组织发明） 测量 170个尺寸点（x向78，y向78，z向14） 提高方法 树脂材料（高强低粘变形小） 硬件（控制激光束的位置与质量） 软件（优化扫描路径） 工艺 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 液态树脂光固化成形 应用案例 制造业 在制造业中的应用占到 67 生物制造和医学 模具制造 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 液态树脂光固化成形 应用案例 生物制造和医学 为制造科学与生命科学的 结合提供重要手段，用RP 技术辅助外科手术是一个 重要应用方向 2003.10.13、美达拉斯州儿 童医疗中

25、心、两岁埃及连 体儿童分离手术。手术准 备时间一年，MRI和CT扫 描，可选择性着色（骨骼、 血管等不同颜色）的医用 光固化材料光固化成形 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 液态树脂光固化成形 应用案例 模具制造 模型 树脂模具 过渡软模 树脂凸凹模镶块 钢模架 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 液态树脂光固化成形 应用案例 其他 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形原理 成形机理 成形材料 成形工艺 成形质量与成形效率的影响因素 成形系统 应用案例 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形原理 利用光能对粉末进行有选择的烧结，逐层成 形

26、，得到三维实体原型。国际通称 Selective Laser Sintering，简称SLS。 n光：光：CO2激光激光 n粉末：高分子、蜡、陶瓷粉末：高分子、蜡、陶瓷 、金属粉末及复合粉等、金属粉末及复合粉等 n烧结：粉末受热后粘结（烧结：粉末受热后粘结（ 粉末的烧结性能和烧结机粉末的烧结性能和烧结机 理）理） n选择：扫描，精确定位激选择：扫描，精确定位激 光束光束 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形原理 SLS成形机原理 SLS成形过程 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形机理 粉末特性 本质为热传递问题，粉末特性对此影响很大，综合表

27、现 为热扩散系数 粉层密度 由粉末全密度及粉末填充程度有关，一般相对密度在40 60，采用随机灌注来测量 粉层比热容 各组分的重量分数加权平均，一般即为固体颗粒的比热容， 采用差分扫描量热法测量 热传导系数 只考虑热传导与热辐射，热传导系数主要有粉末空洞率决 定，可采用稳态或非稳态方法实验测得 p C k 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形机理 SLS基本理论（烧结理论） 激光烧结基本过程 粉末颗粒受高温作用，物质扩散，颗粒间形成粘结（即烧 结颈），随着接触面增大，烧结颈长大，连通形成孔洞， 孔洞闭合后圆滑收缩，温度降低后，凝固层致密、坚硬的 烧结实体。 逆向工程及

28、快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形机理 SLS基本理论 烧结驱动力（表面能减少） 本征过剩表面驱动力 颗粒尺寸粗，比表面积小，本征表面能驱动力小； 颗粒尺寸小，比表面积大，本征表面能驱动力大； 实际烧结中细粉比粗粉哪个更易烧结？ 本征Laplace应力 孔洞收缩，自由能降低； 颗粒接触形成的曲率半径对Laplace应力影响较大； 粉末颗粒的粒径对烧结的驱动力影响较大 化学位梯度驱动力 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形机理 SLS基本理论 烧结中的流动机制 高分子粉末材料的SLS中，物质运动方式主要为粘性流动 粘性流动机制Frenkel烧结颈方程

29、烧结颈的平方与烧结时间成比例 致密化 表观上是指粉末烧结过程的收缩，表征参数有线收缩、体 收缩和孔隙度的减少量 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形机理 SLS基本理论结论： 粉末烧结性能的主要影响因素 粉末颗粒表面能增大，烧结速率增加 烧结速率随颗粒尺寸的减少而增加，实践发现颗粒 尺寸在1075微米范围，可获得好的零件精度、烧 结速率和较好的铺粉质量 聚合物粘性减小，烧结速率增加 烧结温度高，烧结速率也高 分子团的尺寸或重量小，烧结速率高 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形机理 SLS基本理论结论： 粉末烧结性能的其他影响因素 温度变化特

30、性 在烧结温度以上持续时间长，烧结程度大 粉层相对密度 相对密度大，颗粒接触多，烧结速度高 粉末的堆积方式 控制烧结性 控制颗粒大小 控制烧结温度 控制烧结持续时间逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形机理 传统烧结理论 起源于金属和陶瓷粉末的加工中 一般定义：烧结是固体离子在高温下相互接触时由 于聚结而产生的一种减少总表面积的趋势 Frenkel模型（复杂的颗粒系统简化为两球形结构） 表面张力是粉末聚结过程的驱动力 烧结是通过减少粒子的总表面积（收缩）来完成 烧结分为聚结和压实两个阶段 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形机理 SLS和传统烧

31、结理论的联系与区别 联系 物理过程 热作用下的固体粒子间的聚结，驱动力是表面自由能的减 少 区别 传统烧结为金属、陶瓷材料，SLS还包括高分子材料 传统烧结温度场均匀易控制，SLS温度场不均匀且难消除 传统烧结温度较高，SLS温度较低 金属粉末热压聚结成形，高分子粉末部分熔化聚结成形 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形过程 数据处理（切片处理：实时、非 实时） 粉末材料准备（备足料） 机器预热（预热1-2h，使成形室 温度稳定） 工艺参数选择 成形加工 制件取出（35h冷却后取出， 用压缩空气或软毛刷去除表面浮 粉） 后处理（表面打磨、浸蜡等） 逆向工程及快速成型原

32、理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形材料 SLS对材料的要求 在10.6微米波段（CO2激光）有较强的热吸收 性 具有较高耐热稳定性，降解产物无毒或低毒， 不产生酸、碱等腐蚀性气体 有一定的粒径及分布均匀 具有较好的熔体粘结性能和粘结强度 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形材料 SLS材料种类与性能 聚苯乙烯PS 收缩率低，成形精度高；性脆、密度小，烧结强度不够， 不能直接做功能件；最大用途在熔模铸造； ABS 烧结性能类似PS，烧结温度高20，强度也略高，但密 度不高，不能直接做功能件；主要用于熔模铸造，因软 化点和粘度都较PS高，通常用于复杂件； 聚碳酸酯

33、PC 同前两种，据为无定性聚合物，烧结性能优良，烧结强 度高于前两者；主要用于熔模铸造； 尼龙 结晶聚合物，熔程窄，成形时经历固液固转变，成 形件高强度高密度，硬度高，机械性能好，耐热耐腐蚀； 收缩率大，易翘曲变形；可直接用于功能件，应用越来 越广泛； 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形材料 SLS材料种类与性能 陶瓷粉末 Al2O3/Si-C+无机黏合剂/有机黏合剂/金属黏合剂 金属粉末 单一粉末/两种混合粉末/（金属高分子） 铸造蜡粉 铸造覆膜砂 由以下部分组成：1) 基料，如硅砂、锆砂等；2) 粒状或 粉状的、用过的再生型料；3）粘结剂，例如：酚醛树脂、 呋喃

34、树脂、尿素树脂或其它可热引发的树脂，它们可以 是液态或固态（粒状或粉状）。用这些粘结剂与基料及 再生型料相混合，或用这些粘结剂包裹基料及再生型料， 构成可烧结成形的铸型用的粉材 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形材料 SLS材料（高聚物）的制备 机械粉碎法： 低温冷冻粉碎、常温强剪切粉碎和气流碎 蒸发-凝缩法： 高温气化，急速冷却而凝缩 熔融法： 熔融热塑性树脂经高速离心器或喷雾器形成液滴，冷却 溶解结晶法： 溶剂中溶解，降温结晶析出，分离、洗涤、干燥 乳化分散法 微乳聚合法 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形工艺 高分子粉末材料的成形工

35、艺 热和激光的作用使得粉末部分熔化，发生粘性 流动，从而实现粉末颗粒间的聚结 凡是影响高分子材料玻璃化温度/熔点、结晶度、粘 度、粒径等的因素都会影响制件质量； 烧结用高分子材料熔点/软化点不能超过150，避 免温度过高影响成型机的正常工作； 除尼龙可直接做功能件外其他材料的烧结间还需后 处理才能达到应用要求 用于精密铸造：浸入熔化的蜡中，渗透添孔隙 用于功能件：渗入液态的热固性树脂 属直接SLS，无后烧结 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形工艺 金属粉末材料的成形工艺 烧结温度远低于金属熔点，烧结是在表面自由能的驱动 下金属粉末间热扩散和渗透作用。 间接SLS成形

36、工艺 聚合物与金属粉末混合，SLS成形，熔融聚合物将金属粉 末粘结成形，定义形状； 后处理：加热到较低温度，将聚合物气化去除；继续升 温，使金属粉末间通过原子扩散来建立粘结，保持烧结 件的形状；再渗低熔点金属填充孔隙得到一定精度和使 用性能的金属件；需要惰性气体保护，防止高温氧化； 直接SLS成形工艺 两种金属粉末熔点相差很大，烧结时将低熔点金属粉末 熔化而高熔点金属粉末保持为固态，低熔点金属作为黏 结剂（液相烧结原理） 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形工艺 陶瓷粉末材料的成形工艺 低温陶瓷相在激光的扫描下熔化，固体颗粒间粘 结，形成密实的整体零件（坯体），还需后

37、处理 后处理方法： 高温烧结 经高温烧结，内部孔隙减少，密度增加，强度 增大；但注意收缩的一致避免翘曲变形和应力 集中； 熔浸（浸渍） 将液态的非金属或金属渗入多孔陶瓷烧结件中； 陶瓷件密实、强度高、收缩小； 热等静压 通过流体介质将高温高压同等作用于陶瓷件表 面，得到均匀收缩，减少变形； 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形质量与成形效率的主要因素 零件造型 粉末材料 工艺参数 扫描方式 成形方向 后处理工艺 n模型误差模型误差 n原因：三维模型表面三角化原因：三维模型表面三角化 n措施：直接切片法取代措施：直接切片法取代STL文件格式文件格式 n采样误差采样误差

38、n切片厚度过大会忽略细部特征；过小则效率低下切片厚度过大会忽略细部特征；过小则效率低下 n措施：根据采样定理，取成形件要求精度的一半作为措施：根据采样定理，取成形件要求精度的一半作为 切片厚度极限值切片厚度极限值 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形质量与成形效率的主要因素 粉末材料 分子量 直接影响高分子材料的熔融粘度、玻璃化温度和熔点； 熔融粘度 熔融粘度低、流动性好，成形件密度高；若过低，则尺寸精度难 以保证；但合适熔融粘度的材料合成复杂。 通用办法是通过控制烧结室的温度和温度场来控制烧结过程并提 高高分子原型件的质量； 结晶速度 结晶度和结晶速度对高分子原型件

39、的尺寸精度影响较大，其体积 变化（由熔融结晶过程引起）比无定形材料变化大得多。 粉末粒径大小及分布 粉末的铺送与粉末粒径大小关系密切，小则容易落粉，但太小易 结块； 粉末粒径较小，高分子原型件表面质量较高；反之较低； 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形质量与成形效率的主要因素 工艺参数 激光功率和扫描速度 烧结深度和宽度随激光功率的增大而增大，随扫描速度的 增大而减少 在保证烧结深度大于铺粉厚度的基础上，尽量采用较高的 激光功率和相应的扫描速度 扫面间距 扫描间距太小，成形效率低，且能量过高使得制件收缩翘 曲变形大甚至开裂； 扫描间距的选择要兼顾成形件精度、强度和成

40、形效率等要 求 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形质量与成形效率的主要因素 工艺参数 光斑尺寸 光斑直径大，能量分布均匀性提高，减少翘曲变形， 扫描间距可加大，提高成形效率；小光斑直径，利于 提高层间连接强度和成形件的机械强度； 变光斑技术边界小光斑内部大光斑 层厚 层厚薄，台阶效应小，表面质量高，成形时间长 最大层厚受粉末烧结深度限制 层厚取决于切片厚度，通常采用变厚度切片 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形质量与成形效率的主要因素 工艺参数 预热温度 烧结窗口温度 无定形高分子的烧结温度在软化点和结块温度之 间，即Ts, Tc 结晶材

41、料，烧结窗口的温度范围很小，难以烧结 出合格制件 温度场要求均匀，烧结室的温差不得大于10 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形质量与成形效率的主要因素 扫描方法 常用扫描方式及其特点 逐点扫描 X（或Y）向扫描 光栅扫描 环形扫描 线扫描 线束长度调整复杂 激光能量在线光束上非均匀分布 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形质量与成形效率的主要因素 扫描方法 扫描方式对成形质量和成形效率的影响 对成形件精度的影响 短边方向扫描比长边方向扫描好，长边异侧扫描比 长边同侧扫描好，向外循环比向内循环扫描好 对成形件强度的影响 扫描方式影响烧结体的初

42、始强度，但对初始强度的 基本要求就是能定义制件的形状即可，因此对扫描 方式要求不高 对成形效率的影响 SLS成形效率较低，扫描方式对成形效率影响较大， 对模具零件的SLS成形合理规划扫描路径对提高烧结 成形效率至关重要。可对截面进行分割扫描 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形质量与成形效率的主要因素 成形方向 对成形件的性能（各方向的强度、表面质量、 精度、特征尺寸和翘曲）和成形时间有很大影 响 在保证成形件性能的前提下，尽可能是其在Z 方向的尺寸最小 后处理工艺 利用多孔体的虹吸效应加入树脂或低熔点固体 物质增强处理 抛光打磨喷漆处理 逆向工程及快速成型原理快速成

43、 形技术 选择性激光烧结成形 成形系统 硬件 主机 可升降工作缸、废料桶、铺粉辊装置、送料装置、加热装置、 机身机壳。 激光器 CO2激光器高分子、金属粉末 YAG激光器金属粉末 振镜激光扫描系统 控制系统 计算机、动态聚焦振镜扫描控制系统、测量控制系统、驱动 系统 冷却器 激光器散热 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形系统 软件 层次化模块结构 CAD层 CAM层 CNC层 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形系统 商品化SLS成形设备及其主要性能参数 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 成形系统 设备选型原则 逆向

44、工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 应用案例 精密铸造 复杂铸件模具制造难度大、制 造周期长、成本高、风险大甚 至无法制造 SLS技术无需模具，可快速制 造金属零件，且能实现铸造工 艺过程的集成化、自动化和快 速化 美.Pratt&Whitney实验室1994 制造2000个铸件，常规方法约 700万美元，快速成形方法60 70万美元，生产时间节约70 90。 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 应用案例 塑件的制造 塑料模具费用高，新产品开发投资 风险大 塑料产品的低成本制造成为产品快 速开发的关键 间接制造方法 SLS成形渗入增强树脂 材料成本低、工

45、序复杂、精度 难以控制 直接制造方法 SLS成形 材料成本高、工序简单、精度 损失小 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 选择性激光烧结成形 应用案例 金属零件/模具的制造 基于RP的零件/模具制造技 术的特点 效率高 设计自由度大 可根据不同的需要选用不 同的工艺路线 可将冷却流道结构和模具 结构集成在一起制造出来 间接制造 采用高分子材料作为黏合 剂，SLS低温降解汽化 高温二次烧结渗低熔点 金属 直接制造 采用低熔点金属作为黏合 剂，SLS高温二次烧结 渗金属 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 薄材叠层快速成形 工作原理 工艺过程 成形材料 大尺寸薄壁工件的制造 应用案例 逆向工程

46、及快速成型原理快速成 形技术 薄材叠层快速成形 工作原理 激光器 光学系统 X-Y扫描机构 材料传送机构 热压粘贴结构 四导柱双滚珠丝杆升降工作台 控制系统 LOM成形机原理 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 薄材叠层快速成形 工作过程 前处理 3D模型STL格式 切片截面轮廓轨迹 切割控制指令 成形 材料送进 热压粘贴 激光切割 工作台下降 后处理 去除废料 打磨喷涂 LOM工艺过程 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 薄材叠层快速成形 后处理 剥离（废料、支撑结构与工件分离） 手工剥离 常见剥离方法，手动使废料、支撑结构与工件分离 加热剥离 支撑结构为蜡，成形材料熔点比蜡高，采用热水

47、/热蒸 汽加热熔化剥离；剥离效率高，工件表面较清洁 化学剥离 采用能溶解支撑结构而又不会损伤工件的化学液进行化 学剥离；剥离效率高，工件表面较清洁 ？LOMLOM成形件废料的剥离方式成形件废料的剥离方式 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 薄材叠层快速成形 后处理 修补、打磨和抛光 由于LOM成形件具有很好的切削加工和粘结性能，可将修补部 分切割下来修补、打磨抛光后再粘上。 表面涂覆（表面增强） 油漆 环氧基油漆、聚氨酯油漆 防潮、耐热耐腐蚀、表面光亮 液态金属 金属粉末（如铝粉）与环氧树脂固化剂 金属光泽、耐湿 反应型液态塑料 多元醇树脂异氰酸酯（固化剂）聚氨酯（类似ABS） 提高强度、刚

48、度和防潮能力 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 薄材叠层快速成形 成形材料 纸基材 成本低、易获得、成形加工容易； 成形过程无相变，翘曲变形小，适合大中型零件的成形； 陶瓷带材 整体陶瓷带 SiC，碳等构成，层间黏合剂粘结，LOM成形后加压熔合、真空 烧结等； 复合陶瓷带 SiC，康醛酚醛等组成或无机玻璃纤维纸合聚酯等组成，有机 成分作为黏合剂，LOM成形后在惰性气体保护下真空烧结去除有 机部分，提高其强度和密度；材料要特殊加工、价格昂贵，后处 理复杂周期长，精度难以保证，应用有限。 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 薄材叠层快速成形 大尺寸薄壁工件的制造 分块制造，后通过定位 孔/定

49、位销和强力胶等予 以粘结； 将剖分的立板平放成形， 可提高材料利用率，节 省加工时间，保证薄壁 件的性能。 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 薄材叠层快速成形 应用案例 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 熔丝沉积成形(FDM) 工作原理 成型过程 系统结构 成型材料 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 熔丝沉积成形(FDM) 工作原理 喷头装置 送丝装置 运动机构 加热工作室 工作台 适合成形中小塑件；制件翘曲变形小，原材料利用率高，成形件精 度可达0.127mm；原料价格昂贵；成形件表面有明显条纹；成形件 垂直方向强度较弱；需设计制造支撑结构；需对整个截面进行扫描 涂覆，成形时间长

50、。逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 熔丝沉积成形(FDM) 成型过程 建三维数字模型 三维模型的切片 逐层堆积成形 后处理 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 熔丝沉积成形(FDM) 系统结构 喷头机构 双喷头：制件支撑 送丝机构 喷头输送 运动机构 XY步进电机与钢丝绳传动 Z轴步进电机与丝杆传动 加热系统 成形室加热 喷头加热 运动控制器 三轴步进电机运动控制 电机及其驱动器 步进电机 逆向工程及快速成型原理快速成 形技术 熔丝沉积成形(FDM) 成型材料 要求 制件材料：良好的成丝性、粘合性和强度，以及 较小的熔体收缩性。 支撑材料：材料间粘结性能不能太好、强度不能 太高、成形后容易去除。 主要材料 制件材料：聚