第二章_快速成型制造工艺--V

1、第六节其它快速成型工艺 快速成型技术作为基于离散堆积原理的一种崭新的加工方式，自出 现以来得到了广泛的关注，对其成型工艺方法的研究一直十分活跃，除了 前面介绍的4种快速成型方法比较成熟之外，其它的许多技术也已经实用 化，如三维喷涂粘结（Three Dimensional Printing and Gluing，3DPG，常 被称为3DP）、数码累积成形（Digital Brick Laying，DBL）、光掩膜法 （Solid Ground Curing，SGC，也称立体光刻）、弹道微粒制造(Ballistic Particle Manufacturing，BPM)、直接壳法（Direct S

2、hell Production Casting， DSPC）、三维焊接（Three Dimensional Welding，TDW）、直接烧结技术、 全息干涉制造、光束干涉固化等。 模具工程技术研究中心 METRC2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺 模具工程技术研究中心 METRC 、三维喷涂粘结工艺 三维喷涂粘 结快速成型工艺是 由美国麻省理工学 院开发成功的，它 的工作过程类似于 喷墨打印机，其工 艺原理如右图所示。 首先铺粉或铺基底 薄层（如纸张）， 利用喷嘴按指定路 径将液态粘结剂喷 在预先铺好的粉层 或薄层上特定区域， 逐层粘结后去除多余底料便得到所需形状制件。也可以直接逐层喷涂陶

3、瓷或其他材料 粉浆，硬化后得到所需形状的制件。下图给出的是采用该工艺制作的结构陶瓷制品和 注射模具。 三维喷涂粘结工艺原理三维喷涂粘结工艺原理 2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺 模具工程技术研究中心 METRC 三维喷涂粘结工艺的特点三维喷涂粘结工艺的特点 三维喷涂/粘结快速原型制造技术在将固态粉末生成三维零件的过程中与传统方法比 较具有很多优点： （1）速度快）速度快 速度快是3DP的最大优点。因为不需要特殊的刀具、夹具、模型和模具，只要有了零 件的CAD模型就可以直接制造零件，因此可以快速地制造零件。有资料介绍从计算 机模型到零件生产只要15min。 （2）适于制造复杂形状的零件）适于

4、制造复杂形状的零件 3DP技术和其他快速原型技术一样，对零件的复杂性几乎没有限制，只要能提供合适 的CAD模型，就可以制造出相应的零件。 （3）可用于制造复合材料或非均质材料的零件）可用于制造复合材料或非均质材料的零件 3DP技术在制造零件过程中可以改变材料，因此可以生产各种不同材料、颜色、机械 性能、热性能组合的零件。 （4）可适合于制造小批量零件）可适合于制造小批量零件 2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺 模具工程技术研究中心 METRC 三维喷涂粘结制件制作速度和精度三维喷涂粘结制件制作速度和精度 三维喷涂粘结工艺的生产速度受粘结剂喷射量的限制。假设生成的零件含有同 等体积量的粘结剂和

5、陶瓷粉末，则零件的生产速度是粘结剂喷射量的两倍。典型的 喷嘴以1cm3/min的流量喷射粘结剂，若有100个喷嘴，则零件生产速度为200cm3/min。 美国麻省理工学院开发了两种形式的喷射系统:点滴式与连续式。这种多喷嘴的点滴 式系统的生产速度已达每层仅用5s的时间(每层面积为0.5m0.5m)，而连续式的则达 到每层0.025s的时间。 三维喷涂/粘结快速原型的精度由两个方面决定：一是喷涂粘结时生产的零件坯 的精度，二是零件坯经后续处理(焙烧)后的精度。在喷涂粘结过程中，喷射粘滴的定 位精度，喷射粘滴对粉末的冲击作用以及上层粉末重量对下层零件的压缩作用均会 影响零件坯的精度。后续处理(焙烧

6、)时零件产生的收缩和变形甚至微裂纹均会影响最 后零件的精度。 2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺 模具工程技术研究中心 METRC 结构陶瓷制品结构陶瓷制品 注射模具注射模具 经过经过3DP3DP工艺制作的金属制件工艺制作的金属制件 2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺 模具工程技术研究中心 METRC 2、光掩膜法（Solid Ground Curing，SGC，也称立体光刻） 光掩膜法是以色列的Cubital公司开发出的。同SLA一样，该系统同样利用紫外 光来固化光敏树脂，但光源和具体的工艺方法与SLA不一样，曝光是采用光学掩模技 术，电子成像系统先在一块特殊玻璃上通过曝光和高压充电过程

7、产生与截面形状一 致的静电潜像，并吸附上碳粉形成截面形状的负像，接着以此为”底片”用强紫外 灯对涂敷的一层光敏树脂同时进行曝光固化，把多余的树脂吸附走以后，用石蜡填 充截面中的空隙部分，接着用铣刀把这个截面修平，在此基础上进行下一个截面的 固化。与SLA对比， SGC效率更高，因为 SGC的每层固化是瞬间完成的。SGC的工作 空间较大，可以一次制作多个零件，也可 以制作单件大零件（例如，尺寸可以达到 500350500mm）。图6-5为SGC工艺制作 的一个模型。 光掩膜法工艺制作的小车一个模型光掩膜法工艺制作的小车一个模型 2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺 模具工程技术研究中心 METR

8、C 光掩膜法的工艺原理 光掩膜法工艺原理光掩膜法工艺原理 2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺 模具工程技术研究中心 METRC 光掩膜法的工艺流程 光掩膜法的工艺原理如图所示。具体工艺步骤如下： （1） 零件三维造型，并利用切片软件切片。在每层制作 之初，用光敏性树脂均匀喷涂工作平面，如图（a）所示。 （2） 在每一层，利用Cubital公司的专利印刷技术进行 光掩膜，如图（b）所示。 （3）然后用强紫外线灯（2KW）照射，暴露在外的光敏 性树脂被一次硬化，如图（c）所示。 （a） （b） （c） 2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺 模具工程技术研究中心 METRC （4）每一层固化后，未

9、固化的光敏性 树脂被真空抽走以便重复利用。固化的光 敏性树脂在一个更强的紫外线灯（4KW） 的照射下得以二次固化，如图（d）所示。 （5）用蜡填充被真空抽走的区域。通过 冷却系统使蜡冷却变硬，硬化的蜡可以作 为支撑。因此，不需要作额外的支撑。如 图（e）所示。 （6）将蜡、树脂层压平，以便进行下一 层的制作。如图（f）所示。 （7）零件制作完成后，将蜡去掉，打磨， 得到模型，无需其它的后处理。如图（g） 所示。 （e） （g） （d） 2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺 模具工程技术研究中心 METRC 光掩膜法的工艺特点 （1）不需要设计支撑结构。 （2）零件的成形速度不受复杂程度的影响，

10、只与体积有关。树脂瞬时曝光，速度快， 整层一次成型，效率高。 （3）精度高，相对精度约在0.1左右。 （4）最适合制作多件原型，制作过程中可以随意选择不同零件的制作次序；一个零 件未制作完时，可以先作另一个零件，再回过头来继续作未完零件。 （5）模型内应力小，变形小，适合制作大型件。 （6）制作过程中如发现错误，可以把错误层铣掉，重新制作此层。 同时光掩膜法也存在如下的缺点： （1）树脂和石蜡的浪费较大，且工序复杂。 （2）设备占地大，噪音高，维护费用昂贵。 （3）可选材料少，使用材料有毒，且需密封避光保存。 （4）制作过程中，感光过度会使树脂材料失效。 （5）后处理过程需要除蜡。 2 快速成

11、型制造工艺快速成型制造工艺 模具工程技术研究中心 METRC 3、弹道微粒制造(Ballistic Particle Manufacturing，BPM) 弹道微粒制造工艺由美国的BPM技术公司开发和商品化。它用一个压电喷射(头) 系统来沉积熔化了的热塑性塑料的微小颗粒，如下图所示。BPM的喷头安装在一个5 轴的运动机构上，对于零件中悬臂部分，可以不加支撑，而“不联通”的部分还要 加支撑。 弹道微粒制造工艺原理弹道微粒制造工艺原理 2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺 模具工程技术研究中心 METRC 5、三维焊接 采用现有的各种成熟的焊接技术、焊接设备及工艺方法，用逐层堆焊的方法制 造出全部

12、由焊缝金属组成的零件，也称熔化成型或全焊缝金属零件制造技术。 4、数码累积成型 数码累积成型也称喷粒堆积，三维马赛克（3D Mosaic），是指用计算机分割三 维造型体而得到空间一系列一定尺寸的有序点阵，借助三维制造系统按指定路径在 相应的位置喷出可迅速凝固的流体或布置固体单元，逐点、线、面完成粘结并进行 处理后完成原型制造。 该工艺是新型材料原型或零件数字化设计制 造的理论和方法。类似于砌砖或搭积木的马赛克 工艺，每一间隔增加一个“积木”单元，甚至可 以采用晶粒、分子或原子级的单元，以提高加工 的精度。也可以通过布放不问成分、颜色、性能 的材料单元，实现三维空间的复杂与结构材料原 型或零件的

13、制造。 2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺 模具工程技术研究中心 METRC2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺 第七节 快速成型技术的发展趋势 从目前存在的问题及需求看，目前比较明确的发展方向为： （1）金属零件的直接快速成型）金属零件的直接快速成型 （2）概念创新与工艺改进）概念创新与工艺改进 （3）数据优化处理及分层方式的演变）数据优化处理及分层方式的演变 （4）快速成型设备的专用化和大型化）快速成型设备的专用化和大型化 （5）开发性能优越的成型材料）开发性能优越的成型材料 （6）成型材料系列化、标准化）成型材料系列化、标准化 （7）喷射成型技术的广泛应用）喷射成型技术的广泛应用 （8）梯度功能材料上的应用）梯度功能材料上的应用 （9）组织工程材料快速成型）组织工程材料快速成型 （10）开发新的成型能源）开发新的成