第五章 快速成型技术

1、先进制造技术 黄安贻 Mobile:Email: huang_ 教材： 刘晋春等主编，特种加工（第五版）， 机械工业出版社，2008.3 8.1 概述 什什么么是快是快速速成型成型RP（RAPID PROTOTYPING）? 快速成型又称快速原型，原型是被仿制或 研制的第一个模型或最原始的模型。要求原型尽 可能与样品相像，能精确地再现样品的形状。 RP就是可以不用模具也可制作模型的 技术，可制作出任意复杂形状或极细微结 构，不用分割。 典型成型方式 光敏树脂液相固化成型 选择性激光粉末烧结成型 薄片分层叠加成型 熔丝堆积成型 3D打印快速成型 增 材 加 工 快速成型

2、技术过程示意 创建CAD 模型 软件分层 或 离散化 分层制造 逐层制造 直至完成 最终零件 必要的 后处理 取出零件 快速成型过程 1)产品CAD实体模型的构建。 2)三维模型的分层处理。 3)层层制造，堆积成型。 4)后处理。 1)产品CAD实体模型的构建 由于RP系统是由三维CAD模型直接驱动，因此首 先要构建成型产品的三维CAD模型。三维CAD模型可 以利用计算机辅助设计软件(如Pro/E，IDEAS，Solid Works，UG等)直接构建；也可以将已有产品的二维图 样进行转换而形成三维模型；或对产品实体进行激光扫 描、CT断层扫描，得到点云数据，然后利用逆向工程 的方法来构造三维模

3、型。由于目前快速成型软件接受的 数据文件一般为STL格式，所以必须对三维模型进行近 似处理，用一系列的小三角形平面逼近原来的模型。一 般的CAD软件都带有转换和输出STL格式文件的功能。 2)三维模型的分层处理 3)层层制造，堆积成型 根据切片处理的截面轮廓，在计算机控制 下，相应的成型头(激光头或喷头)按各截面轮廓 信息作扫描运动，在工作台上一层一层地堆积材 料，然后将各层粘结，最终得到原型产品。 4)后处理 从成型系统里取出成型件，进行剥离、后 固化、修补、打磨、抛光、涂挂等处理，降低其 表面粗糙度，提高强度等。 快速成型技术的特点 1)可以制造任意复杂的三维几何实体。 2)快速成型产品单

4、价与原型的复杂程度和原型的制造数 量均无关。 3)高度的柔性。 4)成型的快速性。 5)成型过程中信息过程和材料过程的一体化，尤其适合 成型材料为非均质并具有功能梯度或有孔隙要求的原型。 6)技术的高度集成性。 1)可以制造任意复杂的三维几何实体 RP技术采用离散/堆积成型的原理，将十分 复杂的三维制造过程简化为二维制造过程的叠加, 越是复杂的零件越能显示RP技术的优越性。 2)快速成型产品单价与原型的复杂 程度和原型的制造数量均无关 3)高度的柔性 成型过程无需专用的工具或夹具即可以完 成任意复杂形状的三维实体的制造，通过对 CAD模型的修改重组就可获得新零件的设计和 加工信息。 4)成型的

5、快速性 从CAD设计到原型(或零件)加工完毕，只需 几十分钟至几十小时，能够适应现代竞争激烈的 产品市场。 6)技术的高度集成性 RP技术与逆向工程、CAD技术、网络技术 等相结合，实现了设计制造的高度集成，成为产 品快速开发的有力工具。 快速成型技术的应用 目前，就RP技术的发展水平而言，在国内 主要是应用于新产品（包括产品的更新换代）开 发的设计验证和模拟样品的试制上，即完成从产 品的概念设计（或改型设计）造型设计 结构设计基本功能评估模拟样件试制这 段开发过程。但实际上，快速成型技术应用的领 域几乎包括了制造领域的所有行业，以及医疗、 人体工程、文物保护等领域。 快速成型在新产品研发中的

6、应用 1.概念模型的可视化、设计评价 2.结构设计验证与装配干涉校验 3.性能和功能测试 1.概念模型的可视化、设计评价 2.结构设计验证与装配干涉校验 车灯快速成型样件性能测试 汽车前保险杠 3.性能和功能测试 快速成型在模具制造中的应用 传统模具制造的方法很多,如数控铣削加工、成形 磨削、电火花加工、线切割加工、铸造模具、电解加工、 电铸加工、压力加工和照相腐蚀等。由于这些工艺复杂、 加工周期长、费用高而影响了新产品对于市场的响应速 度。而传统的快速模具(例如中低熔点合金模具、电铸 模、喷涂模具等) 因其工艺粗糙、精度低、寿命短，很 难完全满足用户的要求。 快速模具制造(Rapid Too

7、ling，简称RT)技术是用 快速成型技术及相应的后续加工来快速制作模具的技术。 应用快速模具制造技术制造模具，在最终生产模具开模 之前进行新产品试制与小批量生产，可以大大提高产品 开发的一次成功率，制造周期仅为原来的1/31/10， 生产成本仅为原来的1/31/5，这些优点使RT技术具有 很好的发展条件。由于市场需求旺盛，许多公司都研制 出RT 新工艺、新设备，并且取得了良好的经济效益。 由于这些技术中高新技术的含量高，并且涉及许多科技 领域，解决了以前难以解决甚至认为是不可能解决的技 术难题，所以得到了广泛的关注。 快速模具制造技术在快速成型技术领域中，发展 最迅速，产值增长最明显。 快速

8、成型在快速铸造中的应用 1.直接成型熔模铸造用蜡模 2.直接成型铸造用可消失模 3.直接成型砂型铸造用砂型(芯)或木模 4.直接成型精密铸造用型壳 5.用快速样件成型方法制造压型 1.直接成型熔模铸造用蜡模 汽车发动机进气歧管 2.直接成型铸造用可消失模 3.直接成型砂型铸造用砂型(芯)或木模 直接制得的铸模 快速成型在艺术领域的应用 1)快速成型制造技术在艺术家创作中的应用：艺术家在 利用陶瓷、玻璃、石材及其他材料进行三维艺术创作时， 从创作灵感的萌发到作品的完成需经历几个月乃至几年 的时间，其中绝大多数时间为创作思想的物化过程，如 力求三维表达的准确而作的逐步修正，艺术品制作过程 中因各种

9、失误造成作品残缺而返工。 2)快速成型制造技术在珍稀艺术品复制或修复中的应用： 在考古及保存过程中都可能造成艺术品破损，传统的人 工修复方法要求修复人员有高超的技艺和丰富的经验， 且往往要花费较长的时间。 正位头像正位头像 侧位头像侧位头像 快速成型在医学领域的应用 1.设计和制作可植入假体 2.外科手术规划 2.外科手术规划 8.2 光敏树脂液相固化成型SL SL基本原理 光敏树脂液相固化成型的基本原理 液槽中盛满液相光敏树脂，激光束在偏 转镜作用下，在液体表面扫描，扫描的轨 迹和有无由计算机控制，光点扫描到的地 方，液体就固化。 成型系统成型系统组成：组成： 1、光学部分 2、树脂容器系统

10、 3、数控系统和控制软件 SL后处理： 1) 当原型在激光成型系统中生成后，工作台升出液面， 停留510min，以晾干多余的树脂。 2) 用工业酒精和丙酮对树脂原型表面和型腔内部进行清 洗，尤其需要将内部未排干的树脂清洗干净。 3) 从工作台上取出原型，去除原型表面的支撑。 4) 由于原型中尚有部分未完全固化的树脂，清洗过的原 型必须放在后固化装置的转盘上进行完全固化，以满足 所要求的机械性能。 5) 由于原型是逐层固化的，所以还需要对原型表面光整 处理，对加支撑的部位进行打磨修剪，降低原型表面粗 糙度，对要求较高的原型还需进行喷砂处理。 特点： 1) 尺寸精度高，但尺寸稳定性差。 2) 表面

11、质量较好。 3) 可以制作结构十分复杂的模型。 4) 可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失型。 5) 需要设计成型件的支撑结构，否则会引起成型件变形。 6) 设备运转及维护成本较高。 7) 材料利用率高，可达100%，但可使用的材料种类较少。 8) 液态树脂具有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止其提前发 生聚合反应，选择时有局限性。 9) 需要二次固化。 10)液态树脂固化后的性能不如常用的工业塑料，一般较脆、易断裂， 不便进行机加工。 8.3 选择性激光烧结成型SLS SLS原理示意图原理示意图 SLS工艺 是利用粉末材 料在激光照射 下烧结的原理， 在计算机控制 下逐层堆积成

12、 型。 烧结件后处理：烧结件后处理： 1、高温烧结 2、热等静压 3、熔浸 4、浸渍 SLSSLS技术技术特点特点 除陶瓷外，其它材料成形后不再需要烧结； 不需要设计支撑结构，未烧结的粉末对悬伸 部位可起支撑作用； 原材料来源广泛，如石蜡、塑料、金属、陶 瓷粉末等，材料利用率高，约100； 零件精度及表面质量中等； 可成型中小尺寸的复杂零件； 设备投资高，生产成本较低，生产率较高。 典型复杂零件示例（1） 典型复杂零件示例（2） 典型复杂零件示例（3） SLS材料多样性 8.4 薄片分层叠加成型（LOM） 基本原理： 采用薄片材料 （如：纸、塑料薄 膜）作为成型材料， 片材表面事先涂覆 一层热

13、熔胶。加工 时，激光器在计算 机控制下按照CAD 分层模型轨迹切割 片材，然后通过热 压辊热压，使当前 层与下面已成型的 工件粘结，从而堆 积成型。 特点 1）精度高，翘曲变形小，成型过程无需设计 和制作支撑结构。 2）有较高的强度和良好的力学性能，但薄壁 件的抗拉强度和弹性不够好。 3）适用于制造中大型零件。 4）后续打磨处理耗时费力，制造周期增加， 成本提高。 示例 LOM原型经硅橡胶模转移制得的消失模铝合金模具 8.5 熔丝堆积成型FDM 基本原理 熔丝堆积成形 是指将热熔性材料 （ABS、尼龙或蜡） 通过加热器熔化， 挤压喷出并堆积一 个层面，然后将第 二个层面用同样的 方法建造出来，

14、并 与前一个层面熔结 在一起，如此层层 堆积而获得一个三 维实体。 双喷头FDM的工艺原理 特点 1) 使用、维护简单，成本低。 2) 去除支撑结构简单易行，可快速构建复杂的内腔、中空 零件以及一次成型的装配结构件。 3) 原材料以材料卷的形式提供，易于搬运和快速更换。 4) 可选用多种材料，如各种色彩的工程塑料ABS、PC、PP SF以及医用ABS等。 5) 原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小。 6) 用蜡成型的原型零件，可直接用于熔模铸造。 7) 原型的表面有较明显的条纹。 8) 沿成型轴垂直方向的强度比较弱。 9) 需要设计与制作支撑结构。 10) 需要对整个截面进行扫描涂覆

15、，成型时间较长。 11）原材料价格昂贵。 后处理 1) 对FDM原型的机体进行增强处理。 2) 对原型的表面进行涂覆。 3) 对原型的表面进行粗抛。 4) 表面喷涂。 示例 其余见实物 8.6 三维打印成型（3DP） 基本原理 三维打印（三维打印（3DP-Three Dimension Printing3DP-Three Dimension Printing） 以某种喷头作成型源，它的工作很像打印 头，喷头作X-Y运动，工作台作Z方向的垂直运 动。喷出材料为热塑性材料、蜡或粘结剂。 三维打印原理类似于喷墨打印机原理，首 先铺粉，利用喷嘴按指定路径将液态粘结剂喷 在粉层上的特定区域，粘结后去除多余的材料 便得到所需