快速成型技术及其应用简介PPT精选文档

1、1快速成形制造的发展快速成形制造又称为快速原型制造（快速成形制造又称为快速原型制造（RapidRapidPrototype ManufacturingPrototype Manufacturing，RPMRPM）。诞生于）。诞生于2020世纪世纪8080年代，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认年代，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近为是近2020年来制造领域的一个重大成果。年来制造领域的一个重大成果。 20世纪世纪80年代后期，年代后期，RPM技术在美国首先产生并商技术在美国首先产生并商品化。品化。从那时起，从那时起，RPM以离散堆积原理为基础和特征，即它以离散堆积原理为基础

2、和特征，即它首先将零件的电子模型软件离散化，成为首先将零件的电子模型软件离散化，成为“层状层状”的的离散面、离散线和离散点，而后采用多种手段，将这离散面、离散线和离散点，而后采用多种手段，将这些离散的面、线段和点按层堆积形成零件的整体形状些离散的面、线段和点按层堆积形成零件的整体形状。RPM工艺过程无需专用工具，工艺规划步骤简单，工艺过程无需专用工具，工艺规划步骤简单，所以制造速度比传统方法简单得多。所以制造速度比传统方法简单得多。2快速成形制造的发展它集机械工程、它集机械工程、CADCAD、逆向工程技术、分层制、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一造技术、数控技术、材

3、料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。面提供了一种高效低成本的实现手段。运用运用RPM技术能自动、快速、精确地将设计技术能自动、快速、精确地将设计思想转变成一定功能的产品原型或直制造零件，思想转变成一定功能的产品原型或直制造零件，对缩短产品开发周期、减少开发费用、提高企对缩短产品开发周期、减少开发费用、提高企业参与市场竞争具有重要意义。业

4、参与市场竞争具有重要意义。3快速成形的基本原理RAM流程图4快速成形的基本原理CAD建模建模 分层切片分层切片层面信息处理层面信息处理层面加工与粘接层面加工与粘接层层堆积层层堆积 后处理后处理 基本原理基本原理由由CAD软件设计出所软件设计出所需零件的计算机三维需零件的计算机三维曲面或实体模型曲面或实体模型将三维模型沿一定将三维模型沿一定方向离散成一系列方向离散成一系列有序的二维层片有序的二维层片根据每层轮廓信息，进根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代参数，自动生成数控代码码成形机制造一系列层片并自动将它们联接起来，得到三维物理实体清理零件表面清理零

5、件表面，去除辅助支，去除辅助支撑结构撑结构5CAD建模建模STL转换转换生成片层生成片层NC代码代码实体加工实体加工零件原型零件原型后处理后处理切片处理切片处理前处理前处理快速成型系统工作快速成型系统工作后处理后处理用用Pro/E设计的零件模型设计的零件模型6光固化成型法光固化成型法（Stereo Lithography Apparatus-SLA）叠层实体制造法叠层实体制造法（Laminated Object Manufacturing-LOM）选择性激光烧结法选择性激光烧结法（Selected Laser Sintering-SLS）熔融沉积制造法熔融沉积制造法（Fused Deposit

6、ion Modeling-FDM）三维打印三维打印（Three-Dimensional Printing-3D-P）固基光敏液相法固基光敏液相法（Solid Ground Curing-SGC）7图图1 光固化快速成型工艺原理液槽液槽中盛满中盛满液态光敏树脂液态光敏树脂，氦镉激氦镉激光器光器或或氩离子激光器氩离子激光器发出的紫外激光发出的紫外激光束在控制系统的控制下按零件的各分束在控制系统的控制下按零件的各分层截面信息在层截面信息在光敏树脂表面光敏树脂表面进行逐点进行逐点扫描，使被扫描区域的树脂薄层产生扫描，使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个光聚合反应而固化，形成零件的

7、一个薄层。一层固化完毕后，薄层。一层固化完毕后，工作台工作台下移下移一个层厚的距离，以使在原先固化好一个层厚的距离，以使在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，刮板刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然将粘度较大的树脂液面刮平，然后进行下一层的扫描加工，新固化的后进行下一层的扫描加工，新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此重一层牢固地粘结在前一层上，如此重复直至整个复直至整个零件零件制造完毕，得到一个制造完毕，得到一个三维实体原型。三维实体原型。8 因为树脂材料的高粘性，在每层固化之后，液面很难因为树脂材料的高粘性，在每层固化之后，液面很难在短时间内迅速流平，

8、这将会影响实体的精度。采用在短时间内迅速流平，这将会影响实体的精度。采用刮板刮板刮切后，所需数量的树脂便会被十分均匀地凃敷刮切后，所需数量的树脂便会被十分均匀地凃敷在上一叠层上，这样经过激光固化后可以得到较好的在上一叠层上，这样经过激光固化后可以得到较好的精度，使产品表面更加光滑和平整。精度，使产品表面更加光滑和平整。图图2 光光固化成型制造过程中残留的多余树脂固化成型制造过程中残留的多余树脂9优点：优点：n成型过程自动化程度高成型过程自动化程度高 SLA系统非常稳定，加工开始后，成型过程可以完全自动系统非常稳定，加工开始后，成型过程可以完全自动化，直至原型制作完成。化，直至原型制作完成。n尺

9、寸精度高尺寸精度高 SLA原型的尺寸精度可以达到原型的尺寸精度可以达到0.1mm。 n优良的表面质量优良的表面质量 虽然在每层固化时侧面及曲面可能出现台阶，但上表面仍虽然在每层固化时侧面及曲面可能出现台阶，但上表面仍可得到玻璃状的效果。可得到玻璃状的效果。 n可以制作结构十分复杂的模型、尺寸比较精细的模型可以制作结构十分复杂的模型、尺寸比较精细的模型n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n制作的原型可以一定程度地替代塑料件制作的原型可以一定程度地替代塑料件10缺点：n制件易变形制件易变形 成型过程中材料发生物理和化学变化成型过程中

10、材料发生物理和化学变化n较脆，易断裂性能尚不如常用的工业塑料较脆，易断裂性能尚不如常用的工业塑料n设备运转及维护成本较高设备运转及维护成本较高 液态树脂材料和激光器的价格较高液态树脂材料和激光器的价格较高n使用的材料较少使用的材料较少 目前可用的材料主要为感光性的液态树脂材料目前可用的材料主要为感光性的液态树脂材料n液态树脂有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止提前发生聚液态树脂有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止提前发生聚合反应，选择时有局限性合反应，选择时有局限性n需要二次固化需要二次固化 经快速成型系统光固化后的原型树脂并未完全被激光固化。经快速成型系统光固化后的原型树脂并未完全被激光

11、固化。 113 3. .1 1 光固化快速成型材料光固化快速成型材料（1）光）光固化材料优点及分类固化材料优点及分类光固化材料是一种既古老又崭新的材料，与一般固化材料比较，光固化材料具光固化材料是一种既古老又崭新的材料，与一般固化材料比较，光固化材料具有下列优点：有下列优点：（1 1）固化快）固化快 可在几秒钟内固化，可应用于要求立刻固化的场合。可在几秒钟内固化，可应用于要求立刻固化的场合。（2 2）不需要加热）不需要加热 这一点对于某些不能耐热的塑料、光学、电子零件来说十分有用。这一点对于某些不能耐热的塑料、光学、电子零件来说十分有用。（3 3）可配成无溶剂产品）可配成无溶剂产品 使用溶剂会

12、涉及到许多环境问题和审批手续问题，因此每个工业部门都使用溶剂会涉及到许多环境问题和审批手续问题，因此每个工业部门都力图减少使用溶剂。力图减少使用溶剂。（4 4）节省能量。）节省能量。 各种光源的效率都高于烘箱。各种光源的效率都高于烘箱。（5 5）可使用单组分，无配置问题，使用周期长。）可使用单组分，无配置问题，使用周期长。（6 6）可以实现自动化操作及固化，提高生产的自动化程度，从而提高生产效）可以实现自动化操作及固化，提高生产的自动化程度，从而提高生产效率和经济效益。率和经济效益。12 用于光固化快速成型的材料为用于光固化快速成型的材料为液态光固化树脂液态光固化树脂，或称，或称液态光敏树脂液

13、态光敏树脂。光。光固化树脂材料中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主要包括齐聚物、反应性稀释剂及光引发剂。根据光引。根据光引发剂的引发机理，光固化树脂可以分为三类：发剂的引发机理，光固化树脂可以分为三类：自由基光固化树脂、阳离自由基光固化树脂、阳离子光固化树脂、混杂型光固化树脂。子光固化树脂、混杂型光固化树脂。 (1)自由基光固化树脂自由基光固化树脂 主要有三类：主要有三类：环氧树脂丙烯酸酯：该类材料聚合快、原型环氧树脂丙烯酸酯：该类材料聚合快、原型强度高但脆性大且易泛黄；强度高但脆性大且易泛黄；聚酯丙烯酸酯，该类材料流平聚酯丙烯酸酯，该类材料流平性较好，固化质量也较好，成型

14、制件的性能可调范围较大；性较好，固化质量也较好，成型制件的性能可调范围较大；聚氨酯丙烯酸酯，该类材料生成的原型柔顺性和耐磨性好，聚氨酯丙烯酸酯，该类材料生成的原型柔顺性和耐磨性好，但聚合速度慢。但聚合速度慢。13 (2)阳离子光固化树脂阳离子光固化树脂 主要成分为环氧化合物。用于光固化工艺的阳离子型齐聚物和活主要成分为环氧化合物。用于光固化工艺的阳离子型齐聚物和活性稀释剂通常为环氧树脂和乙烯基醚。环氧树脂是最常用的阳离性稀释剂通常为环氧树脂和乙烯基醚。环氧树脂是最常用的阳离子型齐聚物，其优点如下：子型齐聚物，其优点如下： 1）固化收缩小，预聚物环氧树脂的固化收缩率为）固化收缩小，预聚物环氧树脂

15、的固化收缩率为2%3%，而自由基光固化树脂的预聚物丙烯酸酯的固化收缩率为而自由基光固化树脂的预聚物丙烯酸酯的固化收缩率为5%7%。 2）产品精度高。）产品精度高。 3）阳离子聚合物是活性聚合，在光熄灭后可继续引发聚合。）阳离子聚合物是活性聚合，在光熄灭后可继续引发聚合。 4）氧气对自由基聚合有阻聚作用，而对阳离子树脂则无影）氧气对自由基聚合有阻聚作用，而对阳离子树脂则无影响。响。 5）粘度低。）粘度低。 6）生坯件强度高。）生坯件强度高。 7）产品可以直接用于注塑模具。）产品可以直接用于注塑模具。 14 (3)混杂型光固化树脂混杂型光固化树脂 目前的趋势是使用混杂型光固化树脂。其优点主要有：目

16、前的趋势是使用混杂型光固化树脂。其优点主要有： 1）环状聚合物进行阳离子开环聚合时，体积收缩很小甚至）环状聚合物进行阳离子开环聚合时，体积收缩很小甚至产生膨胀，而自由基体系总有明显的收缩。混杂型体系产生膨胀，而自由基体系总有明显的收缩。混杂型体系可以设计可以设计成无收缩的聚合物成无收缩的聚合物。 2）当系统中有碱性杂质时，阳离子聚合的诱导期较长，而）当系统中有碱性杂质时，阳离子聚合的诱导期较长，而自由基聚合的诱导期较短，混杂型体系自由基聚合的诱导期较短，混杂型体系可以提供诱导期短而聚合可以提供诱导期短而聚合速度稳定的聚合系统速度稳定的聚合系统。 3）在光照消失后阳离子仍可引发聚合，故混杂体系）

17、在光照消失后阳离子仍可引发聚合，故混杂体系能克服能克服光照消失后自由基迅速失活而使聚合终结的缺点光照消失后自由基迅速失活而使聚合终结的缺点。153. 2 光敏树脂的组成及其光固化特性分析光敏树脂的组成及其光固化特性分析 （1 1）光敏树脂）光敏树脂 用于光固化快速成型的材料为液态光敏树脂，主要由用于光固化快速成型的材料为液态光敏树脂，主要由齐聚物齐聚物、光引发剂光引发剂、稀释剂稀释剂组成。组成。 齐聚物齐聚物是光敏树脂的主体，是一种含有不饱和官能团的基料，是光敏树脂的主体，是一种含有不饱和官能团的基料，它的末端有可以聚合的活性基团，一旦有了活性种，就可以继续聚它的末端有可以聚合的活性基团，一旦

18、有了活性种，就可以继续聚合长大，一经聚合，分子量上升极快，很快就可成为固体。合长大，一经聚合，分子量上升极快，很快就可成为固体。 光引发剂光引发剂是激发光敏树脂交联反应的特殊基团，当受到特定是激发光敏树脂交联反应的特殊基团，当受到特定波长的光子作用时，会变成具有高度活性的自由基团，作用于基料波长的光子作用时，会变成具有高度活性的自由基团，作用于基料的高分子聚合物，使其产生交联反应，由原来的线状聚合物变为网的高分子聚合物，使其产生交联反应，由原来的线状聚合物变为网状聚合物，从而呈现为固态。状聚合物，从而呈现为固态。光引发剂的性能决定了光敏树脂的固光引发剂的性能决定了光敏树脂的固化程度和固化速度。

19、化程度和固化速度。163.3 3.3 光光固化快速成型设备固化快速成型设备 20世纪世纪70年代末到年代末到80年代初期，美国年代初期，美国3M公司公司的的Alan J. Hebert(1978)、日本的小玉秀男、日本的小玉秀男(1980)、美国、美国UVP公司的公司的Charles W. Hull(1982)和日本的丸谷洋二和日本的丸谷洋二(1983)，在不同的地点各自，在不同的地点各自独立地提出了独立地提出了RP的概念，的概念，即利用连续层的选区即利用连续层的选区固化产生三维实体的新思想。固化产生三维实体的新思想。Charles Hull在在UVP的继续支持下，完成了一个能自动建造零的继续

20、支持下，完成了一个能自动建造零件的称之为件的称之为SLA-1的完整系统。的完整系统。同年，同年，Charles Hull和和UVP的股东们一起建立了的股东们一起建立了3D Systems公公司，并于司，并于1988年首次推出年首次推出SLA-250机型机型。 图图3 3D Systems公司的公司的SLA-250机型机型17 光固化快速原型的制作一般可以分为光固化快速原型的制作一般可以分为前处理前处理、原型制作原型制作和和后处理后处理三个阶段。三个阶段。4.14.1 前处理前处理 前处理阶段主要是对原型的前处理阶段主要是对原型的CAD模型模型进行进行数据转换数据转换、摆放方摆放方位确定位确定、

21、施加支撑施加支撑和和切片分层切片分层，实际上就是为原型的制作准，实际上就是为原型的制作准备数据。下面以某一小扳手的制作来介绍光固化原型制作的备数据。下面以某一小扳手的制作来介绍光固化原型制作的前处理过程。前处理过程。18 （1 1）CADCAD三维造型三维造型 三维实体造型是三维实体造型是CAD模型的最好表示，模型的最好表示，也是快速原型制作必须的原始数据源。没也是快速原型制作必须的原始数据源。没有有CAD三维数字模型，就无法驱动模型的三维数字模型，就无法驱动模型的快速原型制作。快速原型制作。CAD模型的三维造型可以模型的三维造型可以在在UG、Pro/E、Catia等大型等大型CAD软件以及软

22、件以及许多小型的许多小型的CAD软件上实现，图软件上实现，图2-14a给出给出的是小扳手在的是小扳手在UG NX2.0上的三维造型。上的三维造型。 a) CAD三维原始模型三维原始模型 19（2 2）数据转换）数据转换 数据转换是对产品数据转换是对产品CAD模型的近模型的近似处理，主要是生成似处理，主要是生成STL格式的数格式的数据文件。据文件。STL数据处理实际上就是数据处理实际上就是采用若干小三角形片来逼近模型采用若干小三角形片来逼近模型的外表面，如图的外表面，如图2-14b所示。这一所示。这一阶段需要注意的是阶段需要注意的是STL文件生成的文件生成的精度控制。目前，通用的精度控制。目前，

23、通用的CAD三三维设计软件系统都有维设计软件系统都有STL数据的输数据的输出。出。b) CAD模型的模型的STL数据模型数据模型 20 （3 3）确定摆放方位）确定摆放方位 摆放方位的处理是十分重要的，摆放方位的处理是十分重要的，不但影响着制作时间和效不但影响着制作时间和效率，更影响着后续支撑的施加以及原型的表面质量等率，更影响着后续支撑的施加以及原型的表面质量等，因此，因此，摆放方位的确定需要综合考虑上述各种因素。摆放方位的确定需要综合考虑上述各种因素。一般情况下，一般情况下，从缩短原型制作时间和提高制作效率来看，应该选择尺寸最从缩短原型制作时间和提高制作效率来看，应该选择尺寸最小的方向作为

24、叠层方向。但是，有时为了提高原型制作质量小的方向作为叠层方向。但是，有时为了提高原型制作质量以及提高某些关键尺寸和形状的精度，需要将最大的尺寸方以及提高某些关键尺寸和形状的精度，需要将最大的尺寸方向作为叠层方向摆放。有时为了减少支撑量，以节省材料及向作为叠层方向摆放。有时为了减少支撑量，以节省材料及方便后处理，也经常采用倾斜摆放。方便后处理，也经常采用倾斜摆放。确定摆放方位以及后续确定摆放方位以及后续的施加支撑和切片处理等都是在分层软件系统上实现。对于的施加支撑和切片处理等都是在分层软件系统上实现。对于上述的小扳手，由于其尺寸较小，为了保证轴部外径尺寸以上述的小扳手，由于其尺寸较小，为了保证轴

25、部外径尺寸以及轴部内孔尺寸的精度，选择直立及轴部内孔尺寸的精度，选择直立摆放。摆放。21 （4 4）施加支撑）施加支撑 摆放方位确定后，便可以进行支撑的施加了。施加支撑是光摆放方位确定后，便可以进行支撑的施加了。施加支撑是光固化快速原型制作前处理阶段的重要工作。对于结构复杂的固化快速原型制作前处理阶段的重要工作。对于结构复杂的数据模型，支撑的施加是费时而精细的。数据模型，支撑的施加是费时而精细的。支撑施加的好坏直支撑施加的好坏直接影响着原型制作的成功与否及制作的质量。支撑施加可以接影响着原型制作的成功与否及制作的质量。支撑施加可以手工进行，也可以软件自动实现。手工进行，也可以软件自动实现。软件

26、自动实现的支撑施加软件自动实现的支撑施加一般都要经过人工的核查，进行必要的修改和删减。为了便一般都要经过人工的核查，进行必要的修改和删减。为了便于在后续处理中支撑的去除及获得优良的表面质量，于在后续处理中支撑的去除及获得优良的表面质量，目前，目前，比较先进的支撑类型为点支撑，即在支撑与需要支撑的模型比较先进的支撑类型为点支撑，即在支撑与需要支撑的模型面是面是点接触。点接触。22a) CAD三维原始模型三维原始模型 b) CAD模型的模型的STL数据模型数据模型 光光固固化化快快速速原原型型前前处处理理 c) 模型的摆放方位模型的摆放方位 d) 模型施加支撑模型施加支撑 图图4模型模型支撑支撑工

27、作台工作台模型模型工作台工作台23（5 5）切片分层）切片分层 支撑施加完毕后，根据设备系统设定的分层厚度沿着高度方支撑施加完毕后，根据设备系统设定的分层厚度沿着高度方向进行切片，生成向进行切片，生成RP系统需求的系统需求的SLC格式的层片数据文件，格式的层片数据文件，提供给光固化快速原型制作系统，进行原型制作。提供给光固化快速原型制作系统，进行原型制作。图图6 某某手柄的光固化快速原型手柄的光固化快速原型244.4.2 2 原型制作原型制作 光固化成型过程是在专用的光固化快速成型设备系统上进行。在原型制作前，需要提前启动光固化快速成型设备系统，使得树脂材料的温度达到预设的合理温度，激光器点燃

28、后也需要一定的稳定时间。设备运转正常后，启动原型制作控制设备运转正常后，启动原型制作控制软件，读入前处理生成的层片数据文件。软件，读入前处理生成的层片数据文件。 在模型制作之前，要注意调整工作台网板的零位与树脂液在模型制作之前，要注意调整工作台网板的零位与树脂液面的位置关系，以确保支撑与工作台网板的稳固连接。面的位置关系，以确保支撑与工作台网板的稳固连接。当一切准备就绪后，就可以启动叠层制作了。整个叠层的光固化过程都是在软件系统的控制下自动完成的，所有叠层制作完毕后，系统自动停止。25图图7 SPS600光固化成型设备控制软件界面光固化成型设备控制软件界面26 原型叠层制作结束后，工作台升出液

29、面，原型叠层制作结束后，工作台升出液面，停留停留510min，以晾干多余的树脂。，以晾干多余的树脂。 将原型和工作台一起斜放晾干后浸入丙酮、酒精将原型和工作台一起斜放晾干后浸入丙酮、酒精等清洗液体中，搅动并刷掉残留的气泡。持续等清洗液体中，搅动并刷掉残留的气泡。持续45min左右后放入水池中清洗工作台约左右后放入水池中清洗工作台约5min。 124.4.3 3 后处理后处理 27从外向内从工作台上取下原型，并去从外向内从工作台上取下原型，并去除支撑结构。除支撑结构。 再次清洗后置于紫外烘箱中进行整体后固化。再次清洗后置于紫外烘箱中进行整体后固化。 34285.1 光固化成型中树脂收缩变形光固化

30、成型中树脂收缩变形 树脂在固化过程中都会发生收缩，通常其树脂在固化过程中都会发生收缩，通常其体收缩率约为体收缩率约为10%，线收缩率约为线收缩率约为3%。 树脂收缩主要有两部分组成：一部分树脂收缩主要有两部分组成：一部分是固化收缩，是固化收缩，另外一部另外一部分分是当激光扫描到液体树脂表面时由于温度变化引起的热胀是当激光扫描到液体树脂表面时由于温度变化引起的热胀冷缩。冷缩。 （1）零件成型过程中树脂收缩产生的变形）零件成型过程中树脂收缩产生的变形 （2）后固化时收缩产生的变形）后固化时收缩产生的变形 后固化收缩量占总收缩量的后固化收缩量占总收缩量的25%40%左右。左右。295.2 光固化快速

31、成型的精度光固化快速成型的精度 光固化成型的精度一直是设备研制和用户制作原型过程中密切关注的问光固化成型的精度一直是设备研制和用户制作原型过程中密切关注的问题与持续需要解决的难题。控制原型的翘曲变形和提高原型的尺寸精度题与持续需要解决的难题。控制原型的翘曲变形和提高原型的尺寸精度及表面精度一直是研究领域的核心问题之一。及表面精度一直是研究领域的核心问题之一。原型的精度一般包括原型的精度一般包括形形状精度、尺寸精度状精度、尺寸精度和和表面精度表面精度，即光固化成型件在形状、尺寸和，即光固化成型件在形状、尺寸和表面相互位置三个方面与设计要求的符合程度。形状误差主要有：表面相互位置三个方面与设计要求

32、的符合程度。形状误差主要有：翘曲、扭曲变形、椭圆度误差及局部缺陷等；尺寸误差是指成型翘曲、扭曲变形、椭圆度误差及局部缺陷等；尺寸误差是指成型件与件与CAD模型相比，在模型相比，在x、y、z三个方向上尺寸相差值；表面精度三个方向上尺寸相差值；表面精度主要包括由叠层累加产生的台阶误差及表面粗糙度等。主要包括由叠层累加产生的台阶误差及表面粗糙度等。30 影响光固化原型精度的因素很多，包括成型前和成型过程中的影响光固化原型精度的因素很多，包括成型前和成型过程中的数据处理、成型过程中光敏树脂的固化收缩、光学系统及激光扫数据处理、成型过程中光敏树脂的固化收缩、光学系统及激光扫描方式等。按照成型机的成型工艺

33、过程，可以将产生成型误差的描方式等。按照成型机的成型工艺过程，可以将产生成型误差的因素按下图所示分类。因素按下图所示分类。图图8 光光固化成型误差固化成型误差31 当前 SLA原型制件常用样品零件、功能零件和直接翻制硅橡胶模具，也可替代熔模精密制造中的消失模来生产金属零件等等诸多方面广泛应用于汽车、航空、电子、消费品、娱乐以及医疗等行业。 SLA特别适合制作中小型模型或样件，其制作的原型可以达到机械加工的表面效果，可直接得到树脂或类似工程塑料的产品。32右图所示为用于冷却系统流动分析的气缸盖模型。为了进行分析，该气缸盖模型装在了曲轴箱上，并配备了必要的辅助零件。图中的蓝色液体高亮显示了腔体的内

34、部结构。当分析结果不合格时，可以将模型拆卸，对模型零件进行修改之后重装模型，进行另一轮的流动分析，直至各项指标均满足要求为止。 对于形状、结构十分复杂的零件，可以采用快速成型技术制作零件原型以验证设计人员的设计思想，并利用零件原型做功能性和装配性检验。左图为采用光固化快速采用光固化快速成型及技术制造的汽车水箱面罩原型。成型及技术制造的汽车水箱面罩原型。33光固化成型技术在汽车行业除了上述用途外，还可以与逆向工程技术、可以与逆向工程技术、快速模具制造技术相结合，用于汽车车身设计、前后保险杆总成试制、快速模具制造技术相结合，用于汽车车身设计、前后保险杆总成试制、内饰门板等结构样件内饰门板等结构样件

35、/功能样件试制、赛车零件制作等等功能样件试制、赛车零件制作等等。下图为基于SLA原型，采用Keltool工艺快速制作的某赛车零件的模具及产品。34 通过快速熔模铸造、快速翻砂铸造等辅助技术进行特殊复杂零件的单件、通过快速熔模铸造、快速翻砂铸造等辅助技术进行特殊复杂零件的单件、小批量生产，如涡轮、叶片、叶轮等，并进行发动机等部件的试制和试小批量生产，如涡轮、叶片、叶轮等，并进行发动机等部件的试制和试验验，如图，如图10-17a所示为所示为SLA技术制作的叶轮模型。技术制作的叶轮模型。图给图给出了基于出了基于SLA技技术采用精密熔模铸造方法制造的某发动机的关键零件。术采用精密熔模铸造方法制造的某发

36、动机的关键零件。快速快速成型在航空领域的应用成型在航空领域的应用 (a) (b) 35 利用光固化成型技术制作的导弹全尺寸模型，在模型表面表进行相应喷涂后，清晰展示了导弹外观、结构和战斗原理，其展示和讲解效果远远超出了单纯的电脑图纸模拟方式，可在未正式量产之前对其可制造性和可装配性进行检验。图图 SLA制作的导弹模型制作的导弹模型36 在若干快速成型工艺方法中，光固化原型的树脂品质是最适合于电器塑在若干快速成型工艺方法中，光固化原型的树脂品质是最适合于电器塑料外壳的功能要求的，因此，光固化快速成型在电器行业中有着相当广料外壳的功能要求的，因此，光固化快速成型在电器行业中有着相当广泛的应用。泛的

37、应用。上图模型的树脂材料是DSM公司的SOMOS11120，其性能与塑料件极为相近，可以进行钻孔和攻丝等操作，以满足电器产品样件的装配要求。图图 电器电器产品外壳件原型产品外壳件原型37 在应用较广泛的四种快速成型工艺中，光固化原型与粉末烧结快速原型可在应用较广泛的四种快速成型工艺中，光固化原型与粉末烧结快速原型可以用作熔模铸造的消失型。以用作熔模铸造的消失型。图图10-25a为为SLA技术制作的用来生产氧化铝基技术制作的用来生产氧化铝基陶瓷芯的模具，该氧化铝陶瓷芯是在铸造生产燃气涡轮叶片时用作熔模的，陶瓷芯的模具，该氧化铝陶瓷芯是在铸造生产燃气涡轮叶片时用作熔模的，其结构十分复杂，包含制作涡

38、轮叶片内部冷却通道的结构，且精度要求高，其结构十分复杂，包含制作涡轮叶片内部冷却通道的结构，且精度要求高，对表面质量的要求也很高。制作时，当浇注到模具内的液体凝固后，经过对表面质量的要求也很高。制作时，当浇注到模具内的液体凝固后，经过加热分解便可去除加热分解便可去除SLA原型，得到氧化铝基陶瓷芯。原型，得到氧化铝基陶瓷芯。图是图是用用SLA技术制作技术制作的用来生产消失模的模具嵌件，该消失模用来生产标致汽车发动机变速箱的用来生产消失模的模具嵌件，该消失模用来生产标致汽车发动机变速箱的拨叉。的拨叉。图图 原型原型在铸造领域的应用实例在铸造领域的应用实例a) b)38 上图为具有缺损的患者头颅骨上

39、图为具有缺损的患者头颅骨SLA模型、患者小腿骨模型、患者小腿骨SLA模型及患者左侧模型及患者左侧完好的下颌骨模型的镜像颌骨完好的下颌骨模型的镜像颌骨SLA模型。模型。图图 颌颌面缺损的局部头盖骨、下颌骨及小腿骨面缺损的局部头盖骨、下颌骨及小腿骨SLA模型模型3940 薄形材料叠层制造（薄形材料叠层制造（Laminated Object Manufacturing，简称，简称LOM）成形技术，）成形技术，又称分层物件制造或是叠层成形技术。又称分层物件制造或是叠层成形技术。 该工艺是采用激光束（或其它切割工具）该工艺是采用激光束（或其它切割工具）和薄层材料（纸片、塑料薄膜或复合材和薄层材料（纸片、

40、塑料薄膜或复合材料等）生成任意形状三维物体的方法，料等）生成任意形状三维物体的方法，是早期较成熟的四个快速成形工艺之一，是早期较成熟的四个快速成形工艺之一，该工艺的市场占有率大约为该工艺的市场占有率大约为7。 411. 概述研究研究LOM工艺的有工艺的有Helisys公司、华中科技大学、清华大学、公司、华中科技大学、清华大学、Kira公司、公司、Sparx公司和公司和Kinergy公司。公司。Helisys公司除原有的公司除原有的LPH、LPS、LPF三个系列纸材品种以三个系列纸材品种以外，还开发了塑料和复合材料品种。外，还开发了塑料和复合材料品种。华中科技大学推出的华中科技大学推出的HRP系

41、列成形机和成形材料，具有较高系列成形机和成形材料，具有较高的性价比。的性价比。清华大学推出了清华大学推出了SSM系列成型机及成型材料。系列成型机及成型材料。 422. LOM成形的基本原理 43（1）工作）工作开始时，送料机构把单面涂有热溶胶的纸片送至开始时，送料机构把单面涂有热溶胶的纸片送至工作台的上方；工作台的上方； 热溶胶的特点：加热时具有粘性。热溶胶的特点：加热时具有粘性。热溶胶的作用：把各层材料黏和在一起。热溶胶的作用：把各层材料黏和在一起。（2）激光束）激光束按计算机数据系统提取的截面轮廓线，把工作按计算机数据系统提取的截面轮廓线，把工作台上方的材料切除，得到工件的截面形状，并把周

42、围多台上方的材料切除，得到工件的截面形状，并把周围多余的材料切碎。余的材料切碎。（3）然后）然后工作台下降一个层厚工作台下降一个层厚(纸片厚）的高度，送料机纸片厚）的高度，送料机构再铺新一层纸片。由热黏压机构将新一层材料黏合在构再铺新一层纸片。由热黏压机构将新一层材料黏合在上层材料上。上层材料上。（4）激光束按照指定的截面轮廓再次切割。）激光束按照指定的截面轮廓再次切割。（5）如此反复，最终得到由许多小废料块包围的三维原型）如此反复，最终得到由许多小废料块包围的三维原型零件，然后取出工件，将多余的废料小块剔除，最终获零件，然后取出工件，将多余的废料小块剔除，最终获得三维产品。得三维产品。 44

43、LOM成形的后处理453. LOM成形用材料 LOM快速成形采用经过快速处理的纸作原材料，这快速成形采用经过快速处理的纸作原材料，这种纸由纸质基底和涂覆在上面的一层黏结剂、改性种纸由纸质基底和涂覆在上面的一层黏结剂、改性添加剂组成。添加剂组成。成本低，大约在成本低，大约在人民币人民币5060元元/Kg。纸质基底在激光切割过程中一直保持为固态，不发纸质基底在激光切割过程中一直保持为固态，不发生状态改变，因而翘曲变形小。经表面涂覆后，不生状态改变，因而翘曲变形小。经表面涂覆后，不吸水，有良好的稳定性。吸水，有良好的稳定性。 464. LOM快速成形技术的优缺点 4.14.1 LOM快速成形技术的优

44、点快速成形技术的优点（1）设备）设备价格低廉（与价格低廉（与SLA相比），采用相比），采用CO2激光器，成本激光器，成本低廉，使用寿命长，造型材料成本低。低廉，使用寿命长，造型材料成本低。（2）由于）由于只需要使激光束沿着物体的轮廓进行切割，无需扫只需要使激光束沿着物体的轮廓进行切割，无需扫描整个断面，所以这是一个高速的快速原型工艺。常用于加描整个断面，所以这是一个高速的快速原型工艺。常用于加工内部结构简单的大型零件，体积越大，效率越高。工内部结构简单的大型零件，体积越大，效率越高。 （3）无需）无需设计和构建支撑结构。设计和构建支撑结构。（4）易于）易于使用，无环境污染。使用，无环境污染。

45、474.24.2 LOM快速成形技术的缺点快速成形技术的缺点 （1）需要）需要专门实验室环境，维护费用高昂。专门实验室环境，维护费用高昂。（2）可）可实际应用的原材料种类较少，尽管可选用若干原材实际应用的原材料种类较少，尽管可选用若干原材料，例如纸、塑料、陶土以及合成材料，但目前常用的只料，例如纸、塑料、陶土以及合成材料，但目前常用的只是纸，其它的仍在研制开发中。是纸，其它的仍在研制开发中。（3）材料）材料利用率低，当制作薄壳类零件时，材料利用率可利用率低，当制作薄壳类零件时，材料利用率可能不足能不足20%。（4）后处理）后处理工艺困难，因为废料较多，并且快速成型制件工艺困难，因为废料较多，并

46、且快速成型制件镶嵌于其中，剥离废料相当麻烦。镶嵌于其中，剥离废料相当麻烦。（5）制件）制件层与层之间粘结强度较低，特别是在环境温度、层与层之间粘结强度较低，特别是在环境温度、湿度变化的情况下，层与层之间容易发生开裂。湿度变化的情况下，层与层之间容易发生开裂。 48（6）表面）表面比较粗糙，工件表面有明显的台阶纹，成型后要比较粗糙，工件表面有明显的台阶纹，成型后要进行打磨；且纸制零件很容易吸潮，必须立即进行后处理、进行打磨；且纸制零件很容易吸潮，必须立即进行后处理、上漆。上漆。（7）难以）难以构建精细形状的零件，即仅限于结构简单的零件。构建精细形状的零件，即仅限于结构简单的零件。 （8）由于）由

47、于难以（虽然并非不可能）去除里面的废料，该工难以（虽然并非不可能）去除里面的废料，该工艺不宜构建内部结构复杂的零件。艺不宜构建内部结构复杂的零件。（9）当）当加工室的温度过高时常有火灾发生，因此，工作过加工室的温度过高时常有火灾发生，因此，工作过程中需要专职人员职守。程中需要专职人员职守。495. LOM快速成形技术的应用 505.1 面曝光快速成型 MPSL(Mask Projection Stereolithography)面曝光快速面曝光快速成型与扫描式固化快速成型最大的不同在于采用片层掩膜技成型与扫描式固化快速成型最大的不同在于采用片层掩膜技术，一次曝光固化一个层面的实体。术，一次曝光

48、固化一个层面的实体。MPSL的关键技术之一的关键技术之一是如何生成图形动态掩膜（是如何生成图形动态掩膜（Dynamic Mask）。）。 图形掩膜的生成方式有多种，早期是利用静电复印技术图形掩膜的生成方式有多种，早期是利用静电复印技术原理，在玻璃底版上生成图形掩膜。目前，比较典型的图形原理，在玻璃底版上生成图形掩膜。目前，比较典型的图形生成工艺是采用液晶显示技术（生成工艺是采用液晶显示技术（Liquid Crystal Display，LCD）和数字投影技术（）和数字投影技术（Digital Light Processing，DLP）。）。下面对这两种技术分别进行简单地介绍，着重说明一下下面对

49、这两种技术分别进行简单地介绍，着重说明一下DLP的技术原理。的技术原理。 51面曝光快速成型掩膜生成技术断电状态通电状态123564图图 光线光线阻断（左）和穿透（右）示意图阻断（左）和穿透（右）示意图1-偏光器；偏光器；2-通电层；通电层；3-液晶分子；液晶分子；4-电源；电源；5-通电层；通电层；6-偏光器偏光器LCD （Liquid Crystal Display，LCD）基本原理）基本原理 525.2 LCD （Liquid Crystal Display）液晶显示技术偏光板上玻璃下玻璃液晶53 液晶显示器由上、下玻璃板和液晶组成，从图中我们可以知液晶显示器由上、下玻璃板和液晶组成，从

50、图中我们可以知道道, 当上下两块玻璃之间没有施加电压时当上下两块玻璃之间没有施加电压时, 液晶的排列会依照上液晶的排列会依照上下两块玻璃的配向膜而定。对于下两块玻璃的配向膜而定。对于TN型的液晶来说型的液晶来说, 上下的配向上下的配向膜的角度差恰为膜的角度差恰为90度。所以液晶分子的排列由上而下会自动旋度。所以液晶分子的排列由上而下会自动旋转转90度度, 当入射的光线经过上面的偏光板时当入射的光线经过上面的偏光板时, 会只剩下单方向极会只剩下单方向极化的光波。通过液晶分子时化的光波。通过液晶分子时, 由于液晶分子总共旋转了由于液晶分子总共旋转了90度度, 所所以当光波到达下层偏光板时以当光波到

51、达下层偏光板时, 光波的极化方向恰好转了光波的极化方向恰好转了90度。而度。而下层的偏光板与上层偏光板下层的偏光板与上层偏光板, 角度也是恰好差异角度也是恰好差异90度，所以光线度，所以光线便可以顺利的通过。便可以顺利的通过。54 但是如果我们对上下两块玻璃之间施加电压时但是如果我们对上下两块玻璃之间施加电压时, 由于由于TN型液晶多为介电系数异方性为正型的液晶型液晶多为介电系数异方性为正型的液晶(/ ，代表着平，代表着平行方向的介电系数比垂直方向的介电系数大，因此当液晶分行方向的介电系数比垂直方向的介电系数大，因此当液晶分子受电场影响时，其排列方向会倾向平行于电场方向子受电场影响时，其排列方

52、向会倾向平行于电场方向)，所以，所以我们从图我们从图10中便可以看到，液晶分子的排列都变成站立着的。中便可以看到，液晶分子的排列都变成站立着的。此时通过上层偏光板的单方向的极化光波，经过液晶分子时此时通过上层偏光板的单方向的极化光波，经过液晶分子时便不会改变极化方向，因此就无法通过下层偏光板。便不会改变极化方向，因此就无法通过下层偏光板。 55面曝光快速成型掩膜生成技术图4 两个DMD 像素图(微镜画成透明的)DLP（Digital Light Processing）数字投影技术原理数字投影技术原理56DLP（Digital Light Processing）数字投影技术原理 DLP（Digi

53、tal Light Processing）数字投影技术即数字数字投影技术即数字光处理，该技术是基于德州仪器公司（光处理，该技术是基于德州仪器公司（Texas Instruments）开发的数字微镜开发的数字微镜 （Digital Micromirror Device，DMD）来完）来完成显示数字可视信息的最终环节。成显示数字可视信息的最终环节。DMD是在是在 CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) 的标准半导体的标准半导体制程上，加上一个可以调整反射面的旋转机构形成的器件，制程上，加上一个可以调整反射面的旋转机构形成的器件，因此一个因此一个

54、DMD可被简单描述成为一个半导体光开关。成千上可被简单描述成为一个半导体光开关。成千上万个微小的方形万个微小的方形1313m镜片被固定在静态随机存取内存镜片被固定在静态随机存取内存（SRAM）上方的铰链结构上而组成）上方的铰链结构上而组成DMD，如图，如图1-3所示。每所示。每一个镜片可以通断一个象素的光。铰链结构允许镜片在两个一个镜片可以通断一个象素的光。铰链结构允许镜片在两个状态之间倾斜，状态之间倾斜，+10度为度为“开开”。-10度为度为“关关”，当镜片不，当镜片不工作时，它们处于工作时，它们处于0度度“停泊停泊”状态。状态。 57DLP（Digital Light Processing

55、）数字投影技术原理成像面光吸收装置投影镜头DMD光源微镜片图图1-3 数字微镜数字微镜7图图1-4 单个微镜片投影成像示意图单个微镜片投影成像示意图DLP（Digital Light Processing）原理）原理5859DLP（Digital Light Processing）数字投影技术原理 视频或图形信号经视频或图形信号经DLP视频处理转换成二进制数据平面后，视频处理转换成二进制数据平面后，就被送入就被送入DMD。信息的每一个象素按照。信息的每一个象素按照1:1的比例被直接映射的比例被直接映射在相应的微镜片上，通过对每一个微镜片下的存储单元以二进在相应的微镜片上，通过对每一个微镜片下的存储单元以二进制平面信号进行电子化寻址，制平面信号进行电子化寻址，DMD阵列上的每个微镜片被以阵列上的每个微镜片被以静电方式倾斜为静电方式倾斜为“开开”或或“关关”状态。因此对于一个微镜片来状态。因此对于一个微镜片来说，说，DLP成为一个简单的光学系统，如图成为一个简单的光学系统，如图1-4所示。三个镜片所示。三个镜片不同的反射状态，就可以相应地生成黑或白的光点。全部不同的反射状态，就可以相应地生成黑或白的光点。全