第6章 快速成型制造的几种典型工艺及后处理

1、第第6 6章章 快速成型制造的几种典型工艺及快速成型制造的几种典型工艺及后处理后处理第6章快速成型制造的几种典型工艺及后处理6.1光固化成型(SLA)6.1.1光固化成型的基本原理6.1.2光固化成型的特点6.1.3光固化成型的后处理6.2分层实体制造(LOM)6.2.1分层实体制造的基本原理6.2.2分层实体制造的特点6.2.3分层实体制造的后处理6.3选择性激光烧结(SLS)6.3.1选择性激光烧结的基本原理6.3.2选择性激光烧结的特点6.3.3选择性激光烧结的后处理第6章快速成型制造的几种典型工艺及后处理6.4熔融沉积制造(FDM)6.4.1熔融沉积制造的基本原理6.4.2熔融沉积制造

2、的特点6.4.3熔融沉积制造的后处理6.5三维打印(3DP)6.5.1三维打印的基本原理6.5.2三维打印的特点6.5.3三维打印的后处理6.6几种典型成型方法的分析比较6.7成型实例6.7.1基于FDM的成型实例6.7.2基于3DP的成型实例应用最广泛的快速成型工艺： 1、光固化成型(SLA)2、分层实体制造(LOM)3、选择性激光烧结(SLS)4、熔融沉积制造(FDM)5、三维打印(3DP) 都是基于增材的加工法原理，其差别在于使用的成型原材料以及每层轮廓的成型方法。6.1光固化成型(SLA)光固化成型光固化成型(Stereo Lithography Apparatus,(Stereo L

3、ithography Apparatus,简称简称SLA)SLA)： 以光敏树脂为原料，采用计算机控制下的紫外激光束以光敏树脂为原料，采用计算机控制下的紫外激光束以原型各分层截面轮廓为轨迹进行逐点扫描，使被扫以原型各分层截面轮廓为轨迹进行逐点扫描，使被扫描区内的树脂薄层产生光聚合反应后固化，从而形成描区内的树脂薄层产生光聚合反应后固化，从而形成制件的一个薄层截面。一层固化完毕后，向下移动工制件的一个薄层截面。一层固化完毕后，向下移动工作台，在刚刚固化的树脂表面布放一层新的光敏树脂作台，在刚刚固化的树脂表面布放一层新的光敏树脂以便进行循环扫描、固化。新固化的一层牢固地粘结以便进行循环扫描、固化。

4、新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复堆积成整个原型。在前一层上，如此重复堆积成整个原型。6.1.1光固化成型的基本原理图6-1SLA的工艺原理6.1.2光固化成型的特点1) 尺寸精度高。2) 表面质量较好。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。1) 尺寸稳定性差。2) 需要设计成型件的支撑结构，否则会引起成型件变形。3) 设备运转及维护成本较高。4) 可使用的材料种类较少。5) 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。6) 需要二次固化。6.1.2光固化成型的特点图6-2SLA制作的原型6.

5、1.3光固化成型的后处理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。6.2分层实体制造(LOM)分层实体制造分层实体制造(Laminated Object Ma

6、nufacturing(Laminated Object Manufacturing，简称，简称LOM)LOM)：采用激光器和加热辊，按照分层模型所获得的数据，采用激光器和加热辊，按照分层模型所获得的数据，用激光束将单面涂有热熔胶的纸片、塑料带、金属带用激光束将单面涂有热熔胶的纸片、塑料带、金属带或其他材料的箔带切割成欲制样品的内外轮廓，再通或其他材料的箔带切割成欲制样品的内外轮廓，再通过加热使刚刚切好的一层和下面的已切割层粘结在一过加热使刚刚切好的一层和下面的已切割层粘结在一起。这样通过逐层反复的切割、粘合，最终叠加成整起。这样通过逐层反复的切割、粘合，最终叠加成整个原型。个原型。6.2.1

7、分层实体制造的基本原理图6-4LOM的工艺原理6.2.1分层实体制造的基本原理图6-5LOM制作的原型6.2.2分层实体制造的特点1) 成型速度较快。2) 原型精度高，翘曲变形较小。3) 原型能承受高达200的温度，有较高的硬度和较好的力学性能。4) 无需设计和制作支撑结构。5) 可进行切削加工。6) 废料易剥离，无需后固化处理。7) 可制作尺寸大的原型。8) 原材料价格便宜，原型制作成本低。1) 不能直接制作塑料原型。2) 原型(特别是薄壁件)的抗拉强度和弹性不够好。6.2.2分层实体制造的特点3) 原型易吸湿膨胀，因此，成型后应尽快进行表面防潮处理(树脂、防潮漆涂覆等)。4) 原型表面有台

8、阶纹理，难以构建形状精细、多曲面的零件，仅限于结构简单的零件，因此，成型后需进行表面打磨。6.2.3分层实体制造的后处理1) 余料去除。2) 表面处理。6.3选择性激光烧结(SLS)图6-6SLS直接制得的功能零件选择性激光烧结选择性激光烧结(Slected Laser Sintering(Slected Laser Sintering，简称，简称SLS)SLS)：按照计算机输出的原型或零件分层轮廓，采用激光束按照计算机输出的原型或零件分层轮廓，采用激光束按指定路径在选择区域内扫描并熔融工作台上很薄、按指定路径在选择区域内扫描并熔融工作台上很薄、且均匀铺层的材料粉末。处于扫描区域内的粉末颗粒且

9、均匀铺层的材料粉末。处于扫描区域内的粉末颗粒被激光束熔融后，形成一层烧结层。各层全部烧结后被激光束熔融后，形成一层烧结层。各层全部烧结后去掉多余的粉末即获得原型或零件。去掉多余的粉末即获得原型或零件。6.3.1选择性激光烧结的基本原理图6-7SLS的工艺原理6.3.2选择性激光烧结的特点1) 可以采用多种材料。2) 过程与零件复杂程度无关，制件的强度高。3) 材料利用率高，未烧结的粉末可重复使用，材料无浪费。4) 无需支撑结构。5) 与其他成型方法相比，能生产较硬的模具。1) 原型结构疏松、多孔，且有内应力，制件易变形。2) 生成陶瓷、金属制件的后处理较难。3) 需要预热和冷却。4) 成型表面

10、粗糙多孔，并受粉末颗粒大小及激光光斑的限制。5) 成型过程产生有毒气体和粉尘，污染环境。6.3.3选择性激光烧结的后处理1.高温烧结2.热等静压3.熔浸4.浸渍6.4熔融沉积制造(FDM)图6-8FDM制得的原型6.4熔融沉积制造熔融沉积制造熔融沉积制造(Fused Deposition Modeling(Fused Deposition Modeling，简称，简称FDM)FDM)：采用热熔喷头，使半流动状态的材料流体按模型分层数据控制采用热熔喷头，使半流动状态的材料流体按模型分层数据控制的路径挤压出来，并在指定的位置沉积、凝固成型，这样逐层的路径挤压出来，并在指定的位置沉积、凝固成型，这样

11、逐层沉积、凝固后形成整个原型。沉积、凝固后形成整个原型。6.4.1熔融沉积制造的基本原理图6-9FDM的工艺原理6.4.1熔融沉积制造的基本原理图6-10双喷头FDM的工艺原理6.4.2熔融沉积制造的特点1) 成本低。2) 采用水溶性支撑材料，使得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、PPSF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。1) 原型的表面有较明显的条纹。2) 沿

12、成型轴垂直方向的强度比较弱。3) 需要设计与制作支撑结构。4) 需要对整个截面进行扫描涂覆，成型时间较长。6.4.3熔融沉积制造的后处理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。6.5三维打印(3DP)图6-11三维喷涂粘结(3DP)制作的原型三维打印三维打印(Three Dimensional Printing(Three Dimensional Printing，简称，简称3DP)3DP)：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

13、层上的特定区域，粘结后去除多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的原型或零件。也可以直接逐层喷涂陶瓷余的材料便得到所需的原型或零件。也可以直接逐层喷涂陶瓷或其他材料粉浆，硬化后即得到所需的原型或零件。或其他材料粉浆，硬化后即得到所需的原型或零件。6.5.1三维打印的基本原理图6-123DP的工艺原理6.5.2三维打印的特点1) 成型速度快，成型材料价格低，适合做桌面型的快速成型设备。2) 在粘结剂中添加颜料，可以制作彩色原型，这是该工艺最具竞争力的特点之一。3) 成型过程不需要支撑，多余粉末的去除比较方便，特别适合于做内腔复杂的原型。6.5.3三维打印的后处

14、理后处理比较简单。成型结束后，将原型置于加热炉中或成型箱中保温，作进一步固化，凝固到一定强度后取出。在除粉系统中将没粘接的粉末除去，并将这些粉末收回。由于粘接剂粘接的零件强度较低，通常还需在原型的表面涂上硅胶或其它耐火材料，以提高部件的表面精度。或在高温炉中焙烧，提高原型的力学强度及耐热性。6.6几种典型成型方法的分析比较表6-1几种典型成型方法比较6.7成型实例6.7.1基于FDM的成型实例1.生成STL文件2.将STL文件数据处理软件3.将分层数据文件输入快速成型设备4.后处理6.7.1基于FDM的成型实例图6-13叶轮的CAD模型1.生成STL文件2.将STL文件数据处理软件图6-14STL导入快速成型软件2.将STL文件数据处理软件图6-15叶轮的成型方向和布局2.将STL文件数据处理软件图6