第八章 快速成形技术

1、第八章 快速成形技术第一节光敏树脂液相固化成形第二节选择性激光粉末烧结成形第三节薄片分层叠加成形第四节熔丝堆积成形快速成型技术（Rapid Protoying RP ）n新的技术新的技术q计算机（三维造型、数控）q激光q精密传动q新材料n新的制造概念新的制造概念-增材加工增材加工q传统成形：二维设计毛坯粗加工精加工成品q快速成形：三维设计逐层堆积成形样品快速成型工艺的优势：n使模型或模具的制造时间缩短数倍甚至数十倍，大大缩短新产品研制周期； n使复杂模型的直接制造成为可能，提高了制造复杂零件的能力；n可以及时发现产品设计的错误，做到早找错、早更改， 避免更改后续工序所造成的大量损失，显著提高新

2、产品投产的一次成功率；n使设计、交流和评估更加形象化，使新产品设计、样品制造、市场定货、生产准备、等工作能并行进行，支持同步（并行）工程的实施；n节省了大量的开模费用，成倍降低新产品研发成本。快速原型制造种类n光敏树脂液相固化成形光敏树脂液相固化成形（立体光刻SLA - Stereolithography ）n选择性激光粉末烧结成形选择性激光粉末烧结成形（SLS - Selective Laser Sintering）n薄片分层叠加成形薄片分层叠加成形（LOM -Laminated Object Manufacturing）n熔丝堆积成形熔丝堆积成形（FDM - Fused Depositio

3、n Modeling）n其他其他q3D3D彩色打印彩色打印第一节光敏树脂液相固化成形n一、液相光敏树脂固化成形SL工艺原理n二、特点和成形材料n三、SL光敏树脂液相固化成形设备和应用一、液相光敏树脂固化成形SL工艺原理n简介简介q1988年美国3D System公司推出世界上第一台商品化RP设备SLA-250qSLA工艺已成为世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速原型制造方法n成型原理成型原理 q激光器：紫外光激光器n氦-镉（He-Cd）：波长=325nm，激光器寿命2000-3000hn氩离子激光器：输出功率100500mW，波长351365nmq光敏树脂：遇紫外光凝固q计算机控

4、制：n选择扫描：X-Y工作台n升降工作台：步距0.02mmn成型精度成型精度q截层厚度：0.040.07mmq可控精度：0.1mm液相光敏树脂固化成形(SL)样件二、特点n优点优点q(1)成型过程自动化程度高。q(2)尺寸精度高(可达0.1mm)。，表面质量好q(3)材料利用率接近100%q(4)可以制作结构十分复杂精细的的模型。q(5)可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失模。缺点缺点q(1)成型过程中伴随著物理和化学变化，所以制品较易弯曲，需要支撐，否則会引起制品变形。q(2)设备运转及维护成本较高。q(3)可使用的材料种类较少。q(4)液态树脂具有气味和毒性q(5)需要二次固化

5、。q(6)液态树脂固化后的性能尚不如常用的工业塑料，一般较脆、易断裂，不便进行机械加工。成形材料n光敏树脂材料的组成光敏树脂材料的组成q低聚物、反应性稀释剂、光引发剂n光敏树脂材料的分类光敏树脂材料的分类：依据光引发剂分类：q1.1.自由基树脂，该类树脂主要有三种。自由基树脂，该类树脂主要有三种。n(1)环氧树脂丙烯酸酯，特点是聚合快、聚合强度高，但脆性大，易泛黃。n(2)聚酯丙烯酸酯，特点是流平和固化好，性能可調节。n(3)聚氨酯丙烯酸酯，特点是柔順性和耐磨性好，但聚合速度慢。q2.2.阳离子光固化树脂阳离子光固化树脂 与自由基树脂比较起來其优点如下：n(1)固化收缩率低，约2%3%，而丙烯

6、酸类的自由基树脂的收缩率约为5%7%。n(2)黏度低，成型后易于排淨多余的树脂。n(3)成型件精度高、强度大，可直接用于注塑模具。q3.3.混杂型光固化树脂混杂型光固化树脂nSCR-710，SCR-735，SCR-950，SCR-11120三、SL光敏树脂液相固化成形设备和应用n应用应用q直接制作各种树脂功能件，用作结构验证和功能测试q制作比较精细和复杂的零件q制作有透明效果的零件q用制作出来的原型翻制模具图8-2CPS型液相固化快速成形机的外形及结构组成a)CPS快速成形机外形b)Z轴升降工作台c)X、Y工作台结构示意 d)光学系统示意图SL件的后处理n后处理的目的后处理的目的q原型制作完毕

7、，需进行剥离，以便去除废料和支撑结构q有时还需进行后固化、修补、打磨、抛光、表面涂覆、表面强化处理等。n后固化处理后固化处理q由于刚制作的原型强度较低，需要通过进一步固化处理，才能达到需要的性能。后固化工序是采用很强的紫外光源使刚刚成形的原型件充分固化，q这一工序可以在紫外烘干箱中进行。固化时间根据制件的尺寸大小、形状和树脂特性而定，一般不少于30min。第二节选择性激光粉末烧结成形n一、选择性激光粉末烧结成形SLS工艺原理n二、特点和成形材料n三、SLS选择性激光粉末烧结成形设备和应用一、选择性激光粉末烧结成形SLS工艺原理n成型原理成型原理q铺粉：0.10.2mm，并加热至恰好低于该粉末烧

8、结点的某一温度。q扫描烧结：n用CO2激光器n按照该层的截面轮廓在粉层上扫描激光器使粉末的温度升至熔化点，进行烧结并与下面已成形的部分实现粘接n成形材料：成形材料：q塑料粉末：聚碳酸酯、尼龙q金属粉末 ：钢、铜合金成形材料n塑料粉末：单一材料直接烧结n金属（陶瓷）粉末：q单一金属q有机粘接剂q低熔点金属粘接表8-1用于SLS工艺的材料一览表材料特性石蜡主要用于熔模铸造，制造金属型聚碳酸酯坚固耐热，可以制造微细轮廓及薄壳结构，也可以用于消失模铸造，正逐步取代石蜡尼龙、纤细尼龙、合成尼龙(尼龙纤维)它们都能制造可测试功能零件，其中合成尼龙制件具有最佳的力学性能钢、铜合金具有较高的强度，可作注塑模二

9、、SLS的特点n优点：优点：q( 1 )可采用多种材料：金属、塑料、陶瓷、蜡型。q ( 2 ) 制造工艺比较简单。q ( 3 )高精度。q ( 4 )材料利用率高，价格便宜，成本低。q ( 5 )无需支撑结构。因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用。n缺点缺点q成形速度比较慢q成形式精度和表面质量不太高q成形过程中能量消耗较高。三、SLS选择性激光粉末烧结成形设备和应用n组成：组成：q机械系统q光学系统和q计算机控制系统组成。n机械系统和光学系统在计算机控制系统的控制下协调工作，自动完成制件的加工成形。n机械系统构成机械系统构成q主要由机架、工作平台、铺粉机构、两个活塞缸、集料箱、加热灯和通风除尘

10、装置组成。图8-5北京隆源自动成型系统有限公司：AFS300型激光粉末烧结主机结构示意图选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLS）应用案例）应用案例上图为某摩托车厂制作的250型双缸摩托车汽缸头。这是一款新设计的发动机，用户需要10件样品进行发动机的模拟实验。该零件具有复杂的内部结构，传统机加工无法加工，只能采用铸造成型。整个过程需经过开模、制芯、组模、浇铸、喷砂和机加等工序，与实际生产过程相同。其中仅开模一项就需三个月时间。这对于小批量的样品制作无论在时间上还是成本上都是难以接受的。采用选择性激光烧结技术，以精铸熔模材料为成型材料,在AFS成型机上仅用5天即加工出该零件的10件铸造熔模,再经熔

11、模铸造工艺，10天后得到了铸造毛坯。经过必要的机加工，30天即完成了此款发动机的试制。功能验证选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLS）应用案例）应用案例 某航空产品生产厂家，要生产几十件某战斗机型的控制手柄，该手柄为铝合金中空多孔结构，且外型为多曲面不规则形状，若开模生产，其成本相当可观。利用快速成型设备，迅速拿到样件，经测评合格后，用快速成型机进行小批量生产，即减少了投资，又赢得了时间。实践证明：AFS激光快速成型技术已被证明是解决小批量复杂铸造制造的非常有效的手段。迄今为止，人们已通过激光快速成型成功地生产了包括叶轮、叶片、发动机转子、泵体、发动机缸体、缸盖等复杂铸件。小批量无模生产第三节

12、薄片分层叠加成形n一、薄片分层叠加成形LOM工艺原理n二、特点和成形材料n三、LOM分层叠加成形设备和应用一、薄片分层叠加成形LOM工艺原理n成型原理q黏贴纸材q用CO2激光器沿轮廓切割q工作台下降n成型材料q特种纸背面抹了热熔胶（热敏胶）q厚度：0.1mmLOM成型工艺过程n1 1）基底制作：）基底制作：q由于叠层在制作过程中要由工作台带动频繁升降，为实现原型与工作台之间的连接，需要制作基底，通常制作35层。为保证基底的牢同，在制作基底之前要将工作台预热。n2 2）原型制作）原型制作q制作完基底后，即可由设备根据给定的工艺参数自动完成原型所有叠层的制作过程。n3 3）余料去除：）余料去除：q

13、主要是将成形过程中产生的网状废料与工件剥离，通常采用手工剥离的方法。n4 4）后处理：）后处理：q余料去除以后，为提高原型表面状况和机械强度，保证其尺寸稳定性、精度等方面的要求，需对原型进行后置处理，如修补、打磨、抛光、表面涂覆等，经处理的LOM原型表现出类似硬木的效果和性能。分层实体制造（LOM）样件分层实体制造（LOM）样件二、特点和成形材料nLOMLOM成形优点：成形优点：qLOM工艺只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。因此成形厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件。q工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翅曲变形，零件的精度较高。q工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工

14、中起到了支撑作用，所有LOM工艺无需加支撑。q原材料价格便宜，原型制作成本低。设备可靠性高，寿命长,操作方便。nLOMLOM成形缺点：成形缺点：q( 1 )不能直接制作塑料工件。q( 2 )工件（特别是薄壁件）的抗拉强度和弹性不够好。q( 3 )工件易吸湿膨胀，因此，成型后应尽快进行表面防潮处理。q( 4 ) 工件表面有台阶纹，其高度等于材料的厚度（通常为0.lmm 左右）, 因此，成型后需进行表面打磨。三、LOM分层叠加成形设备和应用n设备组成q激光系统、走纸机构、XY扫描机构和Z升降机构、加热辊图8-8SSM800型分层叠加成形设备a)前面部分b)背后部分1X、Y轴2热压系统3测高4收纸辊

15、5Z轴6送纸辊7工作平台8激光头第四节熔丝堆积成形n一、熔丝堆积成形FDM工艺原理n二、特点和成形材料n三、FDM熔丝堆积成形设备和应用一、熔丝堆积成形FDM工艺原理图8-9熔线堆积成形(FDM)工艺原理图nFDM的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、尼龙等，以丝状供料。如图所示，材料在喷头内被加热熔化,喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结。 n FDM工艺不用激光，因此使用、维护简单，成本较低。n用蜡成形的零件原型，可以直接用于失蜡铸造。n用ABS制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。n由于以FDM工艺为代表的

16、熔融材料堆积成形具有一些显著优点，该工艺发展极为迅速。熔融沉积成型制造（熔融沉积成型制造（FDM）样件）样件二、FDM的特点n优点优点q( 1 )由于采用了热融挤压头的专利技术，使整个系统构造原理和操作简单，维护成本低，系统运行安全。 q( 2)成型速度快。q( 3 )用蜡成型的零件原型，可以直接用于熔模铸造。q( 4 )可以成型任意复杂程度的零件。q( 5 )原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小。q( 6 )原材料利用率高，且材料寿命长。q( 7 )支撑去除简单，无需化学清洗，分离容易。n缺点缺点q( 1 )成型件的表面有较明显的条纹。q( 2 )沿成型轴垂直方向的强度比较弱。q(

17、 3 )需要设计与制作支撑结构。q( 4 )需要对整个截面进行扫描涂覆，成型时间较长。q( 5 )原材料价格昂贵。三、FDM熔丝堆积成形设备和应用图8-10 FDM熔丝堆积成形设备MEM-250-快速成型机MEM300-IIKen YoussefiMechanical Engineering Dept.3D打印- ZPrintPiston raises for the next layer, powder is spread over the build area, enough for one layer.Standard inkjet printheadRoller spreadsa layer ofpowder materialFeedBuildPiston lowers making room for new layerKen YoussefiENGR 10ZPrint - examplesConcept ModelingSize: 21 x 33 x 20 cmPrinting Time: 12 hoursConsumer ProductsSize: 8 x 18 x 5 cmPrinting Time: 2 hoursMedicalSize: 25 x 20 x 10 cmPrinting Time: 5.5 hoursFootwearSize