先进制造技术——快速成型技术

1、快速成形技术快速成形技术概述：概述： 快速成形技术（快速成形技术（Rapid Prototyping，简称，简称RP）2020世纪世纪8080年代发展起来的，它综合了机械工程、年代发展起来的，它综合了机械工程、CAD、数控技术、激光技术及材料科学技术，可以自动、数控技术、激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功直接、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，从而大大缩短产品的研能的原型或直接制造零件，从而大大缩短产品的研制周期。因而，被认为是近制周期。因而，被认为是近2020来制造领域的一个重来制造领域的一个重大突破。影响力与数控技术相

2、当。大突破。影响力与数控技术相当。发展：发展： 我国在我国在9090年代先后有武汉华中科技大学快速制年代先后有武汉华中科技大学快速制造中心、西安交大先进制造技术研究所、北京殷华造中心、西安交大先进制造技术研究所、北京殷华实业有限公司、陕西省激光快速成形与模具制造工实业有限公司、陕西省激光快速成形与模具制造工程研究中心等在快速成形工艺研究、设备开发、数程研究中心等在快速成形工艺研究、设备开发、数据处理及控制软件、新材料的研发等方面做了大量据处理及控制软件、新材料的研发等方面做了大量有成效的工作。有成效的工作。基本思路：基本思路： CAD模型建立模型建立 STL文件生成文件生成 分层切片分层切片

3、快速堆积成形快速堆积成形分类：分类： 光敏树脂液相固化成形、选择性激光粉末烧结光敏树脂液相固化成形、选择性激光粉末烧结成形、薄片分层叠加成形和熔丝堆积成形等成形、薄片分层叠加成形和熔丝堆积成形等4 4种。种。光敏树脂液相固化成形光敏树脂液相固化成形 光敏树脂液相固化成形（光敏树脂液相固化成形（SLStereo Lithography) )，又称光固化立体造型或立体光刻）。最早由又称光固化立体造型或立体光刻）。最早由Charles Hul发明并于发明并于19841984年获得专利，年获得专利，19881988年美国年美国3D3D系统公司系统公司推出商品化的世界上第一台快速成形机。推出商品化的世界

4、上第一台快速成形机。基本原理：基本原理： SLSL工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作。工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作。这种液态材料在一定波长和功率的紫外线的照射下能这种液态材料在一定波长和功率的紫外线的照射下能迅速发生光聚合反应，相对分子量急剧增大，材料也迅速发生光聚合反应，相对分子量急剧增大，材料也由液态变成固态。由液态变成固态。特点：特点： 精度高、表面质量好、原材料利用率将近精度高、表面质量好、原材料利用率将近100%100%，能制造出形状特别复杂（如空心零件）、特别精细能制造出形状特别复杂（如空心零件）、特别精细（如首饰、装饰品等）的零件。制造出来的原型件，（如首饰、装饰品

5、等）的零件。制造出来的原型件，可快速翻制各种模具。可快速翻制各种模具。 不足点：材料昂贵，具有一定的毒性。不足点：材料昂贵，具有一定的毒性。应用：应用： 1 1、可直接制作树脂功能件，用作结构验证和功能、可直接制作树脂功能件，用作结构验证和功能测试测试 2 2、可制作比较精细和复杂零件、可制作比较精细和复杂零件 3 3、可制造出有透明效果的制件、可制造出有透明效果的制件 4 4、制造出来的原型可以翻制各种模具、制造出来的原型可以翻制各种模具头盔：新材料Somos 9420 EP-White是一种基于环氧树脂的光敏聚合物。 复杂件：RenShape SL 7800是一种具有高抗冲击强度的光敏聚合

6、物 。透明件复杂件选择性激光粉末烧结成形选择性激光粉末烧结成形 选择性激光烧结成形（选择性激光烧结成形（SLSSelected Laser Sintering) )，又称选区激光烧结）。由美国德克萨斯大，又称选区激光烧结）。由美国德克萨斯大学奥汀分校的学奥汀分校的C.R.Dechard于于19891989年研制成功。年研制成功。基本原理：基本原理： SLSSLS工艺是利用粉末材料（金属粉末或非金属粉末）工艺是利用粉末材料（金属粉末或非金属粉末）在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成形。成形。SLSSLS原理图原理图 工作台上均匀铺上工作台

7、上均匀铺上一层很薄（一层很薄（0.10.10.2mm0.2mm）的粉末，激光束在计算的粉末，激光束在计算机的控制下按照零件分机的控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行层轮廓有选择性地进行烧结，一层完成后再进烧结，一层完成后再进行下一层烧结。全部烧行下一层烧结。全部烧结完成后去掉多余的粉结完成后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干末，再进行打磨、烘干等处理便获得零件。等处理便获得零件。特点：特点： 材料应用面广，不仅能够制造塑料零件，还能制材料应用面广，不仅能够制造塑料零件，还能制造陶瓷、石蜡等材料的零件。特别是可制造金属零件。造陶瓷、石蜡等材料的零件。特别是可制造金属零件。 无需加支撑，因为没有被烧

8、结的粉末起到支撑作无需加支撑，因为没有被烧结的粉末起到支撑作用。因此可以烧结制造空心、多层镂空的复杂零件。用。因此可以烧结制造空心、多层镂空的复杂零件。成形材料：成形材料： 蜡粉及高分子塑料粉蜡粉及高分子塑料粉（早期）（早期）、金属或陶瓷粉、金属或陶瓷粉（为了提高原型的强度为了提高原型的强度) )。任何受热粘结的粉末都有被。任何受热粘结的粉末都有被用作用作SLSSLS原材料的可能性。原材料的可能性。应用：应用： 1 1、可直接制作树脂功能件，用作结构验证和功能、可直接制作树脂功能件，用作结构验证和功能测试，并可用于装配样机。测试，并可用于装配样机。 2 2、制造出来的原型可以翻制各种模具。、制

9、造出来的原型可以翻制各种模具。 3 3、制件可直接作熔模铸造用的蜡模和砂型、型芯。、制件可直接作熔模铸造用的蜡模和砂型、型芯。 采用雾化法制取金属粉末，有离心雾化和气采用雾化法制取金属粉末，有离心雾化和气体雾化。主要原理：使金属熔融，高速将金属液体雾化。主要原理：使金属熔融，高速将金属液滴甩出并急冷、随后形成粉末颗粒。滴甩出并急冷、随后形成粉末颗粒。薄片分层叠加成形薄片分层叠加成形 薄片分层叠加成形（薄片分层叠加成形（LOMLaminated Object Manufacturing) )，又称层叠实体制造或分层实体制造）。，又称层叠实体制造或分层实体制造）。由美国由美国Helisys于于19

10、861986年研制成功，并推出商品化的机器。年研制成功，并推出商品化的机器。基本原理：基本原理： LOMLOM工艺是利用薄片材料，如纸、塑料薄膜等作为工艺是利用薄片材料，如纸、塑料薄膜等作为成形材料，片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，成形材料，片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，用用COCO2 2或刀在计算机控制下按照或刀在计算机控制下按照CADCAD分层模型轨迹切割分层模型轨迹切割片材，然后通过热滚压，是当前层与下面已成形的工片材，然后通过热滚压，是当前层与下面已成形的工件层粘结，从而堆积成形。件层粘结，从而堆积成形。LOMLOM原理图原理图特点：特点： 1 1、只需在片材上切割出零件

11、截面的轮廓，而不用、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。因此易于制造大型、实体零件。扫描整个截面。因此易于制造大型、实体零件。 2 2、零件的精度较高。、零件的精度较高。 3 3、无需加支撑。工件外框与截面轮廓之间的多余、无需加支撑。工件外框与截面轮廓之间的多余材料起到支撑作用。材料起到支撑作用。成形材料：成形材料： 常用成卷的纸，纸的一面事先涂覆一层热熔胶。常用成卷的纸，纸的一面事先涂覆一层热熔胶。偶尔也用塑料薄膜。偶尔也用塑料薄膜。 应用：应用： 纸价格相对便宜，可以用来做汽车发动机曲轴、连纸价格相对便宜，可以用来做汽车发动机曲轴、连杆、各类箱体、盖板等零部件的原型样件。

12、杆、各类箱体、盖板等零部件的原型样件。 纸纸：抗湿性、稳定性、涂胶浸润性、抗拉强抗湿性、稳定性、涂胶浸润性、抗拉强度。度。 热熔胶热熔胶：保证层与层之间的粘结强度。：保证层与层之间的粘结强度。熔融沉积快速成型工艺熔融沉积快速成型工艺 一、熔融沉积工艺的基本原理一、熔融沉积工艺的基本原理 二、熔融沉积工艺的特点二、熔融沉积工艺的特点 三、熔融沉积成型材料与支撑材料三、熔融沉积成型材料与支撑材料 四、熔融沉积成型应用实例四、熔融沉积成型应用实例 一、基本原理一、基本原理 熔融沉积快速成型（Fused Deposition Modeling，简称FDM），是继SLA和LOM后的一种应用比较广泛的快速

13、成型工艺，并以美国Stratasys公司开发的FDM制造系统应用最为广泛。 又称熔丝沉积，它是将丝状的热熔性材料加热融化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，挤出的材料迅速固化并与周围材料粘结，层层堆积而成。 主要适用于模具行业新产品开发和医疗、考古等基于数字成像技术的三维实体模型制造。 FDM工艺由美国学者Dr.Scott Crump于1988年研制成功，并由美国Stratasys公司推出商品化的机器。1993年开发第一台FDM1650机型后，先后推出FDM2000、FDM3000、FDM8000等。 国内的清华大学与北京殷华公司较早地进行了FDM工艺商品化

14、系统的研制工作，并推出熔融挤压制造设备MEM250等。FDM FDM 原理图原理图 二、特点二、特点优点优点： 1、采用热熔挤压头专利技术，系统结构原理和操作简单，且使用无毒的原材料，设备可安装在办公环境中。 2、成型速度快。不需要SLA中的刮板工序。 3、用蜡成型的零件原型，可以直接用于熔模铸造。 4、可以成型任意复杂程度的零件。如复杂的内腔、孔等。 5、原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小。 6、原材料利用率高。 7、支撑去除简单。缺点缺点： 1、成型件的表面有较明显条纹。 2、沿成型轴垂直方向的强度比较弱。 3、需要设计制件支撑结构。 4、需要对整个截面进行扫描涂覆，成型时间较长。 5、原材料价格昂贵。 三、材料三、材料成型材料的特性要求：成型材料的特性要求：1、材料的粘度（影响材料的挤出过程）。2、材料熔融温度。3、粘结性（影响零件强度）。4、收缩率。3.1 成型材料 结论结论：粘度低、熔融温度低、粘结性好、收缩率小。 FDM工艺常用ABS工程塑料丝作为成形材料。3.2 支撑材料支撑材料的特性要求：支撑材料的特性要求：1、能承受一定高温，一般100即可。2、与成型材料不浸润，便于后处理。3、具有水溶性或者酸溶性。4、具有较低的熔融温度。5、流动性要好。步骤步骤：1、通过三维软件建立模型