快速成型基本工艺ppt课件

1、快速原型制造技术-第2讲 快速原型根本工艺制造科学与工程学院 梅筱琴第2讲 快速原型制造工艺n本讲主要内容：n快速原型主要的制造工艺n根本工艺过程n加工对象-资料n工艺特点n主要的工艺方法n学习提示：n每一种工艺方法的加工对象-资料都有着本人的特点，即资料技术促成了不同的RP工艺的开展快速原型的主要工艺方法n20世纪80年代以来，比较成熟的RP工艺有20余种，其中运用最广泛的有：n光固化成型/立体印刷Stereo Lithography Apparatus-SLAn叠/分层实体制造Laminated Object Manufacturing-LOMn激光选择性烧结Selected Laser

2、Sintering-SLSn熔融堆积成型Fused Deposition Modeling-FDMn三维打印Three-Dimensional Printing-3D-P一、光固化成型工艺/立体印刷-SLAnSLA -Stereo Lithography Apparatus或Stereo Lithography简称SLn1986年Charles W. Hull发明并获美国专利，1988年美国3D Systems公司推出商品化样机SLA-1，是世界上第一台快速原型机nSLA是最早出现,研讨最多，且技术上最为成熟的RPT，最高精度已能到达0.05mm目前研讨SLA技术的公司n3D Systems公

3、司、EOS公司、F&S公司、CMET公司、D-MEC公司等n美国3D Systems公司推出SLA-3500，SLA-5000运用半导体鼓励的固体激光器，扫描速度可到达5m/s，成形层厚最小可达0.05mm。 SLA-7000机型扫描速度达9.52m/s，成形层厚最小可达0.025mm，精度比SLA-5000提高了1倍n采用了一种称为Zephyer Recoating System的新技术，该技术是在每一成形层上，用一种真空吸附式刮板在该层上涂一层0.050.1mm的待固化树脂，使成形时间平均缩短了20%n国内，西安交通大学、清华大学等1.SLA成型原理1.SLA成型原理SLA成型原理

4、2.SLA的工艺流程SLA成型实例3.SLA的系统构造n液态光敏树脂n在一定波长=325/355nm和功率P=3040mW的光源照射下能迅速发生光聚合反响，分子量急剧增大，资料也从液态转变成固态n紫外光敏树脂n可见光敏树脂4.SLA的成型资料SLA工艺对光敏树脂的要求n粘度低n便于树脂在短时间内流平，减少加工时间，提高制造精度n光敏性高n即所吸收波长的范围窄n扫描速度越高，零件加工所需的时间越短。要求光敏树脂在光束扫描到液面时立刻固化，而当光束分开后聚合反响又必需立刻停顿，否那么会影响精度n光源寿命有限，光敏性差那么会延伸固化时间，添加制造本钱SLA工艺对光敏树脂的要求n固化收缩率小n光敏树脂

5、在由液态转化为固态的过程中会产生内应力收缩n导致原型件在制造过程中的变形、翘曲、开裂等，成型件的精度降低，机械性能下降n是SLA制件精度最主要的影响要素n机械性能良好n一定的硬度、强度等以满足运用的需求SLA工艺对光敏树脂的要求n溶胀小n湿态成型件在液态树脂中的溶胀会呵斥零件尺寸偏大n储存稳定性好n不发生缓慢聚合反响n不发生因其中组分挥发而导致粘度增大n不被氧化而变色n毒性小n本钱低n目前进口资料约1200元/公斤n液态光敏树脂的组成n与油墨和紫外光固化涂料组成类似n由预聚物(齐聚物)、光引发剂、反响性稀释剂、交联固化剂、光敏增感剂、热稳定剂、流平剂、抗氧剂等组成n液态光敏树脂分类根据光引发剂

6、的引发机理n自在基光固化树脂n阳离子光固化树脂n混杂型光固化树脂5.SLA主要的成型资料自在基光固化树脂n包括：n环氧树脂-丙烯酸脂n聚合速度快、强度高、脆性较大、产品易泛黄n聚脂丙烯酸脂n流平性好、固化性好、性能可调理n聚氨脂丙烯酸脂n聚合速度较慢、产品柔韧性与耐磨性好n优点：n固化速度高、粘度低、韧性好、本钱低n缺陷：n固化时，由于外表氧的干扰作用，成型零件精度较低；树脂固化时收缩大，成型零件翘曲变形大；反响固化率(固化程度)较环氧系的低，需二次固化；反响后应力变形大。阳离子光固化树脂n主要成份为环氧化合物。环氧树脂是最常用的阳离子型齐聚物，其优点如下：n固化收减少2%3%；产品精度高n阳

7、离子聚合物是活性聚合，在光源熄灭后可继续引发聚合n生坯件强度高；产品可以直接用于注塑模具n氧气对自在基聚合有阻聚作用，而对阳离子树脂那么无影响n缺陷：n粘度较高，需添加相当量的活性单体或低粘度的预聚物才干到达称心的加工粘度；n阳离子聚合通常要求在低温、无水情况下进展，条件比自在基聚合苛刻。混杂型光固化树脂n主要包括：n丙烯酸系列n乙烯基醚系列n环氧系列n与前两种树脂相比，具有以下优点n聚合时体积收缩很小甚至产生膨胀，可以设计成无收缩的聚合物n可以提供诱导期短而聚合速度稳定的聚合系统n能抑制光照消逝后自在基迅速失活而使聚合终结的缺陷6.SLA工艺的主要特点n成型方法简单，自动化程度高，能直接消费

8、塑料件n外表粗糙度较低，尺寸精度较高n可以制造构造非常复杂的、比较精细的原型，尤其是内部构造复杂的原型n成型过程中有物理、化学以及相的变化，制件较易翘曲、变形，需求支撑构造n成型速度较低，需求对制件进展二次固化，以提高制件的尺寸稳定性和运用性能n本钱高树脂和激光器价钱昂贵n原资料有气味和毒性，对环境有污染，且需避光保管7.支撑构造n在RP成型过程中，由于成型原理的缘由，不能使制件在某一截面上忽然出现的孤立轮廓或悬臂轮廓定位。n为此，设计一些细柱、十字、网格或肋状构造，从任务平台生长至孤立轮廓或悬臂轮廓出现的片层，以便对其进展可靠定位，同时有助于减少片层之间的翘曲变形。n根底支撑n人工支撑支撑构

9、造表示图根底支撑人工支撑n根底支撑n网格n人工支撑n柱状双腹板支撑单腹板支撑制件直支撑制件斜支撑十字支撑常见支撑构造肋状单墙十字形腹板形未添加支撑的模型人工添加支撑添加支撑的模型8.SLA的激光扫描方式-ACESTMnACESTMnSTARWEAVETMnQuickCastTMACESTM1.该方法以平行线方式扫描，3D System CO.最早采用2.间距相等，树脂受累积光照强度相等，成型精度较高3.固化完全，成型效率较低4.适于收缩率小的环氧树脂8.SLA的激光扫描方式-STARWEAVETM下一层下一层 该方法以栅格方式扫描固化原型内部的树脂。该方法以栅格方式扫描固化原型内部的树脂。 栅

10、格是每隔一层成型时在每半个间距中产生的，且栅格线不能相交。栅格是每隔一层成型时在每半个间距中产生的，且栅格线不能相交。栅格的末端不接触实体的边缘，以减少实体的整体变形。栅格的末端不接触实体的边缘，以减少实体的整体变形。 原型的尺寸稳定性较高，适于聚合收缩率较高的丙烯酸树脂，同时原型的尺寸稳定性较高，适于聚合收缩率较高的丙烯酸树脂，同时由于扫描时间较短，也适于环氧树脂资料。由于扫描时间较短，也适于环氧树脂资料。8.SL的激光扫描方式- QuickCastTM 该方法先固化每一片层的外轮廓，该方法先固化每一片层的外轮廓，再以正方形或等边三角形方式扫描填再以正方形或等边三角形方式扫描填充实体内部。适

11、于中空的原型件。充实体内部。适于中空的原型件。 正方形或等边三角形在垂直方向上正方形或等边三角形在垂直方向上以一定的间隔平移，以便排出多余树以一定的间隔平移，以便排出多余树脂。三角形的平移应确保每个三角形脂。三角形的平移应确保每个三角形面的顶点位于前一层三角形质心的上面的顶点位于前一层三角形质心的上方，而正方形那么按间距的一半间隔方，而正方形那么按间距的一半间隔进展偏移。进展偏移。 由于正方形的内角比三角形大，由于正方形的内角比三角形大，树脂的月形液面更小，便于排出多余树脂的月形液面更小，便于排出多余的树脂。的树脂。 该方法生成的原型具有较大的外表，该方法生成的原型具有较大的外表，且树脂具有良

12、好的吸湿性，为防止因且树脂具有良好的吸湿性，为防止因吸湿而产生变形，原型应尽快移到可吸湿而产生变形，原型应尽快移到可以控制湿度的地方。以控制湿度的地方。9.后处置1.晾干多余树脂晾干多余树脂2.清洗原型件清洗原型件3.取件并去除支撑取件并去除支撑4.二次紫外光固化二次紫外光固化10.光固化树脂的收缩光固化树脂收缩引起的制件变形光固化树脂收缩引起的制件变形10.光固化树脂的收缩n两种常见构造的翘曲变形 10.光固化树脂的收缩n零件固化成型过程中层片翘曲变形10.光固化树脂的收缩n缘由n固化收缩相变n体收缩率约10n线收缩率约3n热胀冷缩n二次固化收缩n约占总收缩量的25 40甲基丙烯酸甲酯的聚合

13、反响甲基丙烯酸甲酯的聚合反响以具有三甲基硅基的烯酮二缩合物为引发剂以具有三甲基硅基的烯酮二缩合物为引发剂11.SL的运用替代熔模铸造的蜡型制造样品手板模型医学美容、康复、诊断、手术规划等验证模型3D System iPro SLA Center系列11.SL的运用n制造硅胶模n真空注型机二、分叠层实体制造-LOMnLaminated Object Manufacturing-LOMn由Michael Feygin 于1986年研制胜利，1991年美国Helisys 公司推出商品化机器nLOM工艺原理n采用薄片资料，如纸、塑料薄膜等，在资料外表事先涂覆上一层热熔胶，加工时用CO2激光器或刀具在计

14、算机控制下进展切割，然后经过热压辊热压，使当前层与下面已成型的工件粘接，从而堆积成型研讨LOM工艺的公司n美国Helisys公司已破产、日本Kira公司、瑞典Sparx公司、新加坡Kinergy精技公司；国内有华中理工大学、清华大学等nLOM工艺资料受资料纸限制，性能难以有突破性的提高，已逐渐走入衰败，大部分厂家曾经或预备放弃该工艺分层实体制造n学术关注度19942006n用户关注度2005.82006.121.LOM工艺原理1.LOM工艺原理CO2激光器热压辊控制计算机供料轴加工平面升降台收料轴料带LOM成型原理LOM成型实例片层轮廓及网格废料2.LOM成型资料n薄材，如纸、塑料薄膜n涉及三

15、个方面的问题：n纸n热熔胶n涂布工艺LOM工艺对纸的性能要求n抗拉强度 保证在加工过程中不被拉断n浸润性 保证良好的涂胶性能n抗湿性 不易吸水n收缩率小 不因水份损失而变形n易打磨 外表光滑n稳定性 零件可长期保管n易剥离 垂直方向抗拉强度不是很大LOM工艺对热熔胶的性能要求n热熔胶的主要成份nEVA树脂+增粘剂+蜡+抗氧化剂等n热熔胶的性能目的n熔融粘度、流动性、收缩性、粘接强度、浸润性、热分解温度等热熔胶的涂布工艺n均匀式涂布n采用狭缝式刮板，设备简单n非均匀式涂布n有条纹式和颗粒式，可减少应力集中，设备比较贵热熔胶的涂布工艺LOM工艺后处置中的外表涂覆n外表涂覆的作用n提高强度；n提高耐

16、热性；n改良抗湿性；n延伸原型的寿命；n易于外表打磨等处置，提高制件外表质量和尺寸精度。外表涂覆根本工艺1打磨原型外表；2按比例配制环氧树脂，并均已混合；3在原型上涂刷一层混制好的涂覆资料；4再次涂覆，并长时间固化；5用砂纸打磨硬化的原型外表，留意确保原型尺寸在公差范围之内；6外表抛光。3.LOM工艺的特点nLOM原型件强度类似硬木，可接受200左右的高温，具有较好的机械强度和稳定性，可接受切削加工n经过适当的外表处置，如喷涂清漆、高分子资料或金属后，可作为各类间接快速制模工艺的母模，或直接制造用于注塑用的纸基模具n适宜大、中型构造简单的零件加工n难以去除内腔的废料，不宜制造内部构造复杂的零件

17、 n零件的精度较高 0.15mmn在加工中，主要成型资料没有相变；网格废料起到了支撑作用，故翘曲变形小n工件外表有明显的台阶纹，成型后要进展打磨；且纸制零件很容易吸潮，必需立刻进展后处置、上漆 n原资料种类较少n虽然可选用假设干原资料，例如纸、塑料、陶土以及合成资料，但实践运用的只需纸n资料浪费大，且去除废料困难4. LOM工艺的运用制造样品手板模型作铸造容貌4. LOM工艺的运用薄板金属成型与拼接真空成型4. LOM工艺的运用砂型铸造Foundry Castings 三、选择性激光烧结-SLSnSelective Laser Sintering n由美国德州Austin 分校C.R.Dech

18、ard 于1989年研制胜利，后被美国DTM公司商品化，推出商品化机器nSLS工艺原理nSLS工艺是利用粉末资料金属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成形1.SLS工艺原理1.SLS工艺原理激光器扫描镜激光束平整滚粉末SLS工艺演示SLS成型实例“球化景象n粉末熔化后，液体质点对固体金属粉末的作用力远比松散的固体金属粉末之间的作用力大，结果导致金属粉末被液体质点粘结构成较大的球体，激光功率越大，球的直径也越大烧结机理模型烧结机理模型“球化景象的处理方法n多元系液相烧结n1使器具有不同化学性质的粉末混合料，该混合料的液相来自低熔点组元的熔化或者低熔共晶物的构成。如：聚合物

19、包裹的金属粉末或陶瓷粉末n2将预合金化的粉末加热到固相线温度和液相线温度之间的温度，进展超固相线温度烧结。如：金属粉末、塑料颗粒铺粉与铺粉密度 铺粉时，铺粉辊筒一边向前平移，一边自转。粉末在辊筒压力的作用下，抑制粉末颗粒间微弱的吸附力(结合力及摩擦力)相互滚动或滑动而变得致密。 因此，在铺粉厚度、铺粉辊筒平移及自转速度不变的情况下，粉末颗粒的大小及外形是影响铺粉密度的重要要素。2.SLS的资料n粉末或颗粒n蜡粉、聚苯乙烯PS)、工程塑料ABS、聚碳酸酯PC)、尼龙PA)、金属粉末、覆膜砂、覆膜陶瓷粉等n近年来更多的采用复合粉末，粉粒直径为50125mnSLS工艺最大的优点n选材较为广泛，如尼龙

20、、蜡、ABS、树脂裹覆砂覆膜砂、聚碳酸脂Poly Carbonates、金属和陶瓷粉末等都可以作为烧结对象SLS对资料性能的根本要求n成型资料应具有：n良好的热塑固性、一定的导热性和足够的粘接强度n良好的烧结性能，即无需特殊工艺即可快速、准确地成型原型n对直接运用的零件n机械性能和物理性能要满足运用要求n对间接运用的原型n要求有利于快速、方便的后续处置3.SLS工艺的特点n资料顺应面广n不仅能制造塑料制件，还能制造蜡模、陶瓷和金属零件；能直接制造制件n成型精度普通n制件翘曲变形相对较小，对于容易发生变形的地方应设计有支撑构造n适宜中小零件的消费n实心零件成型时间较长n与铸造工艺的关系极为亲密n

21、烧结的陶瓷型可作为铸造之型壳、型芯，蜡型可做蜡模，热塑性资料烧结的模型可做消逝模4.SLS工艺的运用与开展4.SLS工艺的运用与开展直接金属激光选区烧结DMLS激光选区熔化SLM激光近净成形LENS电子束选区熔化EBM电子束自在制造EBF3高熔点资料等离子熔射直接制造金属零件直接制造金属零件高能束流快速制造技术直接金属激光选区烧结-资料n聚合物包裹的金属粉末如DTMn烧结成的零件强度低,枯燥脱湿后,需求放入高温炉膛内进展烧结、渗铜,最后生成外表密实的零件n由含有不同熔点不同收缩率的金属化合物组成的金属粉末如EOSn可直接烧结成致密的零件,不需求后处置,而且不需求功率特别大的激光器研讨和消费SL

22、S设备的企业n国外n3D Systems是主流的SLS设备制造商n德国EOS公司的EOSINT系列设备n法国Phenix Systems公司的Phenix 900n国内n北京隆源自动成型系统公司n武汉滨湖机电公司n华北工业大学和中山同普精细机械公司高能束流快速制造技术 DMLS技术Direct Metal Laser-Sintering 高能束流快速制造技术nDMLS技术Direct Metal Laser-Sinteringn德国EOS公司的EOSINT M270n采用掺Yb光纤激光器n光斑直径100m，激光波长1.06 mn设备最大加工体积：250mm250mm215mmn加工层厚：20

23、100 m n加工速度：2 20mm/s。n成型资料：n不锈钢资料、 钴铬钼合金MP1、钴铬钼合金SP1、马氏体钢、 钛合金、纯钛、超级合金IN718和铝合金激光选区熔化(SLM)nSelective Laser Melting n将激光烧结术与激光熔覆技术结合起来,利用纯金属或合金粉末末直接制造出具有冶金结合致密性接近100%、具有较高尺寸精度0.1mm和较好外表质量Ra1030m的金属零件 激光选区熔化SLM工艺的运用手机面板注塑模具手机面板注塑模具 对SLM成型316L不锈钢试件进展拉伸实验，其抗拉强度可达636Mpa，延伸率15%20%。试件硬度值HV 250275。高能束流快速制造技

24、术 n电子束选区熔化n瑞典Arcam A B 公司的S12 一个胜利的RP设备制造商，同时也是一个优秀的资料制造商四、熔化堆积成形-FDMnFused Deposition Modeling -FDMn由美国学者Dr.Scott Crump 于1988年研制胜利。并由美国Stratasys 公司于1993年推出商品化的设备，FDM1600、 FDM1650、 FDM8000、Quantum等nFDM成型原理nFDM工艺采用热塑性资料，如ABS、蜡、尼龙等，普通以丝状供料。资料在喷头内被加热熔化后，从小孔挤出堆积成形1.FDM原理FDM工艺原理FDM成型实例2.FDM的资料nFDM工艺要求资料具

25、有以下特点n粘度低n流动性好，阻力小，有助于资料顺利挤出n熔融温度低n有利于提高喷头的寿命和整个机械系统的寿命n粘结性好n保证层与层间的结合强度，从而保证零件成型后的强度n收缩率小n利于防止零件翘曲、开裂3.FDM工艺的特点n不运用激光，运用、维护简单，本钱低n用蜡成形的零件原型可直接用于失蜡铸造n用ABS工程塑料制造的原型具有较高强度，在产品设计、测试与评价等方面得到广泛运用n制件精度较低翘曲变形nFDM工艺普通在80120C进展，资料的收缩必然会引起尺寸误差，同时会产生热应力n需求设计支撑构造nFDM工艺适宜成型小塑料件n填充式扫描，成型时间较长n可采用多个热喷头同时进展涂覆，提高成型效率

26、适于三维打印机的特点n成型速度较快nFDM工艺可经过减小原型密实程度的方法提高成型速度n塑料丝材，清洁，改换容易n与运用粉末和液态资料的3DP工艺相比，丝材更清洁，易于改换、保管，不会在设备中或附近构成污染n后处置简单n无需二次固化；支撑剥离仅需求几分钟到一刻钟n不运用激光，维护简单，本钱低n价钱是成型工艺能否适于3DP的一个重要要素4.FDM工艺的运用Automotive-Filter Maker Tests PPSF Prototype on V8 Engine-Parker Hannifin emissions filter4.FDM工艺的运用Design rendering of Ki

27、a Spectra dashboard.The CMM scanshowed the ABS Prototype waswithin tolerance.4.FDM工艺的运用研讨和制造FDM设备的企业n国外n美国Stratasys公司n国内n北京殷华激光快速成形及模具技术n上海富奇凡机电科技n由于这种工艺具有的显著优点，该工艺开展极为迅速，目前FDM系统在全球已安装快速成形系统中的份额大约为30五、3DP-高速多彩的RPTnThree-Dimensional Printing -3DPn三维印刷(3DP)工艺是美国麻省理工学院Emanual Sachs等人研制的。E.M.Sachs于1989年恳求了3DP专利，该专利是非成形资料微滴放射成形范畴的中心专利之一。n3DP工艺原理n3DP工艺与SLS工艺类似，采用