第八章 快速成形技术

第八章快速成形技术快速成形技术一、快速成型原理二、快速成型设备

三、成形方法及步骤

四、快速成型的应用五、HRP制件展示

快速成形技术

RapidPrototypingTechnology1.1基本原理

1.2重要特征

1.3技术特点

1.4工艺分类RP技术是借助计算机辅助设计或由实体逆向方法取得原型或零件几何形狀，进而以此建立数字化模型，再利用计算机控制的机电集成制造系统，逐点、逐面地进行材料“三维堆积”成型，再经过必要的后处理，使其在外观、強度和性能等方面达到设计要求，达到快速、准确地制造原型或实际零件之方法。一、快速成型原理1.1快速成形技术的基本原理对STL文件切片处理CAD模型的近似处理三维CAD模型设计逐层制造

快速成形技术的本质是用材料堆积原理制造三维实体零件。它是将复杂的三维实体模型“切”（Spice）成设定厚度的一系列片层，从而变为简单的二维图形，层层叠加而成。原型制作流程图三维CAD模型设计

在PC机或图形工作站上用三维软件

pro/E

UG

CATIA

等设计零件的三维CAD模型。

CAD模型的近似处理

用STL文件格式进行数据转换，将三维实体表面用一系列相连的小三角形逼近，得到STL格式的三维近似模型文件。典型的

STL文件

对STL文件切片处理

切片是将模型以片层的方式来描述，片层的厚度通常在50µm～500µm之间；无论零件形状多么复杂，对每一层来说却是简单的平面矢量扫描组（如图），轮廓线代表了片层的边界。逐层制造

用快速成型机制作每一层，自下而上层层叠加就成为三维实体，成型过程如图所示。层层堆积原型件生成CLI文件生成NC指令STL文件表面处理强化工件剥离去支撑对STL文件进行处理CAD三维造型CAD造型软件前处理监控软件制造原型后处理数据处理工艺规划软件原型制作流程图1.2快速成形技术的重要特征

离散堆积制造

分层制造

材料添加制造

直接CAD制造

实体自由成形制造

即时制造离散堆积制造

“离散堆积制造”是现代成形学理论中在对成形技术发展进行总结的基础上提出的，表明了模型信息处理过程的离散性，强调了成形物理过程的材料堆积性，体现了快速成形技术的基本成形原理，具有较强的概括性和适应性。

分层制造

(LM,LayeredManufacturing)

“分层制造”将复杂的三维加工分解成一系列二维层片的加工，着重强调层作为制造单元的特点，每层可采取低一维单元进行累加成高维单元进行加工得到。

材料添加制造

(MIM，MaterialIncreseManufacturing)

“材料添加制造”将材料单元采用一定方式堆积、叠加成形，有别于车削等基于材料去除原理的传统加工工艺。

直接CAD制造

(DCM，DirectCADManufacturing)

“直接CAD制造”使计算机中的CAD模型通过接口软件直接驱动快速成形设备，接口软件完成CAD数据向设备数控指令的转化和成形过程的工艺规划，成形设备则完成零件的三维输出，实现了设计与制造一体化.实体自由成形制造

(SFF，SolidFreeformFabrication)

“实体自由成形制造”表明快速成形技术无需专用的模具或夹具，零件的形状和结构可不受任何约束。RP工艺是用逐层变化的截面来制造三维形体，在制造每一层片时都和前一层自动实现联接，使制造成本完全与批量无关，既增加了成形工艺的柔性，又节省了制造工装和专用工具的成本。

即时制造

(InstantManufacturing)

“即时制造”反映了该技术的快速响应性。由于无需针对特定零件制定工艺规程，无需专用夹具和工具，快速成形技术制造一个零件的全过程远远短于传统工艺过程，使得快速成形技术尤其适合于新产品的开发。1.3快速成型的技术特点

高度柔性技术的高度集成设计、制造一体化快速性高度柔性

RP技术最特出的特点就是柔性好，在计算机管理和控制下使所制造的零件的信息过程和物理过程并行发生，把可重编程、重组、连续改变的生产装备用信息方式集成到一个制造系统中，使制造成本完全与批量无关。技术的高度集成RP技术是计算机、数控、激光、材料和机械等技术的综合集成。CAD技术通过计算机进行精确的离散运算和繁杂的数据转换，实现零件的曲面或实体造型，数控技术为高速精确的二维扫描提供必要的基础，这又是以精确高效堆积材料为前提的，激光器件和功率控制技术使材料的固化、烧结、切割成为现实。快速扫描的高分辨率喷头为材料精密堆积提供了技术保证。设计、制造一体化

在传统的CAD/CAM技术中，复杂的CAPP一直是实现设计、制造一体化过程中比较难以克服的一个障碍。而快速成形技术突破了成形思想的局限性，采用了离散

堆积的加工工艺，避开了传统的工艺规划制定，使CAD和CAM能够很顺利地结合在一起，实现了设计制造一体化。

快速响应性

快速原型零件制造从CAD设计到原型

(或零件

)的加工完毕，只需几个小时至几十个小时，复杂、较大的零部件也可能达到几百小时，但从总体上看，速度比传统的成形方法要快得多。尤其适合于新产品的开发，RP技术已成为支持并行工程和快速反求设计及快速模具制造系统的重要技术之一。1.4主要工艺分类

SLA工艺

LOM工艺

SLS工艺

FDM工艺

3DP工艺

BPM工艺

工艺特点及常用材料光造型SLA工艺

StereolithographyApparatus

SLA技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长和强度的紫外光(如λ=325nm)的照射下能迅速发生光聚合反应,分子量急剧增大,材料也就从液态转变成固态。SLA工作原理图。SLA工作原理

液槽中盛满液态光固化树脂，激光束在偏转镜作用下，能在液态表面上扫描，扫描的轨迹及光线的有无均由计算机控制，光点打到的地方，液体就固化。

成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮平器将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下二层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕,得到一个三维实体模型。SLA成型过程分层实体制造LOM工艺

LaminatedObjectManufacturing

LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成形的工件粘接；用CO2激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格；激光切割完成后，工作台带动已成形的工件下降，与带状片材(料带)分离。LOM工作原理

供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域，工作台上升到加工平面，热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚，再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完，得到分层制造的实体零件。LOM工艺只须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。工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲变形，零件的精度较高，小于0.15mm。工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以LOM工艺无需加支撑。LOM特点选择性烧结SLS工艺

SelectiveLaserSintering

SLS工艺是利用粉末状材料成形的。将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分连接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面(如图)。SLS工作原理图二、实验设备MEM-300HRPS-III二、实验设备2.1『基本组成』

2.2『硬

件』

2.3『软

件』

2.4『技术参数』

HRPS-III2.1基本组成

计算机控制系统

主机

激光器冷却器计算机控制系统

由高可靠性计算机、性能可靠的各种控制模块、电机驱动单元、各种传感器组成，配以HRPS‘2002软件。该软件用于三维图形数据处理，加工过程的实时控制及模拟。主机该主机由六个基本单元组成：可升降工作缸、落粉桶、铺平粉辊装置、聚焦扫描单元、加热装置、机身与机壳。它主要完成系统的加工传动功能。激光器冷却器

由可调恒温水冷却器及外管路组成，用于冷却激光器，提高激光能量稳定性，保护激光器。2.2硬

件

振镜式动态聚焦系统（最大扫描速度为

4m/s，激光定位精度小于50um）；

CO2激光器配以全封闭恒温水循环冷却系统；

送粉系统及排烟除尘系统；

全封闭式的工作腔。2.3软

件

HRPS’2002软件具有以下功能：

1、切片模块：具有HRPS-STL(基于STL文件)和HRPS-PDSLice（基于直接切片文件，由用户选用）两种模块；

2、数据处理：具有STL文件识别及重新编码，容错及数据过滤切片，STL文件可视化，原型制作实时动态仿真等功能；

3、工艺规划：具有多种材料烧结工艺模块（包括烧结参数、扫描方式和成型方向等）；

4、安全监控：设备和烧结过程故障自诊断，故障自动停机保护。2.4技术参数三、成形方法及步骤3.1

HRPS-III制造步骤（SLS工艺）

3.2

MEM-300制造步骤（FDM工艺）3.1三层空心小球的制作步骤

1）用pro/E软件绘制三层空心小球的三维CAD模型，并输出小球的STL格式文件；

2）快速成型机开机，输入小球的STL文件。点开激光、振镜和风扇。将粉桶内的粉末装满，来回运动铺粉滚筒将粉层铺平、铺匀；

3)将粉末预热，中缸温度达到95度，左右两缸温度达到85度，预热90分钟；设置激光功率50%，扫描速度2000mm/s，单层厚度0.15，扫描间距0.2。4)点击“多层制造”,烧结完成后将激光、振镜、风扇关闭，并保持小球在成型舱内缓慢冷却到室温。后处理步骤1）小球完全冷却后取出，用刷子和鼓风机将残余粉末清除干净；2）将小球放在干燥箱内干燥30分钟，干燥箱温度设为40度；3）配置环氧树脂溶胶，具体配方为E-42环氧树脂a克，二乙烯三胺a*(103.17/5)*0.42克，稀释剂a*0.3克；4）将混合物搅拌均匀，用小刷子蘸取溶胶均匀的涂敷在小球上，保证小球被渗透，涂敷完全；5）将小球放在空气中20分钟，然后将小球放入干燥箱内30分钟，干燥箱温度设置为100度；6）从干燥箱内取出小球，在空气中缓慢冷却，结束。3.2熔融沉积制造FDM工艺

FusedDepostionModeling

FDM的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、尼龙等。以丝状供料。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；材料迅速凝固，并与周围的材料凝结(如图)。3.2.1FDM工作原理

系统及运行成本：

FDM工艺无需其他快速成形系统中昂贵的关键部件－激光器，故MEM快速成形系统成本较低；成形材料相对其他快速成形系统价格低廉；MEM原型特有空隙结构，节约材料与成形时间。

后处理：原型后处理简单，方便。工艺适用范围：

FDM工艺适用于薄壳体零件及微小零件，如电器外壳、手机外壳、玩具等，都是现代社会比较实用流行的用品；而且原型强度比较好，近似于实际零件，可以作为概念型直接验证设计。3.2.2

FDM特点3.2.3实验设备(MEM-300)1）主要参数2)机械结构3）控制原理

MEM-300系统配置主机操作系统Windows98、2K、XP工艺MEM---熔融挤压成形材料ABS扫描速度0-80mm/s成形空间350mm(长)×350mm(宽)×350mm(高)精度±0.2mm/100mm电源4KW,200-240VAC,50/60Hz主机尺寸900mm(长)×1200mm(宽)×1800mm(高)重量约500公斤1）主要参数MEM－300XY扫描系统

MEM-300Z向结构

2）机械结构

数控系统加热及温控系统喷头及送丝机构XYZ扫描运动系统系统主框架3）控制原理

控制机构MEM系统运动近控制单元材料供给单元环境营造单元X轴定位Y轴定位Z轴定位环境加热堆积头材料预热、送进材料加热、挤出

MEM-350控制系统由两部分组成：运动控制系统和温度控制系统。在系统中，计算机（PC）通过数控卡控制XYZ扫描运动系统，喷头及送丝机构也通过数控卡进行控制。

控制系统原理图控制原理数控卡：采用美国Deltau公司PC104总线四轴运动控制卡－PMAC2。数控卡主要完成对XYZ轴电机，喷头等的运动控制以及系统的检测。运动系统：X和Y运动单元由伺服控制器、AC伺服驱动器、AC伺服电机和传动导向机构四部分构成。Z向运动单元由步进控制器、直流步进驱动器、步进电机和传动导向机构四部分构成。喷头压力控制系统由步进电机及传动部件构成。温控系统：温控系统由加热器，温度传感器和智能温度控制表组成。温度控制精度为±2℃。3.2.4

FDM实验方法及步骤（一）数据准备（二）制造原型

1、成形准备工作

2、造型

（三）后处理（一）数据准备1、零件三维CAD造型，生成STL文件（使用Pro/E、UG、SolidWorks、AutoCAD2000软件）2、选择成型方向，添加支撑结构（使用Daphne数据处理软件）3、参数设置（分层厚度0.15mm,偏置半径0.2mm,填充间距0.5mm等）4、对STL文件进行分层处理，生成CLI文件（使用Daphne数据处理软件）5、退出Daphne数据处理软件系统二、制造原型

（1）打开电源、计算机。（2）材料及成形室预热，以50℃为一升温梯度，将成型材料逐步升温至248℃；以10℃为一升温梯度，将成型室温度逐步升温至55℃（3）运行Cark控制软件，读出CLI文件。对数控系统初始化。（4）挤丝,材料温度到达248℃后，按下“喷丝”按钮，将喷头中老化的丝材吐完，直至ABS丝光滑。（5)工作台水平校准用控制面板上的软按钮移动喷头至工作台的支承处，用调量块通过调平螺母调节高度。（6）工作台高度校准将喷头移动到工作台中部，上升工作台，使之上表面接近喷嘴微调工作台，使之间隙大约为0.1毫米，完成高度校准。成形准备工作造型（1）设定参数

（2）输入起始层和结束层的层数。单击“Start”，系统开始估算造型时间。接着系统开始扫描成型原型。（估算造型时间应放在底板对高前，以免喷头烤到底板）（三）、后处理

后处理包括设备降温、零件保温、去除支撑、表面处理等步骤。（1）设备降温原型制作完毕后，如不继续造型。即可将系统关闭，为使系统充分冷却，至少于10分钟后再关闭散热按钮和总开关按钮。（2）零件保温

零件加工完毕，下降工作台，将原型留在成形室内，薄壁零件保温15~20分钟大型零件20～30分钟，过早取出零件会出现应力变形。（3）模型后处理用小铲子小心取出原型。去除支撑，避免破坏零件。用砂纸打磨台阶效应比较明显处。用小刀处理多余部分。用填补液处理台阶效应造成的缺陷。如需要可用少量丙酮溶液把原型表面上光

三维印刷3DP工艺

ThreeDimensionPrinting

3DP工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉末上面（如图）。用粘接剂粘接的零件强度较低，还须后处理。先烧掉粘接剂，然后在高温下渗入金属，使零件致密化。提高强度。3DP工作原理弹道微粒制造BPM工艺

BallisticParticleManufacturing

它用一个压电喷射(头)系统来沉积熔化了的热塑性塑料的微小颗粒(如图)。BPM的喷头安装在一个5轴的运动机构上，对于零件中悬臂部分，可以不加支撑。而“不联通”的部分还要加支撑。

BPM工作原理典型的RP技术特点及常用材料四、快速成形技术的应用

用于新产品的设计与试制。产品设计中的实际装配确认产品的性能分析与实验快速制模及快速铸造医疗中的快速成形技术三维复制RP在产品开发上的重要性CAID应用:

工业设计师在短时间內得到精确的原型与业者作造形研讨机构设计应用:

進行干涉验证，及提早发现设计错误以减少后面模具修改工作CAE功效:

快速模具技术以功能性材料制作功能性模具，以进行产品功能性测试与研讨快速模具(RapidTooling)应用:

快速翻制暂用模具或永久模具，做少量生产或量产

RP在产品开发上的重要性

视觉效果(visualization)

设计人員能在短时间之內便能看到设计的雛型，可作为进一步研发的基石设计确认(verification):

可在短时间內即可完成原型的制作，使设计人员有充分的时间对于设计的产品做详细的检证复制于最佳化设计(iteration&optimization)

可一次制作多个元件，可使每个元件针对不同的设计要求同时进行测试的工作，以在最短时间內完成设计的最佳化直接生产(fabrication):

直接生产小型工具，或作为翻模工具快速原型的经济效益

以缩短产品加工时间

增加使构想具体化能力

降低原型生产周期

降低设计错误的发生及所花费成本

增加在设计过程中了解产品机械特性的

能力RP技术在产品设计和制造中的作用观感评价销售模型功能测试CAD数据检查装配校核可制造性检查（一）快速原型模型实例1轿车车灯模型实例2电话机外壳模型实例3皮鞋底（二）模具制造注射模具硅橡胶模树脂型复合模冲压模具消失模陶瓷型精铸模

模具实例1手机外壳橡胶模

模具实例2拐头树脂型复合模模具实例3电子产品注射模（三）模型制造医学模型艺术模型生物模型模型制作实例1CT扫描股骨模型模型制作实例2艺术模型工程应用实例概念模型视觉造型组装验证与最佳化功能测试小批量制造快速模具科学应用实例古生物学模型生物模型考古研究模型医学应用实例人工骨头制作手术规划齿模制作义耳制作五、HRP制件展示