特种加工技术课件第13章 快速成形

第十三章快速成形（RP）

13.1概述增材制造的快速成形(RapidPrototypingOperations,RP)技术得到了长足的发展，新的工艺方法不断涌现，迄今成为人们关注的焦点，不仅在制造业领域成为热点，据报道美国有人将它用于建筑领域，即快速打印整体的房屋。传统的制造技术多为减材加工，随加工过程材料逐渐减少，即毛坯比成品更重，而快速成型则是随着加工过程的继续零件的重量越来越大，即是增加材料的过程，故有人把它称之为“增材制造”。可见快速成形的产生是基于传统加工思维的反向考虑，即逆向思维。它产生的技术基础是计算机及其软件（CAD）的发展、数控技术、CAM、激光技术、材料技术和成像技术等。逆向思维？？如今获得CAD三维造型的模型数据比较容易，也便于存储，这些数据传输给CAM系统数控编程后驱动数控机床，使得加工过程实现自动化生产，如图13.1。借助于CAD/CAM,快速成形技术在制造原模最能体现其独特优势。快速成形技术能自动、快速地将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零部件，从而可对产品设计进行快速评价、修改，以响应市场需求，提高企业的竞争能力。13.1.1工艺原理如图13.2是快速成形技术的原理过程：通过CAD数据加工零件直接进行三维模型的自动造型获得三维数据（图a），当然也可通过立体扫描等手段获得三维数据和造型。将三维模型分层切片后获得每一层的二维数据（图b），在二维数控（X-Y）工作台就可以加工出二维的薄片材料，每个二维片层数据对应各自的加工程序，每当一层制造完备，工作台Z轴方向下降一层厚度的距离，接着下一次的片层加工，而前后两片制造中又是粘连在一起的，故又叫分层/叠层制造，即看单层是在分层制造，看总体就是将单层叠加在一起的是叠成制造。图c是工艺实施之前的辅助准备工作，对应有的零件需要辅助支撑。图d是制造过程确定优化的工具路径或轨迹，这在CAM二维编程中体现。总之，化复杂的三维结构为简单的二维薄片，逐层形成实物薄片，逐层叠加，最后还原三维实体零件，制造出复制结构的实物产品。快速成形技术最突出的优点：①不需要任何模具、刀具、夹具和机床就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件并迅速制造出实物模型或产品，极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。②制造过程无切屑等废料产生，大幅减少了材料浪费。③可以制造出传统加工技术无法制造出的外形和内部结构，让人们可以更有效地设计出诸如飞机机翼或热交换器。④快速成形技术还可以简化生产制造过程，快速有效又廉价地生产出单个物品，⑤与传统工艺制造出的零件相比，制造出来零件的重量要轻60%，并且同样坚固。13.1.2RP技术分类表13.1，按照原材料的形态分为三大类：液态、粉体和固态/片材，按照工艺类型具体分为了7类。即光固化成形、光掩膜法、熔丝堆积、弹道微粒制造、立体打印、选择性激光烧结和薄片分层叠加。13.1.3应用场合

如图13.3所示，快速成形制作的三维模型目前主要应用于CAD设计验证、数据检测、功能验证、蜡模用于消失模铸造、制造模具母模（原模）、模型、医疗断层扫描和核磁共振成像数据。图13.4为激光光固化制作的汽车发动机吸气管结构。它可以用作测试空气流动性能的试验模型。为此，当今可用的光固化树脂都证明了其满意度。

快速成形技术的市场应用：工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到了广泛应用，主要集中在以下几个方面：①产品设计开发领域：②建筑设计领域：③机械制造领域：④模具制造领域：⑤医学领域：⑥文化艺术领域⑦在航空航天领域：⑧家电领域：13.2液态原材料快速成型工艺13.2.1光固化成形1.成形原理光固化成形工艺，也常被称为立体光刻成形，英文的名称为StereoLithography简称SL，也有时被简称为SLA（StereoLithographyApparatus），该工艺是由CharlesHull于1984年获得美国专利，是最早发展起来的快速成型技术。如图13.5，计算机CAD系统创建3D数据，进而转化STL格式，分切3D模型数据成N层，用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面。这样层层叠加构成一个三维实体。图13.6，其工作原理是：将液态光敏树脂放入加工槽中，开始时工作台的高度与液面相差一个截面层的厚度，经过聚焦的激光按横截面的轮廓对光敏树脂表面进行扫描，被扫描到的光敏树脂会逐渐固化，这样就可以产生了与横截面轮廓相同的固态的树脂工件。此时，工作台会下降一个截面层的高度，固化了的树脂工件就会被在加工槽中周围没有被激光照射过的还处于液态的光敏树脂所淹没，激光再开始按照下一层横截面的轮廓来进行扫描，新固化的树脂会粘在下面一层上，经过如此循环往复，整个工件加工过程就完成了。然后将完成的工件再经打光、电镀、喷漆或着色处理即得到要求的产品。光固化成形优点如下：①成型过程自动化程度高：SLA系统非常稳定，加工开始后，成型过程可以完全自动化，直至原型制作完成。②尺寸精度高：SLA原型的尺寸精度可以达到±0.1mm。③优良的表面质量：虽然在每层固化时侧面及曲面可能出现台阶，但上表面仍可得到玻璃状的效果。④可以制作结构十分复杂的模型。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型模具。其缺点也存在：①制件易变形：成形过程中材料发生物理和化学变化；②设备运转及维护成本较高：液态树脂材料和激光器的价格较高；③使用的材料较少：目前可用的材料主要为感光性的液态树脂材料；液态树脂有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止提前发生聚合反应，选择时有局限性；④需要二次固化：经快速成型系统光固化后的原型树脂并未完全被激光固化；⑤较脆：易断裂性能尚不如常用的模具成形的塑料制品。⑥需要设置摆放辅助支撑。2.工艺特点

摆放方位的处理是十分重要的，一般情况下，从缩短原型制作时间和提高制作效率来看，应该选择尺寸最小的方向作为叠层方向。但是，有时为了提高原型制作质量以及提高某些关键尺寸和形状的精度，需要将最大的尺寸方向作为叠层方向摆放。有时为了减少支撑量，以节省材料及方便后处理，也经常采用倾斜摆放。确定摆放方位以及后续的施加支撑和切片处理等都是在分层软件系统上实现。

支撑施加的好坏直接影响着原型制作的成功与否及制作的质量。支撑施加可以手工进行，也可以软件自动实现。软件自动实现的支撑施加一般都要经过人工的核查，进行必要的修改和删减。为了便于在后续处理中支撑的去除及获得优良的表面质量，主要的支撑类型如图13.7所示，支撑作用和减少翘曲变形。3.应用自从1988年美国3DSystems公司推出第一台商品化设备SLA250以来，光固化快速成型技术在世界范围内得到了迅速而广泛的应用，在概念设计的交流、单件小批量精密铸造、产品模型、快速工模具及直接面向产品的模具等诸多方面广泛应用于汽车、航空、电子、消费品、娱乐以及医疗等行业。

光掩膜法是以色列的Cubital公司开发出的。同SLA一样，该系统同样利用紫外光来固化光敏树脂，但光源和具体的工艺方法与SLA不一样，曝光是采用光学掩模技术，电子成像系统先在一块特殊玻璃上通过曝光和高压充电过程产生与截面形状一致的静电潜像，并吸附上碳粉形成截面形状的负像，接着以此为“底片”用强紫外灯对涂敷的一层光敏树脂同时进行曝光固化，把多余的树脂吸附走以后，用石蜡填充截面中的空隙部分，接着用铣刀把这个截面修平，在此基础上进行下一个截面的固化。与SLA对比,SBC效率更高，因为SGC的每层固化是瞬间完成的。SGC的工作空间较大，可以一次制作多个零件，也可以制作单件大零件（例如，尺寸可以达到500×350×500mm）。13.2.2光掩膜法（Solidbasedcuring，SBC，也称立体光刻）具体工艺步骤如下：①零件三维造型，并利用切片软件切片(A)。在每层制作之初，用光敏性树脂均匀喷涂工作平面，如图①所示。②在每一层，利用Cubital公司的专利印刷技术进行光掩膜，如图（B）所示。③然后用强紫外线灯（2KW）照射，暴露在外的光敏性树脂被一次硬化，如图②所示。④每一层固化后，未固化的光敏性树脂被真空抽走以便重复利用，图③。固化的光敏性树脂在一个更强的紫外线灯（4KW）的照射下得以二次固化，如图（D）所示。⑤用蜡填充被真空抽走的区域，图④。通过冷却系统使蜡冷却变硬，硬化的蜡可以作为支撑，因此，不需要作额外的支撑，如图⑤所示。⑥将蜡、树脂层压平，以便进行下一层的制作。⑦零件制作完成后，将蜡去掉，打磨，得到模型，无需其它的后处理。如图⑥所示。图13.9是此法制作的汽车模型实物光掩膜法的工艺特点如下：①不需要设计支撑结构。②零件的成形速度不受复杂程度的影响，只与体积有关。树脂瞬时曝光，速度快，整层一次成型，效率高。③精度高，相对精度约在0.1％左右。④最适合制作多件原型，制作过程中可以随意选择不同零件的制作次序；一个零件未制作完时，可以先作另一个零件，再回过头来继续作未完零件。⑤模型内应力小，变形小，适合制作大型件。⑥制作过程中如发现错误，可以把错误层铣掉，重新制作此层。同时光掩膜法也存在如下的缺点：①树脂和石蜡的浪费较大，且工序复杂。②设备占地大，噪音高，维护费用昂贵。③可选材料少，使用材料有毒，且需密封避光保存。④制作过程中，感光过度会使树脂材料失效。⑤后处理过程需要除蜡。1.原理装置如图13.10，熔丝堆积成形(Fuseddepositionmodeling，FDM),使用丝状材料（石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝）为原料，利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度（约比熔点高1℃），在计算机的控制下，喷头作x-y平面运动，将熔融的材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，一层成形后，喷头上移一层高度，进行下一层涂覆（也可以是工作台下降一个截面层的高度，然后喷头进行下一个横截面的打印），如此循环往复，热塑性丝状材料就会一层一层地在工作台上完成所需要横截面轮廓的喷涂打印，直至最后完成。13.2.3熔丝堆积成形新型FDM设备采用了双喷头。如图13.11所示。一个喷头用于沉积模型材料，另一个喷头用于沉积支撑材料。一般来说，模型材料丝精细而且成本较高，沉积的效率也较低。而支撑材料丝较粗且成本较低，沉积的效率也较高。双喷头的优点除了沉积过程中具有较高的沉积效率和降低模型制作成本以外，还可以灵活地选择具有特殊性能的支撑材料，以便于后处理过程中支撑材料的去除，如水溶材料、低于模型材料熔点的热熔材料等。2.特点熔丝堆积成形的工艺优点：

①系统构造原理和操作简单，维护成本低，系统运行安全。②可以使用无毒的原材料，设备系统可在办公环境中安装使用，污染小，材料可以回收。③用蜡成形的零件原型，可以直接用于失蜡铸造。④可以成型任意复杂程度的零件，常用于成型具有很复杂的内腔、孔等零件。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，且材料寿命长。⑦可以通过使用溶于水的支撑材料，支撑去除简单，无需化学清洗，分离容易。熔丝堆积成形也存在一些缺点：①比SLA工艺加工精度低且沿成型轴垂直方向的强度比较弱。②工件表面比较粗糙：成型件的表面有较明显的条纹。③需要设计与制作支撑结构，需要对整个截面进行扫描涂覆，加工过程的时间较长。④原材料价格昂贵。13.2.4弹道微粒制造(BallisticParticleManufacturing，BPM)弹道微粒制造工艺由美国的BPM技术公司开发和商品化。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13.12所示。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，而非联通的部分还要加支撑。13.3.1立体打印1.成形原理装置立体打印技术(3D-printing,3DP)是由美国麻省理工学院开发成功的，它的工作过程类似于喷墨打印机，使用喷头喷出粘结剂，选择性地将零件的截面“印刷”在材料粉末上面，最后层层将各个截面粘结起来。可用于制造复杂形状的模型、中空模型，或者制造复合材料或非均匀材料的模型等。如图13.13，立体打印成型机的剖面示意图。其工艺是先由铺粉辊从左往右移动，将供粉缸里的粉末在成型缸上均匀铺上一层，然后按照计算机上设计好的零件模型，由打印头在第一层粉末上喷出零件底层截面的形状。然后成型缸平台向下移动一定距离，再由铺粉辊从供粉缸中平铺一层粉末到刚才打印完的粉末层上，然后再由打印头按照第二层截面的形状喷洒粘结剂，层层递进，最后得到的零件整体是由各个横截面层层重叠起来的。这种技术将原本只能在成型车间才能进行的工艺搬到了普通办公室，扩大应用面。13.3粉体材料的快速成型打印过程完成之后，需要一些后续处理措施来达到加强模具成型强度及延长保存时间的目的，其中主要包括静置、强制固化、去粉、包覆等。2.立体打印的工艺特点传统方法比较具有很多优点：①速度快：速度快是3DP的最大优点。因为不需要特殊的刀具、夹具、模型和模具，只要有了零件的CAD模型就可以直接制造零件，因此可以快速地制造零件。②适于制造复杂形状的零件：3DP技术和其他快速原型技术一样，对零件的复杂性几乎没有限制，只要能提供合适的CAD模型，就可以制造出相应的零件。

③可用于制造复合材料或非均质材料的零件：3DP技术在制造零件过程中可以改变材料，因此可以生产各种不同材料、颜色、机械性能、热性能组合的零件。④可适合于制造小批量零件。13.3.2选择性激光烧结

1.原理装置选择性激光烧结工艺(SelectiveLaserSintering，SLS)是由美国德克萨斯大学奥汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。该方法已被美国DTM公司商品化。于1992年开发了基于SLS的商业成型机(Sinterstation)。十几年来，DTM公司在SLS领域做了大量的研究工作。德国的EOS公司在这一领域也做了很多研究工作，并开发了相应的系列成型设备。采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层叠加生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。如图13.15是其工作原理：整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成，工作时粉末缸活塞（送粉活塞）上升，由铺粉辊将粉末在成型缸活塞（工作活塞）上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉末完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉。控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型。最后，将未烧结的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。对于金属粉末激光烧结，在烧结之前，整个工作台被加热至一定温度，可减少成型中的热变形，并利于层与层之间的结合。2.工艺特点

选择性激光烧结工艺和其它快速成型工艺相比，具有较多的优点：

①可直接制作金属制品：在目前广泛应用的几种快速原型工艺方法中，唯有SLS方法可直接烧结制作金属材质的原型，这是SLS工艺的独特优点。

②可采用多种材料：从原理上说，这种方法可采用加热时粘度降低的任何粉末材料，通过材料或各类含粘结剂的涂层颗粒制造出任何造型，适应不同的需要。

③制造工艺比较简单：由于可用多种材料，选择性激光烧结工艺按采用的原料不同可以直接生产复杂形状的原型、型腔模三维构件或部件及工具。例如，制造概念原型，可安装为最终产品模型的概念原型，蜡模铸造模型及其它少量母模，直接制造金属注塑模等。

④无需支撑结构：和LOM工艺一样，SLS工艺也无需设计和需要支撑结构，叠层过程中出现的悬空层面可直接由未烧结的粉末来实现支撑。

⑤材料利用率高：由于SLS工艺过程不需要支撑结构，也不象LOM工艺那样出现许多工艺废料，也不需要制作基底支撑，所以该工艺方法在常见的几种快速原型工艺中材料利用率是最高的，材料的利用率基本可以认为是100％。SLS工艺中的多数粉末的价格较便宜，所以SLS模型的成本相比较来看也是较低的。选择性激光烧结工艺的缺点也比较突出，具体如下：①原型表面粗糙：由于SLS工艺的原材料是粉状的，原型的建造是由材料粉层经过加热熔化而实现逐层粘接的，因此，原型表面严格讲是粉粒状的，因而表面质量不高。②烧结过程挥发异味：SLS工艺中的粉层粘接是需要激光能源使其加热而达到熔化状态，高分子材料或者粉粒在激光烧结熔化时一般要挥发异味气体。③有时需要比较复杂的辅助工艺：SLS技术视所用的材料而异，有时需要比较复杂的辅助工艺过程。以聚酰胺粉末烧结为例，为避免激光扫描烧结过程中材料因高温起火燃烧，必须在机器的工作空间充入阻燃气体，一般为氮气。为了使粉状材料可靠地烧结，必须将机器的整个工作空间内直接参与造型工作的所有机件以及所使用的粉状材料预先加热到规定的温度，这个预热过程常常需要数小时。造型工作完成后，为了除去工件表面沾粘的浮粉，需要使用软刷和压缩空气，而这一步骤必须在闭封空间中完成以免造成粉尘污染。①直接制作快速模具：SLS工艺可以选择不同的材料粉末制造不同用途的模具，用SLS法可直接烧结金属模具和陶瓷模具，用作注塑、压铸、挤塑等塑料成型模及钣金成形模。DTM公司用RapidTool™专利技术，在SLS系统Sinterstation2000上将Rapidsteel粉末（钢质微粒外包裹一层聚酯）进行激光烧结得到模具后放在聚合物的溶液中浸泡一定时间，然后放入加热炉中加热使聚合物蒸发，接着进行渗铜，出炉后打磨并嵌入模架内即可。下图给出了采用上述工艺制作的高尔夫球头的模具及产品。②复杂金属零件的快速无模具铸造：将SLS激光快速成型技术与精密铸造工艺结合起来，特别适宜具有复杂形状的金属功能零件整体制造。在新产品试制和零件的单件小批量生产中，不需复杂工装及模具，可大大提高制造速度，并降低制造成本。下图给出了若