项目九 快速原型制造技术讲解

武器装备制造学院李鹏湖南国防工业职业技术学院HUNAN

SCINENCE

AND

INDUSTRY

POLYTECHNIC

COLLEGE

机械制造工艺基础快速原型制造技术

本节要点快速原型制造的工作原理、工艺过程方法：立体印刷SLA、选择性激光烧结SLS、分层实体制造LOM、熔融沉积成形FDM快速原型制造技术

RapidPrototypingManufacturing

2024/7/82一、RPM技术的产生

进入20世纪后期，市场环境发生了巨大的变化。一方面表现为消费者需求日趋主体化、个性化和多样化；另一方面则是产品制造商们都着眼于全球市场的激烈竞争。面对市场，产品制造商们不但要很快地设计出符合人们消费需求的产品，而且必须很快地生产制造出来，抢占市场。与此同时，计算机、微电子、信息、自动化、新材料、和现代企业管理技术的发展日新月异，制造工程与科学取得了前所未有的成就。快速成型技术就是在这种背景下逐步形成并得到飞速的发展。2024/7/831988年，世界上第一台快速成型机诞生于美国。

传统方法中制造产品原型需要几周或几个月以及高昂的费用，而快速成型技术的发展，使得产品设计、制造的周期大大缩短，可以在没有任何刀具、模具及工装夹具的情况下，快速直接地实现产品（或零件）的单件生产，从而给制造业带来了根本性的变化。我国92年进入RPM领域；清华大学、西安交通大学、华中科技大学、北京隆源等单位在RMP设备、材料和软件方面先后完成了开发和产业化过程；我国RPM许多关键技术达到或领先国际先进水平。2024/7/84

二、RPM技术原理属于离散/堆积成形。通过离散获得堆积的路径、顺序和方式，通过堆积材料叠加起来形成三维实体。构造三维模型，分层切片，截面轮廓

①激光束选择性切割一层层的纸；

②固化一层层的固化树脂；

③烧结一层层的粉末材料；

④选择性喷射一层层的热熔材料。各截面叠加堆积。RPS分层切片STL文件CAD模型三维数字化仪等CAD造型系统2024/7/85CAD建模分层层面信息处理层面加工与层层堆积后处理根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代码清理零件表面，去除辅助支撑结构由CAD软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体模型将三维模型沿一定方向（通常为Z向）离散成一系列有序的二维层片（习惯称为分层）成形机制造一系列层片并自动将它们联接起来，得到三维物理实体三、RPM工艺过程2024/7/861.立体印刷法－StereoLithographyApparatusSLA又称立体光刻、光固化立体造型、激光印刷

SLA工艺于1984年获美国专利，1988年美国3DSystem公司推出的商品化样机SLA—1，是世界上第一台快速原型技术成形机。目前，SLA各型成形机占据着RP设备市场的较大份额。

四、典型RPM成形方法

2024/7/87立体印刷的基本原理

基于液态光敏树脂的光聚合原理。将激光聚集到液态光固化材料（如光固化树脂）表面逐点扫描，令其有规律地固化，由点到线到面，完成一个层面的建造。而后升降移动一个层片厚度的距离，重新覆盖一层液态材料，进行第二层扫描，再建造一个层面，第二层就牢固地粘贴到第一层上，由此层层迭加成为一个三维实体。2024/7/88立体印刷(SLA)的特点

鼠标外壳激

光树脂原型照相机激光树脂原型SLA方法是目前快速成形技术领域中研究得最多的方法，也是技术上最为成熟的方法。特点：

SLA工艺成形的零件精度较高，能达到0.1mm；产品透明美观，可直接做力学实验。需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂价格昂贵，有一定的毒性；且产品不能溶解，不利于环保。2024/7/89

选择性激光烧结工艺由美国德克萨斯大学于1989年研制成功，已被美国DTM公司商品化，推出SLSModel125成形机。

我国的北京隆源自动成形系统有限公司也分别推出了各自的SLS工艺成形机。2.选择性激光烧结法（SelectiveLaserSintering，简称SLS）2024/7/810选择性激光烧结的基本原理SLS工艺是利用粉末状材料成形的。先在工作台上铺上一层有很好密实度和平整度的粉末，用高强度的CO2激光器在上面扫描出零件截面，有选择地将粉末熔化或粘接，形成一个层面，利用滚子铺粉压实，再熔结或粘接成另一个层面并与原层面熔结或粘接，如此层层叠加为一个三维实体。2024/7/811选择性激光烧结（SLS）的产品特点1.材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、蜡等材料的零件。特别是可以制造出能直接使用的金属零件。

2.SLS工艺不需加支撑，因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用。

3.精度不高。表面粗糙度不好，不宜做薄壁件。2024/7/812

LOM工艺由美国Helisys公司于1986年研制成功。这种方法的代表是美国Helisys公司的LOM-1050和LOM-2030成形机。3.分层实体制作成形法LaminatedObjectManufacturing，简称LOM2024/7/813分层实体制作的基本原理

切割出工艺边框和原型的边缘轮廓线，而后将不属于原型的材料切割成网格状。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。通过升降平台的移动和箔材的送给,并利用热压辊辗压将后铺的箔材与先前的层片粘接在一起，再切割出新的层片。这样层层迭加后得到下一个块状物，最后将不属于原型的材料小块剥除，就获得所需的三维实体。

2024/7/814分层实体制作的特点

LOM可制作一些激光立体固化成形法难以制作的大型零件和厚壁样件，且制作成本低廉、速度高。

（1）使用胶纸作为成型材料；

（2）低成本：原材料易于获得

（3）大尺寸：由于无须进行化学反应，所以成型件尺寸可以制得很大；

（4）纸张上有交叉格，便于成型后去除模型周边的废料；

（5）成型后的模型需密封保存以免吸潮；

（6）模型有类木纹的纹理；

（7）由于适应面较窄，渐趋淘汰。2024/7/815

4.熔融堆积成形法（FusedDepositionModeling，简称FDM）

熔融沉积成形工艺于1988年研制成功，后由美国Stratasys公司推出商品化的3DModeler1000和FDM1600等规格的系列产品。最新产品是制造大型ABS原型的FDM8000、Quantum等型号的产品。2024/7/816熔融沉积成形的基本原理

将热熔性材料（ABS、尼龙或蜡）通过喷头加热器熔化；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；材料迅速凝固冷却后，与周围的材料凝结形成一个层面；然后将第二个层面用同样的方法建造出来，并与前一个层面熔结在一起，如此层层堆积而获得一个三维实体。（不需激光系统）2024/7/817熔融沉积成形(FDM)的产品特点FDM工艺不用激光器件，因此使用、维护简单，成本较低。适合做薄壁件。污染小，材料可以回收。

聚酯、ABS、人造橡胶、熔模铸造用蜡。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。由于以FDM工艺为代表的熔融材料堆积成形工艺具有一些显著优点，该类工艺发展极为迅速。2024/7/818FDM3000快速成形机厂家：美国stratasys公司加工范围：249x249x400层厚:0.1778，0.25402024/7/819

它与NC机床的主要区别在于高度柔性五、RPM技术的特点2024/7/820CAD模型直接驱动，设计制造高度一体化；

成形过程无需专用夹具或工具；无需人员干预或较少干预，是一种自动化的成形过程；成形全过程的快速性，适合现代激烈的产品市场。高度柔性，可以制造任意复杂形状的三维实体；

而RP技术具有最高的柔性，对于任何尺寸不超过成形范围的零件，无需任何专用工具就可以快速方便的制造出它的模型(原型)。从制造模型的角度，RP具有NC机床无法比拟的优点，即快速方便、高度柔性。2024/7/821

制造原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用；2024/7/822SLA

立体印刷FDM

熔融沉积成形SLS

选择性激光烧结LOM

分层实体制造优点(1)成形速度极快，成形精度、表面质量高；

(2)适合做小件及精细件。(1)成形材料种类较多，成形样件强度好，能直接制作ABS塑料；

(2)尺寸精度较高，表面质量较好，易于装配；

(3)材料利用率高；

(4)操作环境干净、安全可在办公室环境下进行。(1)有直接金属型的概念，可直接得到塑料、蜡或金属件；

(2)材料利用率高；造型速度较快。(1)成形精度较高；

(2)只须对轮廓线进行切割，制作效率高，适合做大件及实体件；

(3)制成的样件有类似木质制品的硬度，可进行一定的切削加工。缺点(1)成形后要进一步固化处理；

(2)光敏树脂固化后较脆，易断裂，可加工性不好；

(3)工作温度不能超过100℃，成形件易吸湿膨胀，抗腐蚀能力不强。(1)成形时间较长；

(2)做小件和精细件时精度不如SLA。(1)成形件强度和表面质量较差，精度低。

(2)在后处理中难于保证制件尺寸精度，后处理工艺复杂，样件变型大，无法装配。(1)不适宜做薄壁原型；

(2)表面比较粗糙，工件表面有明显的台阶纹，成型后要进行打磨；

(3)易吸湿膨胀，成形后要尽快表面防潮处理；

(4)工件强度差，缺少弹性。2024/7/823SLA

立体印刷FDM

熔融沉积成形SLS

选择性激光烧结LOM

分层实体制造设备购置费用高昂低廉高昂中等维护和日常使用费用

激光器有损耗，光敏树脂价格昂贵，运行费用很高。无激光器损耗，材料的利用率高，原材料便宜，运行费用极低。激光器有损耗，材料利用率高，原材料便宜，运行费用居中。激光器有损耗，材料利用率很低，运行费用较高。发展趋势稳步发展飞速发展稳步发展渐趋淘汰应用领域复杂、高精度、艺术用途的精细件塑料件外形和机构设计铸造件设计实心体大件2024/7/824无人值守：

LOM和SLS使用的CO2激光器是依靠热量对成形材料进行切割和融化的，因此在机构发生机械故障时（如：传动失灵，激光器无法自动关闭等），有发生火灾的可能，因此工作时必需有专人值守。

SLA的紫外光激光器是利用光敏树脂对紫外光敏感凝固的特性进行成形，不产生高热；

FDM的热压喷头温度远低于成形材料的燃点；因此SLA和FDM在安全性方面可实现无人值守。

办公环境下使用：

LOM和SLS使用时产生烟尘，SLA、LOM和SLS使用激光，具有危险性，因此在严格意义上说SLA、LOM和SLS均不适合在办公室内使用。

2024/7/825

世界上第一台快速成型机于自1988年诞生于美国。在这一领域，美国一直处于领先地位，各种新工艺大都在美国最先出现，研究、开发的工艺种类也最多，其次在欧洲、日本发展也很快。国内最早开始RP领域研究的是清华大学，清华大学机械工程系于1989年开始涉足，经过几年的努力，在快速成型工艺研究、成型设备开发、数据处理及控制软件、新材料的研发等方面都做了大量卓有成效的工作，赶上了世界发展的步伐，并有很多独创性的创新。六、RPM技术的研究和应用2024/7/826

目前国际上RP技术应用较好的有美国、日本、新加坡等国家。

RP技术主要有两种应用模式，一种是大型制造企业，如美国通用、福特汽车、波音公司以及国内上汽公司、上菱公司、德尔