第14章快速成型技术概述

第14章快速成型技术概述

3D打印过程快速成型技术的制作过程是与传统的材料去除加工方法截然相反的，3D打印是基于三维CAD模型数据、通过逐层增加材料的方式，直接制造与相应3D模型数据完全一致的物理实体的制造方法，如图所示。1.1概述1.2快速成型的主要成型方法及分类1.3光固化成型工艺光固化成型工艺的成型过程如图所示。液槽中盛满液态光敏树脂，紫外激光器发出的激光束在控制系统的控制下按零件的各分层截面信息在光敏树脂表面进行逐点扫描，使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。一层固化完毕后，工作台下移一个层厚的距离，以使在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后进行下一层的扫描加工，新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复直至整个零件制造完毕，得到一个三维实体物件光固化成型工艺原理图光固化快速原型的制作一般可以分为前处理、原型制作和后处理三个阶段。

光固化快速原型前处理

光固化快速原型后处理1.4叠层实体快速成型工艺叠层实体制造技术（LaminatedObjectManufacturing，LOM）由美国Helisys公司于1986年研发成功，LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。叠层实体制造工艺由计算机、材料存储及送进机构、热粘压机构、激光切割系统、可升降工作台和数控系统和机架等组成。基本原理如图所示，首先在工作台上制作基底，工作台下降，送纸滚筒送进一个步距的纸材，工作台回升，热压滚筒滚压背面涂有热熔胶的纸材，将当前迭层与原来制作好的迭层或基底粘贴在一起，切片软件根据模型当前层面的轮廓控制激光器进行层面切割，逐层制作，当全部迭层制作完毕后，再将多余废料去除。叠层实体快速成型工艺原理图1.5选择性激光烧结成型工艺选择性激光烧结工艺原理图选择性激光烧结工艺的基本原理如图所示，加工过程是采用铺粉辊将一层粉末材料平铺在已成形零件的上表面，并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉层上扫描，使粉末的温度升至熔化点，进行烧结并与下面已成形的部分实现粘接。当一层截面烧结完后，工作台下降一个层的厚度，铺料辊又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的烧结，如此反复，直至完成整个模型。在成型过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂部分起着支撑作用，不必象SLA和FDM工艺需要生成支撑工艺结构。1.6熔融沉积快速成型工艺熔融沉积快速成型工艺基本原理熔融沉积快速成型工艺基本原理：将丝状的热熔性材料送进液化器加热熔化后，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来，如果热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而成型部分的温度稍低于固化温度，就能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体造型，如图所示。1.7电子束熔化电子束选区熔化装置电子束选区熔化(EBSM)原理：类似激光选区烧结和激光选区熔化工艺，电子束选区熔化技术(EBSM)是一种采用高能高速的电子束选择性地轰击金属粉末，从而使得粉末材料熔化成形的快速制造技术。EBSM技术的工艺过程为：先在铺粉平面上铺展一层粉末；然后，电子束在计算机的控制下按照截面轮廓的信息进行有选择的熔化，金属粉末在电子束的轰击下被熔化在一起，并与下面已成形的部分粘接，层层堆积，直至整个零件全部熔化完成；最后，去除多余的粉末便得到所需的三维产品。上位机的实时扫描信号经数模转换及功率放大后传递给偏转线圈，电子束在对应的偏转电压产生的磁场作用下偏转，达到选择性熔化。经过十几年的研究发现对于一些工艺参数如电子束电流、聚焦电流、作用时间、粉末厚度、加速电压、扫描方式进行正交实验。作用时间对成型影响最大。1.8喷射固化成型喷射固化成型工艺喷射固化成型工艺如图所示。使用陈列式喷头，在计算机控制下，喷嘴工作腔内的液态光敏树脂瞬间形成液滴，在压力作用下液滴喷射到基底的指定位置，并立即使用紫外线将其固化，薄层聚集在托盘上，形成精确的3D模型或零件。喷射固化成型的层分辨率可达16μm，精度可达0.1mm，在悬垂部分或形状复杂部位有支撑需要去除时，我们可用手或水轻松快速的去除凝胶状支撑。1.9三维喷涂粘结三维喷涂粘结工艺原理三维喷涂粘结工艺的原理：三维喷涂粘结快速成型工艺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，其工艺原理如图所示。首先铺粉或铺基底薄层（如纸张），利用喷嘴按指定路径将液态粘结剂喷在预先铺好的粉层或薄层上特定区域，逐层粘结后去除多余底料便得到所需形状制件；也可以直接逐层喷涂陶瓷或其他材料粉浆，硬化后得到所需形状的制件，结构陶瓷制品和注射模具是采用三维喷涂粘结工艺制作。2.1快速成型技术的应用机械制造应用2.1.1机械制造应用由于快速成型技术自身的特点，使得其在机械制造领域内，多用于制造单件、小批量金属零件。有些特殊复杂制件只需单件或少于50件的小批量，这样的产品通过制模再生产，成本高，周期长。一般可用快速成型技术直接进行成型，成本低，周期短。如某单位需试制发动机涡轮二个，采用传统工艺方法，制模具再生产需4个月。北京隆源自动成型系统有限公司采用快速成型、失蜡铸造方法仅用了两天时间就完成了用于失蜡铸造的蜡型2.1.2医学应用医学应用的快速制作流程快速成形技术独特的制造方法和个性化定制等特性，使其在医学上有很大的发挥空间，比如各种植入物（假体）的定制。用假体置换病骨或关节组织，是矫形、整形、口腔、颅颌、五官科等领域现代先进外科手术的标志，具体制作流程如图所示1.手术导板与模拟手术导板与模拟2.假肢/康复治疗辅助器械3.手术辅助3D打印用于手术辅助义耳制作流程2.1.3航空航天领域引擎舱铰链支架与安全扣的拓普优化3D打印空额AirbusA320引擎舱铰链支架，为了减轻零件重量，目前采用钛合金代替钢，利用EOS公司的EOSINTM280设备进行3D打印生产。既减少了材料的使用（75%），同时也减轻了每架飞机的重量（每台可减重10公斤）。AirbusA380的头等舱实体模型，采用3D打印制作2.1.3航空航天领域氧气供应系统管路部件打印结果欧洲台风战斗机氧气供应系统管路部件采用3D打印技术进行打印。氧气供应系统管路部件需承受高压200bar，常规的制作是两端采用数控CNC加工，然后再进行焊接而成。而采用3D打印技术，我们则可以直接一体成型，在转角处可以设计成圆弧过渡转角设计，也可减少因焊接不当而产生的缝隙，产品整体更完善，效益更高效，如图所示2.1.3航空航天领域窗框由钛合金3D打印结果在我国商用客机C-919、舰载战斗机歼-15、多用途战斗轰炸机歼-16、隐形战斗机歼-20及第五代战斗机歼-31的部分零部件的制造采用了3D打印技术。C-919风挡在高速飞行时要承受巨大动压，窗框由钛合金3D打印制成，隐形战斗机的机身结构件也由钛金属3D打印制造，如图所示。2.1.3航空航天领域

卫星发动机注入器

燃料器支架

优化后的燃料器支架欧洲航天太空总署利用3DsystemsDMP打印机进行空间卫星发动机注入器的打印，如图所示。在卫星发动机燃料器支架的制作过程，在常规的制作流程