《特种加工技术》课件 项目十 快速成形加工

项目十快速成形加工项目十快速成形加工学习任务一认识快速成形技术学习任务二快速成形形技术工艺及应用知识目标1.掌握掌握快速成形技术的原理2.理解快速成形技术的特点3.掌握光固化快速成形的基本原理4.掌握激光选区烧结快速成形的基本原理5.掌握叠层实体制造的基本原理6.掌握熔融沉积制造的基本原理7.掌握三维打印快速成形的基本原理能力目标素质目标1.能够初步分析快速成形原理2.能够根据零件特点合理选择成形技术1.培养安全规范生产意识2.培养严谨认真的工作作风3.培养分析问题解决问题的能力项目十快速成形加工

在这个时代里，一些神奇的事物将横空出世。你只需要拥有一台打印机，就可以使用塑料、金属、等各种材料来打印出你想要的任何东西，如模具、个性化产品、飞机零部件甚至是人体器官。人们渐渐被这种神奇的机器所吸引。这就是快速成形技术。任务导入掌握快速成形技术的原理理解快速成形技术的特点

知识能力1

技能能力2

素质能力3培养分析问题解决问题的能力能够初步分析快速成形原理任务目标

快速成形制造技术（RapidPrototyping&Manufacturing）是20世纪80年代问世并迅速发展起来的一项崭新的制造技术，是由CAD模形直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体技术的总称。它由产品三维模形数据直接驱动，组装（堆积）材料单元而完成任意复杂三维实体（不具使用功能）的科学技术总称。知识链接一、快速成形技术的概念和原理快速成形技术原理图

首先完成被加工件的计算机三维模形（数字模形、CAD模形），然后根据工艺要求，按照一定的规律将该摸形离散为一系列有序的单元，通常在Z方向将其按一定厚度进行离散（分层、切片)，把原CAD三维摸形变成一系列层片的有序叠加；再根据每个层片的轮廓信息，输入加工参数，自动生成数控代码；最后由成形机完成一系列层片制造并实时自动将它们连接起来，得到一个三维物理实体。二、快速成形技术的特点02040301由CAD模形直接驱动快速成形设备是无需专用夹具或工具的通用机器成形过程中无需人工干预或较少干预可以制造具有任意复杂形状的三维实体05快速成形使用的材料具有多样性任务拓展

快速成形技术的概念大约出现在20世纪70代末，而实际上采用分层制造原理堆积三维实体的思维雏形最早可追溯到19世纪。早在1892年，美国的J.E.Blanther在其申请的专利中就提出采用分层制造法构成地形图。1902年，CarloBease在其申请的专利中提到采用光敏聚合物制造塑料件的原理，这是光固化快速成形技术的初始设想。而PaL.Dimatteo在其1976年的美国专利中明确提出，先用轮廓跟踪器将三维物体转化为二维轮廓薄片，然后用激光切割使这些薄片成形，再用螺钉、销钉将一系列薄片连接成三维物体。1979年，日本的Nakagawa教授开始采用分层制造技术制作实际的模具。20世纪70年代末到80年代初，美国的AlanJ.Hebert、日本的小玉秀、美国UVP公司CharelesW.Hull等人相继独立地提出了快速原形概念。快速成形技术的发展历程任务拓展

20世纪80年代，激光技术得到了高速的发展，高质量的激光束为材料快速固化提供了先决条件，第一个快速成型工艺就是利用当时先进的激光技术来实现光固化树脂的逐点、逐层胶连固化而成型。激光选区烧结(SelectiveLaserSintering,SLS)是由美国德克萨斯州大学奥斯汀分校的CarlR.Deckard于1986年提出的，采用激光束烧结粉末而成型，并获得了专利。叠层实体制造（LaminatedObjectManufacturing，LOM）是快速原型技术中早期发展的技术之一。该工艺由美国的MichaelFeygin首先提出，即用激光束切割簿材（如纸材）而层层粘接成型，于1985年获得了专利；直接将材料（如塑料、蜡等）熔化并挤压喷出堆积成型，称为熔融沉积成型（FusedDepositionModeling，FDM）工艺，是众多快速成型工艺中发展速度最快的工艺之一，1992年美国的S.ScottCrump获得了FDM工艺的第一个专利。任务拓展

美国麻省理工学院（MIT）的E.M.Sachs博士提出用喷射粘结剂微滴粘连铺平粉层的粉末，实现局部的固结，逐层制造而获得三维实体模型的三维打印工艺3DP（ThreeDimensionPrinting）。E.M.Sachs于1993年获得专利。

我国于20世纪90年代初先后有武汉华中科技大学快速制造中心，陕西省激光快速成型与模具制造工程研究中心，西安交通大学先进制造技术研究所，北京隆源自动成型系统有限公司，北京清华大学殷华实业有限公司等在快速成型工艺研究、成型设备开发、数控处理及控制软件、新材料的研发等方面做了大量卓有成效的工作，赶上了世界发展的步伐并有所创新，现已开发研制出系列化的快速成型商品化设备并可订购，并定期举办快速成型技术培训班。我国中国机械工程学会下属的特种加工学会于2001年增设了快速成型专业委员会，开展快速成型技术的普及和提高工作。

快速成形技术（简称RP技术）是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。但是，其基本原理都是一样的，那就是“离散原型”、“分层制造”、“逐层叠加”，这种工艺可以形象地叫做“增长法”或“加法”，类似于数学上的积分过程，形象地讲，快速成形系统就像是一台“立体打印机”。任务导入掌握光固化快速成形的基本原理掌握激光选区烧结快速成形的基本原理掌握叠层实体制造的基本原理掌握熔融沉积制造的基本原理掌握三维打印快速成形的基本原理

知识能力1

技能能力2

素质能力3培养分析问题解决问题的能力能够根据零件特点合理选择成形技术任务目标知识链接

自1986年第一台快速成形设备出现至今，30年来，世界上已有大约二十多种不同的成形方法和工艺，而且新方法和工艺不断地出现，各种方法均具有自身的特点和适用范围。比较成熟的典型工艺有光固化快速成形（SLA）、激光选区烧结（SLS）、叠层实体制造（LOW）、熔融沉积制造（FDM）、三维打印快速成形（3DP）等。一、光固化快速成形工艺1.光固化快速成形的基本原理

光固化快速成形（SLA），又称为立体光刻，光成形等，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（λ=325nm）和功率（P=30mW）的紫外激的照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料从液态转变成固态。SLA工艺原理图

1-扫描镜2-Z轴升降台3-树脂槽

4-光敏树脂5-托盘6-零件

液槽中盛满液态光敏树脂，激光束在偏转镜作用下，在液体表面上扫描，扫描的轨迹及激光的有无均由计算机控制，光点扫描到的地方，液体就固化。成形开始时，工作平台托盘5在液面下一个确定的深度，液面始终处于激光的焦点平面内，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。然后升降台带动托盘5平台使其高度下降一层（约0.1mm），已成形的层面上又布满一层液态树脂，刮平器将黏度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新的一层固体牢固地粘在前一层上，如此重复，直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体原型，最后对零件进行打磨或者上漆，以提高其表面质量一、光固化快速成形工艺2.光固化快速成形工艺的特点02040301成形精度高扫描质量好成形件表面质量好成形速度较快05成形过程中需要添加支撑06成形成本高二、激光选取烧结快速成形工艺1.激光选区烧结快速成形的基本原理

激光选区烧结（SLS）工艺，又称为选择性激光烧结成形，它是采用红外激光作为热源来烧结

粉末材料，并以逐层堆积的方式成形三维零件的一种快速成形技术。SLS工艺原理图1-零件2-扫描镜3-激光器4-透镜5-刮平辊子

此法采用CO2激光器作能源，目前使用的造型材料多为各种粉末材料。在工作台上均匀铺上一层很薄（0.1~0.2mm）的粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，一层完成后再进行下一层烧结，全部烧结完成后去掉多余的粉末，再进行打磨、烧干等处理便获得零件。二、激光选取烧结快速成形工艺2.激光选区烧结快速成形的特点123456可以成形几乎任意几何形状结构的零件，尤其适于生产形状复杂、壁薄、带有雕刻表面和内部带有空腔结构的零件。SLS工艺无需支撑SLS工艺可使用的成形材料范围广可快速获得金属零件未烧结的粉末可重复使用，材料浪费极小应用面广1.叠层实体制造快速成形的基本原理

LOM工艺采用薄片材料（如纸、塑料薄膜等）作为成形材料，片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，用CO2激光器（或刀）在计算机控制下按照CAD分层模型轨迹切割片材，然后通过热压辊热压，使当前层与下面已成形的工件层黏结，从而堆积成形。三、叠层实体制造快速成形工艺

LOM工艺原理图1-收料轴2-升降台3-加工平面4-CO2激光器5-热压辊

6-控制计算机7-料带8-供料轴

用CO2激光器在刚黏结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，升降工作台带动已成形的工件下降，与带状片材（料带）分离；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;升降工作台上升到加工平面，热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加升料厚，再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面切割、黏结完，所得到的是包含零件的方体。零件周围的材料由于激光的网格式切割，而被分割成一些小的方块条，能容易地从零件上分离，最后得到三维的实体零件。2.叠层实体制造快速成形的特点三、叠层实体制造快速成形工艺02040301LOM工艺只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。因此易于制造大型、实体零件制件的内应力和翘曲变形小，制造成本低材料利用率低，种类有限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工艺无需加支撑表面质量差，内部废料不易去除，后处理难度大05

熔融沉积成形（FDM）工艺，是一种利用喷嘴熔融、挤出丝状成形材料，并在控制系统的控制下，按一定扫描路径逐层堆积成形的一种快速成形工艺。四、熔融沉积制造快速成形工艺1.熔融沉积制造快速成形的基本原理熔融沉积制造快速成形技术原理图

材料先抽成丝状，通过送丝机构送进喷嘴，由喷嘴将丝状的成形材料熔融、挤出，喷嘴在x-y扫描机构的带动下沿层面模型规定的路线进行扫描、堆积熔融的成形材料。一层扫描完毕后，底板下降或者喷嘴升高一个层厚高度，重新开始下一层的成形。依此逐层成形直至完成整个零件的成形。四、熔融沉积制造快速成形工艺2.熔融沉积制造快速成形的特点02040301成形设备简单、价格低廉，可靠性高成形过程对环境无污染成形零件具有优良的综合性容易制成桌面化和工业化快速成形系统05成形材料广泛五、三维打印快速成形工艺1.三维打印快速成形的基本原理

三维打印（ThreeDimensionPrinting，3DP）快速成形工艺是美国麻省理工学院E.M.Sachs教授等学者开发的一种快速成形工艺，与选区激光烧结工艺一样，该工艺的成形材料也需要制备成粉末状，所不同的是，3DP是采用喷射粘结剂粘结粉末的方法来完成成形过程的。3DP工艺流程图

首先，底板上铺一层具有一定厚度的粉末；接着用微滴喷射装置在已铺好的粉末表面根据零件几何形状的要求在指定区域喷射粘接剂，完成对粉末的粘结；然后，工作平台下降一定的高度（一般与一层粉末厚度相等），铺粉装置在已成形粉末上铺设下一层粉末，喷射装置继续喷射以实现粘结；周而复始，直到零件制造完成。没有被粘结的粉末在成形过程中起到了支撑的作用，使该工艺可以制造悬臂结构和复杂内腔结构而不需要再单独设计添加支撑结构。造型完成后清理掉未粘结的粉末就可以得到需要的零件.五、三维打印快速成形工艺2.三维打印快速成形的特点3DP工艺最大的特点是采用了数字微滴喷射技术。数字微滴喷射技术是指在数字信号的控制下，采用一定的物理或者化学手段，使工作腔内的流体材料的一部分在短时间内脱离母体，成为一个（组）微滴（droplets）或者一段连续丝线，以一定的响应率和速度从喷嘴流出，并以一定的形态沉积到工作台上的指定位置。数字微滴喷射技术示意图

一次数字脉冲的激励得到一个射流脉冲，射流脉冲的大小与激励信号的脉宽有关，当这个激励信号的脉宽极小的时候，射流（实际上已被离散为尺度为数十至数百微米大小的微滴）成为一个微单元（即一个微滴），可用数字技术中“位”的概念来描述，此时模型成为一种新的数字执行器的原型，喷嘴的流量由数字激励信号的频率和脉宽来进行控制。当射流连续喷射时，可视为是激励信号输出全为“1”的特例。五、三维打印快速成形工艺2.三维打印快速成形的特点基于数字微滴喷射技术的3DP工艺其有如下特点：（1）成形效率高。由于可以采用多喷嘴阵列，因此能够大大提高造型效率。（2）成本低，结构简单，易于小型化。徽滴喷射技术无需使用激光器等高成本设备，故其成本相对较低，而且其结构简单，可以进一步结合微机械加工技术，使系统集成化、小型化，是实现办公室桌面化系统的理想选择。（3）可适用的材料非常广泛。从原理上讲，只要一种材料能够被制备成粉末，就可能应用到3DP工艺中。在所有快速成形工艺中，3DP工艺最早实现了陶瓷材料的快速成形。目前其成形材料已经包括塑料、陶瓷和金属材料等。任务拓展