第8章 快速成形

8.1光敏树脂液相固化成形

光敏树脂液相固化成形（SL——Stereolithograhpy）又称光固化立体造型或立体光刻。它由CharlesHul发明并于1984年获美国专利。1988年美国3D系统公司推出商品化的世界上第一台快速原型成形机。SL系列成形面占据着RP设备市场较大的份额。

一、SL加工原理

SL技术又称光固化快速成形技术，其原理是计算机控制激光束对光敏树脂为原料的表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层（约十分之几毫米）产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。工作台下移一个层厚的距离（约0.1mm），以便固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，进行下一层的扫描加工，如此反复，直到整个原型制造完毕。

二、SL特点

1.精度高、表面质量好、效率高、原材料利用率将近100%；

2.能制造形状特别复杂（如空心零件）、特别精细（如首饰、工艺品等）的零件；

3.制作出来的原型件，可快速翻制各种模具；

4.由于光聚合反应是基于光的作用而不是基于热的作用，故在工作时只需功率较低的激光源。

5.对于尺寸较大的零件，则可采用先分块成形然后粘接的方法进行制作。

三、成形材料

SL工艺的成形材料称为光敏树脂（或称光固化树脂），可分为三类。

1.自由基光敏树脂；

2.阳离子光敏树脂；

3.混杂型光敏树脂（应用最广）。

四、应用

美国、日本、德国、比利时等都投入了大量的人力、物力研究该技术，并不断有新产品问世。我国西安交通大学也研制成功了立体光造型机LPS600A。目前，全世界有10多家工厂生产该产品。（1）在汽车车身制造中的应用SL技术可制造出所需比例的精密铸造模具，从而浇铸出一定比例的车身金属模型，利用此金属模型可进行风洞和碰撞等试验，从而完成对车身最终评价，以决定其设计是否合理。美国克莱斯勒公司已用SL技术制成了车身模型，将其放在高速风洞中进行空气动力学试验分析，取得了令人满意的效果，大大节约了试验费用。

（2）用于汽车发动机进气管试验进气管内腔形状是由十分复杂的自由曲面构成的，它对提高进气效率、燃烧过程有十分重要的影响。设计过程中，需要对不同的进气管方案做气道试验，传统的方法是用手工方法加工出由几十个截面来描述的气管木模或石膏模，再用砂模铸造进气管，加工中，木模工对图纸的理解和本身的技术水平常导致零件与设计意图的偏离，有时这种误差的影响是显著的。使用数控加工虽然能较好地反映出设计意图，但其准备时间长，特别是几何形状复杂时更是如此。英国Rover公司使用快速成型技术生产进气管的外模及内腔模，取得了令人满意的效果。SL应用实例8.2选择性激光粉末烧结成形

选择性激光粉末烧结成形（SelectedLaserSintering，SLS）工艺又称为选区激光烧结。

SLS由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。该方法已被美国DTM公司商品化。

一、加工原理

SLS技术与SL技术很相似，只是用粉末原料取代了液态光聚合物，并以一定的扫描速度和能量作用于粉末材料。该技术具有原材料选择广泛、多余材料易于清理、应用范围广等优点，适用于原型及功能零件的制造。在成形过程中，激光工作参数以及粉末的特性和烧结气氛是影响烧结成形质量的重要参数。

二、SLS特点

1.材料适用面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、石蜡等材料的零件；

2.因为没有被烧结的粉末起到了支撑作用。因此可以烧结制造空心、多层镂空的复杂零件。

三、SLS成形材料

SLS烧结成形用的材料，早期采用蜡粉及高分子塑料粉，用金属或陶瓷粉进行粘接或烧结的工艺也已达到实用阶段。任何受热后能粘结的粉末都有被用作SLS原材料的可能性，原则上这包括塑料、陶瓷、金属粉末及它们的复合粉。近年来开发的较为成熟的用于SLS工艺的材料如表8-1所示。

四、应用（1）在汽车模具制造中应用美国德克萨斯州立大学研究的SLS技术，已由美国DTM公司商品化。目前该公司已研制出SLS2000系列第三代产品。该系统能烧结蜡、聚碳酸酯、尼龙、金属等各种材料。用该系统制造的钢铜合金注塑模具，可注塑5万件工件。近年来基于RPM技术模具制造技术已从最初的原型制造，发展到快速工模具制造,成为国内外应用研究开发的重点。基于RPM的模具制造方法可分为直接制模法和间接制模法。

（2）在汽车灯具制造上的应用汽车灯具大多数的形状是不规则的,曲面复杂,模具制造难度很大。通过快速成型技术,可以很快得到精确的产品试样,为模具设计CAD和CAM提供了有利的参考。同时,也可以通过快速成型技术,用熔模铸造的方法快速、高精度地制造出灯具模具。SLS应用实例

薄片分层叠加成形（LaminatedObjectManufacturing，LOM）工艺又称叠加实体制造或分层实体制造。

LOM由美国Helisys公司于1986年研制成功，并推出商品化的机器。因为常用纸作原料，故又称纸片叠层法。8.3薄片分层叠加成形

一、加工原理

LOM技术是一种常用来制作模具的新型快速成形技术。其原理是先用大功率激光束切割金属薄片，然后将多层薄片叠加，并使其形状逐渐发生变化，最终获得所需原型的立体几何形状。

二、LOM特点

1.LOM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。

2.零件的精度高（误差<0.15mm）。

3.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。

三、LOM成形材料

LOM工艺的成形材料常用成卷的纸，纸的一面事先涂覆一层热熔胶，偶而也用塑料作为成形材料。热熔胶应保证层与层之间的粘结强度，常用EVA热熔胶。它由EVA树脂、增粘剂、蜡和抗氧剂组成。

四、应用

LOM由于其成形材料较便宜，运行成本和设备投资低，故获得了一定的应用。可以用来制作汽车发动机轴、连杆、各类箱体、盖板等零部件的原形样件。LOM应用实例8.4熔丝堆积成形

熔丝堆积成形（FusedDepositionModeling，FDM）。

FDM由美国学者Dr.ScottCrump于1988年研制成功，并由美国Stratasys公司推出商品化的机器。

一、FDM工艺原理

FDM工艺是利用热塑性材料的热熔性、粘结性，在计算机控制下层层堆积成形。材料先抽成丝状，通过送丝机构送进喷头，在喷头内被加热火化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将火化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结，层层堆积成形。

二、特点及应用

1.FDM不用激光，因此使用、维护方便，成本较低。

2.用蜡成形的零件原型，可以直接用于溶模铸造。用ABS工程塑料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。

3.由于FDM工艺的一大优点是可以成形任意复杂程度的零件，经常用于成形具有复杂的内腔、孔等零件。

4.精度较差。

三、FDM材料

1.成形材料

FDM工艺常用ABS工程塑料丝作为成形材料，对其要求是熔融温度低（80~120o