第二章快速成型制造工艺I.ppt

1、模具工程技术研究中心METRC、结构三维模型、模型近似处理、成形方向选择、切片处理、前处理、层叠成形、后处理、光固化快速原型SLA、层叠实体制造LOM、选择性激光烧结SLS、熔融堆积制造工件剥离快速成型制造系统、产品造型、快速成型、产品原型、模具工程技术研究中心METRC、2快速成型制造工艺、快速成型制造技术广义上分为材料重叠和材料去除两种下图显示了当前许多快速成型过程按材料和构建技术进行分类。 模具工程技术研究中心METRC、快速成型制造技术是20世纪80年代中期发展起来的高新技术，自1988年世界首创快速成型技术诞生以来，快速成型技术的技术方法目前已有10种。 在目前所有快速成型方法中，光

2、固化成型法(SLA )、层压实体制造法(LOM )、激光选区烧结法(SLS )、熔融沉积法(FDM )应用于世界，重点介绍这些常用的快速成型技术。2快速成型制造工艺、模具工程技术研究中心METRC、第二节光固化工艺、光固化工艺又称立体印刷工艺，英文名称StereoLithography，SL，SLA 自1988年3D Systems公司首次推出SLA商品化快速成型机以来，SLA成为最成熟、应用最广泛的RP典型技术之一。 以感光性树脂为原料，用电脑控制紫外线激光凝固成形。 该方法能够简单且全自动地制作出用以往的各种加工方法难以制作的复杂的立体形状，在加工技术领域具有划时代的意义。2快速成形制造工

3、艺、模具工程技术研究中心METRC，一、光固化成形的基本原理和特点、光固化成形工艺的成形过程如图2-2所示。 液槽中充满液态感光性树脂，来自氦镉激光器或氩离子激光器的紫外激光束在控制系统的控制下，按照部件的各层截面信息逐次扫描感光性树脂表面，使被扫描区域的树脂薄层发生光聚合反应，使其硬化，形成部件的薄层。 完成进一步固化后，将工作台进一步降低厚度，在原固化树脂的表面再涂上一层新的液态树脂，刮板刮去粘度大的树脂液面，进行下一层的扫描加工，新固化的一层牢固地粘接在前一层上，这样反复完成零件的制造(1)光固化成型的基本原理、2快速成型制造工艺、模具工程技术研究中心METRC、光固化成型工艺原理图、2

4、快速成型制造工艺、模具工程技术研究中心METRC、2快速成型制造工艺由于树脂材料的高粘性，如果用刮刀刮削，必要量的树脂充分均匀地铺在前面的积层上，所以用激光硬化的话精度变好，产品的表面变得更光滑平坦。 模具工程技术研究中心METRC，2快速成型制造工艺，吸附式涂层结构，模具工程技术研究中心METRC，成型工艺自动化程度高，(2)光固化成型技术的特点，优点：尺寸精度高，SLA系统优秀的表面品质，各层硬化时侧面和曲面有可能产生阶梯差，不过，在上面能得到玻璃状的效果。可以制作结构非常复杂的模型，可以直接制作用于熔模精密铸造的具有中空结构的消失模，2快速成形制造工艺，模具工程技术研究中心METRC，成

5、形品容易变形，缺点：设备运行和维护成本高，液态树脂材料和激光的价格在成形中材料发生物理化学变化，需要二次硬化，在快速成型系统中光硬化的原型树脂完全激光硬化。 脆、易断裂性能仍弱于常用的工业塑料，2快速成型制造技术、模具工艺技术研究中心METRC，2、光固化快速原型的工艺、光固化快速原型的制作一般可分为前处理、原型制作和后处理三个阶段。 (1)预处理、预处理阶段主要对原型CAD模型进行数据转换、定位方位确定、支撑和切片分层，实际上为原型的制作准备数据。 光固化原型制作的前处理过程在某个小扳手的制作中介绍。 CAD三维建模、三维实体建模是CAD模型的最佳表现，也是快速成型所需的原始数据源。 如果没

6、有CAD维数字模型，就不能驱动模型的快速原型。 CAD模型的三维造型可通过UG、Pro/E、Catie等大型CAD软件和多个小型CAD软件实现，图2-2a表示UG NX2.0下的小扳手的三维造型。 2快速成型制造工艺，模具工程技术研究中心METRC，a) CAD三维原始模型，b) CAD模型的STL数据模型，c )模型的配置方位，d )模型的支持，图2-2，光固化快速成型预处理， 双快速成型制造过程STL数据处理实际上使用若干小三角形片段来近似模型的外表面，如图2-2 b所示。 在该阶段需要注意的是，STL文件生成的精度控制。 目前，通用的CAD维设置修订软件系统具有STL数据输出。 2快速成

7、型制造工艺，模具工程技术研究中心METRC，a) CAD三维原始模型，b) CAD模型的STL数据模型，c )模型的配置方位，d )模型的支持，图2-2，光固化快速成型预处理， 不仅影响快速成型制造工艺的制作时间和效率，还影响后续支撑的施加和原型的表面质量等，因此决定配置方位时需要综合考虑这些因素。 一般地，从缩短原型制作时间和提高制作效率的观点出发，应该选择尺寸最小的方向作为层叠方向。 但是，为了提高原型的制作质量，提高某个重要的尺寸和形状的精度，有时需要将最大的尺寸方向作为层叠方向来配置。 为了减少支撑量、节省材料、便于后处理，也经常倾斜配置。 配置方向的决定和之后的支持和切片处理等在阶层

8、软件系统上实现。 上述小扳手的尺寸较小，为了确保轴部外径尺寸及轴部内孔尺寸的精度，如图2-2c所示，选择直立配置。 同时，考虑到尽可能缩小支撑的批量，大端向下放置。 2快速成型制造工艺，模具工程技术研究中心METRC，a) CAD三维原始模型，b) CAD模型的STL数据模型，c )模型的配置方位，d )模型的支撑，图2-2，光固化快速成型预处理，2 对于结构复杂的数据模型，支持的应用很耗时。 支持施加的好坏直接影响原型制作的成败和制作的质量。支持的施加可以手动进行，也可以软件自动实现。 软件自动实现的支持的应用，一般经过人工检查，进行必要的修改和删除。 为了便于在后续处理中去除支撑和获得优良

9、的表面质量，目前比较先进的支撑类型是点支撑，即与需要支撑的模型面点接触，而图2-2d示意性的支撑结构是点支撑。2快速成型制造工艺、模具工程技术研究中心METRC，a) CAD三维原型、b) CAD模型的STL数据模型、c )模型的配置方位、d )模型的支撑、图2-2、光固化快速成型预处理、 完成2快速成型制造过程支持后，根据设备系统设定的层厚在高度方向切片，生成RP系统要求的SLC格式的层数据文件，提供给光硬化快速成型系统，进行成型。 图23显示的是该扳手的光固化原型。 2快速成型制造工艺、模具工程技术研究中心METRC、(2)光固化成型、光固化成型工艺在专用的光固化快速成型设备系统上进行。

10、在原型制作之前，光固化快速成型设备系统需要提前启动，使树脂材料的温度达到预先设定的合理温度，激光点火后也需要一定的稳定时间。 设备正常运行后，启动原型制作控制软件，读入预处理制作的切片数据文件。 一般来说，积层制作控制软件对成型工艺残奥表有缺省设定，原型制作时不需要每次调整，硬化特殊的构造和激光能量变化很大时需要调整。 另外，建立模型之前，请注意调整工作台屏幕的零位置和树脂液面的位置关系，以确保与工作台屏幕的牢固连接。 一切准备好了，就可以开始层叠制作了。 整个层压板的光固化过程在软件系统的控制下自动完成，所有层压板完成后系统自动停止。 下图表示SPS600光硬化成形设备的光硬化积层制作时的界

11、面。 界面上显示了有关激光能量的信息、激光扫描速度、原型几何尺寸、总层数、当前硬化的层叠、工作台升降速度等信息。2快速成型制造工艺、模具工程技术研究中心METRC、2快速成型制造工艺、模具工程技术研究中心METRC、(3)光固化成型后处理、快速成型系统对于用光硬化成形方法成形的原型，后硬化处理等也是必要的，以某个SLA原型为例展示了其后处理的步骤和过程。 2快速原型制造工艺，模具工程技术研究中心METRC，原型层压制作完毕后，工作台抬高液面，停留510分钟，烘干多元树脂。 将原型和桌子一起倾斜晾干，浸入丙酮、酒精等洗涤液中，搅拌掉剩馀的气泡。 45米左右持续放入池中，约5分钟清洗桌子。1、2、

12、2快速成型制造工艺、模具工程技术研究中心METRC从外向内从工作台中取出原型，去除支撑结构。 再次清洗后，放入紫外烘箱中进行整体后固化。3、4、2快速原型制造工艺、模具工程技术研究中心METRC、3、光固化原型激光扫描方法，激光束照射使液态感光树脂的聚合反应发生在液体表面，其固化区域在水平方向的线宽和垂直方向的成形深度目前激光束固化光敏树脂常用的三种方法是ACESTM、STARWEAVETM和QuickCastTM。 2快速原型制造工艺，模具工程技术研究中心METRC，(ACESTM方法，建设方式：实体内部在激光束作用下完全硬化，如图2-3所示。 特征： ACESTM方法在低变形树脂材料的硬化

13、成形中精度最高。其扫描时间是三种方法中最长的，该方法广泛用于制备高精度原型。图2-3 ACESTM光固化方式、2快速原型制造工艺、模具工程技术研究中心METRC、图2-4 STARWEAVETM光固化方式、(STARWEAVETM方法、建设方式：栅格在每隔1层成形时每隔半个间距发生适用于聚合时的收缩率高的丙烯酸树脂，也适用于环氧树脂材料。 2快速成型制造工艺，模具工程技术研究中心METRC，图2-5 ACESTM光固化方式，(QuickCastTM方法，建设方式：正方形(QuickCastTM Version 1.1)或等边三角形(quickcasttm version ) 、2快速成型制造工

14、艺、模具工程技术研究中心METRC，4、光固化成型支撑结构，在成型过程中，激光束未照射的部分材料仍为液态，因此在成型截面上对孤立轮廓和悬臂轮廓进行定位因此，需要修正如图所示的细柱状或肋状的支承结构，在成形时制作这些支承结构，能够可靠地固定成形品的各结构部分，并且能够降低成形品的翘曲变形。2快速原型制造工艺、模具工程技术研究中心METRC，支撑结构的作用和类型：主要用于支撑悬臂结构部分，在成形过程中为悬臂梁提供支撑的同时，也约束悬臂梁的翘曲变形。 作用：减少支撑作用和翘曲变形。 类型：斜支撑，直支撑，主要用于支撑腿部结构，2快速成型制造技术，模具工程技术研究中心METRC，主要用于大面积的内部支

15、撑。 腹板，十字壁板，主要用于支撑孤立结构部分。2快速原型制造工艺，模具工程技术研究中心METRC，5，光固化原型收缩变形，树脂在固化过程中收缩，通常其体收缩率约为10%，线收缩率约为3%。 分子学上讲，感光树脂的固化过程是从短小分子体向长链大分子聚合物变化的过程，其分子结构变化很大，所以固化过程中的收缩是必然的。 1、树脂收缩及其原因，树脂收缩主要是两个部分组成：的一部分硬化收缩，另一个是激光扫描液体树脂表面时温度变化引起的热膨胀收缩。 常用树脂的热膨胀系数为10-4左右，同时由于温度上升区域的面积小，因此温度变化引起的收缩量极小，可以忽略。2快速原型制造工艺、模具工程技术研究中心METRC、树脂收缩引起的变形、2、SLA原型的变形、后硬化收缩量占总收缩量的25%左右。 后固化时收缩引起的变形，3，减少翘曲变形的方法，成形工艺的改良，树脂配方的改良，2快速成型制造工艺，模具工程技术研究中心METRC，6，光固化快速成型的精度和控制，光固化成型的精度光固化快速成型技