材料成型工藝基礎(chǔ) 第二版 作者 劉建華 全書教案_ 第9章

1、1 1第9章 快速成型技術(shù)簡介 9.1 快速成型技術(shù)快速成型技術(shù) 9.2 快速成型工藝快速成型工藝9.3 快速成型技術(shù)的應(yīng)用快速成型技術(shù)的應(yīng)用2 2在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)：在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)：http:/教材其余課件及動畫素材請查閱在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)教材其余課件及動畫素材請查閱在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)QQ:349134187 或者直接輸入下面地址：或者直接輸入下面地址：http:/3 3快速成型技術(shù)(RapidPrototyping，RP)又稱快速原型制造技術(shù)，是20世紀(jì)80年代末發(fā)展起來的一種先進(jìn)制造技術(shù)，它突破了傳統(tǒng)的制造方法，直接根據(jù)CAD模型，不使用機(jī)械加工設(shè)備就可快速制造形狀復(fù)雜的零件的方法。該方法綜合了CA

2、D技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。9.1 快速成型技術(shù)快速成型技術(shù)4 49.1.1 快速成型技術(shù)的原理快速成型技術(shù)的原理快速成型技術(shù)的成型工藝均基于離散-疊加原理來實現(xiàn)快速加工原型或零件。首先，由三維CAD軟件設(shè)計零件的三維實體模型，然后，根據(jù)工藝要求，按照一定的規(guī)則將模型離散為一系列有序單元，通常對其進(jìn)行切片分層，得到離散的多層平面，將三維模型變成一系列二維層片，并把各平面的數(shù)據(jù)信息傳給成型系統(tǒng)的工作部件，用激光束或其他方法控制成型材料按照一定規(guī)律，精確、迅速地層層堆積黏結(jié)起來，形成三維的原型，最后經(jīng)后處理成為零件。5 5具體工作原理如圖9-1所示，激光掃

3、描器在計算機(jī)控制下按加工零件各分解層面的形狀對成型材料有選擇性地掃描，從而形成一層片，再進(jìn)行下一層的掃描，新層黏結(jié)在前一層上，直至整個零件制造完成。6 6圖9-1 快速成型技術(shù)的工作原理(a)三維模型；(b)二維截面；(c)激光掃描；(d)疊加三維制件7 7零件是點、線、面集合的空間實體，快速成型過程就是將體-面-線離散與點-線-面疊加的過程。由于它把復(fù)雜的三維制造轉(zhuǎn)化為一系列二維制造的疊加，因而可以在不用模具和工具的條件下生成幾乎任意復(fù)雜的零部件，極大地提高了生產(chǎn)效率和制造柔性。8 89.1.2 快速成型技術(shù)的分類及特點快速成型技術(shù)的分類及特點快速成型工藝的種類很多，可按照材料的不同進(jìn)行分類

4、，快速成型材料包括液態(tài)材料、離散顆粒和實體薄片。液態(tài)材料的快速成型方法有液態(tài)樹脂固化成型和熔融材料凝結(jié)成型，而液態(tài)樹脂固化又包括逐點固化和逐面固化；熔融材料凝結(jié)成型又包括逐點凝結(jié)和逐面凝結(jié)。離散顆粒材料快速成型方法包括激光熔融顆粒成型和黏結(jié)劑黏結(jié)顆粒成型兩種方法。實體薄片材料快速成型方法有薄片黏結(jié)堆積成型和采用光堆積成型兩種。9 9按成型方法快速成型可分為基于激光或其他光源的成型技術(shù)和基于噴射的成型技術(shù)兩大類。前者包括光固化快速成型、疊層制造成型、選擇性激光燒結(jié)成型等方法；后者包括熔融堆積成型工藝、三維印刷成型等?？焖俪尚头椒ㄅc其他傳統(tǒng)方法相比較，具有以下特點：(1)快速成型技術(shù)具有高度柔性，

5、它屬于非接觸式加工，不使用刀具、夾具等專用工具，在計算機(jī)控制下制造出任意復(fù)雜形狀的零件，從而擺脫了傳統(tǒng)加工方法的局限性。(2)快速成型技術(shù)方便地實現(xiàn)了設(shè)計制造一體化，通過離散分層模型工藝，將CAD、CAM技術(shù)和制造技術(shù)有效地結(jié)合在一起。10 10(3)快速成型技術(shù)與傳統(tǒng)制造方法相比，不需要傳統(tǒng)的刀具或工裝等生產(chǎn)準(zhǔn)備工作，任何復(fù)雜零件的加工均可在一臺設(shè)備上完成，因此，很大程度上縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。(4)成型過程中無震動、噪聲和廢料。11 119.2.1 光固化成型工藝光固化成型工藝(SLA)光固化成型又稱為光敏液相固化法、立體光刻、光造型等，是世界上第一種快速成型技術(shù)，9.2

6、快速成型工藝快速成型工藝12 12圖9-2 光固化成型過程13 13它使用的成型材料是對某特種光束敏感的樹脂。其基本原理為：在液槽內(nèi)盛有液態(tài)的光敏樹脂，激光束或紫外光光點在液面上按計算機(jī)切片軟件所得到的輪廓軌跡，對液態(tài)光敏樹脂進(jìn)行掃描固化，形成連續(xù)的固化點，從而構(gòu)成模樣的一個薄截面輪廓。一個層面掃描完成后，進(jìn)行下一層掃描，新固化的層黏結(jié)在前一層上，直至完成整個三維零件，如圖9-2所示。這種方法精度高，成型速度較快，掃描質(zhì)量好，但設(shè)備價格昂貴，需要支撐裝置，樹脂收縮會引起精度下降，并且光固化樹脂有一定毒性。14 14光固化快速成型技術(shù)適合于制作中小型工件，能直接得到樹脂或類似工程塑料的產(chǎn)品，主要

7、用于概念模型的原型制作，或用來完成簡單裝配檢驗和工藝規(guī)劃。15 159.2.2 疊層制造成型工藝疊層制造成型工藝()疊層制造成型又稱為分層實體制造，它采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等。其成型工藝如圖9-3所示。片材表面事先涂一層熱熔膠，并卷套在紙輥上，并跨過支承輥纏繞到收紙輥上。將需進(jìn)行快速成型產(chǎn)品的三維圖形輸入計算機(jī)的成型系統(tǒng)，用切片軟件進(jìn)行切片處理，得到沿產(chǎn)品高度方向上的一系列橫截面輪廓線。步進(jìn)電機(jī)帶動收紙棍轉(zhuǎn)動，使紙卷沿圖中箭頭方向移動一定距離。工作臺上升與紙卷接觸，熱壓輥滾壓紙面，加熱紙背面的熱熔膠，并使這一層紙與前一層紙黏合。16 16CO2激光器發(fā)射的激光束跟蹤零件的二維截面輪廓數(shù)據(jù)

8、，進(jìn)行切割，并將輪廓外的廢紙余料切割出方形小格，以便成型過程完成后易于剝離余料。每切割完一個截面，工作臺連同被切出的輪廓層自動下降至一定高度，然后步進(jìn)電機(jī)再次驅(qū)動收紙輥將紙移到第二個需要切割的截面，重復(fù)循環(huán)工作，直至形成由一層層橫截面黏疊的立體紙樣。然后剝離廢紙小方塊，即可得到性能類似硬木或塑料的模樣產(chǎn)品。17 17圖9-3 疊層制造成型工藝18 18這種方法只需切割片材上的截面輪廓，不用掃描整個截面，成型速度快，適于制造大型零件，成型時不需支撐裝置。但零件精度不如光固化工藝高，設(shè)備復(fù)雜，成本較高，并且成型材料性能較差，因此，此法在快速成型中的地位日益降低。19 199.2.3 選擇性激光燒結(jié)

9、成型工藝選擇性激光燒結(jié)成型工藝()選擇性激光燒結(jié)成型工藝是在一個充滿氮氣的惰性氣體加工室中利用粉末狀材料成型的，所采用的材料較廣泛，包括尼龍、蠟、ABS塑料、樹脂、聚碳酸酯、金屬及陶瓷粉末等。其工藝如圖9-4所示。先將一層很薄的可熔粉末沉淀到圓柱形容器底板上，根據(jù)CAD數(shù)據(jù)控制CO2激光束的運動軌跡，對可熔粉末材料進(jìn)行掃描熔化，并調(diào)整激光束的強度將粉末燒結(jié)。當(dāng)激光在模樣幾何形狀所確定的區(qū)域內(nèi)移動時，2020就能將粉末燒結(jié)，從而生成模樣的截面形狀，并與下面已成型的部分黏結(jié)在一起。每層燒結(jié)都是在先制成的那層頂部進(jìn)行，一層截面燒結(jié)完成以后，鋪上新的一層材料粉末，選擇性地?zé)Y(jié)下層截面。未燒結(jié)的粉末在制

10、完模樣后，可用刷子或壓縮空氣去除。21 21圖9-4 選擇性激光燒結(jié)成型技術(shù)工藝2222這種方法可選材料很廣泛，特別是能直接制造金屬零件，而且不需支撐裝置。此工藝通常與鑄造工藝緊密結(jié)合，如燒結(jié)的陶瓷型可作為鑄造的型殼、型芯，蠟型可作蠟?zāi)?，熱塑性材料燒結(jié)的模型可作消失模。23239.2.4 熔融堆積成型工藝熔融堆積成型工藝(FDM)熔融堆積成型工藝采用熱塑性材料，即蠟、ABS塑料、聚碳酸酯、尼龍等，并以絲狀供料。其工藝如圖9-5所示。材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，并將熔化的材料擠壓出非常細(xì)的熱熔塑料絲，材料迅速固化，并與周圍的材料黏結(jié)，并逐步堆積形成由切片軟件給出的二

11、維切片薄層。同理，制造模樣從底層開始，一層一層進(jìn)行，由于熱塑性樹脂或蠟冷卻很快，這樣形成了一個由二維薄層輪廓堆積并黏結(jié)成的立體模樣。2424圖9-5 熔融堆積成型工藝2525這種方法不用激光而用電能，使用維修方便，成本較低，使用的成型材料廣泛，一般為無毒無味的熱塑性材料，沒有污染，如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC、工程塑料PPSF以及沒有產(chǎn)生毒氣和化學(xué)污染的危險，適合于產(chǎn)品設(shè)計的概念建模以及產(chǎn)品的形狀及功能測試，并且適合制作大型零件，因此得到快速發(fā)展。但是噴頭為機(jī)械運動，速度有一定的限制。26269.2.5 三維印刷成型工藝三維印刷成型工藝(3DP)三維印刷采用粉末材料，如陶瓷粉末、金屬粉末，但

12、不是經(jīng)過燒結(jié)連接的，而是通過噴頭用黏結(jié)劑將零件的截面“印刷”在材料粉末上。其成型工藝如圖9-6所示。將粉末由儲料桶送出，再以滾筒將送出的粉末在加工平臺上鋪上一層很薄的原料，噴嘴按計算機(jī)模型切片后給出的輪廓噴出黏結(jié)劑，黏著粉末。完成一層，加工平臺自動下降，儲料桶上升，刮刀將粉末推平，再噴黏結(jié)劑，循環(huán)直到完成零件形狀。未被噴射黏結(jié)劑的粉末，在成型過程中起支撐作用，在成型結(jié)束之后去除。2727圖9-6 三維印刷成型工藝2828這種方法操作簡單，成型速度快，材料便宜，并且可以在黏結(jié)劑中加入彩色顏料，制作彩色原型。但是成型件的強度較低，一般只作概念型使用，不能做功能性試驗，而且工件表面粗糙，需經(jīng)后處理加

13、以改善。以上五種快速成型方式都是目前普遍使用的工藝，但事實上，在快速成型技術(shù)出現(xiàn)至今的20年里，還有其他的一些成型工藝，如逐層固化法(SGC)、發(fā)泡造形裝置及發(fā)泡分層技術(shù)、多材料復(fù)合成型方法等。29299.2.6 快速成型工藝的比較快速成型工藝的比較光固化快速成型工藝使用的是遇到光照射便固化的液體材料，稱為光敏樹脂。當(dāng)掃描器在計算機(jī)的控制下掃描光敏樹脂液面時，掃描到的區(qū)域就發(fā)生聚合反應(yīng)和固化，這樣層層加工即完成了原型的制造。光固化快速成型工藝所用的激光波長有限，這種工藝成型的零件有較高的精度且表面光潔。但其缺點是可用材料的范圍較窄，材料成本較高，激光器價格昂貴，從而導(dǎo)致零件制作成本較高。303

14、0疊層制造成型工藝的層面信息通過每一層的輪廓來表示，激光掃描器的動作由這些輪廓信息控制，它采用的材料是具有厚度信息的片材。這種方法只需加工輪廓信息，因此可以達(dá)到很高的加工速度。缺點是材料范圍很窄，每層厚度不可調(diào)整，每層輪廓被激光切割后會留下燃燒的灰燼，且燃燒時有較大的煙霧。選擇性激光燒結(jié)成型工藝使用固體粉末材料，該材料在激光的照射下，吸收能量，發(fā)生熔融固化，從而完成每層信息的成型。這種工藝材料適用范圍很廣，特別是在金屬和陶瓷材料的成型方面有獨特的優(yōu)點。缺點是所成型的零件精度和表面粗糙度較差。31 31熔融堆積成型工藝不采用激光作能源，而是用電能加熱塑料絲，使其在擠出噴頭前達(dá)到熔融狀態(tài)，噴頭在計

15、算機(jī)的控制下將熔融的塑料絲噴涂到工作平臺上，從而完成各個零件的加工過程。這種方法的能量傳輸和材料傳輸均不同于前面的三種工藝，系統(tǒng)成本較低。缺點是由于噴頭的運動是機(jī)械運動，速度有一定限制，因而加工時間稍長；成型材料適用范圍不廣；噴頭孔徑不可能很小，因此原型的成型精度較低。三維印刷工藝是一種簡單的快速成型技術(shù)，操作簡單，速度高，適合辦公室環(huán)境使用。缺點是工件表面順滑度受制于粉末的大小，因此工件表面粗糙，須用后處理加以改善；原型件結(jié)構(gòu)較松散，強度較低。3232由于快速成型技術(shù)能夠縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高生產(chǎn)效率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，因此得到了極大重視，并在汽車、機(jī)械、航空航天、電子電器、醫(yī)學(xué)、

16、建筑、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。9.3 快速成型技術(shù)的應(yīng)用快速成型技術(shù)的應(yīng)用33331新產(chǎn)品的開發(fā)新產(chǎn)品的開發(fā)快速成型技術(shù)的主要應(yīng)用就是開發(fā)新產(chǎn)品，也就是產(chǎn)品的概念原型與功能原型的制造。目前，快速成型技術(shù)已參與產(chǎn)品開發(fā)的幾乎所有環(huán)節(jié)，其主要作用表現(xiàn)在以下幾個方面。1)為決策層提供決策直觀性一個新產(chǎn)品的開發(fā)總是從外形設(shè)計開始的，外觀是否美觀實用往往決定了該產(chǎn)品是否能夠被市場接受，傳統(tǒng)的做法是根據(jù)設(shè)計師的思想，先制作出效果圖及手工模型，經(jīng)決策層評審后再進(jìn)行后續(xù)設(shè)計。3434但由于二維效果圖的表達(dá)效果受到很大限制，決策過程中不夠直觀，手工制作模型費時長，精度又差，手工模型與設(shè)計師的意圖存在著較大

17、的差異，這一問題一直不能得到較好的解決?？焖俪尚图夹g(shù)能夠迅速地將設(shè)計師的設(shè)計思想變成三維的實體模型，與手工制作相比，不僅節(jié)省了大量的時間，而且精確地體現(xiàn)了設(shè)計師的設(shè)計理念，為決策層產(chǎn)品評審的決策工作提供了直接準(zhǔn)確的模型，減少了決策工作中的不正確因素。35352)減少人為缺陷，提高設(shè)計質(zhì)量在產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計過程中，由于設(shè)計手段和其他方面的限制，每一個設(shè)計都會存在著一些人為的設(shè)計缺陷，如果不能及早發(fā)現(xiàn)，就會影響接下來的工作，造成不必要的損失，甚至?xí)?dǎo)致整個設(shè)計的失敗。因此，及早地發(fā)現(xiàn)并改正設(shè)計缺陷變得十分重要，使用快速成型技術(shù)可以將這種人為的影響減少到最低限度?？焖俪尚图夹g(shù)由于成型時間短，精確度高，

18、可以在設(shè)計的同時制造高精度的模型，使設(shè)計師能夠在設(shè)計階段對產(chǎn)品的整機(jī)或局部進(jìn)行裝配和綜合評價，從而發(fā)現(xiàn)設(shè)計上的缺陷與不合理因素，不斷地改進(jìn)設(shè)計?？焖俪尚图夹g(shù)的應(yīng)用可把產(chǎn)品的設(shè)計缺陷消滅在設(shè)計階段，最終提高產(chǎn)品整體的設(shè)計質(zhì)量。36363)縮短設(shè)計周期，加快開發(fā)進(jìn)度快速成型技術(shù)的應(yīng)用，可以做到產(chǎn)品的設(shè)計和模具生產(chǎn)并行。對于一般產(chǎn)品從設(shè)計到模具驗收需要一段相當(dāng)長的時間，按傳統(tǒng)的設(shè)計手段，只有在模具驗收合格后才能進(jìn)行整機(jī)的裝配以及進(jìn)行各種驗收。對于在試驗中發(fā)現(xiàn)的設(shè)計不合理之處，需要對原來的設(shè)計進(jìn)行修改，再相應(yīng)地對模具進(jìn)行修改。這樣就會在設(shè)計與制造過程中造成大量重復(fù)性的工作，使模具的制造周期加長，最終導(dǎo)

19、致修改時間約占整個制作時間的20%30%。3737應(yīng)用快速成型技術(shù)之后，可以充分利用模具制造的這段時間，利用快速成型的制件進(jìn)行整機(jī)裝配和各種試驗，隨時與模具中心進(jìn)行信息交流，力爭做到模具一次性通過驗收，這樣模具制造與整機(jī)的試驗評價并行工作，大大加快了產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)度，迅速完成從設(shè)計到投產(chǎn)的轉(zhuǎn)換。另外，快速成型技術(shù)形成的模型對于模具的設(shè)計與制造過程有著明顯的指導(dǎo)作用。對于具體產(chǎn)品來說，模具制造時間可以大大縮短，模具制造的質(zhì)量可以得到提高，相應(yīng)地對產(chǎn)品質(zhì)量得到最終保證起到了積極的影響。38384)提供樣件由于應(yīng)用快速成型技術(shù)制作出的樣品比二維效果圖更加直觀，比工作站中的三維圖像更加真實，而且具有手工

20、制作的模型所無法比擬的精度，因而在樣件制作方面有比較大的優(yōu)勢。利用快速成型技術(shù)制作出的樣件能夠使用戶非常直觀地了解尚未投入批量生產(chǎn)的產(chǎn)品的外觀及其性能并及時做出評價，使生產(chǎn)方能夠根據(jù)用戶的需求及時改進(jìn)產(chǎn)品，為產(chǎn)品的銷售創(chuàng)造了有利條件，同時避免了由于盲目生產(chǎn)可能造成的損失。同時，在工程投標(biāo)中投標(biāo)方常常被要求提供樣品，可為投標(biāo)方直觀全面地進(jìn)行評價提供依據(jù)，設(shè)計更加完善，為中標(biāo)創(chuàng)造有利條件。39392快速模具制造快速模具制造模具是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)最重要的工藝裝備，而且模具形狀復(fù)雜又屬單件生產(chǎn)，由于傳統(tǒng)模具制作方法工藝復(fù)雜、時間長、費用高，而快速成型技術(shù)與傳統(tǒng)工藝相結(jié)合，可以揚長避短，收到事半功倍的效果，因此推動了快速成型制造快速經(jīng)濟(jì)模具技術(shù)的發(fā)展，也取得了很多成果。目前，較多地以快速成型技術(shù)制作的非金屬原型件為母模，結(jié)合傳統(tǒng)的制造方法來間接快速制作模具?？焖俪尚图夹g(shù)與精密鑄造相結(jié)合，是快速生產(chǎn)單件小批量金屬零件的有效方法。4040快速成型和精密鑄造是互補的，這兩種方法都適用于復(fù)雜形狀零件的制造。如果沒有快速自動成型，鑄模的生產(chǎn)就是精密鑄造的瓶頸；然而沒有精密鑄造，快速自動成型的應(yīng)用也會存在很大的局限性。快速成型技術(shù)在精密鑄造中的應(yīng)用可以分為三種：一是消失成型件(模)過程，用于小批量件生產(chǎn)；二是直接型殼法，用于小量生