第六章 快速成型技術(shù)(機(jī)械制造基礎(chǔ))

1、 第6章 快速成型成型快速成型成型 ChapterChapter 6 6 Rapid prototyping Rapid prototypingn 概述：概述： 快速成形技術(shù)快速成形技術(shù)(Rapid Prototyping，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱RP)20世紀(jì)世紀(jì)80年年代發(fā)展起來(lái)的，它綜合了機(jī)械工程、代發(fā)展起來(lái)的，它綜合了機(jī)械工程、CAD、數(shù)控技術(shù)、激光、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)及材料科學(xué)技術(shù)，可以自動(dòng)、直接、快速、精確地將設(shè)技術(shù)及材料科學(xué)技術(shù)，可以自動(dòng)、直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?，從而大?jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?，從而大大縮短產(chǎn)品的研制周期。因而，被

2、認(rèn)為是近大縮短產(chǎn)品的研制周期。因而，被認(rèn)為是近20來(lái)制造領(lǐng)域的來(lái)制造領(lǐng)域的一個(gè)重大突破。影響力與數(shù)控技術(shù)相當(dāng)。一個(gè)重大突破。影響力與數(shù)控技術(shù)相當(dāng)。n 發(fā)展：發(fā)展： 我國(guó)在我國(guó)在90年代先后有武漢華中科技大學(xué)快速制造中心、年代先后有武漢華中科技大學(xué)快速制造中心、北京航空航天大學(xué)激光研究中心、西安交大先進(jìn)制造技術(shù)研北京航空航天大學(xué)激光研究中心、西安交大先進(jìn)制造技術(shù)研究所、北京殷華實(shí)業(yè)有限公司、陜西省激光快速成形與模具究所、北京殷華實(shí)業(yè)有限公司、陜西省激光快速成形與模具制造工程研究中心等在快速成形工藝研究、設(shè)備開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)制造工程研究中心等在快速成形工藝研究、設(shè)備開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)處理及控制軟件、新材料的研發(fā)

3、等方面做了大量有成效的工處理及控制軟件、新材料的研發(fā)等方面做了大量有成效的工作。作。n 基本思路：基本思路：1. CAD模型建立模型建立2. STL文件生成文件生成3. 分層切片分層切片4. 快速堆積成形快速堆積成形(a)(a)工件工件(b)(b)切片切片 (c)(c)分層自由成型分層自由成型(d)(d)疊加零件疊加零件n 快速成型與普通成型的區(qū)別：快速成型與普通成型的區(qū)別：傳統(tǒng)加工 快速成型 n 快速成型方法分類（本章內(nèi)容）：快速成型方法分類（本章內(nèi)容）： 6.1 立體光造型技術(shù)立體光造型技術(shù) (SLA ) 6.2 選擇性激光燒結(jié)技術(shù) (SLS) 6.3 激光薄片疊層制造技術(shù) (LOM) 6

4、.4 熔融沉積快速成型技術(shù)(FDM) 6.5 其它快速成型方法 6.1 立體光造型技術(shù)立體光造型技術(shù) ( SLA ) 立體光造型技術(shù)，又稱光敏樹(shù)脂液相固化成形或立體光立體光造型技術(shù)，又稱光敏樹(shù)脂液相固化成形或立體光刻）。最早由刻）。最早由Charles Hul發(fā)明并于發(fā)明并于1984年獲得專利，年獲得專利，1988年年美國(guó)美國(guó)3D系統(tǒng)公司推出商品化的世界上第一臺(tái)快速成形機(jī)。系統(tǒng)公司推出商品化的世界上第一臺(tái)快速成形機(jī)。n 基本原理：基本原理： SL工藝是基于液態(tài)光敏樹(shù)脂的光聚合原理工作。這種液態(tài)材料在一定波長(zhǎng)和功率的紫外線光（如： = 325 nm紫外線）的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)光聚合反應(yīng)，

5、相對(duì)分子量急劇增大，材料也由液態(tài)變成固態(tài)。n 基本原理圖基本原理圖圖 SLA基本原理圖n 優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) SLA方法是目前快速成形技術(shù)領(lǐng)域中研究得最多的方法，也是技術(shù)上最為成熟的方法。該方法成型精度高、表面質(zhì)量好、原材料利用率將近100%，能制造出形狀特別復(fù)雜（如空心零件）、特別精細(xì)（如首飾、裝飾品等）的零件。制造出來(lái)的原型件，可快速翻制各種模具。 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 需要支撐，樹(shù)脂收縮導(dǎo)致精度下降，材料昂貴，光固化樹(shù)脂有一定的毒性等。n 應(yīng)用：應(yīng)用：（1）可直接制作樹(shù)脂功能件，用作結(jié)構(gòu)驗(yàn)證和功能測(cè)試）可直接制作樹(shù)脂功能件，用作結(jié)構(gòu)驗(yàn)證和功能測(cè)試（2）可制作比較精細(xì)和復(fù)雜零件）可制作比較精細(xì)和復(fù)

6、雜零件（3）可制造出有透明效果的制件）可制造出有透明效果的制件（4）制造出來(lái)的原型可以翻制各種模具）制造出來(lái)的原型可以翻制各種模具n 快速成型方法分類（本章內(nèi)容）：快速成型方法分類（本章內(nèi)容）： 6.1 立體光造型技術(shù)立體光造型技術(shù) (SLA ) 6.2 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(SLS) 6.3 激光薄片疊層制造技術(shù) (LOM) 6.4 熔融沉積快速成型技術(shù)(FDM) 6.5 其它快速成型方法 6.2 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)選擇性激光燒結(jié)技術(shù) (SLS) 選擇性激光燒結(jié)成形選擇性激光燒結(jié)成形(SLSSelected Laser Sintering)，又稱，又稱選區(qū)激光燒結(jié)）。由美國(guó)德

7、克薩斯大學(xué)奧汀分校的選區(qū)激光燒結(jié)）。由美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧汀分校的C.R.Dechard于于1989年研制成功。年研制成功。n 基本原理：基本原理： SLS工藝是利用工藝是利用粉末材料（金屬粉末或非金屬粉末）在激粉末材料（金屬粉末或非金屬粉末）在激光照射下燒結(jié)的原理光照射下燒結(jié)的原理，在計(jì)算機(jī)控制下層層堆積成形。，在計(jì)算機(jī)控制下層層堆積成形。n 基本原理圖：基本原理圖： 工作臺(tái)上均勻鋪上一層工作臺(tái)上均勻鋪上一層很薄很薄(0.10.2mm) 的粉末，的粉末，激光束在計(jì)算機(jī)的控制下按激光束在計(jì)算機(jī)的控制下按照零件分層輪廓有選擇性地照零件分層輪廓有選擇性地進(jìn)行燒結(jié)，一層完成后再進(jìn)進(jìn)行燒結(jié)，一層完成后再

8、進(jìn)行下一層燒結(jié)。全部燒結(jié)完行下一層燒結(jié)。全部燒結(jié)完成后去掉多余的粉末，再進(jìn)成后去掉多余的粉末，再進(jìn)行打磨、烘干等處理便獲得行打磨、烘干等處理便獲得零件。零件。圖 SLS基本原理圖 n 優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 只要壁厚超過(guò)0.4mm，只要有三維造型文件，無(wú)論如何復(fù)雜的零件，都可以成型；成形速度快，強(qiáng)度高，耐高溫性能好；原材料便宜，制品可以直接用來(lái)做結(jié)構(gòu)驗(yàn)證和性能測(cè)試；支持材料的自主研發(fā)；設(shè)備自動(dòng)化程度高，遇到故障自動(dòng)停機(jī)；可以在無(wú)人值守的情況下自動(dòng)化生產(chǎn)。無(wú)需加支撐，因?yàn)闆](méi)有被燒結(jié)的粉末起到支撐作用?？梢詿Y(jié)制造空心、多層鏤空的復(fù)雜零件。 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 材料精度難以控制，需要專業(yè)的控制系統(tǒng)，該技

9、術(shù)為少數(shù)廠家所掌握，且已經(jīng)申請(qǐng)大量專利，維護(hù)成本較高，設(shè)備昂貴。n 應(yīng)用：應(yīng)用： （1）可直接制作樹(shù)脂功能件，用作結(jié)構(gòu)驗(yàn)證和功能測(cè)試，）可直接制作樹(shù)脂功能件，用作結(jié)構(gòu)驗(yàn)證和功能測(cè)試，并可用于裝配樣機(jī)。并可用于裝配樣機(jī)。 （2）制造出來(lái)的原型可以翻制各種模具。）制造出來(lái)的原型可以翻制各種模具。 （3）制件可直接作熔模鑄造用的蠟?zāi)：蜕靶?、型芯。）制件可直接作熔模鑄造用的蠟?zāi)：蜕靶汀⑿托?。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管功能測(cè)試零件復(fù)雜砂型零件n 快速成型方法分類（本章內(nèi)容）：快速成型方法分類（本章內(nèi)容）： 6.1 立體光造型技術(shù)立體光造型技術(shù) (SLA ) 6.2 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)選擇性激光燒結(jié)技術(shù) (SLS)

10、 6.3 激光薄片疊層制造技術(shù)激光薄片疊層制造技術(shù) (LOM) 6.4 熔融沉積快速成型技術(shù)(FDM) 6.5 其它快速成型方法 6.3 激光薄片分層疊加成形激光薄片分層疊加成形 (LOM) 薄片分層疊加成形（薄片分層疊加成形（LOMLaminated Object Manufacturing，又稱層疊實(shí)體制造或分層實(shí)體制造）。由美國(guó)又稱層疊實(shí)體制造或分層實(shí)體制造）。由美國(guó)Helisys于于1986年年研制成功，并推出商品化的機(jī)器。研制成功，并推出商品化的機(jī)器。n 基本原理：基本原理： LOM工藝是利用薄片材料，如紙、塑料薄膜等作為成形工藝是利用薄片材料，如紙、塑料薄膜等作為成形材料，片材表面

11、事先涂覆上一層熱熔膠。加工時(shí)，用材料，片材表面事先涂覆上一層熱熔膠。加工時(shí)，用CO2或或刀在計(jì)算機(jī)控制下按照刀在計(jì)算機(jī)控制下按照CAD分層模型軌跡切割片材，然后通分層模型軌跡切割片材，然后通過(guò)熱滾壓，使當(dāng)前層與下面已成形的工件層粘結(jié)，從而堆積過(guò)熱滾壓，使當(dāng)前層與下面已成形的工件層粘結(jié)，從而堆積成形。成形。n 基本原理圖：基本原理圖： 供料機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)收料軸和供料軸，使新層移到加工區(qū)域；工作臺(tái)上升到加工平面，熱壓輥熱壓，工件的層數(shù)增加一層，高度增加一個(gè)料厚，再在新層上切割截面輪廓。如此反復(fù)直至零件的所有截面粘接、切割完，得到分層制造的實(shí)體零件。圖 LOM 基本原理圖 n 優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：

12、1、只需在片材上切割出零件截面的輪廓，而不用掃描整個(gè)截面。因此易于制造大型、實(shí)體零件。 2、零件的精度較高。 3、無(wú)需加支撐。工件外框與截面輪廓之間的多余材料起到支撐作用。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 1、LOM后處理時(shí)間長(zhǎng)； 2、紙質(zhì)片材易受潮變形，不易久放。n 應(yīng)用：應(yīng)用： 紙價(jià)格相對(duì)便宜，可以用來(lái)做零部件的原型樣件，紙價(jià)格相對(duì)便宜，可以用來(lái)做零部件的原型樣件，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、連桿、各類箱體、蓋板等。如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、連桿、各類箱體、蓋板等。打印機(jī)原型樣件 n 快速成型方法分類（本章內(nèi)容）：快速成型方法分類（本章內(nèi)容）： 6.1 立體光造型技術(shù)立體光造型技術(shù) (SLA ) 6.2 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)選

13、擇性激光燒結(jié)技術(shù) (SLS) 6.3 激光薄片疊層制造技術(shù)激光薄片疊層制造技術(shù) (LOM) 6.4 熔融沉積快速成型技術(shù)熔融沉積快速成型技術(shù)(FDM) 6.5 其它快速成型方法 熔融沉積快速成型（熔融沉積快速成型（FMD-Fused Deposition Modeling，又，又稱熔絲沉積），是繼稱熔絲沉積），是繼SLA和和LOM后的一種應(yīng)用較廣泛的快速后的一種應(yīng)用較廣泛的快速成型工藝，并以美國(guó)成型工藝，并以美國(guó)Stratasys公司開(kāi)發(fā)的公司開(kāi)發(fā)的FDM制造系統(tǒng)應(yīng)用最制造系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛。為廣泛。n 基本原理：基本原理： 它是將絲狀的熱熔性材料加熱融化，通過(guò)帶有一個(gè)微細(xì)噴嘴的噴頭擠噴出來(lái)。噴

14、頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，擠出的材料迅速固化并與周圍材料粘結(jié)，層層堆積而成。 6.4 熔融沉積快速成型熔融沉積快速成型 (LOM)FDM 原理圖n 基本原理圖：基本原理圖：n 優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 1、采用熱熔擠壓頭專利技術(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理和操作簡(jiǎn)單，且使用無(wú)毒的原材料，設(shè)備可安裝在辦公環(huán)境中。 2、成型速度快。不需要SLA中的刮板工序。 3、用蠟成型的零件原型，可以直接用于熔模鑄造。 4、可以成型任意復(fù)雜程度的零件。如復(fù)雜的內(nèi)腔、孔等。 5、原材料在成型過(guò)程中無(wú)化學(xué)變化，制件的翹曲變形小。 6、原材料利用率高。 7、支撐去除簡(jiǎn)單。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 1、精度較國(guó)外先進(jìn)的SLA工藝低，最

15、高精度0.127 mm； 2、成型表面光潔度不如國(guó)外先進(jìn)的SLA工藝； 3、成型速度相對(duì)較慢。 n 應(yīng)用：應(yīng)用： 主要適用于模具行業(yè)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和醫(yī)療、考古等基于數(shù)字成像技術(shù)的三維實(shí)體模型制造。n 快速成型方法分類（本章內(nèi)容）：快速成型方法分類（本章內(nèi)容）： 6.1 立體光造型技術(shù)立體光造型技術(shù) (SLA ) 6.2 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)選擇性激光燒結(jié)技術(shù) (SLS) 6.3 激光薄片疊層制造技術(shù)激光薄片疊層制造技術(shù) (LOM) 6.4 熔融沉積快速成型技術(shù)熔融沉積快速成型技術(shù)(FDM) 6.5 其它快速成型方法其它快速成型方法 6.5 其它快速成型方法其它快速成型方法 圖 激光熔覆快速成形原理圖

16、n 激光熔覆快速成型：激光熔覆快速成型： 被熔覆的金屬粉末通過(guò)送粉裝置用氣體或重力輸送，采用高功率激光同步熔化被送粉末，在基板上逐線、逐層堆積成非常之謎的金屬零件。n 三維打印三維打印(3D-P)(3D-P)： 3DP工藝是美國(guó)麻省理工學(xué)院Emanual Sachs等人1989年研制的。3DP工藝采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金屬粉末。通過(guò)噴頭用粘接劑(如硅膠)將零件的截面“印刷”在材料粉末上面。SLA SLS FDM LOM 優(yōu)點(diǎn) (1) 成形速度極快，成形精度、表面質(zhì)量高； (2) 適合做小件及精細(xì)件。 (1) 有直接金屬型的概念，可直接得到塑料、蠟或金屬件； (2) 材料利用率高；造型速

17、度較快。 (1) 成形材料種類較多，成形樣件強(qiáng)度好，能直接制作ABS塑料； (2) 尺寸精度較高，表面質(zhì)量較好，易于裝配 (3) 材料利用率高； (4) 可在辦公環(huán)境進(jìn)行。 (1) 成形精度較高； (2) 只須對(duì)輪廓線進(jìn)行切割，制作效率高，適合做大件及實(shí)體件； (3) 制成的樣件有類似木質(zhì)制品的硬度，可進(jìn)行一定的切削加工。 缺點(diǎn) (1) 成形后要進(jìn)一步固化處理； (2) 光敏樹(shù)脂固化后較脆，易斷裂，可加工性不好； (3) 工作溫度不能超過(guò)100，成形件易吸濕膨脹，抗蝕能力不強(qiáng)。 (1) 成形件強(qiáng)度和表面質(zhì)量較差，精度低。 (2) 在后處理中難于保證制件尺寸精度，后處理工藝復(fù)雜，樣件變型大，無(wú)法裝配。 (1) 成形時(shí)間較長(zhǎng)； (2) 做小件和精細(xì)件時(shí)精度不如SLA。 (1) 不適宜做薄壁原型； (2) 表面比較粗糙，工件表面有明顯的臺(tái)階紋，成型后要進(jìn)行打磨； (3) 易