【課件】PR快速成型技術(shù)培訓教程

1、上海理工大學 陳澤中1快速成型技術(shù)第16章上海理工大學 陳澤中2快速成型技術(shù)概述 20世紀80年代后發(fā)展起來的快速成形技術(shù)（Rapid Protoyping 簡稱RP），被認為是近20年制造領(lǐng)域的一次重大突破，其對制造業(yè)的影響可與20世界50-60年代的數(shù)控技術(shù)相比，快速成形技術(shù)綜合了機械工程、CAD、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)及材料科學技術(shù)，可以自動、直接、快速、精確地將設(shè)計思路轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ芄δ艿脑突蛑苯又圃炝慵?，從而可以對產(chǎn)品設(shè)計進行快速評估、修改及功能實驗，大大縮短了產(chǎn)品的研制周期。而且RP系統(tǒng)為基礎(chǔ)發(fā)展起來并已成熟的快速工裝模具制造、快速精鑄技術(shù)則可實現(xiàn)零件的快速制造。它是基于一種全心

2、的制造概念增材加工法。 我國于20世紀90年代初先后有武漢華中科技大學快速制造中心、山西省激光快速成形與模具制造工程研究中心、西安交通大學先進制造技術(shù)研究所、北京隆源自 上海理工大學 陳澤中3動成型系統(tǒng)、北京清華大學殷華實業(yè)等，在快速成形工藝研究、成形設(shè)備開發(fā)、數(shù)據(jù)處理及控制軟件、新材料的研發(fā)等方面做了大量卓有成效的工作，趕上了世界發(fā)展的步伐并有鎖創(chuàng)新，現(xiàn)都已開發(fā)研制出系列化的快速成形商品化設(shè)備可供訂購。我國中國機械工程學會下屬的特種加工學會，于2001年增設(shè)了快速成形專業(yè)委員會，開展快速成形技術(shù)的普及和提高工作。 在眾多的快速成形工藝中，具有代表性的工藝是：光敏數(shù)值液相固化成形、選擇性粉末燒

3、結(jié)成形、薄片分層疊加成形和熔絲堆積成形等4種。以下對這些典型工藝的原理、特點等進行簡單的介紹。上海理工大學 陳澤中4光敏數(shù)值液相固化成形選擇性粉末燒結(jié)成形薄片分層疊加成形熔絲堆積成形上海理工大學 陳澤中5光敏數(shù)值液相固化成形光敏數(shù)值液相固化成形（SL-stereolithography）又稱光固化立體造型或立體光刻。它由Charle Hul發(fā)明并于1984年貨美國專利。1988年美國3D系統(tǒng)公司推出商品化的世界上第一臺快速原型成形機。SLA系列成形機占據(jù)著RP設(shè)備市場較大的份額。成形材料：液態(tài)光敏樹脂；制件性能：相當于工程塑料或蠟?zāi)?；主要用途：高精度塑料件、鑄造用蠟?zāi)?、樣件或模型。上海理工大學

4、 陳澤中6一.光敏數(shù)值液相固化成形-SL工作原理SL工藝是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長（=325nm）和功率（P=30mW）的紫外激光的照射下能迅速發(fā)生光聚反應(yīng)，分子量急劇增大，材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。通常從上方對液態(tài)樹脂進行掃描照射的成形方式稱之為自由液面型成形系統(tǒng)，如下圖所示。這種系統(tǒng)需要精確檢測液態(tài)樹脂的液面高度，并精確控制液面與液面下已固化樹脂層上表面的距離，即控制成形層的厚度。上海理工大學 陳澤中7 成形機由液槽、可升降工作臺、激光器、掃描系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)等組成。液槽中盛滿液態(tài)光敏樹脂。工作臺在步進電機的驅(qū)動下可沿Z軸方向作往復運動。工作臺面分布著

5、許多可讓液體自由通過的小孔。光源為紫外（UV）激光器，通常為氦鎘（He Cd）激光器和固態(tài)（Solid state）激光器。近年3D公司趨向于采用半導體激光器。激光器功率一般為10200mW，波長為320370nm。掃描系統(tǒng)通常為一組定位鏡和兩只振鏡組成。兩只振鏡可根據(jù)控制系統(tǒng)的指令，按照每一截面輪廓曲線的要求作往復轉(zhuǎn)擺，從而將來自激光器的光束反射并聚焦于液態(tài)樹脂的上表面，在該面作X-Y平面的掃描運動。在這一層受到紫外光束照射的部位，液態(tài)光敏樹脂在光能作用下快速固化，形成相應(yīng)的一層固態(tài)截面輪廓。上海理工大學 陳澤中8三、特點和成形方法： 這種方法的特點是精度搞、表面質(zhì)量好、原材料利用率將近10

6、0%，能制造形狀特別復雜（如空心零件）、特別精細（如首飾、工藝品等）的零件。制作出來的原型件可快速翻制各種模具。 SL工藝的成形材料稱為光固化樹脂（或稱光敏樹脂），光固化樹脂材料中主要包括齊聚物、反應(yīng)性稀釋劑及光引發(fā)劑。根據(jù)引發(fā)劑的引發(fā)機理，光固化樹脂可以分三類：自由基光固化樹脂、陽離子光固化樹脂和混雜型光固化樹脂。 自由基光固化樹脂、陽離子光固化樹脂和混雜型光固化樹脂各有許多優(yōu)點，目前的趨勢是使用混雜型光固化樹脂。上海理工大學 陳澤中9選擇性粉末燒結(jié)成形一、選擇性激光粉末燒結(jié)成形-SLS工藝原理工藝：利用粉末材料（金屬粉末，非金屬粉末），在激光照射下燒結(jié)的原理，在計算機控制下層層堆積成型 如

7、圖所示 此法采用 二氧化碳激光器作為能源。在工作臺上均勻鋪上一層很?。ǎ┑姆勰?，激光束在計算機控制下按照零件分層輪廓有選擇性的進行燒結(jié)。全部燒結(jié)完成后，去掉多余的粉末，再進行打磨、烘干等處理獲得零件成形材料：工程塑料粉末；制件性能：相當于工程塑料、蠟?zāi)！⑸靶?；主要用途：塑料件、鑄造用蠟?zāi)?、樣件或模型。上海理工大學 陳澤中10二、特點和成形材料 SLS工藝的特點是材料適應(yīng)面廣，不僅能制造塑料零件，還能制造陶瓷、石蠟等材料的零件。特別是可以直接制造金屬零件，這使SLS工藝頗具吸引力。 另一特點是SLS工藝無需加支持，應(yīng)為沒有被燒結(jié)的粉末起到了支撐的作用。因此可以燒結(jié)制造空心、多層鏤空的復雜零件。S

8、LS燒結(jié)成形用的材料，早起采用蠟分及高分子塑料粉，用金屬或陶瓷粉進行粘接或燒結(jié)的工藝也達到了實用階段。任何受熱粘結(jié)的粉末都有被用作SLS原材料的可能性，原則上這包括了塑料、陶瓷、金屬粉末及他們的復合粉。 為了提高原型的強度，用于SLS工藝材料的研究轉(zhuǎn)向金屬和陶瓷，這也是SLS工藝優(yōu)越于SL、LOM工藝之處。 近年來，金屬粉末的制取越來越多地采用霧化法。主要有兩種方式：離心霧化法和氣體霧化法。他們的主要原理是使金屬熔融，高速將金屬液滴甩出并急冷，隨后形成粉末顆粒。 SL工藝還可以采用其他粉末，比如聚碳酸酯粉末，當燒結(jié)環(huán)境溫度控制在聚碳酸酯軟化點附近時，其線脹系數(shù)較小，進行激光燒結(jié)后，被燒結(jié)的聚碳

9、酸酯材料翹曲較小，具有很好的公藝性。上海理工大學 陳澤中11三、幾年來的發(fā)展： 多年來金屬直接成形和快速制模技術(shù)，主要是選擇性激光燒結(jié)(SLS)直接制作金屬模具。這種燒結(jié)件往往是低密度的多孔狀結(jié)構(gòu)，可將低熔點相的金屬滲入后直接形成金屬模具。制件的強度與精度問題一直是難以逾越的障礙。Optomec公司于1998年和1999年分別推出了LENS-50、LENS-1500機型。以鋼、鋼合金、鐵鎳合金、鈦鉭合金和鎳鋁合金為原料，采用激光凈成形技術(shù)，將金屬直接沉積成形，使該技術(shù)有所突破。 上海理工大學 陳澤中12薄片分層疊加成形一、薄片分層疊加成形-LOM工藝原理： LOM工藝采用薄片材料，如紙，塑料薄

10、膜等作為成行材料，片材表面實現(xiàn)涂覆上一層熱熔膠。加工時，用二氧化碳激光器在計算機控制下按照CAD分層，然后通過熱壓，與下面已成型的工件層粘結(jié)，從而堆積成型。成形材料：涂敷有熱敏膠的纖維紙；制件性能：相當于高級木材；主要用途：快速制造新產(chǎn)品樣件、模型或鑄造用木模。上海理工大學 陳澤中13上海理工大學 陳澤中14上海理工大學 陳澤中15上海理工大學 陳澤中16上海理工大學 陳澤中17上海理工大學 陳澤中18上海理工大學 陳澤中19熔絲堆積成形一、熔絲堆積成形-FDM工藝原理： 絲沉積制造又稱FDM，該技術(shù)的成形原理如圖1-4所示。采用絲狀材料作為加工物質(zhì)，通過兩個噴頭分別擠出熔融態(tài)的成形材料和支撐

11、材料，掃描二維截面形成實體。成形材料：固體絲狀工程塑料；制件性能：相當于工程塑料或蠟?zāi)＃恢饕猛荆核芰霞?、鑄造用蠟?zāi)?、樣件或模型。上海理工大學 陳澤中20上海理工大學 陳澤中21上海理工大學 陳澤中22上海理工大學 陳澤中23上海理工大學 陳澤中24上海理工大學 陳澤中25上海理工大學 陳澤中26上海理工大學 陳澤中27RP的軟件 Stratasys公司開發(fā)了對FDM系統(tǒng)的和對Genisys系統(tǒng)的軟件包，采用了觸摸屏，使操作更加直觀。Helisys公司開發(fā)了面向的LOMSlice軟件包新版本，增加了STL可視化、糾錯、布爾操作等功能，故障報警更完善。3D公司開發(fā)了針對Actua概念機的新操作軟

12、件，用于SLA 7000，其3D Lightyear軟件不僅操作簡便（Easy-to-use），而且文件的確認速度提高了150倍，著色速度提高了6倍，文件的準備速度提高了兩倍多，而文件的存儲空間則減少了50%。Solid Concepts公司開發(fā)了軟件包。Clemson大學研究了通過對參數(shù)曲面的切片，產(chǎn)生參數(shù)曲線的分層邊界，利用這種參數(shù)曲線控制快速成形機。國內(nèi)有關(guān)研究單位也開發(fā)了多種RP軟件，并達到實用水平。上海理工大學 陳澤中28幾種RP成型的優(yōu)缺點：精度 表面質(zhì)量材料質(zhì)量材料使用率運行成本成產(chǎn)成本設(shè)備費用市場占有率固化 sl法好 優(yōu)較貴接近100%較高高較貴70燒結(jié)sls一般一般較貴接近1

13、00%較高一般較貴10薄層lom法 一般較差較便宜較差較低高較便宜7熔絲堆積FDM法 差較差較貴接近100%一般較低較便宜6上海理工大學 陳澤中29快速制模、快速制造技術(shù)的發(fā)展 目前的快速制模方法大致有間接制模法和金屬直接制模法。常用的快速制模方法有軟模、橋模和硬模。軟模（soft tooling）通常指的是硅橡膠模具。用SLA、FDM、LOM或SLS等技術(shù)制作的原型，再翻成硅橡膠模具后，向模中灌注雙組份的聚氨酯，固化后即得到所需的零件。調(diào)整雙組份聚氨酯的構(gòu)成比例，可使所得到的聚氨酯零件的機械性能接近ABS或PP。 橋模（bridge tooling）通常指的是可直接進行注塑生產(chǎn)的環(huán)氧樹脂模具

14、。采用環(huán)氧樹脂模具與傳統(tǒng)注塑模具相比，成本只有傳統(tǒng)方法的幾分之一，生產(chǎn)周期也大大減少。模具壽命不及鋼模，但比硅膠模高，可達10005000件，可滿足中小批量生 產(chǎn)的需要。上海理工大學 陳澤中30 硬模（hard tooling）通常指的是用間接方式制造金屬模具和用快速成形直接加工金屬模具。目前有用SLA、FDM和SLS方法加工出蠟或樹脂模型，利用熔模鑄造的方法生產(chǎn)金屬零件；也有利用LOM加工的模型及其它方法加工的制件作為母模來制作硅橡膠模，通過硅橡膠模來生產(chǎn)金屬零件；還有利用SLS方法，選擇合適的造型材料，加工出可供澆注用的鑄造型腔。利用原型件作為母模結(jié)合精密鑄造等制作注塑模或其他金屬模具的工藝，典型的還有3D System的QuickCast、Express Tool等。 用SLA、SLS、FDM或LOM方法加工熔模鑄造中的蠟?zāi)?，這是目前生產(chǎn)金屬零件和金屬模具最主要的途徑之一。對快速成形得到的原型表面進行特殊處理后代替木模，直接制造石膏型或陶瓷型，或是由RP原型經(jīng)硅橡膠模過渡轉(zhuǎn)換得到石膏型或陶瓷型，再由石膏型或陶