快速成型基本工藝課件

1、快速原型制造技術-第2講 快速原型基本工藝制造科學與工程學院 梅筱琴第2講 快速原型制造工藝本講主要內容：快速原型主要的制造工藝基本工藝過程加工對象-材料工藝特點主要的工藝方法學習提示：每一種工藝方法的加工對象-材料都有著自己的特點，即材料技術促成了不同的RP工藝的發(fā)展快速原型的主要工藝方法20世紀80年代以來，比較成熟的RP工藝有20余種，其中應用最廣泛的有：光固化成型/立體印刷（Stereo Lithography Apparatus-SLA）疊/分層實體制造（Laminated Object Manufacturing-LOM）激光選擇性燒結（Selected Laser Sinteri

2、ng-SLS）熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling-FDM）三維打印（Three-Dimensional Printing-3D-P）一、光固化成型工藝/立體印刷-SLASLA -Stereo Lithography Apparatus或Stereo Lithography（簡稱SL）1986年Charles W. Hull發(fā)明并獲美國專利，1988年美國3D Systems公司推出商品化樣機SLA-1，是世界上第一臺快速原型機SLA是最早出現,研究最多，且技術上最為成熟的RPT，最高精度已能達到0.05mm目前研究SLA技術的公司3D Systems公司、EOS公

3、司、F&S公司、CMET公司、D-MEC公司等美國3D Systems公司推出SLA-3500，SLA-5000使用半導體激勵的固體激光器，掃描速度可達到5m/s，成形層厚最小可達0.05mm。 SLA-7000機型掃描速度達9.52m/s，成形層厚最小可達0.025mm，精度比SLA-5000提高了1倍采用了一種稱為Zephyer Recoating System的新技術，該技術是在每一成形層上，用一種真空吸附式刮板在該層上涂一層0.050.1mm的待固化樹脂，使成形時間平均縮短了20%國內，西安交通大學、清華大學等1.SLA成型原理1.SLA成型原理SLA成型原理2.SLA的工藝流程SLA

4、成型實例3.SLA的系統(tǒng)結構液態(tài)光敏樹脂在一定波長（=325/355nm）和功率（P=3040mW）的光源照射下能迅速發(fā)生光聚合反應，分子量急劇增大，材料也從液態(tài)轉變成固態(tài)紫外光敏樹脂可見光敏樹脂4.SLA的成型材料SLA工藝對光敏樹脂的要求粘度低便于樹脂在短時間內流平，減少加工時間，提高制作精度光敏性高即所吸收波長的范圍窄掃描速度越高，零件加工所需的時間越短。要求光敏樹脂在光束掃描到液面時立刻固化，而當光束離開后聚合反應又必須立即停止，否則會影響精度光源壽命有限，光敏性差則會延長固化時間，增加制作成本SLA工藝對光敏樹脂的要求固化收縮率小光敏樹脂在由液態(tài)轉化為固態(tài)的過程中會產生內應力收縮導致

5、原型件在制作過程中的變形、翹曲、開裂等，成型件的精度降低，機械性能下降是SLA制件精度最主要的影響因素機械性能良好一定的硬度、強度等以滿足使用的需要SLA工藝對光敏樹脂的要求溶脹小濕態(tài)成型件在液態(tài)樹脂中的溶脹會造成零件尺寸偏大儲存穩(wěn)定性好不發(fā)生緩慢聚合反應不發(fā)生因其中組分揮發(fā)而導致粘度增大不被氧化而變色毒性小成本低目前進口材料約1200元/公斤液態(tài)光敏樹脂的組成與油墨和紫外光固化涂料組成相似由預聚物(齊聚物)、光引發(fā)劑、反應性稀釋劑、交聯固化劑、光敏增感劑、熱穩(wěn)定劑、流平劑、抗氧劑等組成液態(tài)光敏樹脂分類（根據光引發(fā)劑的引發(fā)機理）自由基光固化樹脂陽離子光固化樹脂混雜型光固化樹脂5.SLA主要的成

6、型材料自由基光固化樹脂包括：環(huán)氧樹脂-丙烯酸脂聚合速度快、強度高、脆性較大、產品易泛黃聚脂丙烯酸脂流平性好、固化性好、性能可調節(jié)聚氨脂丙烯酸脂聚合速度較慢、產品柔韌性與耐磨性好優(yōu)點：固化速度高、粘度低、韌性好、成本低缺點：固化時，由于表面氧的干擾作用，成型零件精度較低；樹脂固化時收縮大，成型零件翹曲變形大；反應固化率(固化程度)較環(huán)氧系的低，需二次固化；反應后應力變形大。陽離子光固化樹脂主要成份為環(huán)氧化合物。環(huán)氧樹脂是最常用的陽離子型齊聚物，其優(yōu)點如下：固化收縮?。?%3%）；產品精度高陽離子聚合物是活性聚合，在光源熄滅后可繼續(xù)引發(fā)聚合生坯件強度高；產品可以直接用于注塑模具氧氣對自由基聚合有阻

7、聚作用，而對陽離子樹脂則無影響缺點：粘度較高，需添加相當量的活性單體或低粘度的預聚物才能達到滿意的加工粘度；陽離子聚合通常要求在低溫、無水情況下進行，條件比自由基聚合苛刻?；祀s型光固化樹脂主要包括：丙烯酸系列乙烯基醚系列環(huán)氧系列與前兩種樹脂相比，具有下列優(yōu)點聚合時體積收縮很小甚至產生膨脹，可以設計成無收縮的聚合物可以提供誘導期短而聚合速度穩(wěn)定的聚合系統(tǒng)能克服光照消失后自由基迅速失活而使聚合終結的缺點6.SLA工藝的主要特點成型方法簡單，自動化程度高，能直接生產塑料件表面粗糙度較低，尺寸精度較高可以制作結構十分復雜的、比較精細的原型，尤其是內部結構復雜的原型成型過程中有物理、化學以及相的變化，制

8、件較易翹曲、變形，需要支撐結構成型速度較低，需要對制件進行二次固化，以提高制件的尺寸穩(wěn)定性和使用性能成本高（樹脂和激光器價格昂貴）原材料有氣味和毒性，對環(huán)境有污染，且需避光保存7.支撐結構在RP成型過程中，因為成型原理的原因，不能使制件在某一截面上突然出現的孤立輪廓或懸臂輪廓定位。為此，設計一些細柱、十字、網格或肋狀結構，從工作平臺生長至孤立輪廓或懸臂輪廓出現的片層，以便對其進行可靠定位，同時有助于減少片層之間的翹曲變形?；A支撐人工支撐支撐結構示意圖基礎支撐人工支撐基礎支撐網格人工支撐柱狀雙腹板支撐單腹板支撐制件直支撐制件斜支撐十字支撐常見支撐結構肋狀單墻十字形腹板形未添加支撐的模型人工添加

9、支撐添加支撐的模型8.SLA的激光掃描方式-ACESTMACESTMSTARWEAVETMQuickCastTMACESTM1.該方法以平行線方式掃描，3D System CO.最早采用2.間距相等，樹脂受累積光照強度相等，成型精度較高3.固化完全，成型效率較低4.適于收縮率小的環(huán)氧樹脂8.SLA的激光掃描方式-STARWEAVETM下一層 該方法以柵格方式掃描固化原型內部的樹脂。 柵格是每隔一層成型時在每半個間距中產生的，且柵格線不能相交。柵格的末端不接觸實體的邊緣，以減少實體的整體變形。 原型的尺寸穩(wěn)定性較高，適于聚合收縮率較高的丙烯酸樹脂，同時由于掃描時間較短，也適于環(huán)氧樹脂材料。8.S

10、L的激光掃描方式- QuickCastTM 該方法先固化每一片層的外輪廓，再以正方形或等邊三角形方式掃描填充實體內部。適于中空的原型件。 正方形或等邊三角形在垂直方向上以一定的距離平移，以便排出多余樹脂。三角形的平移應確保每個三角形面的頂點位于前一層三角形質心的上方，而正方形則按間距的一半距離進行偏移。 由于正方形的內角比三角形大，樹脂的月形液面更小，便于排出多余的樹脂。 該方法生成的原型具有較大的表面，且樹脂具有良好的吸濕性，為避免因吸濕而產生變形，原型應盡快移到可以控制濕度的地方。9.后處理1.晾干多余樹脂2.清洗原型件3.取件并去除支撐4.二次紫外光固化10.光固化樹脂的收縮光固化樹脂收

11、縮引起的制件變形10.光固化樹脂的收縮兩種常見結構的翹曲變形 10.光固化樹脂的收縮零件固化成型過程中層片翹曲變形10.光固化樹脂的收縮原因固化收縮相變體收縮率約10線收縮率約3熱脹冷縮二次固化收縮約占總收縮量的25 40甲基丙烯酸甲酯的聚合反應（以具有三甲基硅基的烯酮二縮合物為引發(fā)劑）11.SL的應用替代熔模鑄造的蠟型制作樣品手板模型醫(yī)學美容、康復、診斷、手術規(guī)劃等驗證模型3D System iPro SLA Center系列11.SL的應用制造硅膠模真空注型機二、分（疊）層實體制造-LOMLaminated Object Manufacturing-LOM由Michael Feygin 于

12、1986年研制成功，1991年美國Helisys 公司推出商品化機器LOM工藝原理采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等，在材料表面事先涂覆上一層熱熔膠，加工時用CO2激光器或刀具在計算機控制下進行切割，然后通過熱壓輥熱壓，使當前層與下面已成型的工件粘接，從而堆積成型研究LOM工藝的公司美國Helisys公司（已破產）、日本Kira公司、瑞典Sparx公司、新加坡Kinergy精技公司；國內有華中理工大學、清華大學等LOM工藝材料受材料（紙）限制，性能難以有突破性的提高，已逐漸走入沒落，大部分廠家已經或準備放棄該工藝分層實體制造學術關注度（19942006）用戶關注度（2005.82006.12）1.

13、LOM工藝原理1.LOM工藝原理LOM成型原理LOM成型實例片層輪廓及網格廢料2.LOM成型材料薄材，如紙、塑料薄膜涉及三個方面的問題：紙熱熔膠涂布工藝LOM工藝對紙的性能要求抗拉強度 保證在加工過程中不被拉斷浸潤性 保證良好的涂膠性能抗?jié)裥?不易吸水收縮率小 不因水份損失而變形易打磨 表面光滑穩(wěn)定性 零件可長期保存易剝離 垂直方向抗拉強度不是很大LOM工藝對熱熔膠的性能要求熱熔膠的主要成份EVA樹脂+增粘劑+蠟+抗氧化劑等熱熔膠的性能指標熔融粘度、流動性、收縮性、粘接強度、浸潤性、熱分解溫度等熱熔膠的涂布工藝均勻式涂布采用狹縫式刮板，設備簡單非均勻式涂布有條紋式和顆粒式，可減少應力集中，設備

14、比較貴熱熔膠的涂布工藝LOM工藝后處理中的表面涂覆表面涂覆的作用提高強度；提高耐熱性；改進抗?jié)裥?；延長原型的壽命；易于表面打磨等處理，提高制件表面質量和尺寸精度。表面涂覆基本工藝（1）打磨原型表面；（2）按比例配制環(huán)氧樹脂，并均已混合；（3）在原型上涂刷一層混制好的涂覆材料；（4）再次涂覆，并長時間固化；（5）用砂紙打磨硬化的原型表面，注意確保原型尺寸在公差范圍之內；（6）表面拋光。3.LOM工藝的特點LOM原型件強度類似硬木，可承受200左右的高溫，具有較好的機械強度和穩(wěn)定性，可承受切削加工經過適當的表面處理，如噴涂清漆、高分子材料或金屬后，可作為各類間接快速制模工藝的母模，或直接制作用于注

15、塑用的紙基模具適合大、中型結構簡單的零件加工難以清除內腔的廢料，不宜制作內部結構復雜的零件 零件的精度較高（ 0.15mm）在加工中，主要成型材料沒有相變；網格廢料起到了支撐作用，故翹曲變形小工件表面有明顯的臺階紋，成型后要進行打磨；且紙制零件很容易吸潮，必須立即進行后處理、上漆 原材料種類較少盡管可選用若干原材料，例如紙、塑料、陶土以及合成材料，但實際應用的只有紙材料浪費大，且清除廢料困難4. LOM工藝的應用制作樣品手板模型作鑄造模樣4. LOM工藝的應用薄板金屬成型與拼接真空成型4. LOM工藝的應用砂型鑄造Foundry Castings 三、選擇性激光燒結-SLSSelective

16、Laser Sintering 由美國德州Austin 分校C.R.Dechard 于1989年研制成功，后被美國DTM公司商品化，推出商品化機器SLS工藝原理SLS工藝是利用粉末材料（金屬或非金屬粉末）在激光照射下燒結的原理，在計算機控制下層層堆積成形1.SLS工藝原理1.SLS工藝原理SLS工藝演示SLS成型實例“球化”現象粉末熔化后，液體質點對固體金屬粉末的作用力遠比松散的固體金屬粉末之間的作用力大，結果導致金屬粉末被液體質點粘結形成較大的球體，激光功率越大，球的直徑也越大燒結機理模型“球化”現象的解決辦法多元系液相燒結（1）使用具有不同化學性質的粉末混合料，該混合料的液相來自低熔點組元

17、的熔化或者低熔共晶物的形成。如：聚合物包裹的金屬粉末或陶瓷粉末（2）將預合金化的粉末加熱到固相線溫度和液相線溫度之間的溫度，進行超固相線溫度燒結。如：金屬粉末、塑料顆粒鋪粉與鋪粉密度 鋪粉時，鋪粉輥筒一邊向前平移，一邊自轉。粉末在輥筒壓力的作用下，克服粉末顆粒間微弱的吸附力(結合力及摩擦力)互相滾動或滑動而變得致密。 因此，在鋪粉厚度、鋪粉輥筒平移及自轉速度不變的情況下，粉末顆粒的大小及形狀是影響鋪粉密度的重要因素。2.SLS的材料粉末或顆粒蠟粉、聚苯乙烯（PS)、工程塑料（ABS）、聚碳酸酯（PC)、尼龍（PA)、金屬粉末、覆膜砂、覆膜陶瓷粉等近年來更多的采用復合粉末，粉粒直徑為50125m

18、SLS工藝最大的優(yōu)點選材較為廣泛，如尼龍、蠟、ABS、樹脂裹覆砂（覆膜砂）、聚碳酸脂（Poly Carbonates）、金屬和陶瓷粉末等都可以作為燒結對象SLS對材料性能的基本要求成型材料應具有：良好的熱塑（固）性、一定的導熱性和足夠的粘接強度良好的燒結性能，即無需特殊工藝即可快速、精確地成型原型對直接應用的零件機械性能和物理性能要滿足使用要求對間接使用的原型要求有利于快速、方便的后續(xù)處理3.SLS工藝的特點材料適應面廣不僅能制造塑料制件，還能制造蠟模、陶瓷和金屬零件；能直接制造制件成型精度一般制件翹曲變形相對較小，對于容易發(fā)生變形的地方應設計有支撐結構適合中小零件的生產實心零件成型時間較長與

19、鑄造工藝的關系極為密切燒結的陶瓷型可作為鑄造之型殼、型芯，蠟型可做蠟模，熱塑性材料燒結的模型可做消失模4.SLS工藝的應用與發(fā)展4.SLS工藝的應用與發(fā)展直接金屬激光選區(qū)燒結（DMLS）激光選區(qū)熔化（SLM）激光近凈成形（LENS）電子束選區(qū)熔化（EBM）電子束自由制造（EBF3）高熔點材料等離子熔射直接制造金屬零件高能束流快速制造技術直接金屬激光選區(qū)燒結-材料聚合物包裹的金屬粉末（如DTM）燒結成的零件強度低,干燥脫濕后,需要放入高溫爐膛內進行燒結、滲銅,最后生成表面密實的零件由含有不同熔點不同收縮率的金屬化合物組成的金屬粉末（如EOS）可直接燒結成致密的零件,不需要后處理,而且不需要功率特

20、別大的激光器研究和生產SLS設備的企業(yè)國外3D Systems是主流的SLS設備制造商德國EOS公司的EOSINT系列設備法國Phenix Systems公司的Phenix 900國內北京隆源自動成型系統(tǒng)公司武漢濱湖機電公司華北工業(yè)大學和中山同普精密機械公司高能束流快速制造技術 DMLS技術（Direct Metal Laser-Sintering） 高能束流快速制造技術DMLS技術（Direct Metal Laser-Sintering）德國EOS公司的EOSINT M270采用摻Yb光纖激光器光斑直徑100m，激光波長1.06 m設備最大加工體積：250mm250mm215mm加工層厚：

21、20 100 m 加工速度：2 20mm/s。成型材料：不銹鋼材料、鈷鉻鉬合金MP1、鈷鉻鉬合金SP1、馬氏體鋼、鈦合金、純鈦、超級合金IN718和鋁合金激光選區(qū)熔化(SLM)Selective Laser Melting 將激光燒結術與激光熔覆技術結合起來,利用純金屬或合金粉末末直接制造出具有冶金結合致密性接近100%、具有較高尺寸精度（0.1mm）和較好表面質量（Ra1030m）的金屬零件 激光選區(qū)熔化SLM工藝的應用手機面板注塑模具 對SLM成型316L不銹鋼試件進行拉伸實驗，其抗拉強度可達636Mpa，延伸率15%20%。試件硬度值HV 250275。高能束流快速制造技術 電子束選區(qū)熔

22、化瑞典Arcam A B 公司的S12 一個成功的RP設備制造商，同時也是一個優(yōu)秀的材料制造商四、熔化沉積成形-FDMFused Deposition Modeling -FDM由美國學者Dr.Scott Crump 于1988年研制成功。并由美國Stratasys 公司于1993年推出商品化的設備，FDM1600、 FDM1650、 FDM8000、Quantum等FDM成型原理FDM工藝采用熱塑性材料，如ABS、蠟、尼龍等，一般以絲狀供料。材料在噴頭內被加熱熔化后，從小孔擠出堆積成形1.FDM原理FDM工藝原理FDM成型實例2.FDM的材料FDM工藝要求材料具有以下特點粘度低流動性好，阻力

23、小，有助于材料順利擠出熔融溫度低有利于提高噴頭的壽命和整個機械系統(tǒng)的壽命粘結性好保證層與層間的結合強度，從而保證零件成型后的強度收縮率小利于防止零件翹曲、開裂3.FDM工藝的特點不使用激光，使用、維護簡單，成本低用蠟成形的零件原型可直接用于失蠟鑄造用ABS工程塑料制造的原型具有較高強度，在產品設計、測試與評估等方面得到廣泛應用制件精度較低翹曲變形FDM工藝一般在80120C進行，材料的收縮必然會引起尺寸誤差，同時會產生熱應力需要設計支撐結構FDM工藝適合成型小塑料件填充式掃描，成型時間較長可采用多個熱噴頭同時進行涂覆，提高成型效率適于三維打印機的特點成型速度較快FDM工藝可通過減小原型密實程度

24、的方法提高成型速度塑料絲材，清潔，更換容易與使用粉末和液態(tài)材料的3DP工藝相比，絲材更清潔，易于更換、保存，不會在設備中或附近形成污染后處理簡單無需二次固化；支撐剝離僅需要幾分鐘到一刻鐘不使用激光，維護簡單，成本低價格是成型工藝是否適于3DP的一個重要因素4.FDM工藝的應用Automotive-Filter Maker Tests PPSF Prototype on V8 Engine-Parker Hannifin emissions filter4.FDM工藝的應用Design rendering of Kia Spectra dashboard.The CMM scanshowed t

25、he ABS Prototype waswithin tolerance.4.FDM工藝的應用研究和制造FDM設備的企業(yè)國外美國Stratasys公司國內北京殷華激光快速成形及模具技術有限公司上海富奇凡機電科技有限公司由于這種工藝具有的顯著優(yōu)點，該工藝發(fā)展極為迅速，目前FDM系統(tǒng)在全球已安裝快速成形系統(tǒng)中的份額大約為30五、3DP-高速多彩的RPTThree-Dimensional Printing -3DP三維印刷(3DP)工藝是美國麻省理工學院Emanual Sachs等人研制的。E.M.Sachs于1989年申請了3DP專利，該專利是非成形材料微滴噴射成形范疇的核心專利之一。3DP工藝原理3DP工藝與SLS工藝類似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金屬粉末。所不同的是材料粉末不是通過燒結連接起來的，而是通過噴頭用粘接劑(如硅膠)將零件的截面“印