增材制造技術(shù)版課件第二章-增材制造技術(shù)的常見工藝方法及其裝備

1、增材制造技術(shù) 第2章 增材制造技術(shù)的常見工藝方法及其裝備增材制造技術(shù) 第2章 增材制造技術(shù)的常見工藝方法及增材制造的定義及特點(diǎn)各類成型方法的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合典型3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)本章重點(diǎn)本章重難點(diǎn)本章難點(diǎn)SLS、SLM、EBM、FDM等工藝原理及成型過程各類成型方法的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合增材制造的定義及特點(diǎn)本章重點(diǎn)本章重難點(diǎn)本章難點(diǎn)SLS、SLM12選擇性激光熔融（SLM）電子束熔融（EBM）選擇性激光燒結(jié)（SLS）3654熔融沉積（FDM）纖維纏繞三維打印快速成型（3DP）7纖維鋪放第2章 增材制造技術(shù)的常見工藝方法及其裝備12選擇性激光熔融（SLM）電子束熔融（EBM）選擇性激光燒 選擇性激光燒

2、結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）是利用粉末狀材料成型的。2.1.1 選擇性激光燒結(jié)（SLS）2.1 選擇性激光燒結(jié)（SLS）圖2-1 選區(qū)激光燒結(jié)的原理 該工藝的基本原理如圖2-1所示。SLS工藝的原理是預(yù)先在工作臺(tái)上鋪一層粉末材料（金屬粉末或非金屬粉末），在計(jì)算機(jī)控制下，按照界面輪廓信息，利用大功率激光對(duì)實(shí)心部分粉末進(jìn)行掃描燒結(jié)，然后不斷循環(huán)，層層堆積成型，直至模型完成。 選擇性激光燒結(jié)由Carl Robert Deckard于1988年發(fā)明。SLS工藝是利用粉末狀材料成型的。由于該類成型方法有著制造工藝簡(jiǎn)單、柔性度高、材料選擇范圍廣、材料價(jià)格便宜，成本低、材

3、料利用率高、成型速度快等特點(diǎn)，針對(duì)以上特點(diǎn)SLS主要應(yīng)用于鑄造業(yè)，并且可以用來直接制作快速模具。 選擇性激光燒結(jié)（Selective Lase2.1 選擇性激光燒結(jié)（SLS） 2.1.2 SLS的成型過程圖2-2 基于SLS工藝的金屬零件直接制造過程 SLS成型過程一般可以分三個(gè)階段：前處理、粉層激光燒結(jié)疊加和后處理。（1）前處理 前處理階段中，主要完成模型的三維CAD造型。將繪制好的三維模型文件導(dǎo)入特定的切片軟件進(jìn)行切片，最后將切片數(shù)據(jù)輸入燒結(jié)系統(tǒng)。（2）粉層激光燒結(jié)疊加 激光燒結(jié)的過程原理如圖2-1所示。加熱前對(duì)成型空間進(jìn)行預(yù)熱，然后將一層薄薄的熱可熔粉末涂抹在部件建造室。在這一層粉末上用

4、CO2激光束選擇性地掃描CAD部件最底層的橫截面。當(dāng)橫截面被完全掃描后，通過滾軸機(jī)將新一層粉末涂抹到前一層之上。這一過程為下一層的掃描做準(zhǔn)備。重復(fù)操作，每一層都與上一層融合。每層粉末依次被堆積，重復(fù)上述過程直至打印完畢。（3）后處理 激光燒結(jié)后的原型件，由于本身的力學(xué)性能比較低，表面粗糙度也比較低，既不能滿足作為功能件的要求，又不能滿足精密鑄造的要求，因此需要進(jìn)行后處理。有時(shí)需進(jìn)行多次后處理來達(dá)到零部件工藝所需要求。2.1 選擇性激光燒結(jié)（SLS） 2.1.2 SLS的成型過 根據(jù)坯體材料的不同，以及對(duì)制造件性能要求的不同，我們可以對(duì)燒結(jié)件采用不同的后處理方法。燒結(jié)件的后處理方法有多種，如高溫

5、燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、熔浸和浸漬等。2.1.2 SLS的成型過程2.1 選擇性激光燒結(jié)（SLS）（1）高溫?zé)Y(jié) 高溫?zé)Y(jié)階段形成大量閉孔，并持續(xù)縮小，使孔隙尺寸和孔隙總數(shù)有所減少，燒結(jié)體密度明顯增加。在高溫?zé)Y(jié)后，坯體密度和強(qiáng)度增加，性能也得到改善。（2）熱等靜壓燒結(jié) 熱等靜壓燒結(jié)工藝是將制品放置到密閉的容器中，使用流體介質(zhì)，向制品施加各向同等的壓力，同時(shí)施以高溫，在高溫高壓的作用下，制品的組織結(jié)構(gòu)致密化。（3）熔浸 熔浸是將金屬或陶瓷制件與另一個(gè)低熔點(diǎn)的金屬接觸或浸埋在液態(tài)金屬內(nèi)，讓液態(tài)金屬填充制件的孔隙，冷卻后得到致密的零件。經(jīng)過熔浸后處理的制件致密度高，強(qiáng)度大，基本不產(chǎn)生收縮，尺寸變化小。

6、（4）浸漬 浸漬工藝類似于熔浸，不同之處在于浸漬是將液體非金屬材料浸漬到多孔的選擇性激光燒結(jié)坯體的孔隙內(nèi)，并且浸漬處理后的制件尺寸變化更小。 圖2-3 基于SLS工藝的金屬零件間接制造過程 根據(jù)坯體材料的不同，以及對(duì)制造件性能要求的不 1986年第一臺(tái)SLS樣機(jī)問世，1992年DTM公司推出了商業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備SinterStation，開啟了SLS的商業(yè)化；隨后SinterStation2000、SinterStation2005等相繼問世。2.1.3 SLS的相關(guān)設(shè)備2.1 選擇性激光燒結(jié)（SLS） SLS的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)： SLS的典型應(yīng)用：（1）快速原型制造（2）快速模具和工具制造（3）單件或

7、小批量生產(chǎn) 圖2-4 Sintratec公司的SINTRATEC KIT優(yōu)點(diǎn)材料的多樣性缺點(diǎn)原型制作易變形過程易操作后處理復(fù)雜材料利用率高需要預(yù)熱、冷卻無須支撐結(jié)構(gòu)成型表面粗糙多孔模具的強(qiáng)度極高污染環(huán)境 1986年第一臺(tái)SLS樣機(jī)問世，1992年D12選擇性激光熔融（SLM）電子束熔融（EBM）選擇性激光燒結(jié)（SLS）3654熔融沉積（FDM）纖維纏繞三維打印快速成型（3DP）7纖維鋪放第2章 增材制造技術(shù)的常見工藝方法及其裝備12選擇性激光熔融（SLM）電子束熔融（EBM）選擇性激光燒 選擇性激光熔融（Selective Laser Melting，SLM）是20世紀(jì)90年代中期在SLS工藝

8、的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。SLM工藝克服了SLS工藝在制造金屬零件工藝過程相對(duì)復(fù)雜的困擾。SLM工藝可利用高強(qiáng)度激光熔融金屬粉末的快速成型出致密且力學(xué)性能良好的金屬零件。2.2.1 SLM的原理2.2 選擇性激光熔融（SLM） 圖2-7 SLM熔化機(jī)的工作原理 SLM的原理是指在高激光能量密度作用下，金屬粉末完全熔化，經(jīng)冷卻凝固層層累積成型出三維實(shí)體。常用SLM設(shè)備的工作原理如圖2-7所示。 SLM設(shè)備使用激光器，通過掃描反射鏡控制激光束熔融每一層的輪廓。金屬粉末則被完全熔化，而不是金屬粉末黏結(jié)在一起。因此成型件的致密度可達(dá)到100%。強(qiáng)度和精度都高于激光燒結(jié)成型。 選擇性激光熔融（Selectiv

9、e Laser 2.2 選擇性激光熔融（SLM） 2.2.2 SLM的成型過程 圖2-8 SLM技術(shù)的成型過程 SLM的成型過程與SLS非常相似，均由前處理、分層激光燒結(jié)和后處理組成。其主要區(qū)別是SLM熔融金屬材料溫度極高，通常要使用惰性氣體，如氬氣或氫氣來控制氧氣的氣氛。其次SLM使用單純金屬粉末，而SLS使用添加了黏結(jié)劑的混合粉末，使得成品質(zhì)量差異較大。SLM成型過程如圖2-8所示。2.2 選擇性激光熔融（SLM） 2.2.2 SLM的成型過 目前，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家在激光選區(qū)熔化（SLM）設(shè)備的研發(fā)及商業(yè)化進(jìn)程上處于世界領(lǐng)先地位。早在1995年，德國(guó)的Fraunhofer就提出SLM技術(shù)，并

10、于2002年研制成功。隨后，于2003年底，德國(guó)MCP-HEK公司生產(chǎn)出第一臺(tái)SLM機(jī)器，利用該機(jī)器加工出來的工件致密度達(dá)到了100%，可以直接應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。2.2.3 SLM的相關(guān)設(shè)備2.2 選擇性激光熔融（SLM） SLM的優(yōu)點(diǎn)：（1）零件成型精度高（2）零件致密性好 SLS的典型應(yīng)用： SLM增材制造的應(yīng)用范圍比較廣，主要用于機(jī)械領(lǐng)域的工具及模具、生物醫(yī)療領(lǐng)域的生物植入零件或替代零件、電子領(lǐng)域的散熱元器件、航空航天領(lǐng)域的超輕結(jié)構(gòu)件、梯度功能復(fù)合材料零件。 圖2-9 可定制化金屬3D打印機(jī)FS271M SLM的缺點(diǎn)：（1）加工制造工藝相對(duì)復(fù)雜（2）需要用高功率密度的激光（3）SLM工藝成

11、本高 目前，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家在激光選區(qū)熔化（SLM）12選擇性激光熔融（SLM）電子束熔融（EBM）選擇性激光燒結(jié)（SLS）3654熔融沉積（FDM）纖維纏繞三維打印快速成型（3DP）7纖維鋪放第2章 增材制造技術(shù)的常見工藝方法及其裝備12選擇性激光熔融（SLM）電子束熔融（EBM）選擇性激光燒 電子束熔融（Electron Beam Melting，EBM）是瑞典ARCAM公司最先開發(fā)的一種增材制造技術(shù)。EBM類似于SLM工藝，利用電子束在真空室中逐層熔化金屬粉末，并可由CAD模型直接制造金屬零件。2.3.1 EBM的原理2.3 電子束熔融（EBM） 電子束 聚焦線圈 偏轉(zhuǎn)線圈 粉料粉盒 鋪粉

12、構(gòu)件 建造構(gòu)件 鋪粉平面 圖2-7 SLM熔化機(jī)的工作原理 電子束熔融技術(shù)是在真空環(huán)境下以電子束為熱源，以金屬粉末為成型材料，高速掃描加熱預(yù)置的粉末，通過逐層化疊加，獲得金屬零件。EBM的工作原理如圖2-12所示。在鋪粉平面上鋪上粉末，將高溫絲極釋放的電子束通過陽(yáng)極加速到光速的一半，通過聚焦線圈使電子束聚焦，在偏轉(zhuǎn)線圈的控制下，電子束按照截面輪廓信息進(jìn)行掃描，高能電子束將金屬粉末熔化并在冷卻后成型。 電子束熔融（Electron Beam Melt2.3 電子束熔融（EBM）2.3.2 EBM的成型過程 圖2-13 電子束熔融技術(shù)成型過程 EBM工藝過程中，建模存在多種不同的方法。例如利用EB

13、M工藝加工Ti6Al4V粉末時(shí)就有兩種方法，第一種方法是采用格子波爾茲曼方法（LBM）計(jì)算加工Ti6Al4V粉末時(shí)達(dá)到的溫度。第二種方法是有限元法（FEM），考慮到粉末作為具有自身特征的連續(xù)體，這種方法更為合適。 EBM成型過程如圖2-13所示。首先，一層薄層粉末放置在工作臺(tái)上，在電磁偏轉(zhuǎn)線圈的作用下，電子束由計(jì)算機(jī)來控制?；谥萍母鲗咏孛娴腃AD數(shù)據(jù)，電子束選擇性地對(duì)粉末層進(jìn)行掃描熔化，熔化的粉末形成冶金結(jié)合。未被熔化的粉末仍是松散狀，可作為支撐。一層加工完成后，工作臺(tái)下降一個(gè)層厚的高度，再進(jìn)行下一層鋪粉和熔化，同時(shí)新熔化層與前一層金屬體熔合為一體，重復(fù)上述過程直至零件加工結(jié)束。2.3 電

14、子束熔融（EBM）2.3.2 EBM的成型過程 目前，世界上典型的EBM工藝商用化設(shè)備由瑞典的Arcam公司提供。該公司主要生產(chǎn)三種類型的產(chǎn)品，Arcam Q10、Arcam Q10plus、Arcam Q20和Arcam A2X。2.3.3 EBM的相關(guān)設(shè)備2.3 電子束熔融（EBM） EBM的優(yōu)點(diǎn)：（1）污染少，防氧化（2）較高的延展性（3）可制備復(fù)雜部件 EBM的典型應(yīng)用： EBM主要應(yīng)用于航空航天和骨科移植方面。EBM制造的骨科植入物其最常用的材料是Ti6Al4V和CrCo。因?yàn)镋BM的適用性，使得EBM工藝可運(yùn)用于生產(chǎn)制造矯形植入物。 圖2-14 Arcam Q10plus成型機(jī) E

15、BM的缺點(diǎn)：表面質(zhì)量較低。由于粉末層的粒度和較大的厚度，相較于SLM，EBM工藝通常會(huì)造成較低的分辨率和較高的表面粗糙度。 目前，世界上典型的EBM工藝商用化設(shè)備由瑞典的A12選擇性激光熔融（SLM）電子束熔融（EBM）選擇性激光燒結(jié)（SLS）3654熔融沉積（FDM）纖維纏繞三維打印快速成型（3DP）7纖維鋪放第2章 增材制造技術(shù)的常見工藝方法及其裝備12選擇性激光熔融（SLM）電子束熔融（EBM）選擇性激光燒 熔融沉積（Fused Depositon Modeling，F(xiàn)DM）增材制造技術(shù)由美國(guó)學(xué)者Dr.ScottCrump于1988年研發(fā)成功的，并由美國(guó)Stratasys公司推出了商業(yè)化

16、的設(shè)備。FDM是將各種熱熔性的絲狀材料（如蠟、工程塑料和尼龍等）加熱熔化，然后通過由計(jì)算機(jī)控制的精細(xì)噴嘴按CAD分層截面數(shù)據(jù)進(jìn)行二維填充，噴出的絲材經(jīng)冷卻黏結(jié)固化生成薄層截面形狀，層層疊加形成三維實(shí)體。2.4.1 FDM的原理2.4 熔融沉積（FDM） 圖2-16 FDM工藝原理 FDM工藝原理類似于熱膠槍。如圖2-16所示，為FDM工藝原理圖。熱熔性材料的溫度始終稍高于固化溫度，而成型的部分溫度稍低于固化溫度。熱熔性材料通過加熱噴嘴噴出后，隨即與前一個(gè)層面熔結(jié)在一起。一個(gè)層面沉積完成后，工作臺(tái)按預(yù)定的增量下降一個(gè)層的厚度，再繼續(xù)熔噴沉積，直至完成整個(gè)實(shí)體零件。 熔融沉積（Fused Depo

17、siton M2.4 熔融沉積（FDM）2.4.2 FDM的成型過程 圖2-17 FDM工藝過程 FDM成型工藝在原型制作同時(shí)需要制作支撐，為了節(jié)省材料成本和提高制作效率，新型的FDM設(shè)備采用雙噴頭，如圖2-17所示。一個(gè)噴頭用于成型原型零件，另一個(gè)噴頭用于成型支撐。 FDM的成型過程是在供料輥上，將實(shí)心絲狀原材料進(jìn)行纏繞，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)輥?zhàn)有D(zhuǎn)，輥?zhàn)雍徒z材之間的摩擦力是絲材向噴嘴出口送進(jìn)的動(dòng)力。噴嘴在XY坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)，沿著軟件指定的路徑生成每層的圖案。待每層打印完畢后，擠壓頭再開始打印下一層，直至加工結(jié)束。2.4 熔融沉積（FDM）2.4.2 FDM的成型過程 美國(guó)Stratasys公司為絲材熔

18、融沉積成型設(shè)備的著名廠商，多年來在FDM機(jī)型開發(fā)上具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。近年來，在小型桌面級(jí)打印機(jī)盛行的形勢(shì)下，Stratasys公司也適時(shí)推出基于FDM建造方式的個(gè)人打印機(jī)等。 如圖2-18所示，給出的是Stratasys公司基于FDM工藝開發(fā)的系列設(shè)備。2.4.3 FDM的相關(guān)設(shè)備2.4 熔融沉積（FDM） FDM的優(yōu)點(diǎn)：（1）該技術(shù)污染小, 材料可以回收 （2）成型材料廣泛（3）成型效率高（4）可以成型任意復(fù)雜程度的零件。 圖2-18 Stratasys公司開發(fā)的基于FDM工藝設(shè)備 FDM的缺點(diǎn)：（1）需要設(shè)計(jì)制作支撐結(jié)構(gòu)（2）工件表面比較粗糙（3）加工過程的時(shí)間較長(zhǎng)。FDM的典型應(yīng)用: FDM

19、工藝在桌面化辦公用品、制作模具、家用電器等領(lǐng)域都有應(yīng)用。 美國(guó)Stratasys公司為絲材熔融沉積12選擇性激光熔融（SLM）電子束熔融（EBM）選擇性激光燒結(jié)（SLS）3654熔融沉積（FDM）纖維纏繞三維打印快速成型（3DP）7纖維鋪放第2章 增材制造技術(shù)的常見工藝方法及其裝備12選擇性激光熔融（SLM）電子束熔融（EBM）選擇性激光燒 三維打印成型（Three Dimensional Printing，3DP）由麻省理工學(xué)院開發(fā)。3DP是基于增材制造技術(shù)基本的堆積建造模式，從而實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體的快速制作。因其材料較為廣泛，設(shè)備成本較低且可小型化到辦公室使用等，近年來發(fā)展較為迅速。2.5.1

20、3DP的原理2.5 三維打印快速成型（3DP） 3DP的工作原理是首先按照設(shè)定的層厚進(jìn)行鋪粉，隨后利用噴嘴按指定路徑將黏結(jié)劑噴在預(yù)先鋪好的粉層特定區(qū)域，之后工作臺(tái)下降一個(gè)層厚的距離，繼續(xù)進(jìn)行下一疊層的鋪粉，逐層黏結(jié)后去除多余底料便得到所需形狀的制件。該方法可以用于制造幾乎任何幾何形狀的金屬、陶瓷。 3DP工藝與SLS工藝類似，采用粉末材料成型，如陶瓷基粉末，金屬基粉末。所不同的是材料粉末不是通過燒結(jié)連接起來的，而是通過噴頭用黏結(jié)劑（如硅膠）將零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用黏結(jié)劑黏結(jié)的零件強(qiáng)度較低，還須進(jìn)行后處理。 三維打印成型（Three Dimensional2.5 三維打印快速成型（

21、3DP）2.5.2 3DP的成型過程 圖2-20 3DP成型過程 3DP工藝成型過程如圖2-20所示：上一層黏結(jié)完成后，成型缸的托盤下降一定距離，這個(gè)距離一般為0.1mm左右；然后供粉缸的托盤上升一高度，推出若干粉末，并被滾壓機(jī)推到成型缸，粉末鋪平并被壓實(shí)。滾壓機(jī)鋪粉時(shí)，多余的粉末被左側(cè)集粉裝置收集。未被噴射黏結(jié)劑的地方為干粉，在成型過程中起支撐作用，且成型結(jié)束后，也比較容易去除。 3DP工藝成型過程如圖2-20所示：上一層黏結(jié)完成后，成型缸的托盤下降一定距離，然后供粉缸的托盤上升一高度，推出若干粉末，并被滾壓機(jī)推到成型缸，粉末鋪平并被壓實(shí)。噴頭在計(jì)算機(jī)控制下，按下一截面的成型數(shù)據(jù)有選擇性地噴

22、射黏結(jié)劑來建造層面。2.5 三維打印快速成型（3DP）2.5.2 3DP的成型過 在以色列Objet公司推出了Connex、Eden、Objet等系列機(jī)型，隨后，美國(guó)3D Systems公司也推出了ProJet系列機(jī)型。并且Zcorp公司（現(xiàn)已并入3D Systems公司）也推出了Z系列3DP設(shè)備。2.5.3 3DP的相關(guān)設(shè)備2.5 三維打印快速成型（3DP） 3DP的優(yōu)點(diǎn)：成型速度快成型材料價(jià)格低可在黏結(jié)劑中添加顏料，可以制作彩色原型 圖2-21 ProJet1000三維打印機(jī) 3DP的缺點(diǎn)：成型部件的強(qiáng)度低對(duì)于石膏粉作為成型材料，表面粗糙度會(huì)受影響3DP的典型應(yīng)用： 3DP技術(shù)成型速度非常

23、快，適用于制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件，也適用于制作復(fù)合材料或非均勻材質(zhì)材料的零件。 在以色列Objet公司推出了Connex、E12選擇性激光熔融（SLM）電子束熔融（EBM）選擇性激光燒結(jié)（SLS）3654熔融沉積（FDM）纖維纏繞三維打印快速成型（3DP）7纖維鋪放第2章 增材制造技術(shù)的常見工藝方法及其裝備12選擇性激光熔融（SLM）電子束熔融（EBM）選擇性激光燒 纖維纏繞成型技術(shù)（Filament Winding）最早出現(xiàn)于20世紀(jì)40年代美國(guó)的曼哈頓原子能計(jì)劃，用于纏繞火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體及導(dǎo)彈等軍用產(chǎn)品。2.6.1 纖維纏繞的原理2.6 纖維纏繞 纖維纏繞的原理是在控制張力和預(yù)定線型的條件下，以

24、浸有樹脂膠液的連續(xù)絲纏繞到芯?；蚰＞呱蟻沓尚驮鰪?qiáng)塑料制品。纖維纏繞成型工藝制造出來的制件纖維體分比、強(qiáng)度等性能更好，生產(chǎn)技術(shù)要求較低，適用于連續(xù)生產(chǎn)，可有效節(jié)約原材料，降低生產(chǎn)成本。纖維纏繞成型工藝被大量應(yīng)用，以滿足各類復(fù)合材料零件或結(jié)構(gòu)的整體成型需求。 圖2-25 纖維纏繞示意圖 纖維纏繞成型技術(shù)（Filament Wind2.6 纖維纏繞2.6.2 纖維纏繞的成型過程 圖2-24 纖維纏繞工藝流程 纖維纏繞成型工藝流程步驟如圖2-24所示，首先是將纖維經(jīng)過浸膠等處理，通過芯模和絲嘴的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在纖維在纏繞角度、纏繞張力、紗帶特定幾何尺寸等工藝參數(shù)的張力作用下按照一定的規(guī)律纏繞到特定加工的芯

25、模表面，然后加熱或在常溫下固化，經(jīng)過固化脫模后制成一定形狀的制品。纖維纏繞制品的工藝流程在時(shí)間上安排如下：（1）原材料樹脂基和纖維的選取和管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)產(chǎn)品性能的要求進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，獲得纏繞方式、工藝路線和鋪層數(shù)量等；（2）根據(jù)纏繞件生產(chǎn)中需要控制的技術(shù)要求，確定纏繞工藝參數(shù)，如樹脂粘度、纏繞角、小車行走速率和固化度等。最常用的是使用經(jīng)驗(yàn)與三維模型相結(jié)合的方法分析纏繞件成型質(zhì)量和工藝參數(shù)之間的關(guān)系；（3）最后將樹脂和纖維按預(yù)定的控制參數(shù)在芯模上纏繞鋪排，再在高溫爐中進(jìn)行固化，最后進(jìn)行脫模、表面拋光等處理。2.6 纖維纏繞2.6.2 纖維纏繞的成型過程 2.6 纖維纏繞2.6.2 纖維纏繞的成

26、型過程 圖2-26 干法纏繞樹脂浸漬工藝裝置示意圖 根據(jù)纖維纏繞成型時(shí)樹脂基體的物理化學(xué)狀態(tài)不同，分為干法纏繞、濕法纏繞和半干法纏繞三種。三種纏繞方法中，以濕法纏繞應(yīng)用最為普遍；干法纏繞僅用于高性能、高精度的尖端技術(shù)領(lǐng)域。 干法纏繞成型工藝如圖2-26所示。將連續(xù)的玻璃纖維卷從紗架上抽出捻成一束浸漬樹脂后，在高溫爐中烘烤一定時(shí)間蒸發(fā)溶劑，再經(jīng)過熱壓輥擠壓除氣后收為紗錠保存。使用時(shí)將紗錠不經(jīng)其他處理按設(shè)計(jì)包裹（一般為手工）于芯模后再經(jīng)熱溶固化。 該工藝要求所使用的固化劑，尤其是采用DDS類等高溫固化的樹脂機(jī)體體系，紗帶在高溫爐中烘干時(shí)不應(yīng)出現(xiàn)揮發(fā)等現(xiàn)象。否則會(huì)出現(xiàn)膠液由內(nèi)側(cè)向外側(cè)轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致制品外

27、側(cè)富膠、內(nèi)側(cè)貧膠。有時(shí)表面出現(xiàn)不光滑，有氣泡的現(xiàn)象。2.6 纖維纏繞2.6.2 纖維纏繞的成型過程 2.6 纖維纏繞2.6.2 纖維纏繞的成型過程 圖2-27 濕法纏繞樹脂浸漬工藝裝置示意圖 根據(jù)纖維纏繞成型時(shí)樹脂基體的物理化學(xué)狀態(tài)不同，分為干法纏繞、濕法纏繞和半干法纏繞三種。三種纏繞方法中，以濕法纏繞應(yīng)用最為普遍；干法纏繞僅用于高性能、高精度的尖端技術(shù)領(lǐng)域。 濕法纏繞成型工藝如圖2-27所示。將連續(xù)玻璃纖維絲經(jīng)浸膠筒浸漬樹脂后，經(jīng)過張力控制器調(diào)節(jié)張力后不做熱處理，直接纏到芯模上固化。 因?yàn)槔w維是浸膠后立即纏繞，纏繞質(zhì)量的把控和檢查都在纏繞中動(dòng)態(tài)完成，因而質(zhì)量很難精準(zhǔn)控制。同時(shí)因?yàn)樵诠袒^程中

28、，膠液中的大量溶劑會(huì)揮發(fā)，纏繞過程中纖維張力的均勻性很難控制，這導(dǎo)致固化時(shí)纏繞件內(nèi)部和表面容易產(chǎn)生氣泡。綜上所述，在濕法纏繞成型中，影響纏繞件質(zhì)量的不可控因素過多，其成型質(zhì)量較差，不適合作精密生產(chǎn)。但濕法纏繞的設(shè)備容易上手，原材料來源廣泛，在我國(guó)低端制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。2.6 纖維纏繞2.6.2 纖維纏繞的成型過程 2.6 纖維纏繞2.6.2 纖維纏繞的成型過程 圖2-28 半干法纏繞樹脂浸漬工藝裝置示意圖 根據(jù)纖維纏繞成型時(shí)樹脂基體的物理化學(xué)狀態(tài)不同，分為干法纏繞、濕法纏繞和半干法纏繞三種。三種纏繞方法中，以濕法纏繞應(yīng)用最為普遍；干法纏繞僅用于高性能、高精度的尖端技術(shù)領(lǐng)域。 半干法纏繞成型工藝

29、如圖2-28所示，此種工藝以濕法纏繞工藝為基礎(chǔ)在纏繞前做烘干預(yù)熱，二級(jí)加熱法加速了纏繞件在芯模上的烘干過程，可在室溫下進(jìn)行纏繞。這種成型工藝采用多級(jí)加熱的方法逐步除去了溶劑，更好的減少了制品中空隙、氣泡的數(shù)量，又較干法纏繞縮短了工藝流程。兼具干法、濕法兩者的優(yōu)點(diǎn)，非常具有應(yīng)用前景。2.6 纖維纏繞2.6.2 纖維纏繞的成型過程 作為纏繞成型工藝中最重要的設(shè)備，纏繞機(jī)也經(jīng)歷了幾個(gè)不同的發(fā)展階段。如表2-5所示，列出了纏繞機(jī)的發(fā)展歷程。2.6.3 纖維纏繞的相關(guān)設(shè)備2.6 纖維纏繞 第一階段第二階段第三階段第四階段類型機(jī)械傳動(dòng)式數(shù)字控制式小型通用計(jì)算程序控制式微機(jī)控制式控制方法齒輪、鏈條、離合器等

30、傳動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)配合控制控制介質(zhì)（傳動(dòng)位移）轉(zhuǎn)化成為電脈沖數(shù)字量進(jìn)行控制存儲(chǔ)器中的系統(tǒng)程序來完成。數(shù)字PID控制，實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)的控制特點(diǎn)機(jī)電機(jī)械結(jié)構(gòu)、可靠運(yùn)行。傳動(dòng)比計(jì)算麻煩、非線形纏繞、精度不高能滿足一些特殊構(gòu)型制品的要求。但在特別復(fù)雜結(jié)構(gòu)上仍存在一定困難。編寫程序代碼就能控制各式產(chǎn)品的纏繞，靈活性高。但對(duì)于小型計(jì)算機(jī)，高成本使其未得到普及線形精度更高，運(yùn)行可靠，操作簡(jiǎn)便，制品重復(fù)度高。典型代表美國(guó)1974年kellog公司制造第一臺(tái)機(jī)械式纏繞機(jī)W2型簡(jiǎn)易數(shù)字程序控制纏繞機(jī)以及德國(guó)約瑟夫拜爾公司研制的WE-250型數(shù)字程序控制纏繞機(jī) 美國(guó)麥林安德遜公司、約瑟夫拜爾公司以及英國(guó)的科拉斯公司等都

31、生產(chǎn)該型纏繞機(jī)纏繞機(jī)是實(shí)現(xiàn)纏繞成型工藝的主要設(shè)備。纏繞機(jī)主要由控制系統(tǒng)和模架系統(tǒng)組成。程序控制纏繞機(jī)系統(tǒng)的方框圖如圖2-29所示?？刂葡到y(tǒng)由控制介質(zhì)及控制裝置組成?？刂平橘|(zhì)如纏繞規(guī)律、張力控制等被輸入控制裝置以實(shí)現(xiàn)對(duì)纏繞制品的控制。 圖2-29 纏繞機(jī)控制系統(tǒng)的方框圖 作為纏繞成型工藝中最重要的設(shè)備，纏繞機(jī)也經(jīng)歷 纏繞機(jī)按照結(jié)構(gòu)可以分為托盤纏繞機(jī)、無托盤纏繞機(jī)、水平纏繞機(jī)、懸臂纏繞機(jī)、環(huán)行纏繞機(jī)、滾筒纏繞機(jī)、鋼帶纏繞機(jī)。2.6.3 纖維纏繞的相關(guān)設(shè)備2.6 纖維纏繞 纖維纏繞的優(yōu)點(diǎn)：（1）強(qiáng)度高（2）可靠性高（3）生產(chǎn)效率高（4）能夠成型巨大的結(jié)構(gòu) 圖2-30 全自動(dòng)纏繞機(jī) 纖維纏繞的缺點(diǎn)：（

32、1）應(yīng)用范圍受限（2）設(shè)備要求較高（3）零件形狀受限（4）纏繞角度受限纖維纏繞的典型應(yīng)用： 纖維纏繞可用于很多方面，簡(jiǎn)單的有管件，復(fù)雜的可制造飛機(jī)殼體，汽車的框架等，常見的制品有管、壓力容器、導(dǎo)彈發(fā)射管、發(fā)動(dòng)機(jī)箱、汽車彈簧片、油箱軸承等。 纏繞機(jī)按照結(jié)構(gòu)可以分為托盤纏繞機(jī)、無托盤纏繞12選擇性激光熔融（SLM）電子束熔融（EBM）選擇性激光燒結(jié)（SLS）3654熔融沉積（FDM）纖維纏繞三維打印快速成型（3DP）7纖維鋪放第2章 增材制造技術(shù)的常見工藝方法及其裝備12選擇性激光熔融（SLM）電子束熔融（EBM）選擇性激光燒 纖維鋪放的工藝原理（Fibre Placement）是將預(yù)浸紗束繞紗架

33、上送到加工頭內(nèi)，在此，紗束被平直成紗帶，然后被壓實(shí)在芯模表面上，這項(xiàng)自動(dòng)化的工藝可以被看作纖維纏繞和帶子鋪放的協(xié)同疊加，這種協(xié)同組合能提高結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能力和各種形狀的可實(shí)現(xiàn)性。2.7.1 纖維鋪放的原理2.7 纖維鋪放 纖維鋪放的工藝原理（Fibre Plac2.7 纖維鋪放2.7.2 纖維鋪放的成型過程 圖2-32 典型纖維鋪放系統(tǒng) 典型纖維鋪放系統(tǒng)如圖2-32所示，該鋪放系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)芯模和多自由度鋪放頭（手臂）構(gòu)成，具有七個(gè)自由度，鋪放頭安裝在六自由度手臂的末端，可以實(shí)現(xiàn)多路絲束的重送、切斷、施壓、鋪放等任務(wù)。 典型纖維鋪放系統(tǒng)如圖2-32所示，該鋪放系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)芯模和多自由度鋪放頭（手臂）構(gòu)成

34、，具有七個(gè)自由度，鋪放頭安裝在六自由度手臂的末端，可以實(shí)現(xiàn)多路絲束的重送、切斷、施壓、鋪放等任務(wù)。 纖維鋪放成型過程中，絲束帶需依次通過預(yù)加熱區(qū)、空氣冷卻區(qū)、主加熱區(qū)、熔合區(qū)、空氣冷卻區(qū)和特定冷卻區(qū)共六個(gè)區(qū)域。2.7 纖維鋪放2.7.2 纖維鋪放的成型過程 2.7 纖維鋪放2.7.2 纖維鋪放的成型過程 圖2-33 纖維鋪放工藝圖 （1）鋪放頭工作原理 鋪放頭是纖維帶鋪放機(jī)的核心部件。在功能方面，鋪放頭必須具有纖維傳送、夾緊、加熱、壓緊、剪切等裝置。此外，還需要有支撐、導(dǎo)向、傳感、控制、位移、驅(qū)動(dòng)、張緊等輔助裝置。（2）鋪放頭主要組成 傳送裝置 夾緊裝置 加熱裝置 壓緊裝置 剪切裝置（3）纖維鋪放過程中的加熱工藝 自動(dòng)纖維鋪放過程中，為提高鋪放效率，通常設(shè)置預(yù)加熱及主加熱2個(gè)加熱環(huán)節(jié)。 如圖2-33所示為纖維鋪放工藝簡(jiǎn)圖。2.7 纖維鋪放2.7.2 纖維鋪放的成型過程 目前，纖維鋪放技術(shù)在以美國(guó)為代表的西方國(guó)家已經(jīng)開始了裝備技術(shù)、材料技術(shù)和C