第8章快速成型技术PPT

快速成形技术第八章1.快速成形技术概述在制造业中各种零件的制造工艺按加工后原材料体积的变化分为：去除成形（DislodgeForming）——传统的的车、铣、刨、磨等工艺方法就属于去除成性，它是制造业最主要的零件成型方式。受迫成形（ForcedForming）——按其加工材料的自然状态又分为固态成形法（锻造、冲剪、挤压、拉拔等）、液态成形法（铸造）和半液态成形法（注塑）。添加成形（AdditiveForming）——八十年代初一种全新的制造概念。通过添加材料来达到零件设计要求的成形方法，这种新型的零件生产工艺就是RP（快速成形）的主要实现手段。1.1.零件成形方法分类1.快速成形技术概述快速成型(RapidPrototyping)是上世纪80年代末及90年代初发展起来的高新制造技术，是由三维CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的总称。它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。1.1.快速成形技术概念1.快速成形技术概述与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他方法将材料一层层堆积而形成实体零件。通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段相结合，已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车、机械、电子、电器、医学、建筑、玩具、工艺品等很多领域得到了广泛应用。1.1.快速成形技术概念1.快速成形技术概述快速成形的工艺过程一般包括以下几个步骤：（1）产品三维建模（2）三维模型的近似处理（3）三维模型的分层切片和生产加工路径（4）成型加工（5）成形零件的后处理1.2.快速成形技术过程1.快速成形技术概述（1）高度柔性化、自由成形化RP技术从“电子模型”直接制造零件，将三维实体离散，可以成形任意复杂的零件，制造工艺与零件的几何形状无关，设计及加工的柔性（适用性）极大，能够制造任意复杂形状与结构，或不同材料复合而成的零件。1.2.快速成形技术特点1.快速成形技术概述（2）技术高度集成化RP技术是计算机技术、数控技术、材料科学技术、激光技术和机加工技术等多项交叉学科的综合集成。它采用离散-堆积的方法，在计算机和数控技术的基础上，追求最大的柔性为目标。1.2.快速成形技术特点1.快速成形技术概述（3）产品开发快速化RP技术建立在高度技术集成的基础上，从CAD设计到成形加工的完成只需几小时至几十小时，从而大大缩短了产品设计、开发的周期，降低了新产品的开发成本和风险。尤其适合于小批量、复杂的新产品的开发，充分体现了其“快速”的优越性。1.2.快速成形技术特点1.快速成形技术概述（4）材料使用广泛性理论上RP技术适用的材料并无限制，金属及非金属均可使用，随着该技术的发展越来越广泛，各类金属、树脂、塑料、纸张、石蜡、陶瓷等材料在RP技术领域已有很好的应用。1.2.快速成形技术特点2.快速成形工艺按照成形原理的不同，快速成形技术可分为两大类：2.1.快速成形工艺方法按成形原理RP技术分类基于激光及其他光源的成形技术基于喷射的成形技术立体光刻技术SL分层实体制造技术LOM选区激光烧结技术SLS熔融沉积成形技术FDM三维立体印刷技术3DP多相喷射沉积技术MJD……2.快速成形工艺2.2.1.SL工艺原理立体光刻成形(Stereo-Lithography，SL)是目前最为成熟和广泛应用的一种快速成型制造工艺。2.2.立体光刻成形（SL）2.快速成形工艺2.2.1.SL工艺原理该工艺以液态光敏树脂为原材料，计算机控制紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓轨迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合(固化)反应，从而形成零件的一个薄层截面。完成一个扫描区域的液态光敏树脂固化层后，工作台下降一个层厚，使固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂然后重复扫描、固化，新固化的一层牢固地粘接在一层上，如此反复直至完成整个零件的固化成型。2.2.立体光刻成形（SL）2.快速成形工艺2.2.2.SL工艺过程SL成形工艺过程总体包括4个过程，如下图2.2.立体光刻成形（SL）制造数据获取层准备层固化并堆积后处理CAD模具离散再涂层激光束扫描液面拆除支撑及清洗2.快速成形工艺2.2.3.SL成形材料1）材料的基本要求光敏树脂是立体成形工艺的基材，其性能对成形零件的质量具有决定性影响。光敏性树脂应具有特性：黏度低固化速度快固化收缩小一次固化程度高湿态强度高溶胀小毒性小2.2.立体光刻成形（SL）2.快速成形工艺2.2.3.SL成形材料2）材料种类（按反应机理）自由基光固树脂固化速度快，生产周期短，但固化收缩严重，易受氧阻聚阳离子光固化树脂固化收缩较小，不易受氧阻聚，但固化速度慢，工作效率低混杂型光固化树脂2.2.立体光刻成形（SL）2.快速成形工艺2.2.4.SL成形工艺特点优点是精度较高，一般尺寸精度可控制在0.01mm;表面质量好;原材料利用率接近100%;能制造形状特别复杂、精细的零件;设备市场占有率很高。缺点是需要设计支撑;可以选择的材料种类有限;制件容易发生翘曲变形;材料价格较昂贵。该工艺适合比较复杂的中小型零件的制作。2.2.立体光刻成形（SL）2.快速成形工艺2.3.1.SLS工艺原理选区激光烧结(SelectiveLaserSintering，SLS)又称为选择性激光烧结、粉末材料选择性烧结等。SLS成形机的主体结构是安装两个活塞机构的成形工作缸，一个用于供粉，另一个用于成形，如图。2.3.选区激光烧结（SLS）2.快速成形工艺2.3.1.SLS工艺原理在开始加工之前，先将充有氮气的工作室升温，并保持在粉末的熔点以下。成型时，送料筒上升，铺粉滚筒移动，先在工作平台上铺一层粉末材料，然后激光束在计算机控制下按照截面轮廓对实心部分所在的粉末进行烧结，使粉末溶化继而形成一层固体轮廓。第一层烧结完成后，工作台下降一截面层的高度，在铺上一层粉末，进行下一层烧结，如此循环，形成三维的原型零件。最后经过5-10时冷却，即可从粉末缸中取出零件。2.3.选区激光烧结（SLS）2.快速成形工艺2.3.2.SLS成形材料目前SLS的材料主要有以下几种：高分子粉末材料金属粉末材料陶瓷粉末材料覆膜砂粉末材料2.3.选区激光烧结（SLS）2.快速成形工艺2.3.4.SLS成形系统选区激光烧结快速成形系统一般由主机、控制系统和冷却器三部分组成。主机：主要由成形工作缸、废料桶、铺粉辊装置、送料工作缸、激光器、振镜式动态聚焦扫描系统、加热装置、机身与机壳等组成。计算机控制系统：主要由计算机、应用软件、传感检测单元和驱动单元组成。冷却器：由可调恒温水冷却器及外管路组成，用于冷却激光器，以提高激光能量的稳定性。2.3.选区激光烧结（SLS）2.快速成形工艺2.3.5.SLS工艺特点优点是原型件机械性能好，强度高;无须设计和构建支撑;可选材料种类多且利用率高(100%)。缺点是制件表面较粗糙，需要进行后处理;成形速度较慢;制造成本高。采用各种不同成分的金属粉末进行烧结，经渗铜等后处理特别适合制作功能测试零件;也可直接制造金属型腔的模具。采用蜡粉直接烧结适合于小批量比较复杂的中小型零件的熔模铸造生产。2.3.选区激光烧结（SLS）2.快速成形工艺2.4.1.FDM工艺原理熔融沉积制造（FusedDepositionModeling，FDM），又称丝状材料选择性溶覆、熔融挤出成模，由美国学者ScottCrump博士于1988年研制成功，并由美国Stratasys公司推出商品化的机器。2.4.熔融沉积制造工艺（FDM）2.快速成形工艺2.4.1.FDM工艺原理FDM工艺是利用热塑性材料的热熔性、粘结性，在计算机控制下层层堆积成形。如图所示，加热喷头在计算机的控制下，可根据截面轮廓的信息，作X-Y平面运动和高度Z方向的运动。丝状热塑性材料（如ABS及MABS塑料丝、蜡丝、聚烯烃树脂、尼龙丝、聚酰胺丝）由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热至熔融态，然后被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成截面轮廓。一层截面完成后，喷头上升一截面层的高度，再进行下一层的涂覆。如此循环，最终形成三维产品。2.4.熔融沉积制造工艺（FDM）2.快速成形工艺2.4.2.FDM成形材料FDM工艺对成形材料的要求是熔融温度低、粘度低、粘结性好、收缩率小。影响材料挤出过程的主要因素是粘度。材料的粘度低、流动性好，阻力就小，有助于材料顺利的挤出。材料的流动性差，需要很大的送丝压力才能挤出，会增加喷头的启停响应时间，从而影响成形精度。FDM工艺选用的材料为丝状热塑性材料，常用的有石蜡、塑料、尼龙丝等低熔点材料和低熔点金属、陶瓷等的线材或丝材。在熔丝线材方面，主要材料是ABS、人造橡胶、铸蜡和聚酯热塑性塑料。目前用于FDM的材料主要是美国Stratasys的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物细丝（ABSP400）、甲基丙酸烯-丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物细丝（ABSiP500，医用）、消失模铸造蜡丝（ICW06wax）、塑胶丝（ElastomerE20）。2.4.熔融沉积制造工艺（FDM）2.快速成形工艺2.4.3.FDM工艺特点熔融沉积制造工艺作为非激光快速原型制造系统，具有以下优点：成形材料广泛。FDM工艺的喷嘴直径一般为0.1~1mm，所以，一般的热塑性材料如塑料、蜡、尼龙、橡胶等，适当改性后都可用于熔融沉积工艺。设备成本及加工成本低。熔融沉积造型技术用液化器代替了激光器，相比其他使用激光器的工艺方法，制作费用大大减低。使用、维护简单。成形过程对环境无污染。FDM工艺所用的材料一般为无毒、无味的热塑性材料，因此对周围环境不会造成污染。设备运行时噪声也很小。2.4.熔融沉积制造工艺（FDM）2.快速成形工艺2.4.3.FDM工艺特点基于上述优点，FDM工艺应用广泛，且发展迅速。但FDM技术也存在着一些问题：只适合成形中、小塑料件；成形件的表面有较明显的条纹，质量不如SL成形件好；沿成形轴垂直方向的强度比较弱，需设计、制作支撑结构；需对整个截面进行扫描涂覆，成形时间较长，为此，可采用多个热喷头，同时进行涂覆，以便提高成形效率。2.4.熔融沉积制造工艺（FDM）2.快速成形工艺2.5.1.LOM工艺原理分层实体制造（LaminatedObjectManufacturing，LOM）又称叠层实体制造或薄形材料选择性切割，由美国Helisys公司的MichaelFeygin于1986年研制成功，并推出商品化的机器LOM-1050和LOM-2030等。2.5.分层实体制造工艺（LOM）2.快速成形工艺2.5.1.LOM工艺原理LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，热压辊热压材料，使之与下面已成形的工件粘结。用CO2激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区城内切割出上下对齐的网格；激光切割完成后，工作台带动已成形的工件下降，与带状片材（料带）分离；供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域；工作台上升到加工平面；热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚；再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面切割、粘接完，最后将不需要的材料剥离，得到三维实体零件。2.5.分层实体制造工艺（LOM）2.快速成形工艺2.5.2.LOM成形材料LOM材料一般由薄片材料和热熔胶两部分组成。薄片材料可分为：纸片材、金属片材、陶瓷片材、塑料薄膜和复合材料片材。薄片材料性能：①抗湿性（保证原料不会因时间长而吸水，可用纸的施胶度表示）；②良好的浸润性（保证良好的涂胶性能）；③抗拉强度（保证在加工过程中不被拉断）；④收缩率小（保证热压过程中不会因部分水分损