先进制造技术__快速成型技术

快速成形技术概述：快速成形技术（RapidPrototyping，简称RP）20世纪80年代发展起来的，它综合了机械工程、CAD、数控技术、激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而大大缩短产品的研制周期。因而，被认为是近20来制造领域的一个重大突破。影响力与数控技术相当。发展：我国在90年代先后有武汉华中科技大学快速制造中心、西安交大先进制造技术研究所、北京殷华实业有限公司、陕西省激光快速成形与模具制造工程研究中心等在快速成形工艺研究、设备开发、数据处理及控制软件、新材料的研发等方面做了大量有成效的工作。基本思路：●CAD模型建立●STL文件生成●分层切片●快速堆积成形分类：光敏树脂液相固化成形、选择性激光粉末烧结成形、薄片分层叠加成形和熔丝堆积成形等4种。光敏树脂液相固化成形光敏树脂液相固化成形（SL—StereoLithography)，又称光固化立体造型或立体光刻）。最早由CharlesHul发明并于1984年获得专利，1988年美国3D系统公司推出商品化的世界上第一台快速成形机。基本原理：SL工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作。这种液态材料在一定波长和功率的紫外线的照射下能迅速发生光聚合反应，相对分子量急剧增大，材料也由液态变成固态。特点：精度高、表面质量好、原材料利用率将近100%，能制造出形状特别复杂（如空心零件）、特别精细（如首饰、装饰品等）的零件。制造出来的原型件，可快速翻制各种模具。不足点：材料昂贵，具有一定的毒性。应用：1、可直接制作树脂功能件，用作结构验证和功能测试2、可制作比较精细和复杂零件3、可制造出有透明效果的制件4、制造出来的原型可以翻制各种模具头盔：新材料Somos9420EP-White是一种基于环氧树脂的光敏聚合物。复杂件：RenShapeSL7800是一种具有高抗冲击强度的光敏聚合物。透明件复杂件选择性激光粉末烧结成形选择性激光烧结成形（SLS—SelectedLaserSintering)，又称选区激光烧结）。由美国德克萨斯大学奥汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。基本原理：SLS工艺是利用粉末材料（金属粉末或非金属粉末）在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成形。SLS原理图工作台上均匀铺上一层很薄（0.1~0.2mm）的粉末，激光束在计算机的控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结完成后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理便获得零件。特点：材料应用面广，不仅能够制造塑料零件，还能制造陶瓷、石蜡等材料的零件。特别是可制造金属零件。无需加支撑，因为没有被烧结的粉末起到支撑作用。因此可以烧结制造空心、多层镂空的复杂零件。成形材料：蜡粉及高分子塑料粉（早期）、金属或陶瓷粉（为了提高原型的强度)。任何受热粘结的粉末都有被用作SLS原材料的可能性。应用：1、可直接制作树脂功能件，用作结构验证和功能测试，并可用于装配样机。2、制造出来的原型可以翻制各种模具。3、制件可直接作熔模铸造用的蜡模和砂型、型芯。采用雾化法制取金属粉末，有离心雾化和气体雾化。主要原理：使金属熔融，高速将金属液滴甩出并急冷、随后形成粉末颗粒。薄片分层叠加成形薄片分层叠加成形（LOM—LaminatedObjectManufacturing)，又称层叠实体制造或分层实体制造）。由美国Helisys于1986年研制成功，并推出商品化的机器。基本原理：LOM工艺是利用薄片材料，如纸、塑料薄膜等作为成形材料，片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，用CO2或刀在计算机控制下按照CAD分层模型轨迹切割片材，然后通过热滚压，是当前层与下面已成形的工件层粘结，从而堆积成形。LOM原理图特点：1、只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。因此易于制造大型、实体零件。2、零件的精度较高。3、无需加支撑。工件外框与截面轮廓之间的多余材料起到支撑作用。成形材料：常用成卷的纸，纸的一面事先涂覆一层热熔胶。偶尔也用塑料薄膜。应用：纸价格相对便宜，可以用来做汽车发动机曲轴、连杆、各类箱体、盖板等零部件的原型样件。纸：抗湿性、稳定性、涂胶浸润性、抗拉强度。热熔胶：保证层与层之间的粘结强度。熔融沉积快速成型工艺一、熔融沉积工艺的基本原理二、熔融沉积工艺的特点三、熔融沉积成型材料与支撑材料四、熔融沉积成型应用实例一、基本原理熔融沉积快速成型（FusedDepositionModeling，简称FDM），是继SLA和LOM后的一种应用比较广泛的快速成型工艺，并以美国Stratasys公司开发的FDM制造系统应用最为广泛。又称熔丝沉积，它是将丝状的热熔性材料加热融化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，挤出的材料迅速固化并与周围材料粘结，层层堆积而成。主要适用于模具行业新产品开发和医疗、考古等基于数字成像技术的三维实体模型制造。FDM工艺由美国学者Dr.ScottCrump于1988年研制成功，并由美国Stratasys公司推出商品化的机器。1993年开发第一台FDM1650机型后，先后推出FDM2000、FDM3000、FDM8000等。国内的清华大学与北京殷华公司较早地进行了FDM工艺商品化系统的研制工作，并推出熔融挤压制造设备MEM250等。FDM原理图二、特点优点：1、采用热熔挤压头专利技术，系统结构原理和操作简单，且使用无毒的原材料，设备可安装在办公环境中。2、成型速度快。不需要SLA中的刮板工序。3、用蜡成型的零件原型，可以直接用于熔模铸造。4、可以成型任意复杂程度的零件。如复杂的内腔、孔等。5、原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小。6、原材料利用率高。7、支撑去除简单。缺点：1、成型件的表面有较明显条纹。2、沿成型轴垂直方向的强度比较弱。3、需要设计制件支撑结构。4、需要对整个截面进行扫描涂覆，成型时间较长。5、原材料价格昂贵。三、材料成型材料的特性要求：1、材料的粘度（影响材料的挤出过程）。2、材料熔融温度。3、粘结性（影响零件强度）。4、收缩率。3.1成型材料结论：粘度低、熔融温度低、粘结性好、收缩率小。FDM工艺常用ABS工程塑料丝作为成形材料。3.2支撑材料支撑材料的特性要求：1、能承受一定高温，一般100°即可。2、与成型材料不浸润，便于后处理。3、具有水溶性或者酸溶性。4、具有较低的熔融温度。5、流动性要好。步骤：1、通过三维软件建立模型，以STL格式保存。2、在Insight软件中进行分层、设置支撑和刀具路径等前处理工作。3、在FDMControlCenter中设置模型位置。4、点击BuildJob即可加工。四、应用实例图解过程实例照片精度表面质量材料质量材料利用率运行成本生产成本设备费用市场占有率SLA好优较贵接近100%较高高较贵70SLS一般一般较贵接近100%较高一般较贵10LOM一般较差较便宜较差较低高较便宜7FDM较差较差较贵接近100%一般较低较便宜6