快速成型技术介绍描述

快速成型技术(RP)一、快速成型技术概述二、快速成型技术加工方法和设备三、快速成型技术的应用四、快速成型技术中的问题五、展望一、RP技术概述1、RP技术的发展历史快速成型(RapidPrototyping,简称RP)技术是20世纪80年代后期发展起来的,是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称。1986年美国3DSystems公司率先推出了称为StereolithographyApparatus（简称SLA）的激光快速成型制造系统，引起工业界的广泛兴趣并且RP得到了异乎寻常的迅猛发展。目前美国在RP领域处于主导地位，德国、以色列、日本也处于国际领先水平。在RP领域国内有清华大学、西安交通大学、南京航空航天大学、华中科技大学，北京隆源公司等。2、RP技术原理和成型过程传统加工：去材法、变形法。RP加工：材料累加法。计算机科学CAD/CAM数控技术激光技术新材料RP自动、快速、准确制品RP技术基本原理：离散—堆积（叠加）三维模型构建：Pro/E、UG、SolidWorks、激光扫描、CT断层扫描等三维模型的近似处理:三角形平面来逼近原来的模型（STL文件）三维模型的切片处理：加工方向（Z方向）进行分层成型加工：成型头（激光头或喷头）按各截面轮廓信息扫描后处理：打磨、抛光、涂挂、烧结等间隔一般取0.05m--0.5mm，常用0.1mm图3、RP成型过程图各层固化粘结：树脂或塑料的链式反应固化、无化学反应的熔融粘结固化和用粘结剂将片体粘结的方法。3、RP技术的特点和影响新产品开发的一般过程：设计试制试验征求用户意见市场推销生产修改定型RP：设计、成型，时间，成本模具：制模、试模、修模，时间，成本RP技术的主要特点：（1）可以制造任意复杂的三维几何实体（2）快速性:几个小时到几十个小时就可制造出零件（3）高度柔性：无需任何专用夹具或工具（4）产品结构与性能的及时快速优化（5）进行小批量生产（6）RP技术有利于环保二、RP技术加工方法和设备目前RP技术的快速成型工艺方法有十多种。现简要介绍四种比较成熟且常用的四种成型方法：光固化成型（SLA）、分层实体制造（LOM）、选择域激光粉末烧结成型（SLS）、熔融沉积成型（FDM）。1、SLA光固化法是第一个投入商业应用的RP技术,它以美国3DSystems公司生产的SLA系列成型机为代表。SLA技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的，这种液态材料在一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。SLA工作原理图4、SLA工作原理图SLA优点：(1)原材料的利用率将近100%；(2)尺寸精度高(±0.1mm)；(3)表面质量优良；(4)可以制作结构十分复杂的模型。SLA缺点：(1)成型过程中伴随着物理和化学变化，所以制件较易弯曲，需要支撑，如图5；(2)可使用的材料种类较少；(3)液态树脂具有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止提前发生聚合反应，选择时有局限性。图5、SLA成型中加入支撑示意图2、LOMLOM工艺由美国Helisys于1986年研制成功。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。其主要零部件有：工作平台、CO2激光器、加热辊、供料与收料辊等。图6、LOM原理图热压辊热压片材激光器切割出零件截面轮廓和工件外框工作台下降滚筒转动工作台上升图7、多余网格部分的去除薄壳件头盖骨LOM2030H机器外观LOM优点：（1）成型效率高，LOM工艺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，因此成型厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件；（2）无翘曲变形，工艺过程中不存在材料相变，因此没有热应力、膨胀和收缩不易引起翘曲变形；（3）无需加支撑，工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以LOM工艺无需加支撑。LOM缺点：材料浪费严重，表面质量差。3、SLSSLS工艺最初由美国德克萨斯大学奥斯汀分校(UIIiversityofTexasatAustin)的CarlDeckard于1989年在其硕士论文中提出，后由Texas大学组建的DTM公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备Sinterstation。该工艺实用高功率的激光加热，把粉末熔化在一起形成零件，SLS工艺的重要吸引力是可用于多种热塑性塑料的成型,如尼龙、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯类、聚苯乙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯等。SLS工作原理：铺粉激光器扫描图8、SLS工作原理图SLS方法中的工艺参数对粉末的熔融有很大影响，如激光功率、光斑大小、扫描速度、扫描间距、单层厚度、粉床温度等都会影响烧结件的性能。激光功率较低时,烧结件的拉伸强度和冲击强度均随激光功率的增加而增加。激光功率过大时引起粉末的氧化降解,从而降低了烧结件的强度。扫描速度决定了激光束对粉末的加热时间,在激光功率相同的情况下,扫描速度越低,激光对粉末的加热时间越长,传输的热量多,粉末熔化较好,烧结件的强度高。但过低的扫描速度导致粉末表面的温度过高,不仅不能提高烧结件的强度,还会影响成型速度。单层层厚指铺粉厚度,即工作缸下降一层的高度。对于某一制品,采用较大的单层厚度,所需制造的总层数少,制造时间短。但由于激光在粉末中的透射强度随厚度的增加而急剧下降,单层厚度过大,会导致层与层之间黏结不好,甚至出现分层,严重影响成型件的强度。SLS的优点是无需支撑,成型的零件机械性能好,强度高。缺点是粉末比较松散,烧结后精度不高,尤其是Z轴方向的精度难以控制。4、FDMFDM工艺由美国工程师ScottCrump于1988年研制成功。FDM的材料一般是热塑性材料，以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。加热丝状材料喷头扫描并喷出半流动状材料材料固化图9、FDM原理图喷头是实现FDM工艺的关键部件，喷头结构设计和控制方法是否合理，直接关系到成型过程能否顺利进行，并影响成型的质量，另一方面为了提高生产效率可以采用多喷头，美国3D公司推出的Actua2100,其喷头数多达96个。在成型有支撑制件时单喷头和双喷头的比较：成型材料支撑材料单喷头双喷头密实疏松水溶性或低熔点材料溶于水或加热剥离目前，FDM系统采用柱塞式喷头（如图10）和螺杆式挤出喷头（如图11）。图10、柱塞式喷头图11、螺杆式喷头FDM的优点：(1)由于热融挤压头系统构造原理和操作简单，维护成本低，系统运行安全；(2)原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小；(3)原材料利用率高，且材料寿命长。FDM的缺点：(1)成型件的表面有较明显的条纹；(2)沿成型轴垂直方向的强度比较弱；(3)需要设计与制作支撑结构，如图12。图12、FDM快出成型支撑结构图三、快速成型技术的应用快速成型技术的最初应用主要集中在产品开发中的设计评价、功能试验上。设计人员根据快速成型得到的试件原型对产品的设计方案进行试验分析、性能评价,借此缩短产品的开发周期、降低设计费用。经过十几来的发展,快速成型技术早已突破了其最初意义上的“原型”概念,向着快速零件、快速工具等方向发展。目前RP技术已得到了工业界的普遍关注,尤其在家用电器、汽车、玩具、轻工业产品、建筑模型、医疗器械及人造器官模型、航天器、军事装备、考古、工业制造、雕刻、电影制作以及从事CAD的部门都得到了良好的应用.其用途主要体现在以下6个方面。1、新产品研制开发阶段的试验验证2、新产品投放市场前的调研和宣传3、基于快速成型技术的快速制模（RT）技术由于RP方法对使用材料的限制，并不能够完全替代最终的产品。在新产品功能检验、投放市场试运行和准确获得用户使用后的反馈信息等方面，仍需要由实际材料制造的产品。因此，需要利用RP原型作母模来翻制模具，这便产生了基于RP的快速模具制造技术（RT）。RP+RT技术提供了一条从模具的CAD模型直接制造模具的新概念和方法。它将模具的概念设计和加工工艺集成在一个CAD／CAM系统内，并行工程的应用，为信息流的畅通流动创造了良好的条件。RT方法的分类：按功能用途可分为：塑料模、铸(型)模、冲压模、锻造模及石墨电极研磨母模。按制模材料可分为简易模(也称作软模、经济模或非钢制模)和钢制硬模。根据不同的制模工艺方法，快速模具可分直接快速模具和间接快速模具。直接快速模具，亦即快速成型模具，以快速成型件直接作为成形模具。间接快速模具，亦即型腔复制模具，以快速成型件为母模，通过型腔复制制作模具，包括硅橡胶复制、金属冷喷涂、精密铸造、树脂材料型腔复制等。目前，基于RP的RT的方法多为间接制模法，依据材质不同，间接制模法生产出来的模具一般分为软质模具和硬质模具两大类。软质模具制造方法主要有树脂浇注法、金属喷涂法、电镀法、硅橡胶浇铸法等。（1）硅橡胶浇注法制作过程为：原型的表面处理涂刷脱模剂，固定原型并放置型框硅橡胶计量、真空脱泡后进行混合浇注硅橡胶混合体硅橡胶固化后，刀剖开模，取出原型以艺术品宝塔为原型制作硅橡胶模的过程：宝塔的三维模型模型分层处理宝塔实物模型制作型框并固定原型硅橡胶的浇注硅橡胶的固化拆除型框原型去除修模（2）树脂浇注法硅橡胶模具仅适用于制品数量较少的生产，若制品数量较大时，可用快速原型翻制环氧树脂模具。该方法是将液态的环氧树脂与有机或无机材料复合作为基体材料，以原型为母模浇注模具的一种制模方法。其工艺过程为：①采用技术制作原型；②将原型进行表面处理并涂刷脱模剂；③设计制作模框；④选择和设计分型面；⑤浇注树脂；⑥开模并取出原型。用树脂浇注法快速制作模具，工艺简单、成本低廉。树脂型模具传热性能好、强度高且型面不需加工，适用于注塑模、薄板拉伸模、吸塑模及聚氨酯发泡成形模等。（3）金属喷涂法金属喷涂法是以原型作基体样模，将低熔点金属或合金喷涂到样模表面上形成金属薄壳，然后背衬充填复合材料而制作模具的方法。金属喷涂法工艺简单、周期短，型腔及其表面精细花纹可一次同时成形。模具耐磨性能好、尺寸精度高。制作过程中要注意的是解决好涂层与原型表面的贴合和脱离问题。（4）电成形制模法电成形制模法又称电铸制模法。其原理和制造过程与金属喷涂法比较类似，又称电铸制模法。它是采用电化学原理，通过电解液使金属沉积在原型表面，然后背衬其他充填材料来制作模具的方法。电成形法制作的模具复制性好且尺寸精度高，适合于精度要求较高、形态均匀一致和形状、花纹不规则的型腔模具，如人物造型模具、儿童玩具和鞋模等。软质模具的寿命一般为50-5000件，对于上万件乃至几十万件的产品，仍然需要传统的钢质模具，硬质模具指的就是钢质模具，利用RP成型制作钢质模具的主要方法有熔模铸造法、电火花加工法、陶瓷型精密铸造法等。4、新材料的研究在开发RP加工方法的过程中，需要使用一些特殊的材料，甚至是开发出适用于此方法的新材料，所以在研究RP加工方法的过程中也研制了新的材料。同时对于新研究的材料，RP技术提供了检验此材料和其制品性能的一种方法。5、修复医学上的应用快速成型技术在修复医学上的应用主要集中在人工假体、人工活性骨等方面。比如应用快速成型制作出假体的原型,而后翻制金属假体，植入人体,取代受伤的器官而达到康复的目的。快速成型系统能够制作出多孔性结构,首先使用可降解材料制成内部多孔疏松的代用骨,疏松孔中填以活性因子,置入人体,即可代替人体骨骼,经过一段时间可降解材料被人体降解、吸收、钙化形成新骨。6、小批量和特殊复杂零件的直接生产对于复杂的或小批量生产的塑料、陶瓷、金属及其复合材料的零部件,SLS方法可以直接快速成型。零件的直接快速成型对航空、航天及国防工业有非常重要的应用价值。四、快速成型技术中的问题从结构上来说,快速成型技术可分为硬件、软件、材料以及成型工艺四大组成部分。在RP技术中的问题也是与这四个组成部分相关。1、硬件方面RP设备昂贵的价格严重制约了RP技术的推广和应用,尤其是对于那些资金实力不太雄厚的中小型企业。这就使得各RP设备的供应商和研究机构将开发低成本的快速成型设备作为主要目标加以研究。2、软件方面在RP技术