快速成型技术及其应用简介

快速成形制造的发展•快速成形制造又称为快速原型制造（Rapid•PrototypeManufacturing，RPM）。诞生于20世纪80年代，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。•20世纪80年代后期，RPM技术在美国首先产生并商品化。•从那时起，RPM以离散堆积原理为基础和特征，即它首先将零件的电子模型软件离散化，成为“层状”的离散面、离散线和离散点，而后采用多种手段，将这些离散的面、线段和点按层堆积形成零件的整体形状。RPM工艺过程无需专用工具，工艺规划步骤简单，所以制造速度比传统方法简单得多。快速成形制造的发展•它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，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，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。•运用RPM技术能自动、快速、精确地将设计思想转变成一定功能的产品原型或直制造零件，对缩短产品开发周期、减少开发费用、提高企业参与市场竞争具有重要意义。快速成形的基本原理RAM流程图快速成形的基本原理CAD建模分层切片层面信息处理层面加工与粘接层层堆积后处理基本原理由CAD软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体模型将三维模型沿一定方向离散成一系列有序的二维层片根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代码成形机制造一系列层片并自动将它们联接起来，得到三维物理实体清理零件表面，去除辅助支撑结构快速成形的基本工艺过程CAD建模STL转换生成片层NC代码实体加工零件原型后处理切片处理前处理快速成型系统工作后处理用Pro/E设计的零件模型典型快速原型制造工艺光固化成型法（StereoLithographyApparatus--SLA）叠层实体制造法（LaminatedObjectManufacturing--LOM）选择性激光烧结法（SelectedLaserSintering---SLS）熔融沉积制造法（FusedDepositionModeling--FDM）三维打印（Three-DimensionalPrinting---3D-P）固基光敏液相法（SolidGroundCuring---SGC）图1光固化快速成型工艺原理液槽中盛满液态光敏树脂，氦－镉激光器或氩离子激光器发出的紫外激光束在控制系统的控制下按零件的各分层截面信息在光敏树脂表面进行逐点扫描，使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。一层固化完毕后，工作台下移一个层厚的距离，以使在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后进行下一层的扫描加工，新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复直至整个零件制造完毕，得到一个三维实体原型。一、光固化成型法1.SLA原理因为树脂材料的高粘性，在每层固化之后，液面很难在短时间内迅速流平，这将会影响实体的精度。采用刮板刮切后，所需数量的树脂便会被十分均匀地凃敷在上一叠层上，这样经过激光固化后可以得到较好的精度，使产品表面更加光滑和平整。图2光固化成型制造过程中残留的多余树脂优点：成型过程自动化程度高SLA系统非常稳定，加工开始后，成型过程可以完全自动化，直至原型制作完成。尺寸精度高SLA原型的尺寸精度可以达到±0.1mm。优良的表面质量虽然在每层固化时侧面及曲面可能出现台阶，但上表面仍可得到玻璃状的效果。可以制作结构十分复杂的模型、尺寸比较精细的模型可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失型制作的原型可以一定程度地替代塑料件2.光固化成型技术的特点缺点：制件易变形成型过程中材料发生物理和化学变化较脆，易断裂性能尚不如常用的工业塑料设备运转及维护成本较高液态树脂材料和激光器的价格较高使用的材料较少目前可用的材料主要为感光性的液态树脂材料液态树脂有气味和毒性，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需要二次固化经快速成型系统光固化后的原型树脂并未完全被激光固化。3.1光固化快速成型材料（1）光固化材料优点及分类光固化材料是一种既古老又崭新的材料，与一般固化材料比较，光固化材料具有下列优点：（1）固化快可在几秒钟内固化，可应用于要求立刻固化的场合。（2）不需要加热这一点对于某些不能耐热的塑料、光学、电子零件来说十分有用。（3）可配成无溶剂产品使用溶剂会涉及到许多环境问题和审批手续问题，因此每个工业部门都力图减少使用溶剂。（4）节省能量。各种光源的效率都高于烘箱。（5）可使用单组分，无配置问题，使用周期长。（6）可以实现自动化操作及固化，提高生产的自动化程度，从而提高生产效率和经济效益。3.光固化快速成型材料及设备用于光固化快速成型的材料为液态光固化树脂，或称液态光敏树脂。光固化树脂材料中主要包括齐聚物、反应性稀释剂及光引发剂。根据光引发剂的引发机理，光固化树脂可以分为三类：自由基光固化树脂、阳离子光固化树脂、混杂型光固化树脂。(1)自由基光固化树脂主要有三类：①环氧树脂丙烯酸酯：该类材料聚合快、原型强度高但脆性大且易泛黄；②聚酯丙烯酸酯，该类材料流平性较好，固化质量也较好，成型制件的性能可调范围较大；③聚氨酯丙烯酸酯，该类材料生成的原型柔顺性和耐磨性好，但聚合速度慢。(2)阳离子光固化树脂主要成分为环氧化合物。用于光固化工艺的阳离子型齐聚物和活性稀释剂通常为环氧树脂和乙烯基醚。环氧树脂是最常用的阳离子型齐聚物，其优点如下：1）固化收缩小，预聚物环氧树脂的固化收缩率为2%~3%，而自由基光固化树脂的预聚物丙烯酸酯的固化收缩率为5%~7%。2）产品精度高。3）阳离子聚合物是活性聚合，在光熄灭后可继续引发聚合。4）氧气对自由基聚合有阻聚作用，而对阳离子树脂则无影响。5）粘度低。6）生坯件强度高。7）产品可以直接用于注塑模具。(3)混杂型光固化树脂目前的趋势是使用混杂型光固化树脂。其优点主要有：1）环状聚合物进行阳离子开环聚合时，体积收缩很小甚至产生膨胀，而自由基体系总有明显的收缩。混杂型体系可以设计成无收缩的聚合物。2）当系统中有碱性杂质时，阳离子聚合的诱导期较长，而自由基聚合的诱导期较短，混杂型体系可以提供诱导期短而聚合速度稳定的聚合系统。3）在光照消失后阳离子仍可引发聚合，故混杂体系能克服光照消失后自由基迅速失活而使聚合终结的缺点。3.2光敏树脂的组成及其光固化特性分析（1）光敏树脂用于光固化快速成型的材料为液态光敏树脂，主要由齐聚物、光引发剂、稀释剂组成。齐聚物是光敏树脂的主体，是一种含有不饱和官能团的基料，它的末端有可以聚合的活性基团，一旦有了活性种，就可以继续聚合长大，一经聚合，分子量上升极快，很快就可成为固体。光引发剂是激发光敏树脂交联反应的特殊基团，当受到特定波长的光子作用时，会变成具有高度活性的自由基团，作用于基料的高分子聚合物，使其产生交联反应，由原来的线状聚合物变为网状聚合物，从而呈现为固态。光引发剂的性能决定了光敏树脂的固化程度和固化速度。3.3光固化快速成型设备20世纪70年代末到80年代初期，美国3M公司的AlanJ.Hebert(1978)、日本的小玉秀男(1980)、美国UVP公司的CharlesW.Hull(1982)和日本的丸谷洋二(1983)，在不同的地点各自独立地提出了RP的概念，即利用连续层的选区固化产生三维实体的新思想。CharlesHull在UVP的继续支持下，完成了一个能自动建造零件的称之为SLA-1的完整系统。同年，CharlesHull和UVP的股东们一起建立了3DSystems公司，并于1988年首次推出SLA-250机型。图33DSystems公司的SLA-250机型光固化快速原型的制作一般可以分为前处理、原型制作和后处理三个阶段。4.1前处理前处理阶段主要是对原型的CAD模型进行数据转换、摆放方位确定、施加支撑和切片分层，实际上就是为原型的制作准备数据。下面以某一小扳手的制作来介绍光固化原型制作的前处理过程。4.光固化成型工艺的工艺过程（1）CAD三维造型三维实体造型是CAD模型的最好表示，也是快速原型制作必须的原始数据源。没有CAD三维数字模型，就无法驱动模型的快速原型制作。CAD模型的三维造型可以在UG、Pro/E、Catia等大型CAD软件以及许多小型的CAD软件上实现，图2-14a给出的是小扳手在UGNX2.0上的三维造型。a)CAD三维原始模型（2）数据转换数据转换是对产品CAD模型的近似处理，主要是生成STL格式的数据文件。STL数据处理实际上就是采用若干小三角形片来逼近模型的外表面，如图2-14b所示。这一阶段需要注意的是STL文件生成的精度控制。目前，通用的CAD三维设计软件系统都有STL数据的输出。b)CAD模型的STL数据模型（3）确定摆放方位摆放方位的处理是十分重要的，不但影响着制作时间和效率，更影响着后续支撑的施加以及原型的表面质量等，因此，摆放方位的确定需要综合考虑上述各种因素。一般情况下，从缩短原型制作时间和提高制作效率来看，应该选择尺寸最小的方向作为叠层方向。但是，有时为了提高原型制作质量以及提高某些关键尺寸和形状的精度，需要将最大的尺寸方向作为叠层方向摆放。有时为了减少支撑量，以节省材料及方便后处理，也经常采用倾斜摆放。确定摆放方位以及后续的施加支撑和切片处理等都是在分层软件系统上实现。对于上述的小扳手，由于其尺寸较小，为了保证轴部外径尺寸以及轴部内孔尺寸的精度，选择直立摆放。（4）施加支撑摆放方位确定后，便可以进行支撑的施加了。施加支撑是光固化快速原型制作前处理阶段的重要工作。对于结构复杂的数据模型，支撑的施加是费时而精细的。支撑施加的好坏直接影响着原型制作的成功与否及制作的质量。支撑施加可以手工进行，也可以软件自动实现。软件自动实现的支撑施加一般都要经过人工的核查，进行必要的修改和删减。为了便于在后续处理中支撑的去除及获得优良的表面质量，目前，比较先进的支撑类型为点支撑，即在支撑与需要支撑的模型面是点接触。a)CAD三维原始模型b)CAD模型的STL数据模型光固化快速原型前处理c)模型的摆放方位d)模型施加支撑图4模型支撑工作台模型工作台（5）切片分层支撑施加完毕后，根据设备系统设定的分层厚度沿着高度方向进行切片，生成RP系统需求的SLC格式的层片数据文件，提供给光固化快速原型制作系统，进行原型制作。图6某手柄的光固化快速原型4.2原型制作光固化成型过程是在专用的光固化快速成型设备系统上进行。在原型制作前，需要提前启动光固化快速成型设备系统，使得树脂材料的温度达到预设的合理温度，激光器点燃后也需要一定的稳定时间。设备运转正常后，启动原型制作控制软件，读入前处理生成的层片数据文件。在模型制作之前，要注意调整工作台网板的零位与树脂液面的位置关系，以确保支撑与工作台网板的稳固连接。当一切准备就绪后，就可以启动叠层制作了。整个叠层的光固化过程都是在软件系统的控制下自动完成的，所有叠层制作完毕后，系统自动停止。图7SPS600光固化成型设备控制软件界面原型叠层制作结束后，工作台升出液面，停留5~10min，以晾干多余的树脂。将原型和工作台一起斜放晾干后浸入丙酮、酒精等清洗液体中，搅动并刷掉残留的气泡。持续45min左右后放入水池中清洗工作台约5min。124.3后处理从外向内从工作台上取下原型，并去除支撑结构。再次清洗后置于紫外烘箱中进行整体后固化。345.1光固化成型中树脂收缩变形树脂在固化过程中都会发生收缩，通常其体收缩率约为10%，线收缩率约为3%。树脂收缩主要有两部分组成：一部分是固化收缩，另外一部分是当激光扫描到液体树脂表面时由于温度变化引起的热胀冷缩。（1）零件成型过程中树脂收缩产生的变形（2）后固化时收缩产生的变形后固化收缩量占总收缩量的25%～40%左右。5光固化成型的精度及效率5.2光固化快速成型的精度光固化成型的精度一直是设备研制和用户制作原型过程中密切关注的问题与持续需要解决的难题。控制原型的翘曲