快速成型的技术

快速成型技术目录•第一节快速成型简介•第二节典型快速成型工艺比较•第三节PCM快速成型工艺•第四节3DP快速成型工艺•第五节LOM快速成型工艺•第六节SLS快速成型工艺•第七节SL快速成型工艺•第八节FDM、MEM快速成型工艺•第九节CAD造型软件输出STL文件方法第一节•快速成型(RapidPrototyping)：•快速成形技术（简称RP）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，其基本过程是：首先设计出所需零件的计算机三维模型（数字模型、CAD模型），然后根据工艺要求，按照一定的规律将该模型离散为一系列有序的单元，通常在Z向将其按一定厚度进行离散（习惯称为分层），把原来的三维CAD模型变成一系列的层片；再根据每个层片的轮廓信息，输入加工参数，自动生成数控代码；最后由成形系统成形一系列层片并自动将它们联接起来，得到一个三维物理实体。快速成型(RapidPrototyping)•快速成型技术的特点：•与传统材料加工技术相比,快速成型具有鲜明的特点：•1．数字化制造。•2．高度柔性和适应性。可以制造任意复杂形状的零件。•3．直接CAD模型驱动。如同使用打印机一样方便快捷。•4．快速。从CAD设计到原型(或零件)加工完毕，只需几十分钟至几十小时。•5．材料类型丰富多样，包括树脂、纸、工程蜡、工程塑料（ABS等）、陶瓷粉、金属粉、砂等，可以在航空，机械，家电，建筑，医疗等各个领域应用。•主要工艺：•RP技术结合了众多当代高新技术：计算机辅助设计、数控技术、激光技术、材料技术等，并将随着技术的更新而不断发展。自1986年出现至今，短短十几年，世界上已有大约二十多种不同的成形方法和工艺，而且新方法和工艺不断地出现。目前已出现的RP技术的主要工艺有：•1．SL工艺：光固化/立体光刻•2．FDM工艺：熔融沉积成形•3．SLS工艺：选择性激光烧结•4．LOM工艺：分层实体制造•5．3DP工艺：三维印刷•6．PCM工艺：无木模铸造第二节PCM快速成型工艺•无模铸型制造技术（PCM）－制作大型铸件的快速成型工艺•无模铸型制造技术（PCM，PatternlessCastingManufacturing）是由清华大学激光快速成形中心开发研制。该将快速成形技术应用到传统的树脂砂铸造工艺中来。首先从零件CAD模型得到铸型CAD模型。由铸型CAD模型的STL文件分层，得到截面轮廓信息，再以层面信息产生控制信息。造型时，第一个喷头在每层铺好的型砂上由计算机控制精确地喷射粘接剂，第二个喷头再沿同样的路径喷射催化剂，两者发生胶联反应，一层层固化型砂而堆积成形。粘接剂和催化剂共同作用的地方型砂被固化在一起，其他地方型砂仍为颗粒态。固化完一层后再粘接下一层，所有的层粘接完之后就得到一个空间实体。原砂在粘接剂没有喷射的地方仍是干砂，比较容易清除。清理出中间未固化的干砂就可以得到一个有一定壁厚的铸型，在砂型的内表面涂敷或浸渍涂料之后就可用于浇注金属。•和传统铸型制造技术相比，无模铸型制造技术具有无可比拟的优越性，它不仅使铸造过程高度自动化、敏捷化，降低工人劳动强度，而且在技术上突破了传统工艺的许多障碍，使设计、制造的约束条件大大减少。具体表现在以下方面：制造时间短、制造成本低、无需木模、一体化造型，型、芯同时成形、无拔模斜度、可制造含自由曲面（曲线）的铸型。•在国内外，也有其它一些将RP技术引入到砂型或陶瓷型铸造中来的类似工艺。其中较为典型的有：MIT开发研制的3DP（ThreeDimensionalPrinting）工艺、德国Generis公司的砂型制造工艺等。美国Sloigen公司的DSPC（DirectShellProductionCasting）工•3DP快速成型工艺•三维印刷(3DP)－－高速多彩的快速成型工艺•三维印刷(3DP)工艺是美国麻省理工学院EmanualSachs等人研制的。E.M.Sachs于1989年申请了3DP（Three-DimensionalPrinting）专利，该专利是非成形材料微滴喷射成形范畴的核心专利之一。3DP工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接剂粘接的零件强度较低，还须后处理。具体工艺过程如下：上一层粘结完毕后，成型缸下降一个距离（等于层厚：0.013～0.1mm）,供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实。喷头在计算机控制下，按下一建造截面的成形数据有选择地喷射粘结剂建造层面。铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维粉体的粘结。未被喷射粘结剂的地方为干粉，在成形过程中起支撑作用，且成形结束后，比较容易去除。•该工艺的特点是成形速度快，成形材料价格低，适合做桌面型的快速成形设备。并且可以在粘结剂中添加颜料，可以制作彩色原型，这是该工艺最具竞争力的特点之一，有限元分析模型和多部件装配体非常适合用该工艺制造。缺点是成形件的强度较低，只能做概念型使用，而不能做功能性试验。•三维印刷(3DP)－－高速多彩的快速成型工艺•三维印刷(3DP)工艺是美国麻省理工学院EmanualSachs等人研制的。E.M.Sachs于1989年申请了3DP（Three-DimensionalPrinting）专利，该专利是非成形材料微滴喷射成形范畴的核心专利之一。3DP工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接剂粘接的零件强度较低，还须后处理。具体工艺过程如下：上一层粘结完毕后，成型缸下降一个距离（等于层厚：0.013～0.1mm）,供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实。喷头在计算机控制下，按下一建造截面的成形数据有选择地喷射粘结剂建造层面。铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维粉体的粘结。未被喷射粘结剂的地方为干粉，在成形过程中起支撑作用，且成形结束后，比较容易去除。•LOM快速成型工艺•分层实体制造(LOM)－没落的快速成型工艺•LOM工艺称为分层实体制造，由美国Helisys公司的MichaelFeygin于1986年研制成功。该公司已推出LOM-1050和LOM-2030两种型号成形机。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，热压辊热压片材，使之与下面已成形的工件粘接；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域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粘接、切割完，得到分层制造的实体零件。•LOM工艺只须在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。因此成形厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件。零件的精度较高（0.15mm）。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，所有LOM工艺无需加支撑。•研究LOM工艺的公司除了Helisys公司，还有日本Kira公司、瑞典Sparx公司、新加坡Kinergy精技私人有限公司、清华大学、华中理工大学等。但因为LOM工艺材料仅限于纸，性能一直没有提高，以逐渐走入没落，大部分厂家已经或准备放弃该工艺•SLS快速成型工艺•选择性激光烧结(SLS)－－材料广泛的快速成型工艺•SLS工艺又称为选择性激光烧结，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。SLS工艺是利用粉末状材料成形的。将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面。•SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛，如尼龙、蜡、ABS、树脂裹覆砂（覆膜砂）、聚碳酸脂（polycarbonates）、金属和陶瓷粉末等都可以作为烧结对象。粉床上未被烧结部分成为烧结部分的支撑结构，因而无需考虑支撑系统（硬件和软件）。SLS工艺与铸造工艺的关系极为密切，如烧结的陶瓷型可作为铸造之型壳、型芯，蜡型可做蜡模，热塑性材料烧结的模型可做消失模。SL快速成型工艺•立体光刻(SL)----高精度的快速成型工艺•SL工艺，由CharlesHull于1984年获美国专利。1986年美国3DSystems公司推出商品化样机SLA—1，这是世界上第一台快速原形系统。SLA系列成形机占据着RP设备市场的较大份额。SL工艺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（325或355nm）和强度(w=10～400mw)的紫外光的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。液槽中盛满液态光固化树脂，激光束在偏转镜作用下,能在液态表面上扫描,扫描的轨迹及激光的有无均由计算机控制,光点扫描到的地方,液体就固化。成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度，液面始终处于激光的焦平面，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮平器将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕,得到一个三维实体模型。•SL方法是目前RP技术领域中研究得最多的方法，也是技术上最为成熟的方法。一般层厚在0.1到0.15mm，成形的零件精度较高。多年的研究改进了截面扫描方式和树脂成形性能，使该工艺的加工精度能达到0.1mm，现在最高精度已能达到0.05mm。但这种方法也有自身的局限性，比如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂有一定的毒性等。FDM.MEM快速成型工艺•熔融挤出成型--高性能的快速成型工艺•熔融挤出成型(FDM)工艺的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、PC、尼龙等，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，材料迅速固化，并与周围的材料粘结。每一个层片都是在上一层上堆积而成，上一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当形状发生较大的变化时，上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用，这就需要设计一些辅助结构－“支撑”，对后续层提供定位和支撑，以保证成形过程的顺利实现。••这种工艺不用激光，使用、维护简单，成本较低。用蜡成形的零件原型，可以直接用于失蜡铸造。用ABS制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。近年来又开发出PC，PC/ABS，PPSF等更高强度的成形材料，使得该工艺有可能直接制造功能性零件。由于这种工艺具有一些显著优点，该工艺发展极为迅速，目前FDM系统在全球已安装快速成形系统中的份额大约为30％•适于三维打印机的特点•不使用激光，维护简单，成本低：价格是成型工艺是否适于三维打印的一个重要因素。多用于概念设计的三维打印机对原型精度和物理化学特性要求不高，便宜的价格是其能否推广开来的决定性因素。•塑料丝材，清洁，更换容易：与其他使用粉末和液态材料的工艺相比，丝材更加清洁，易于更换、保存，不会在设备中或附近形成粉末或液体污染。•后处理简单：仅需要几分钟到一刻钟的时间剥离支撑后，原型即可使用。而现在应用较多的SL，SLS，3DP等工艺均存在清理残余液体和粉末的步骤，并且需要进行后固化处理，需要额外的辅助设备。这些额外的后处理工序