第4章 快速成型技术概述

•1）光固化成型(Stereo Lithography Apparatus,简称SLA)： •以光敏树脂为原料，采用计算机控制下的紫外激光束以原型各
分层截面轮廓为轨迹进行逐点扫描，使被扫描区内的树脂薄层产
生光聚合反应后固化，从而形成制件的一个薄层截面。 •一层固化完毕后，向下移动工作台，在刚刚固化的树脂表面布
•4）熔融沉积制造(Fused Deposition Modeling，简称FDM)： 采用热熔喷头，使半流动状态的材料流体按模型分层数据控
制的路径挤压出来，并在指定的位置沉积、凝固成型，这样逐层
沉积、凝固后形成整个原型。
• 5）三维打印(Three Dimensional Printing，简称3DP)：
三维打印原理类似于喷墨打印机原理，首先铺粉，利用喷嘴 按指定路径将液态粘结剂喷在粉层上的特定区域，粘结后去除多
余的材料便得到所需的原型或零件。也可以直接逐层喷涂陶瓷或
其他材料粉浆，硬化后即得到所需的原型或零件。
4.3 快速成型技术的应用
•目前，就RP技术的发展水平而言，在国内主要是应用于新产品
（包括产品的更新换代）开发的设计验证和模拟样品的试制上， •即完成从产品的概念设计（或改型设计）- 造型设计 - 结构设 计 - 基本功能评估 - 模拟样件试制这段开发过程。但实际上， 快速成型技术 •应用的领域几乎包括了制造领域的所有行业，以及医疗、人体 工程、文物保护等领域。
4.3.2.2 间接快速模具制造 快速模具间接制造就是以快速原型作为母模，然后转用其 他工艺在快速原型的基础上复制出所要求的模具。实际上该 工艺的实践基础在模具行业中早就存在，即以母模或者样件 通过各种方法如铸造、喷涂和电铸等制造相应的模具，因此 技术开发和应用都很实用。 尽管直接快速制模法的工序少，但是模具精度和性能很 难满足要求，而间接制造方法是快速原型和传统成型工艺的 结合，可以根据模具的应用要求选择不同复杂程度和成本的 配合工艺，模具的精度、表面质量、材质要求和力学性能等 更接近实际应用情况，因此目前工业界多使用快速模具间接 制造方法。
而传统的快速模具(例如中低熔点合金模具、电铸模、喷涂 模具等) 因其工艺粗糙、精度低、寿命短,很难完全满足用
4.3.2 快速成型在模具制造中的应用
快速模具制造(RT)技术是用快速成型技术及相应的后续加工来 快速制作模具的技术。
应用快速模具制造技术制造模具,在最终生产模具开模之前进 行新产品试制与小批量生产,可以大大提高产品开发的一次成功 率, 制造周期仅为原来的1/3～1/10,生产成本仅为原来的1/3～ 1/5,这些优点使RT技术具有很好的发展条件。 由于市场需求旺盛,许多公司都研制出RT 新工艺、新设备,并 且取得了良好的经济效益。由于这些技术中高新技术的含量高, 并且涉及许多科技领域,解决了以前难以解决甚至认为是不可能 解决的技术难题,所以得到了广泛的关注。 快速模具制造技术在快速成型技术领域中,发展最迅速,产值增
粉末成型法

粉末成型法中最具代表性的是美国3DSystems公司开 发的3DKeltool工艺。
原材料是液态的，利用光能或热能使特殊的液态聚合物固 2）粉末烧结与粘结：
原材料是固态粉末，通过激光烧结或用粘结剂把材料粉末粘
3）丝材、线材熔化粘结：
原材料为丝材或线材，通过升温使其熔化并按指定的路线堆
4）膜、板材层合： 原材料是固态的板材或膜，通过粘结把各片薄层板粘结在一
2. 按制造工艺原理分类
• (3)从技术发展角度看，计算机科学、CAD技术、材料科学、 激光技术的发展和普及为新的制造技术的产生奠定了技术 物质基础。
4.1 快速成型技术的原理
•快速成型又称快速原型。 •原型是被仿制或研制的第一个模型或最原始的模型。 •要求原型尽可能与样品相像，能精确的再现样品的形状。
RP技术基本原理
光束或其他方法将材料逐层堆积而形成原型或零件。
4.1.2
快速成型过程
1)产品CAD实体模型的构建。 2)三维模型的分层处理。
3)层层制造，堆积成型。
4)后处理。
图4-1
快速成型的过程
1) 产品CAD实体模型的构建。
•由于RP系统是由三维CAD模型直接驱动，因此首先要构建成型产
品的三维CAD模型。 •三维CAD模型可以利用计算机辅助设计软件(如Pro/E，I DEAS， Solid Works，UG等)直接构建；也可以将已有产品的二维图样进 行转换而形成三维模型；或对产品实体进行激光扫描、CT断层扫 描，得到点云数据，然后利用逆向工程的方法来构造三维模型。 •由于目前快速成型软件接受的数据文件一般为STL格式，所以必 须对三维模型进行近似处理，用一系列的小三角形平面逼近原来 的模型。一般的CAD软件都带有转换和输出STL格式文件的功能。
薄层物体叠加技术 薄层物体叠加（LOM）工艺是用加热辊和激光束对背 面涂有热熔胶的薄片材料（纸、塑料、金属等）进行逐层 粘结和切割，以形成模具的各层截面轮廓，最终制成模具。 由于金属片的粘结温度和环境温度难以协调和控制，金属 片经过加热、粘结和冷却很容易发生扭曲，模具成型质量 不是很高。 三维打印技术 三维打印（3DP）工艺利用粘结剂喷头有选择地喷涂 粘结剂，使金属粉末如不锈钢、碳化钨等粘结成截面轮廓， 一层层粘结形成三维形状，这种低密度的成形件在经过高 温烧结和渗铜处理，便可得到致密度达到92%以上的金属 实体，对其表面进行抛光打磨处理后就可作模具使用。
4)成型的快速性。
5)成型过程中信息过程和材料过程的一体化，尤其适合成型
材料为非均质并具有功能梯度或有孔隙要求的原型。
6)技术的高度集成性。
4.2 快速成型制造工艺的分类
1.按制造工艺所使用的材料的状态、性能特征分类
2.按制造工艺原理分类
1. 按制造工艺所使用的材料的状态、性能特征分类
1）液态聚合、固化：
激光粉末熔覆近净成型技术
是一种基于激光熔覆技术的快速金属零件和模具制造工艺， 成型零件组织致密，具有明显的快速熔凝特征，力学性能 高，并可实现非均质和梯度材料零件和模具的制造。不过， 由于热应力的影响和缺乏支撑材料，制造的模具在表面粗 糙度值和尺寸精度方面尚不能满足大部分模具的要求，限
制了LENS工艺在模具制造领域的应用。
3）选择性激光烧结(Slected Laser Sintering，简称SLS)： 按照计算机输出的原型或零件分层轮廓，采用激光束按指定路
径在选择区域内扫描并熔融工作台上很薄、且均匀铺层的材料粉
末。处于扫描区域内的粉末颗粒被激光束熔融后，形成一层烧结 层。各层全部烧结后去掉多余的粉末即获得原型或零件。
术的优越性。
2)快速成型产品单价与原型的复杂程度和原型的制造数量均 无关，如图4-2所示。
2)快速成型产品单价与原型的复杂程度和原型的制造数量均无关， 如图4-2所示。
图4-2 快速成型与传统制造方法的产品单价比较
3)高度的柔性。 成型过程无需专用的工具或夹具即可以完成任意复杂形 状的三维实体的制造，通过对CAD模型的修改重组就可获 得新零件的设计和加工信息。

快速模具直接制造的工艺还有激光选区熔化（SLM）、
电子束选区熔化（EBM）、电子束自由制造（EBF）等， 这些工艺都是利用高能量使粉末材料选择性熔化而形成金 属零件的。 Stanford大学开发的形状沉积制造（SDM）快速成型工 艺，结合了材料增长和材料去除2种成型方法。首先微滴 金属液根据CAD模型的二维层片信息沉积为实体层片，然 后通过数控加工形成精确尺寸和形状的层片，每一层的制 作过程都是一个结合微型铸造和数控加工的工艺，在快速 制造大型模具方面有很广阔的发展前景。
2、 三维模型的分层处理
根据被加工模型的特征选择合适的成型方向，在成型 高度方向上用一系列一定间隔的平面切割模型，以便提取 截面的轮廓信息。 间隔一般取0.05-0.5mm。 间隔越小，成型精度越高，但成型时间越长，效率越低； 反之则成型精度降低，但效率提高。
3) 层层制造，堆积成型。
•根据切片处理的截面轮廓，在计算机控制下，相应的成型头(激 光头或喷头)按各截面轮廓信息作扫描运动，在工作台上一层一
工艺过程更易控制，直接制造金属模具成为最被看好的先进技术， 是快速模具制造技术所追求的目标。
快速模具直接制造最成功的快速成型工艺是激光选区烧结技 术（SLS）。 工艺过程为：高能量激光选择性地将粉末烧结为层片，逐层 烧结后，将未烧结的松散粉末除去，然后经过高温烧结及渗 铜后即可作为模具使用。该方法在小型注射模和吹塑模上已 得到成功应用。 直接金属激光烧结工艺是德国EOS公司基于SLS工艺开发的一 种新型模具直接制造技术，不用中间粘结剂而直接烧结金属 粉末，所制造出的模具密度接近纯金属。DMLS模具不必再进 行后期的高温烧结和渗铜，但需在表面渗入一层高温环氧树 脂，目前模具的精度能达到0.05mm，用于注射模能注射出高 达1.5万件的塑件，用于压铸模可以铸造几百件金属零件。
层地堆积材料，然后将各层粘结，最终得到原型产品。
4) 后处理。
•从成型系统里取出成型件，进行剥离、后固化、修补、打磨、 抛光、涂挂等处理，降低其表面粗糙度，提高强度等。
4.1.3 快速成型技术的特点
1)可以制造任意复杂的三维几何实体。 RP技术采用离散/堆积成型的原理，将十分复杂的三维制造过
程简化为二维制造过程的叠加,越是复杂的零件越能显示RP技
逆向工程与快速成型技术应用
第4章 快速成型技术概述
RP 技术产生背景
• (1)随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈， 产品的开发速度日益成为主要矛盾。在这种情况下，自主 快速产品开发(快速设计和快速工模具)的能力(周期和成 本)成为制造业全球竞争的实力基础。
• (2)制造业为满足日益变化的用户需求，要求制造技术有 较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产而不增加产品 的成本。因此，产品的开发速度和制造技术的柔性就十分 关键。
4.3.2.1 直接快速模具制造
直接快速模具制造是利用不同类型的快速成型技术直接制造 出模具本身，然后进行一些必要的后处理和机加工以获得模具所 要求的力学性能、尺寸精度和表面粗糙度。直接快速模具制造方
法可制造出树脂模、陶瓷模、金属模等模具。
快速模具直接制造是由CAD模型驱动直接由快速成型机分层 堆积形成所需要的模具。由于工艺流程短，模具成型更加快捷，
图4-6 车灯快速成型样件性能测试
2. 结构设计验证与装配干涉校验
图4-7 汽车前保险杠
4.3.2 快速成型在模具制造中的应用
传统模具制造的方法很多,如数控铣削加工、成形磨削、电
火花加工、线切割加工、铸造模具、电解加工、电铸加工、
压力加工和照相腐蚀等。由于这些工艺复杂、加工周期长、 费用高而影响了新产品对于市场的响应速度。
4.3.1 快速成型在新产品研发中的应用
1.概念模型的可视化、设计评价 2.结构设计验证与装配干涉校验
3.性能和功能测试
1. 概念模型的可视化、设计评价
图4-3 快速成型样件
2. 结构设计验证与装配干涉校验
图4-4 吸ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ器外壳
2. 结构设计验证与装配干涉校验
图4-5 棘轮棘爪原型
2. 结构设计验证与装配干涉校验
• 快速成形技术是在计算机控制下，基于离散、堆积的原理
采用不同方法堆积材料，最终完成零件的成形与制造的技
术。从成形角度看，零件可视为“点”或“面”的叠加。 从CAD电子模型中离散得到“点”或“面”的几何信息，
再与成形工艺参数信息结合，控制材料有规律、精确地由
点到面，由面到体地堆积零件。从制造角度看，它根据 CAD造型生成零件三维几何信息，控制多维系统，通过激
放一层新的光敏树脂以便进行循环扫描、固化。新固化的一层牢
固地粘结在前一层上，如此重复堆积成整个原型。
2）分层实体制造(Laminated Object Manufacturing，简称 LOM)： 采用激光器和加热辊，按照分层模型所获得的数据，用激光束 将单面涂有热熔胶的纸片、塑料带、金属带或其他材料的箔带切 割成欲制样品的内外轮廓，再通过加热使刚刚切好的一层和下面 的已切割层粘结在一起。这样通过逐层反复的切割、粘合，最终