常用快速成型系统及其选择原则_史玉升

以加工时间稍长, 且其材料适用范围不广。 表 1 常用 RP 系统国内外的主要制造商 及其主要特性参数
成型 所用 工艺 材料
系统型号
成型空间 / mm
制造商
LOM - 1050Plus
LOM - 2030H
ZIPPY
ZIPPY
LOM
卷材 ZIPPY
SSM- 500
380 250 350 815 550 508 380 280 340 1180 730 550 750 500 450 500 400 400
金属、 EOSINT P-350 SLS 陶瓷 EOSINT S-700
340 340 590 720 380 400
及其 AFS-300 复合 AFS-320MZ
300 400 320 320 440
粉末 HRPS-III
400 400 500
H RPS- I
300 300 300
华中科技大学
DTM( 美国)
SLA 使用的是可光固化的液体材料, 当扫描器 在计算机的控制下将激光器的能量按分层信息传递 给成型液面后, 扫描区就发生聚合反应和固化, 完成 一层的加工。SLA 所用激光器的激光波长有限制, 一般采用 UV HeCd 激光器( 325nm) 和 UV Argon Ion 激光器( 351nm, 364nm) 。采用这种方法成型的零件 有较高的精度且表面光洁, 但可用材料的范围较窄。
表 1 列出了常用 RP 系统的制造商及其主要特 性参数。
LOM 的层面信息通过每一层的轮廓来表示, 激 光扫描器动作由这些轮廓信息控制, 它采用的材料 是具有厚度信息的片材。这种加工方法只需要加工 轮廓信息, 所以可以达到很高的加工速度。但材料 范围很窄, 每层厚度不可调整是其最大的缺点。
SLS 使用固体粉末材料, 该材料在激光的照射 下, 吸收能量, 发生熔融固化, 从而完成层信息的成 型。这种方法的材料适用范围很广, 特别是在金属 和陶瓷材料的成型方面有独特的优点。但是所成型 的零件精度和表面粗糙度较差, 有待于进一步的提 高。
SOUP II- 600GS 600 600 500
( 日本)
SOUP- 850PA 600 850 500
SOUP- 1000GS/ GA 1000 800 500
LPS- 250 LPS- 600 CPS- 250 CPS- 350 CPS- 500 FDM - 1650 FDM - 2000 塑料/ FDM - 8000 FDM 蜡丝 FDM - Quantum Genisys Xs
Helisys ( 美国)
K INEHale Waihona Puke GY ( 新加坡)清华大学
HRP- A
600 400 500
HRP-
450 350 350
Sinterst ation2000
300 380
塑料、 Sinterst ation2500 380 330 457 树脂 Sinterstation2500plus 381 330 457 砂、 EOSINT M-250 250 250 150
然而, 目前已经商品化的 RP 系统众多, 且同一 种系统又有不同的制造商, 系统的性能价格比各不 相同。因此, 如何选择适合自己单位使用的 RP 系 统, 是用户比较关心的一个问题。本文就这一问题 进行一些初步的研究, 提出一些选用常用 RP 系统 的原则, 供用户选择 RP 系统时参考。
2 常用 RP 系统及其原理简介 到目前为止, 已有十几种不同的 RP 系统问世,
综合评述 常用快速成型系统及其选择原则
实的模具。 真 DRT 技术。这主要是指直接从 RP 系统产生高密度的模具部件, 金属粉末不需要塑料 粘结剂, 但可能需要低 熔点金属作粘 结剂, 常 用的 RP 技术是 SLS。这里有直接 RT 低熔点合金作模具 和使用低熔点合金作粘结剂, 用高强度合金材料制 作耐磨的模具。
FDM 不是采用激光作能源, 而是将电能传递给 塑料丝, 在挤出喷头前达到熔融状态, 喷头在计算机 的控制下将熔融的塑料丝写到工作平台上, 从而完 成整个零件的加工过程。这种方法的能量传输和材 料传输均不同于 前面的三种方 法, 系统成 本较低。 但由于喷头的运动是机械运动, 速度有一定限制, 所
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关键词 快速成型系统 工作原理 选择原则 中图分类号 TH166
1 前言 快速成型技术 RP( Rapid Prototyping) 自 80 年代
末问世以来, 发展十分迅猛, 已在家电、汽车、玩具、 轻工、通讯设备、航空、军事、建筑、医疗、考古、电影 制作、工业造型、雕刻、首饰、三维地图等行业得到应 用。RP 是利用材料堆积法快速制造产品的一项先 进制造技术, 它能根据产品的三维模型数据, 不借助 其他工具设备, 迅速而精确地制造出该产品。RP 技 术的应用使新产品的设计、评价、制造形成了一个闭 环系统, 有些快速成型方法还可以直接制造出功能 零件, 大大缩短了新产品的设计、制造周期, 越来越 受到企业界的欢迎。
其中比较典型的商品化 RP 系统有: 分层物 体制造 ( LOM) 、选择性激光烧结 ( SLS) 、立体平板印刷设备 ( SLA) 、熔积成型( FDM) 等。目前, 生产 LOM 系统的 主要制造商有美国的Helisys 公司、新加坡的 KINERGY 公司、日本的 KIRA 公司以及国 内的清华大学、 华中科技大学等; 生产 SLS 系统的主要制造商有美 国的 DTM 公司、德国的 EOS 公司以及国内的北京隆
250 250 250 600 600 500 250 250 300 350 350 350 500 500 600 254 254 254 254 254 254 457 457 609 600 500 600 305 203 203
西安交通大学
Stratasys ( 美国)
M EM- 250
250 250 250 清华大学
综合评述 常用快速成型系统及其选择原则
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常用快速成型系统及其选择原则
430074 武汉市 华中科技大学 史玉升 莫健华 黄树槐 周祖德
摘要 目前已经商品化的 RP 系统众多, 且同一种系统又有不同的制造商, 系统的性能价格比各不相 同。因此, 如何选择合适的 RP 系统, 是用户比较头疼的一个问题。本文简要介绍了 LOM、SLS、SLA 和 FDM 四种常用 RP 系统的工作原理、优缺点和主要的 RP 系统型号及其制造商, 从 RP 系统的用途、制件精度、成型 材料、成型空间、成型效率、激光功率、成本和技术服务等方面出发, 提出了一些选用常用 RP 系统的原则, 并 举例予以说明。
3 常用 RP 系统的选择原则 不同类型的 RP 系统具有不同 的特点, 为 了能
锻压 机械 2/ 2001
正确选择出物美价廉的 RP 系统, 应综合考虑以下 几个方面。 3. 1 用途
( 1) 新产品研制阶段的验证 在新产品的研制阶段, 虽然计算机辅助设计使 产品设计更加快捷、方便, 但设计人员只能借助设计 图纸和计算机模拟, 对产品设计进行评判。因而不 能直观地评判所设计产品的效果和结构的合理性以 及生产工艺的可行性, 对形状复杂的产品尤其如此。 快速成型技术可以快速制出产品样品的实物模型, 供设计者和用户直接进行测量、装配、功能实验和性 能测试, 从而快速经济地验证设计人员的设计思想、 产品结构的合理性、可制造性、可装配性、美观性, 找 出设计缺陷, 并进行反复修改、制造, 完善产品设计。 这样就可以大大缩短新产品的设计周期, 使设计符 合预期的形状、尺寸和工艺要求。这一验证过程, 使 设计更趋完美, 避免了盲目投产造成的浪费。 ( 2) 新产品投放市场前的调研和宣传 在新产品投放市场前, 先用快速成型技术制造 出产品的替代品, 在潜在的用户中进行调研和宣传, 了解用户的意见和需求量, 以此来决定是否向市场 投放此新产品及其价格和生产规模, 从而使企业打 有把握之 仗 。 ( 3) 快速制模 快速制模( RT) 是 快速成型技术的重要应用方 向之一。目前的 RT 技术主要集中在两个大的研究 方向: 一个是直接快速制模( DRT ) ; 一个是间接快速 制模( IRT ) 。 间接快速制 模技 术所涉 及的 RP 方 法包 括了 LOM 、SLS、SLA、FDM 等, 该技 术有两种制模方法: 第一种是通过 RP 方法成型一个模型( 塑料、蜡等) , 再通过模型用铸造、电极成型、金属喷涂等方法生产 成型模具; 第二种是通过 RP 技术生产铸型( 砂型或 壳型) , 再通过 铸造方法用这些砂型或 壳型生产模 具。 直接快速制模技术( DRT) 有三种 方法: 软模 技术。通过 RP 技术生产具有一定机械性能的软模 ( 如硅橡胶模) , 用 LOM 型 RP 系统通过直接或间接 法, 比较容易制作这种可用于小批量塑料制品生产 的模具。 准直接快速制模技术。这里准直接主要 是指通过 RP 技术生产的模具还需要较多的后续工 作才能用于工件的生产, 其 主要方法是通过 RP 方 法将 包 有 粘 结 剂 的 金 属 粉 ( SLS ) 、金 属 悬 浮 液 ( SLA) 、带有金属粒子的塑料丝 ( FDM) 成型为半成 品, 再经过粘结剂的去除和浸渗金属液从而产生密
EOS( 德国) 北京隆 源自动 成型系 统有限 公司 华中科技大学
SLA- 190
190 190 250
SLA- 250
250 250 250
SLA- 250HR
250 250 250
SLA- 350
350 350 400
SLA-3500Milennium 350 350 400
3Dsy stem s ( 美国)
SLA- 500
508 508 584
SLA-5000Milennium 508 508 584
SLA- 7000
508 508 584
液态 STEREOS DESKTOP 250 250 250
光敏
EOS( 德国)
SLA 聚合 SOUP- 250GH 250 250 250
物 SOUP- 400
400 400 400 NTT DATACMET
( 4) 小批量和特殊复杂零件的直接生产 对于小批量和复杂的塑料、陶瓷、金属及其复合 材料的零部件, 可用 SLS 方法直接快速成型。目前, 人们正在研究梯度材料的 SLS 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。 ( 5) 新材料的研究 21 世纪, 随着各行各业高技术的迅猛发展, 对 各种新材料性能的要求更加苛刻。塑料、金属、陶瓷 等单一材料一般满足不了其特殊的性能要求, 由此 诞生了复合材料、功能梯度材料、智能材料等新型材 料, 这些新型材料一般由两种或两种以上材料组成, 其性能优于单一材料的特性。这些新型材料的性能 可根据人们对材料的性能需要, 从已有的各种单一 材料中配方而成。人们如何能够快速、经济地研究 这些新型材料所表现的特性, 从而找出最优的配方? 由于 SLS 技术可以分层制造出具有任意复杂结构的 高分子、陶瓷、金属及其复合制件, 可以用它来研究 新型材料及其 制件的各种特性。因此, SLS 技术也 是研究新型材料的非常有潜力的手段。现在国内的 很多高校和研究单位计划购买快速成型设备, 以用 作教学、对外技术服务和新材料的研究。 在以上用途中, ( 1) ~ ( 3) 中除了个别用途外, 其 他用途采用 LOM、SLS、SLA 和 FDM 方法均可, 但( 4) ~ ( 5) , 目前采用 SLS 方法最为合适。 3. 2 成型件的精度 当用户在购买 RP 系统时都需要知道 RP 系统 所制造的零件的精度, 为了测试 RP 制件的精度, 就 必须建立标准测试件, 但目前在 RP 行业还 无一个 大家公认的测试件。理想的标准测试件必须有以下 特性: X 方向和 Y 方向的尺寸要足够大, 必须有足够 的小尺寸、中尺寸、大尺寸, 应该有独立的和分开的 区域从而使收缩有较小的影响, 建造时间不要太长, 不要消耗太多的材料, 容易测量。如对于 SLS 制件, 一般都采用图 1 所示的标准件进行测量。因此, 用 户在购买 RP 系统时, 应搞清楚不同制造商 所标称 的制件精度是否是用相同结构和尺寸的测试件测定 的。因为不同结构和尺寸的测试件所测得的制件精 度是不可比的。
收稿日期: 2000- 12- 05 作者简介: 史玉升, 男, 39 岁, 工学 博士, 副教授, 目前主 要从事 快速
成型技术的研究
源快速成型有限 公司、华中科技大学 等; 生产 FDM 系统的主要制造商有美国的 Stratasys 公司及国内的 清华大学等; 生产 SLA 系统的主要制造商有美国的 3D Systems 公司、德国的 EOS 公司以及国内的西安 交通大学等。