快速成型技术

生成CLI文件 生成NC指令
层层堆积
监控软件 制造原型
工件剥离去支撑 表面处理强化
后处理
原 型 制 作 流 程 图
原型件
快速成型的技术特点
高度柔性 技术的高度集成 设计、制造一体化 快速性
技术的高度集成
RP技术是计算机、数控、激光、材料和机械 等技术的综合集成。CAD技术通过计算机进行精 确的离散运算和繁杂的数据转换，实现零件的 曲面或实体造型，数控技术为高速精确的二维 扫描提供必要的基础，这又是以精确高效堆积 材料为前提的，激光器件和功率控制技术使材 料的固化、烧结、切割成为现实。快速扫描的 高分辨率喷头为材料精密堆积提供了技术保证。
FDM工作原理
丝状材料选择性熔覆（FDM）成型机
FDM的加工原材料是丝状热塑性材料（如ABS、MABS、蜡 丝、尼龙丝等），加工时加热喷头在计算机的控制下，可根据 截面轮廓信息，做X-Y平面的运动和高度Z方向的运动。丝状热 塑性材料由供丝机构送至喷头，并在碰头加热至熔融状态，然 后杯选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成了截面轮廓。 一层成形完成后，喷头上升一个截面层高度，再进行第二层的 涂覆，如此循环，最终形成三维产品。
分层实体制造LOM 工艺
Laminated Object Manufacturing
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。
快速成形技术的基本原理
快速成形的加工原理是依据计算机设计的三维模型（设计软件可以是常用 的CAD软件，例如SolidWorks、Pro/E、UG、POWERSHAPE等。也可以是通过
逆向工程获得的计算机模型），进行切片处理，逐层加工，层叠增长。
快速成形技术的本质是用材料堆积原理制造三维实体零件。它是将复 杂的三维实体模型 “切”（Spice）成设定厚度的一系列片层，从而变为 简单的二维图形，层层叠加而成。
SLS工作原理图
熔融沉积制造(丝状材料选择性融 覆)FDM工艺
Fused Depostion Modeling
FDM的材料一般是热塑性材料，如 蜡、ABS、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；材料迅速凝固，并与周围的材料 凝结(如图)。
SLA工艺 LOM工艺 SLS工艺 FDM工艺 3DP工艺 工艺特点及常用材料
光造型SLA工艺
Stereolithography Apparatus
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(如λ=325nm)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。SLA工作原理图。
三维印刷3DP工艺
Three Dimension Printing 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（如 图）。用粘接剂粘接的零件强度较低，还须后处理。 先烧掉粘接剂，然后在高温下渗入金属，使零件致 密化。提高强度。
的丝材吐完，直至ABS丝光滑。 （5) 工作台水平校准
用控制面板上的软按钮移动喷头至工作台的支承处，用调量 块通过调平螺母调节高度。
（6）工作台高度校准 将喷头移动到工作台中部，上升工作台，使之上表面接近喷
嘴 微调工作台，使之间隙大约为0.1毫米，完成高度校准。
注意事项
尽量少开关数控按钮。关闭数控按钮后，应至少间 隔
FDM特点
系统及运行成本： FDM工艺无需其他快速成形系统中昂贵的 关键部件－激光器，故MEM快速成形系统成本较低；成形材 料相对其他快速成形系统价格低廉；MEM原型特有空隙结构， 节约材料与成形时间。
后处理：原型后处理简单，方便。 工艺适用范围： FDM工艺适用于薄壳体零件及微小零件，如
电器外壳、手机外壳、玩具等，都是现代社会比较实用流行 的用品；而且原型强度比较好，近似于实际零件，可以作为 概念型直接验证设计。
三维CAD 模型设计
CAD模型 的近似处
理
对STL文 件
切片处理
原型制作流程图
逐层 制造
三维CAD模型设计
在PC机或图形工作站上用三维软件 pro/E solidworks UG CATIA
等设计零件的三维CAD模型。
CAD模型的近似处理
用STL文件格式进行数据 转换，将三维实体表面用一系 列相连的小三角形逼近，得到 STL格式的三维近似模型文件。
典型的 STL 文件
对STL文件切片处理
切片是将模型以片层的方 式来描述，片层的厚度通常 在50µm～500µm之间；无论 零件形状多么复杂，对每一 层来说却是简单的平面矢量 扫描组（如图），轮廓线代 表了片层的边界。
切片处理
CAD三维造型
CAD造型软件
STL文件 对STL文件进行处理
前处理 数据处理工艺规划软件
快速模具(Rapid Tooling)应用:
快速翻制暂用模具或永久模具，做少量生产或量产
RP在产品开发上的重要性
视觉效果(visualization) 设计人員能在短时间之內便能看到设计的雛型，可作
为进一步研发的基石 设计确认(verification):
可在短时间內即可完成原型的制作，使设计人员有充 分的时间对于设计的产品做详细的检证 复制于最佳化设计(iteration & optimization) 可一次制作多个元件，可使每个元件针对不同的设计要 求同时进行测试的工作，以在最短时间內完成设计的最 佳化 直接生产(fabrication): 直接生产小型工具，或作为翻模工具
SLA工作原理
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 迹及光线的有无均 由计算机控制，光 点打到的地方，液 体就固化。
SLA成型过程
成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深 度，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，然后再进行下二层的扫 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。
实验方法及步骤
（一）数据准备 （二）制造原型
1、成形准备工作 2、造型 （三）后处理
数据准备
1、零件三维CAD造型，生成STL文件（使用Pro/E、UG、 SolidWorks、AutoCAD2000软件）
2、选择成型方向，添加支撑结构（使用Daphne数据处理 软件）
3、参数设置（分层厚度0.15mm,偏置半径0.2mm,填充间距 0.5mm等）
3DP工作原理
典型的RP技术特点及常用材料
RP在产品开发上的重要性
CAID应用: 工业设计师在短时间內得到精确的原型与业者作造
形研讨 机构设计应用:
進行干涉验证，及提早发现设计错误以减少后面模 具修改工作 CAE功效:
快速模具技术以功能性材料制作功能性模具，以进 行产品功能性测试与研讨
实验设备
XYZ扫描运动系 统 喷头及送丝机构
加热及温控系统
数控系统
控制机构
MEM系统
运动近控制单元
材料供给单元
环境营造单元
X轴定位
Y轴定位
Z轴定位
材料预热、送进
环境加热
堆积头
材料加热、挤出
控制原理
MEM-350控制系统由两部分组成：运动控制系统和温度控制系统。 在系统中，计算机（PC）通过数控卡控制XYZ扫描运动系统，喷头及送 丝机构也通过数控卡进行控制。
原型制作完毕后，如不继续造型。即可将系统关闭，为使系统充分冷 却，至少于10分钟后再关闭散热按钮和总开关按钮。 （2） 零件保温 零件加工完毕，下降工作台，将原型留在成形室内，薄壁零件保温 15~20分钟大型零件20～30分钟，过早取出零件会出现应力变形。 （3） 模型后处理
用小铲子小心取出原型。去除支撑，避免破坏零件。用砂纸打磨台 阶效应比较明显处。用小刀处理多余部分。用填补液处理台阶效应造 成的缺陷。如需要可用少量丙酮溶液把原型表面上光
快速响应性
快速原型零件制造从CAD设计到原型 (或 零件 )的加工完毕，只需几个小时至几十个 小时，复杂、较大的零部件也可能达到几百 小时，但从总体上看，速度比传统的成形方 法要快得多。尤其适合于新产品的开发，RP 技术已成为支持并行工程和快速反求设计及 快速模具制造系统的重要技术之一。
主要工艺分类
运动系统：X和Y运动单元由伺服控制器、AC伺服驱动器、 AC伺服电机和传动导向机构四部分构成。Z向运动单元由步 进控制器、直流步进驱动器、步进电机和传动导向机构四部 分构成。喷头压力控制系统由步进电机及传动部件构成。
温控系统：温控系统由加热器，温度传感器和智能温度控制 表组成。温度控制精度为±2℃。
4、对STL文件进行分层处理，生成CLI文件（使用Daphne 数据处理软件）
5、退出数据处理软件系统
制 造 原
型
打开电源、计算机
启动控制软件 Cark 打开要成形的 CLI 文件
初始化系统 启动温度控制系统
工作台清理 对高
检查系统
成形原型件
原型保温
原型后处理
成形准备 造型
后处理
成形准备工作
（1）打开电源、计算机。 （2）材料及成形室预热，将成型材料逐步升温至265℃；将成型室温 度逐步升温至70℃ （3）运行控制软件，读出STL文件。 对数控系统初始化。 （4）挤丝,材料温度到达265℃后，按下“喷丝”按钮，将喷头中老化
丝状材料选择性熔覆（FDM）成形机
FDM快速成形机适合加工中等大小的塑料件，它的优点是： •能够直接作出ABS塑料件，有比较好的综合力学性能； •成本低,材料利用率高,无污染； •设备体积小,适合办公环境内使用. 它的不足之处在于： •加工零件表面粗糙度比较大,有明显条纹； •成形时间比较久；
•复杂零件需要加支撑结构，后处理工艺比较麻烦；
选择性烧ห้องสมุดไป่ตู้SLS工艺
Selective Laser Sintering
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 的部分连接；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(如图)。
1 分钟后才再次打开数控按钮。
一定要先启动计算机，再按下数控按钮。
开关数控按钮后一定要进行数控系统初始化。 校准水平升降工作台时一定要小心,低速，微调，注意
喷头不能与量块相撞，如果相撞会损坏喷头。
调高时严禁喷头与台面距离过小，或喷嘴扎进底板情
况发生，这样可能会使喷头堵死。
后处理
后处理包括设备降温、零件保温、去除支撑、表面处理等步骤。 （1）设备降温
LOM工作原理
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特点
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。工艺过程中不存 在材料相变，因此不易引起翘曲变形，零件的精 度较高，小于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，所以LOM 工艺无需加支撑。
转接板
驱动器 驱动器
位控 模块
电机 X 电机 Y
USB 或串口连接线 计算机（PC）
I/O 接 口板 驱 动 器
成型材料温控器
驱动器 驱动器
电机 Z 送丝电机 压力控制系统 检测系统
成型室温控器
控制系统原理图
测温元件 加热元件 测温元件 加热元件
数控卡：数控卡主要完成对XYZ轴电机，喷头等的运动控制 以及系统的检测。