模具制造技术07

的限制而自由成型；二是指不受零件任何复杂程度的限制。由于传统
加工技术的复杂性和局限性，要达到零件的直接制造仍有很大距离。 RP技术大大简化了工艺规程、工装准备、装配等过程，很容易实现由 产品模型驱动直接制造或称自由制造。
第二节 快速成型制造工艺
目前比较成熟的快速成型工艺方法已有十余种，具有代表性的工 艺是：光敏树脂液相固化成型、选择性激光烧结成型、叠层实体制造 成型和熔丝堆积成型。以下对这些典型工艺的原理、特点等分别进行 阐述。
快速成型技术是计算机技术、数控技术、激光技术与材料技术的 综合集成。在成型概念上，它以离散/堆积为指导，在控制上以计算 机和数控为基础，以最大的柔性为目标。
4.设计制造一体化 快速成型技术的另一个显著特点就是CAD/CAM一体化。在传统
的CAD、CAM技术中，由于成型思想的局限性，致使设计制造一体化 很难实现。而对于快速成型技术来说，由于采用了离散堆积分层制造 工艺，能够很好地将CAD、CAM结合起来。 5.材料的广泛性
二、选择性激光烧结成型
选择性激光烧结工艺（Selective Laser Sintering,SLS）又称为选区激 光烧结，由美国德克萨斯大学的C.R.Dechard于1989年研制成功，该方 法已被美国DTM公司商品化。SLS的原理与SL十分相像，主要区别在 于所使用的材料及其形状。SL所用的材料是液态的光敏树脂，而SLS 则使用粉状的材料。 1.选择性激光烧结工艺的原理
光学系统的光源采用紫外汞氙灯，用椭球面反射罩实现第一次反 射聚焦，聚焦后经光纤耦合传导，由透镜实现二次聚焦，将光照射到 树脂液面上。
1－基板；2－X轴步进电机；3－Y轴步进电机； 4－同步带；5－聚焦镜头
1－正极；2－灯泡；3－负极；4－聚光罩； 5－光纤；6－聚焦镜头；7－树脂；8－树脂槽
图 7.3 CPS-250型液相固化快速成型机的外形及结构组成
得零件。
图7.4 选择性激光烧结工艺原理
1－零件；2－扫描境；3－激光器；4－透镜；5－刮平辊子
2.选择性激光烧结成型工艺的特点和成型材料 （1）SLS的特点
选择性激光烧结工艺和其他快速原型工艺相比，其最大的特点是 能够直接制作金属制品，同时该工艺还具有如下一些优点：
①材料适应面广。从原理上说，这种方法可采用加热时黏度降低的任何 粉末材料，不仅能制造塑料模具，还能制造陶瓷、石蜡等材料的零件。
由于各种RP工艺的成型方式不同，因而材料的使用也各不相同， 如金属、纸、塑料、光敏树脂、蜡、陶瓷，甚至纤维等材料在快速成 型领域已有很好的应用。
6.自由成形制造(Free Form Fabrication，FFF) 快速成型技术的这一特点是基于自由成形制造的思想。自由的含
义有两个方面：一是指根据零件的形状，不受任何专用工具(或模腔)
材料
特性
石蜡
主要用于失蜡铸造，制造金属型
聚碳酸酯
坚固耐热，可以制造微细轮廓及薄壳结构，也可 用于小时模铸造，正逐步取代石蜡
⑤材料利用率高，价格便宜，成本低。
（2）SLS的成型材料
SLS烧结成形用的材料早期采用蜡粉及高分子塑料粉，用金属或 陶瓷粉进行黏结或烧结的工艺也已达到实用阶段。任何受热黏结的粉 末都有被用作SLS原材料的可能性，原则上包括了塑料、陶瓷、金属 粉末及它们的复合粉。
近年来开发的较为成熟的用于SLS工艺的材料，如表7.1所示。
图 7.1 快速成型工艺方法的分类
三、快速成型技术的特点
1.高度柔性 快速成型技术的最突出特点就是柔性好，它取消了专用工具，在
计算机管理和控制下可以制造出任意复杂形状的零件，把可重编程、 重组、连续改变的生产装备用信息方式集成到一个制造系统中。 2.快速性
快速成型技术的一个重要特点就是其快速性。由于激光快速成型 是建立在高度技术集成的基础之上，从CAD设计到原型的加工完成只 需几小时至几十小时，比传统的成型方法速度要快得多，这一特点尤 其适合于新产品的开发与管理。 3.技术的高度集成
b.尺寸精度高。SL原型的尺寸精度可以达到±0.1mm。 c.表面质量好。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。
d.能够制造形状特别复杂（如空心零件）、特别精细（如首饰、工艺品 登）的零件。
e.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。
②和其他几种快速成型方法相比，该方法也存在着许多缺点，主要有以 下几方面：
1.光敏树脂液相固化成型工艺原理
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(λ=325 nm)和功率(P=30mW)的紫外激光的照射下能迅速发 生光聚合反应，相对分子质量急剧增大，材料也就从液态转变成固态 图7.2为SL工艺原理图。液槽中盛满液态光敏树脂，激光束在偏转镜作 用下，在液体表面上扫描，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，工作平台托盘5在液 面下一个确定的深度，液面始终处于激光的焦点平面内，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。然后升降台带动托盘5平台使其高度 下降一层(约0.1mm)，已成形的层面上又布满一层液态树脂，刮板将黏 度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新的一层固体牢 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
②制造工艺简单。由于可用多种材料，选择性激光烧结工艺按采用的原 料不同可以直接生产复杂形状的原型、型腔模三维构件或部件及工具。
③无需支撑结构。可以烧结制造空心、多层镂空的复杂零件。
④高精度。依赖于使用的材料种类和粒度、产品的几何形状和复杂程度， 该工艺一般能够达到工件整体范围内±(0.05～2.5)mm的公差。当粉末 粒度为0.1mm以下时，成型后的原型精度可达±1％。
第七章 快速成型及快速制模技术
第一节 概述
快速成型技术（Rapid Prototyping,简称RP）又称快速原型ufacturing,简称RPM），诞生于20世纪80年代 后期，被认为是近20年来制造领域的一次重大突破，对制造业的影响 可与20世纪50～60年代的数控技术相比。RP是一种基于材料堆积法的 一种高新制造技术，综合了CAD、机械工程、数控技术、激光技术及 材料科学技术，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，从而可以对产品设计进行快速评 估、修改及功能试验，大大缩短了产品的研制周期。
中主要包括齐聚物、反应性稀释剂及光引发剂。根据引发剂的引发机 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 脂和混杂型光固化树脂。
自由基光固化树脂、阳离子光固化树脂和混杂型光固化树脂各有 许多优点，目前的趋势是使用混杂型光固化树脂。
3.光敏树脂液相固化成型设备和应用 目前，研究光敏树脂液相固化成型设备的单位有美国的3D
a.成型过程中伴随着物理和化学变化，所以制件较易弯曲，需要支撑，否 则会引起制件变形。
b.设备运转及维护成本较高。由于液态树脂材料和激光器的价格较高， 并且为了使光学元件处于理想的工作状态，需要进行定期的调整，费 用较高。
c.可使用的材料种类较少。目前可用的材料主要为感光性液态树脂材料， 并且在大多数情况下，不能进行抗力和热量的测试。
一、快速成型制造技术的类型
快速成型制造技术从广义上讲可以分成两类：材料累积和材料去 除。但是，目前人们谈及的快速原型制造方法通常指的是累积式的成 型方法，而累积式的快速原型制造方法通常是依据原型使用的材料及 其构建技术进行分类的，如图7.1所示。
二、快速模具制造技术的分类
基于RP的快速模具制造方法一般分为直接法和间接法两大类。直 接制模法是直接采用RP技术制作模具，在RP技术诸方法中能够直接 制作金属模具的是选择性激光烧结法。用这种方法制造的钢铜合金注 射模，寿命可达5万件以上。但此法在烧结过程中材料发生较大收缩 且不易控制，故难以快速得到高精度的模具。目前，基于RP快速制造 模具的方法多为间接制模法。间接制模法是指利用RP原型间接地翻制 模具。依据材质不同，间接制模法生产出来的模具一般分为软质模具 (Soft Tooling)和硬质模具(Hard Tooling)两大类。
Systems公司、Aaroflex公司，德国的EOS公司、F&S公司，日本的 SONY/D-MEC公司、Teijin Seiki公司、Denken Engineering公司、Meiko 公司、Unirapid公司、NTT DATA&CMET公司以及国内的华中科技大
学快速制造中心、清华大学、西安交通大学，上海联泰科技有限公司 等。
维实体原型。
图 7.2 光敏树脂液相固化成型工艺原理
1－扫描镜；2－Z轴升降台；3－树脂槽；4－光敏树脂；5－托盘；6－零件
2.光敏树脂液相固化成型工艺的特点和成型材料 （1）SL特点 ①SL具有以下优点： a.成型过程自动化程度高。SL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。
d.液态树脂具有气味和毒性，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。
e.需要二次固化。在很多情况下，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，所以通常需要二次固化。
f.液态树脂固化后的性能尚不如常用的工业塑料，一般较脆，易断裂，不 便进行机加工。
（2）SL的成型材料 SL的成型材料称为光固化树脂(或称光敏树脂)，光固化树脂材料
SLS工艺是利用粉末材料（金属粉末或非金属粉末）在激光照射 下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成型。如图7.4所示，此法采 用CO2激光器作能源，目前使用的造型材料多为各种粉末材料。在工 作台上均匀铺上一层很薄(0.1～0.2mm)的粉末，激光束在计算机控制 下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，一层完成后再进行下一层 烧结。全部烧结完后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理便获
为了提高原型的强度，用于SLS工艺材料的研究转向金属和陶瓷， 这也正是SLS工艺优越于SL、LOM工艺之处。
近年来，金属粉末的制取越来越多地采用雾化法。主要有两种方
式：离心雾化法和气体雾化法。它们的主要原理是使金属熔融，高速 将金属液滴甩出并急冷，随后形成粉末颗粒。
表 7.1 SLS工艺常用的材料及其特性
图7.3(a)为CPS-250型液相固化快速成型机的外形及结构组成，图 7.3(b)为Z轴升降工作台，Z轴升降工作台主要完成托盘的升降运动。 在制作过程中，进行每一层的向下步进，制作完成后，工作台快速提 升出树脂液面，以方便零件的取出。其运动采用步进电动机驱动、丝 杠传动、导轨导向的方式，以保证Z向的运动精度。结构包括步进电 动机、滚珠丝杠副、导轨副、吊梁、托板、立板。图7.3(c)为X－Y工 作台示意图，X—Y方向工作台主要完成聚焦镜头在液面上的二维精 确扫描，实现每一层的固化。其运动采用步进电动机驱动、精密同步 带传动、精密导轨导向的方式 。图7.3(d)为光学系统示意图。
一、光敏树脂液相固化成型
光敏树脂液相固化成型(Stereo Lithography，简称SL或SLA)又称光 固化立体造型或立体光刻成型。它由美国Charles Hul发明并于1984年 获美国专利。1988年美国3D系统公司推出商品化的世界上第一台快速 原型成型机。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。SL工艺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，使该工艺的精度能达到或小于 0.1mm。
CPS快速成形机采用普通紫外光源，通过光纤将经过一次聚焦后 的普通紫外光导人透镜，经过二次聚焦后，照射在树脂液面上。二次 聚焦镜夹持在二维数控工作台上，实现X－Y二维扫描运动，配合Z轴 升降运动，从而获得三维实体。
光敏树脂液相固化成形的应用有很多方面，可直接制作各种树脂
功能件，用于结构验证和功能测试；可制作比较精细和复杂的零件； 可制造出有透明效果的制件；制作出来的原型件可快速翻制各种模具， 如硅橡胶模、金属冷喷模、陶瓷模、合金模、电铸模、环氧树脂模和 气化模等。