第三章,快速成型模式

3、无模铸型制造工艺 （Patternless Casting 无模铸型制造 无模铸型制造（ Manufacturing，PCM）工艺，将快速成形技术 应用到传统的树脂砂铸造工艺中。PCM工艺也是 基于快速成形技术的离散/堆积成形原理，但它是 一种完全不同于传统铸型制造工艺的造型方法。
零件CAD模型
二、选区激光烧结 1、原理 � 选区激光烧结（Selective Laser Sintering， SLS）又称为选择性激光烧结、粉末材料选择性 烧结等。 � 1989年，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的 C.R.Dechard研制成功。
SLS工艺原理
2、工艺过程 ：与其它快速成形工艺（如立体光刻成形） ①数据处理 数据处理：与其它快速成形工艺（如立体光刻成形） 相同。 ： ②粉末原料的烧结 粉末原料的烧结： � 金属粉末：铁粉，青铜粉和镍粉——零件强度和精 度还不够理想。 � 陶瓷粉末： � 塑料粉末：
三维模型的形体表达方法： � 构造实体几何法（Constructive Solid Geometry，简称CSG） 又称为积木块几何法 （Building-Block Geometry）； � 边界表达法（Boundary Representation，简称 B-Rep法） ； � 参数表达法（Parametric Representation） � 单元表达法（Cell Representation）
一、立体光刻成形 1、原理 （SL，Stereolithography），又 � 立体光刻成形 立体光刻成形（ 称立体印刷、光固化成形等。
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Charles W.Hul于1984年获立体光刻美国专利。 1988年美国3D system公司推出商品化样机SLA250，这是世界上第一台快速原型成形机。 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。
4、 选区激光烧结成形系统
AFS-500激光快速成形机（北京隆源公司）
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SLS成形系统一般由主机、控制系统和冷却器三 部分组成。
激光烧结成形件
5、 选区激光烧结工艺特点 � 可采用多种材料 。 � 成本较低，制造工艺比较简单，适应面广。 � 高精度。 � 成形速度较慢，成形件结构一般较疏松、多孔， 表面质量不高，强度较低 。
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五、 其他快速成形制造工艺 （3DP —Three Dimension Printing） 、三维打印（ 1、三维打印 3DP— 或称为三维印刷、粉末材料选择性粘结。 前述的FDM工艺也可制作三维打印机
3DP工艺原理
Z406成形机
Dimension BST 1200es三维打印机
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数据处理的主要任务是从产品CAD模型或其它模 型经过分层、填充，产生工艺加工信息的层片文 件。
三维数据源
STL 模型
加工路径
加工制造
快速成形数据流程
一、 快速成形技术中的数据来源 1、三维CAD � 最重要也是应用最为广泛的数据来源。
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由三维CAD软件生成产品的曲面模型或实体模 型，将CAD模型转化为三角网格模型（STL模 型），然后分层得到加工路径。或者对模型直接 分层得到精确的截面轮廓，再生成加工路径。
§3.2 快速成形工艺
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从1988年世界上第一台快速成形机问世以来，快 速成形制造技术的工艺方法已有十余种。根据成 形原理的不同，快速成形技术可分为两类： ，例如：立体 (1)基于激光及其他光源的成形技术 基于激光及其他光源的成形技术，例如：立体 光刻技术、分层实体制造、选区激光烧结等； ，例如：熔融沉积成形、 基于喷射的成形技术，例如：熔融沉积成形、 (2)基于喷射的成形技术 三维立体印刷、多相喷射沉积等。 ：均采用分层累积成形，并根据三维CAD 共同点 共同点：均采用分层累积成形，并根据三维 模型切片后得到的截面轮廓数据，完成每一层的 加工。
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快速成形技术 原理
三、快速成形技术特点 降维制造方法； � 简易性： 简易性：降维制造方法； � 快速性：CAD模型直接驱动； 无须工装； � 柔性： 柔性：无须工装； 计算机、数控、激光、新材料等 � 技术的集成性： 技术的集成性：计算机、数控、激光、新材料等 � 应用领域广泛 ：制造业，材料工程、医学、文化 艺术以及建筑工程 。
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立体光刻成形工艺原理
制造数据获取
层 准 备
层固化并堆积
后 处 理
CAD 模型离散
再 涂 层
激光束扫描液面
拆除支撑及清洗
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立体光刻成形工艺过程
2、 立体光刻成形材料 ①基本要求
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粘度低 低粘度树脂有利于成形中树脂较快流平。 固化速度快 直接影响成形的效率。 固化收缩小 低收缩性树脂有利于成形出高精度零 件。 一次固化程度高 以减少后固化收缩和变形。 湿态强度高 以保证后固化过程不产生变形、膨胀 及层间剥离。 溶胀小湿态成形件在液态树脂中的溶胀会造成零件尺寸
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由美国Helisys公司的Michael Feygin于1986年 研制成功
LOM工艺原理图
（a）
（b）
（c）
（d）
（e）
（f）
LOM工艺过程
（a）铺纸；（b）压紧黏合；（c）切割轮廓线；（d）切割 完成；（e）剥离；（f）最终原型件。
2、分层实体制造工艺成形材料 LOM材料一般由薄片材料和热熔胶两部分组成 ①薄片材料 根据对原型件性能要求的不同,薄片材料可分为： � 纸片材 � 金属片材 � 陶瓷片材 � 塑料薄膜 � 复合材料片材
：提高零件坯体的力学性能和热 ③烧结件的后处理 烧结件的后处理：提高零件坯体的力学性能和热 学性能。 � 高温烧结 � 热等静压烧结 � 熔浸和浸渍。 ： ④工艺参数的影响 工艺参数的影响： � 激光能量与扫描速度 � 预热温度与铺粉层厚
3、SLS成形材料
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高分子粉末材料 金属粉末材料 陶瓷粉末材料 覆膜砂粉末材料
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选区激光烧结一般只适合于中小件的快速成形。
三、熔融沉积制造工艺 1、原理 � 熔融沉积制造（Fused Deposition Modeling， FDM），又称丝状材料选择性溶覆、熔融挤出成 模。 � 由美国学者Scott Crump博士于1988年研制成 功，并由美国Stratasys公司推出商品化的机器。
第3章 快速成形技术
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概述 快速成形工艺 快速成形数据处理 快速成形后处理 快速成形精度分析 快速成形技术应用 快速成形技术进展
§3.1 概述
一. 零件成形方法分类
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去除成形（Dislodge Forming）:车、铣、刨、 磨等 切削加工 添加成形（Additive Forming）:快速成形技术 受迫成形（Forced Forming）:铸造、锻造和粉 末冶金 生长成形（Growth Forming）利用生物材料的 活性进行成形， “克隆”
偏大。
。 毒性小 毒性小。
②材料种类 光敏树脂通常由两部分组成，即光引发剂和树脂， 其中树脂由预聚物、反应性稀释剂及少量助剂组 成。根据光引发剂的引发机理不同，光固化树脂 可以分为三类： � 自由基光固化树脂
�Βιβλιοθήκη Baidu
阳离子光固化树脂 混杂型光固化树脂
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③材料的收缩变形 � 从分子学角度讲，光敏树脂的固化过程是从短的 小分子体向长链大分子聚合体转变的过程，其分 子结构发生很大变化，因此，固化过程中的收缩 是必然的。树脂在固化过程中的体收缩率通常约 为10％，线收缩率约为3％。 � 树脂的收缩主要由两部分组成
FDM制造工艺原理
2、 FDM工艺成形材料
FDM工艺对成形材料的要求
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熔融温度低 熔融温度低对FDM工艺的好处是多方面的。 粘度低 影响材料挤出过程的主要因素是粘度。 粘结性好 粘结性主要影响零件的强度。 收缩率小 收缩率在很多方面影响零件的成形精度。
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，常用的有石蜡、塑料、尼龙丝 丝状热塑性材料 丝状热塑性材料，常用的有石蜡、塑料、尼龙丝 等低熔点材料和低熔点金属、陶瓷等的线材或丝 材。在熔丝线材方面，主要材料是ABS、人造橡 胶、铸蜡和聚酯热塑性塑料。 目前用于FDM的材料主要是美国Stratasys的丙 烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物细丝（ABS P400）、 甲基丙酸烯-丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物细丝 （ABSi P500，医用）、消失模铸造蜡丝 （ICW06 wax）、塑胶丝（Elastomer E20）。
缺陷 � 需要专门设计和制造支撑，否则会引起制件变形。 � 液态树脂固化后的性能尚不如常用的工业塑料，脆，易断 裂。工作温度通常不能超过100 ℃。若被湿气侵蚀，还会 导致工件膨胀，抗化学腐蚀的能力也不够好。 � 设备运转及维护成本较高。 � 使用的材料种类较少。目前可用的材料主要为感光性的液 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。 � 液态树脂有一定的气味和毒性，并且需要避光保护，以防 止提前发生聚合反应。 � 在很多情况下，经快速成形系统光固化后的原型树脂并未 完全被激光固化，为提高模型的使用性能和尺寸稳定性， 通常需要二次固化。
②热熔胶 用于LOM纸基的热熔胶按基体树脂划分主要有： 乙烯-醋酸乙烯酯共聚物型热熔胶； 聚酯类热熔胶； 尼龙类热熔胶或其混合物；
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3、分层实体制造工艺特点
优点： � 制件精度高（＜０.15 mm）。 � 制作效率高、成本低。 缺点： 由于材料质地原因，加工的原型件抗拉性能和弹性不高； 易吸湿膨胀，需进行表面防潮处理； 薄壁件、细柱状件的废料剥离比较困难； 工件表面有台阶纹，需进行打磨处理。
铸型CAD模型
分层、生成扫描路径
最表层铺砂
喷射树脂黏结剂
喷射催化剂
造型完毕
清除干砂涂敷涂料
浇铸
铸件
无模铸型制造工艺原理
该工艺具有如下优点： � 制造时间短； � 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。
3.3 快速成形技术中的数据处理
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固化收缩； 当激光扫描到液体树脂表面时，由于温度变化引起的热 胀冷缩。
3、 立体光刻成形工艺特点 优势 � 成形过程自动化程度高，速度快。 � 尺寸精度高。SL原型件的尺寸精度可以达到或小 于0.1mm。 � 优良的表面质量。 � 可以制作结构十分复杂、尺寸比较精细的模型。 � 对于内部结构复杂、一般切削刀具难以进入的模 型，能轻松地一次成形。
（Reverse Engineering，RE） 、反求工程（ 2、反求工程 � 设计的初始信息状态不是CAD模型，而是各种形 式的物理模型或实物样件。
二、快速成形工艺步骤 快速成形（Rapid Prototyping，RP）技术是由CAD模型 直接驱动，快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术。 快速成形集成了机械、电子、计算机、光学、新材料等领 域中的技术，与传统的去除材料加工方法相比，它是通过 逐层增加材料来制造零件的。 （1）产品三维模型的构建 ：CAD模型，扫描方法+反求工程。 ）产品三维模型的构建： ：三角形网格化近似处理，STL （2）三维模型的近似处理 ）三维模型的近似处理：三角形网格化近似处理， 格式文件。 （3）三维模型的分层切片和产生加工路径。 （4）快速成形加工。 （5）成形零件的后处理。
2、掩膜光刻 大规模集成电路发展的关键是以光刻技术为核心 的微细加工技术。掩膜光刻技术是立体光刻成形 技术的扩展。主要优点： ①使用的材料广泛，可以是金属、陶瓷、玻璃及聚 合物； ②可以加工任意复杂的图形结构； ③可以制作有较大高宽比的微细元件； ④加工精度高，可以达到亚微米； ⑤由于采用了铸模复制技术，能够达到工业化批量 生产，成本低。
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3、 FDM工艺特点 非激光快速原型制造系统，具有以下优点： � 成形材料广泛 ； � 成本低 ； � 成形过程对环境无污染 。 � 只适合成形中、小塑料件；成形件的表面有较明 显的条纹，质量不如SL成形件好；需设计、制作 支撑结构； � 需对整个截面进行扫描涂覆，成形时间较长。
四、 分层实体制造工艺 1、工艺原理 （Laminated Object � 分层实体制造 分层实体制造（ Manufacturing，LOM）又称叠层实体制造或薄 形材料选择性切割。