1.快速成型概述1

喷头是实现FDM工艺的关键部件，喷头结构设计和控
制方法是否合理，直接关系到成型过程能否顺利进行，并 影响成型的质量 ，另一方面为了提高生产效率可以采用 多喷头，美国3D公司推出的Actua2100,其喷头数多达96个。 在成型有支撑制件时单喷头和双喷头的比较：
密实
剥离 单喷头 成型材料 疏松 水溶性或低 熔点材料
精度要求较高、形态均匀一致和形状、花纹不规则的型腔 模具，如人物造型模具、儿童玩具和鞋模等。

软质模具的寿命一般为50-5000件，对于上万件乃至 几十万件的产品，仍然需要传统的钢质模具，硬质模具指 的就是钢质模具，利用RP成型制作钢质模具的主要方法 有熔模铸造法、电火花加工法、陶瓷型精密铸造法等。
图7、多余网格部分的去除
头盖骨
薄壳件
LOM 2030 H机器外观
LOM优点：
（1）成型效率高。LOM工艺只需在片材上切割出零件截 面的轮廓，而不用扫描整个截面，因此成型厚壁零件的速 度较快，易于制造大型零件； （2）无翘曲变形。工艺过程中不存在材料相变，因此没有
热应力、膨胀和收缩不易引起翘曲变形；
间隔一 般取 0.05m-0.5mm， 常用 0.1mm
各层固化粘结：树 脂或塑料的链式反 应固化、无化学反 应的熔融粘结固化
和用粘结剂将片体
粘结的方法。
图3、 RP成型过程图
3、RP技术的特点和影响 新产品开发的一般过程：
模具：制模、 试模、修模， 时间，成本
设计
试制
试验
征求用户意见
RP：设计、 成型， 时间，成本
（3）无需加支撑。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。
LOM缺点：
材料浪费严重，表面质量差。
3、SLS
SLS工艺最初由美国德克萨斯大学奥斯汀分校 (UIIiversity of Texas at Austin)的Carl Deckard于 1989年在其硕士论文中提出，后由Texas大学组建的DTM公 司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备 Sinterstation。 该工艺实用高功率的激光加热，把粉末熔化在一起形 成零件，SLS工艺的重要吸引力是可用于多种热塑性塑料
4、FDM
FDM工艺由美国工程师ScottCrump于1988年研制成功。FDM的材 料一般是热塑性材料，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。
加热丝状材料
喷头扫描并喷 出半流动状材料
材料固化
图9、FDM原理图
目前，基于RP的RT的方法多为间接制模法，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和 硬质模具两大类。 软质模具制造方法主要有树脂浇注法、金属喷涂法、 电镀法、硅橡胶浇铸法等。 （1）硅橡胶浇注法 制作过程为：
原型的 表面处 理 涂刷脱模 剂，固定 原型并放 置型框 硅橡胶计 量、真空 脱泡后进 行混合 硅橡胶固 化后，刀 剖开模， 取出原型
双喷头
支撑材料
溶于水或加热
目前，FDM系统采用柱塞式喷头（如图10）和螺杆式 挤出喷头（如图11）。
图10、柱塞式喷头
图11、螺杆式喷头
FDM的优点：
(1)由于热融挤压头系统构造原理和操作简单，维护成本低， 系统运行安全； (2)原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小； (3)原材料利用率高，且材料寿命长。
1、新产品研制开发阶段的试验验证;
2、新产品投放市场前的调研和宣传; 3、基于快速成型技术的快速制模（RT，Rapid Tooling） 技术. RP方法对使用材料的限制，并不能够完全替代最终的 产品。 在新产品功能检验、投放市场试运行和准确获得用户 使用后的反馈信息等方面，仍需要由实际材料制造的产品。 因此,利用RP原型作母模来翻制模具， 这便产生了基 于RP的快速模具制造技术（RT）。
快速成型技术
一、快速成型技术概述 二、快速成型技术加工方法和设备 三、快速成型技术的应用 四、快速展历史 快速成型(Rapid Prototyping,简称RP)技术是20世纪
80年代后期发展起来的, 是由CAD模型直接驱动的快速制
造任意复杂形状三维物理实体的技术总称。 1986年美国3D Systems公司率先推出了称为 Stereolithography Apparatus （简称SLA）的激光快速成 型制造系统，引起工业界的广泛兴趣并且RP得到了异乎 寻常的迅猛发展。
1、SLA 光固化法是第一个投入商业应用的RP技术, 它以美国3D Systems公司生产的SLA系列成型机 为代表。
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4、SLA工作原理图
浇注硅橡 胶混合体
以艺术品宝塔为原型制作硅橡胶模的过程：
宝 塔 的 三 维 模 型 制作 型框 并固 定原 型 拆 除 型 框
模 型 分 层 处 理
硅 橡 胶 的 浇 注
宝 塔 实 物 模 型 硅 橡 胶 的 固 化
原 型 去 除
修 模
（2）树脂浇注法
硅橡胶模具仅适用于制品数量较少的生产，若制品数 量较大时，可用快速原型翻制环氧树脂模具。该方法是将 液态的环氧树脂与有机或无机材料复合作为基体材料，以 原型为母模浇注模具的一种制模方法。 其工艺过程为：
图5、SLA成型中加入支撑示意图
2、LOM
LOM工艺由美国Helisys于1986年研制成功。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。其主要零部件 有：工作平台、CO2激光器、加热辊、供料与收料辊等。 热压辊热压片材 激光器切割出 零件截面轮廓 和工件外框 工作台下降 滚筒转动 工作台上升 图6、LOM原理图
单层层厚指铺粉厚度,即工作缸下降一层的高度。对于 某一制品,采用较大的单层厚度,所需制造的总层数少,制造
时间短。但由于激光在粉末中的透射强度随厚度的增加而
急剧下降,单层厚度过大,会导致层与层之间黏结不好,甚至 出现分层,严重影响成型件的强度。
SLS的优点是无需支撑,成型的零件机械性能好,强度
高。缺点是粉末比较松散,烧结后精度不高,尤其是Z轴方 向的精度难以控制。
市场推销
生产
修改定型
RP技术的主要特点：
（1）可以制造任意复杂的三维几何实体;
（2）快速性 :几个小时到几十个小时就可制造出零件;
（3）高度柔性：无需任何专用夹具或工具; （4）产品结构与性能的及时快速优化; （5）进行小批量生产; （6）RP技术有利于环保.
二、RP技术加工方法和设备
目前RP技术的快速成型工艺方法有十多种。现简要介绍四种比较成熟 且常用的四种成型方法： (1)光固化成型（ StereoLithography Apparatus ，SLA） (2)分层实体制造（Laminated Object Manufacturing，LOM） (3)选择域激光粉末烧结成型（Selective Laser Sintering ，SLS） (4)熔融沉积成型（ Fused Deposition Modeling ，FDM）
①采用技术制作原型；②将原型进行表面处理并涂刷 脱模剂；③设计制作模框；④选择和设计分型面；⑤浇注 树脂；⑥开模并取出原型。
用树脂浇注法快速制作模具，工艺简单、成 本低廉。
树脂型模具传热性能好、强度高且型面不需 加工，适用于注塑模、薄板拉伸模、吸塑模及聚 氨酯发泡成形模等。
（3）金属喷涂法
金属喷涂法是以原型作基体样模，将低熔点金属或合 金喷涂到样模表面上形成金属薄壳，然后背衬充填复合材 料而制作模具的方法。 金属喷涂法工艺简单、周期短，型腔及其表面精细花 纹可一次同时成形。
的成型,如尼龙、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯类、聚苯乙烯、
聚氯乙烯、高密度聚乙烯等。
SLS工作原理：
铺粉
激光器扫描
图8、SLS工作原理图
SLS方法中的工艺参数对粉末的熔融有很大影响，如 激光功率、光斑大小、扫描速度、扫描间距、单层厚度、 粉床温度等都会影响烧结件的性能。 激光功率较低时,烧结件的拉伸强度和冲击强度均随 激光功率的增加而增加。激光功率过大时引起粉末的氧化 降解,从而降低了烧结件的强度。 扫描速度决定了激光束对粉末的加热时间,在激光功 率相同的情况下,扫描速度越低,激光对粉末的加热时间越 长,传输的热量多,粉末熔化较好,烧结件的强度高。但过低 的扫描速度导致粉末表面的温度过高,不仅不能提高烧结 件的强度,还会影响成型速度。
SLA优点：
(1)原材料的利用率将近100% ； (2)尺寸精度高( ±0. 1 mm)； (3)表面质量优良； (4)可以制作结构十分复杂的模型。
SLA缺点：
(1)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，如图5； (2)可使用的材料种类较少； (3)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。
RP 制品
RP技术基本原理：离散—堆积（叠加）
三维模型构建： Pro/E、UG、 SolidWorks、 激光扫描、 CT断层扫描等 三维模型的近 似处理:三角形 平面来逼近原 来的模型 （STL文件）
三维模型的切 片处理：加工 方向（Z方向） 进行分层
后处理：打磨、 抛光、涂挂、 烧结等
成型加工：成型 头（激光头或 喷头）按各截面 轮廓信息扫描
模具耐磨性能好、尺寸精度高。制作过程中要注意的 是解决好涂层与原型表面的贴合和脱离问题。
（4）电成形制模法
电成形制模法又称电铸制模法。其原理和制造过程 与金属喷涂法比较类似，又称电铸制模法。 它是采用电化学原理，通过电解液使金属沉积在原 型表面，然后背衬其他充填材料来制作模具的方法。