快速成型的技术

第二节
PCM快速成型工艺
• 无模铸型制造技术（PCM）－制作大型铸件的快速成型工艺 • 无模铸型制造技术（PCM，Patternless Casting Manufacturing） 是由清华大学激光快速成形中心开发研制。该将快速成形技术应用到 传统的树脂砂铸造工艺中来。首先从零件CAD模型得到铸型CAD模型。 由铸型CAD模型的STL文件分层，得到截面轮廓信息，再以层面信息 产生控制信息。造型时，第一个喷头在每层铺好的型砂上由计算机控 制精确地喷射粘接剂，第二个喷头再沿同样的路径喷射催化剂，两者 发生胶联反应，一层层固化型砂而堆积成形。粘接剂和催化剂共同作 用的地方型砂被固化在一起，其他地方型砂仍为颗粒态。固化完一层 后再粘接下一层，所有的层粘接完之后就得到一个空间实体。原砂在 粘接剂没有喷射的地方仍是干砂，比较容易清除。清理出中间未固化 的干砂就可以得到一个有一定壁厚的铸型，在砂型的内表面涂敷或浸 渍涂料之后就可用于浇注金属。
SLS快速成型工艺
• 选择性激光烧结(SLS)－－材料广泛的快速成型工艺 • SLS工艺又称为选择性激光烧结，由美国德克萨斯大学 奥斯汀分校的C.R. Dechard于1989年研制成功。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粘接； 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。
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3DP快速成型工艺
• 三维印刷(3DP)－－高速多彩的快速成型工艺 • 三维印刷(3DP)工艺是美国麻省理工学院Emanual Sachs等人研制 的。E.M.Sachs于1989年申请了3DP（Three-Dimensional Printing） 专利，该专利是非成形材料微滴喷射成形范畴的核心专利之一。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。用粘接剂粘接的 零件强度较低，还须后处理。具体工艺过程如下：上一层粘结完毕后， 成型缸下降一个距离（等于层厚：0.013～0.1mm）,供粉缸上升一高 度，推出若干粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实。喷头在 计算机控制下，按下一建造截面的成形数据有选择地喷射粘结剂建造 层面。铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。如此周而复始地送 粉、铺粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维粉体的粘结。未被喷射粘 结剂的地方为干粉，在成形过程中起支撑作用，且成形结束后，比较 容易去除。
• 和传统铸型制造技术相比，无模铸型制造技术具有无可比拟的优越性， 它不仅使铸造过程高度自动化、敏捷化，降低工人劳动强度，而且在 技术上突破了传统工艺的许多障碍，使设计、制造的约束条件大大减 少。具体表现在以下方面：制造时间短、制造成本低、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。 • 在国内外，也有其它一些将RP技术引入到砂型或陶瓷型铸造中来 的类似工艺。其中较为典型的有：MIT开发研制的3DP（Three Dimensional Printing）工艺、德国Generis公司的砂型制造工艺等。 美国Sloigen公司的DSPC（Direct Shell Production Casting）工
• 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。一般层厚在0.1到0.15mm，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，使该工艺的加工精度能达到0.1mm，现在最高精 度已能达到0.05mm。但这种方法也有自身的局限性，比 如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂有一定 的毒性等。
SL快速成型工艺
• • 立体光刻(SL)----高精度的快速成型工艺 SL工艺，由Charles Hull于1984年获美国专利。1986年美国3D Systems公司推出商品化样机SLA—1，这是世界上第一台快速原形系 统。SLA系列成形机占据着RP设备市场的较大份额。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（325 或355nm）和强度(w=10～400mw)的紫外光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。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，工作平台在液面下一个确定的深度，液面始终处于激光 的焦平面，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，然后再进行下一层的扫描，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。
• 主要工艺： • RP技术结合了众多当代高新技术：计算机辅助设计、 数控技术、激光技术、材料技术等，并将随着技术的更新 而不断发展。自1986年出现至今，短短十几年，世界上已 有大约二十多种不同的成形方法和工艺，而且新方法和工 艺不断地出现。目前已出现的RP技术的主要工艺有： • 1． SL工艺 ： 光固化/立体光刻 • 2． FDM工艺： 熔融沉积成形 • 3． SLS工艺： 选择性激光烧结 • 4． LOM工艺： 分层实体制造 • 5． 3DP工艺： 三维印刷 • 6． PCM工艺： 无木模铸造
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• 这种工艺不用激光，使用、维护简单，成本较低。用蜡成 形的零件原型，可以直接用于失蜡铸造。用ABS制造的原 型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到 广泛应用。近年来又开发出PC，PC/ABS，PPSF等更高 强度的成形材料，使得该工艺有可能直接制造功能性零件。 由于这种工艺具有一些显著优点，该工艺发展极为迅速， 目前FDM系统在全球已安装快速成形系统中的份额大约为 30％ • 适于三维打印机的特点 • 不使用激光，维护简单，成本低：价格是成型工艺是否适 于三维打印的一个重要因素。多用于概念设计的三维打印 机对原型精度和物理化学特性要求不高，便宜的价格是其 能否推广开来的决定性因素。
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• 三维印刷(3DP)工艺是美国麻省理工学院Emanual Sachs等人研制的。 E.M.Sachs于1989年申请了3DP（Three-Dimensional Printing）专利， 该专利是非成形材料微滴喷射成形范畴的核心专利之一。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。用粘接剂粘接的零件 强度较低，还须后处理。具体工艺过程如下：上一层粘结完毕后，成 型缸下降一个距离（等于层厚：0.013～0.1mm）,供粉缸上升一高度， 推出若干粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实。喷头在计算 机控制下，按下一建造截面的成形数据有选择地喷射粘结剂建造层面。 铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。如此周而复始地送粉、铺 粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维粉体的粘结。未被喷射粘结剂的 地方为干粉，在成形过程中起支撑作用，且成形结束后，比较容易去 除。 •
LOM快速成型工艺
• 分层实体制造(LOM)－没落的快速成型工艺 • LOM工艺称为分层实体制造，由美国Helisys公司的Michael Feygin 于1986年研制成功。该公司已推出LOM-1050和LOM-2030两种型号 成形机。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；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。
快速成型技术
目录
• • • • 第一节 第二节 第三节 第四节 快速成型简介 典型快速成型工艺比较 PCM快速成型工艺 3DP快速成型工艺
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第五节 第六节 第七节 第八节 第九节
LOM快速成型工艺 SLS快速成型工艺 SL快速成型工艺 FDM、MEM快速成型工艺 CAD造型软件输出STL文件方法
• 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。零件的精度较高（< 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，所有 LOM工艺无需加支撑。 • 研究LOM工艺的公司除了Helisys公司，还有日本Kira公司、 瑞典Sparx公司、新加坡Kinergy精技私人有限公司、清华 大学、华中理工大学等。但因为LOM工艺材料仅限于纸， 性能一直没有提高，以逐渐走入没落，大部分厂家已经或 准备放弃该工艺 •
快速成型(Rapid Prototyping)
快速成型技术的特点： 与传统材料加工技术相比,快速成型具有鲜明的特点： 1．数字化制造。 2．高度柔性和适应性。可以制造任意复杂形状的零件。 3．直接CAD模型驱动。如加工完毕，只需几 十分钟至几十小时。 • 5．材料类型丰富多样，包括树脂、纸、工程蜡、工程塑 料（ABS等）、陶瓷粉、金属粉、砂等，可以在航空，机 械，家电，建筑，医疗等各个领域应用。 • • • • • •
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该工艺的特点是成形速度快，成形材料价格低，适合做 桌面型的快速成形设备。并且可以在粘结剂中添加颜料， 可以制作彩色原型，这是该工艺最具竞争力的特点之一， 有限元分析模型和多部件装配体非常适合用该工艺制造。 缺点是成形件的强度较低，只能做概念型使用，而不能做 功能性试验。 三维印刷(3DP)－－高速多彩的快速成型工艺
第一节
• 快速成型(Rapid Prototyping)： • 快速成形技术（简称RP）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，其基本过程是：首先设计出所需零件的计 算机三维模型（数字模型、CAD模型），然后根 据工艺要求，按照一定的规律将该模型离散为一 系列有序的单元，通常在Z向将其按一定厚度进行 离散（习惯称为分层），把原来的三维CAD模型 变成一系列的层片；再根据每个层片的轮廓信息， 输入加工参数，自动生成数控代码；最后由成形 系统成形一系列层片并自动将它们联接起来，得 到一个三维物理实体。
• SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛，如尼龙、蜡、 ABS、树脂裹覆砂（覆膜砂）、聚碳酸脂（poly carbonates）、金属和陶瓷粉末等都可以作为烧结对象。 粉床上未被烧结部分成为烧结部分的支撑结构，因而无需 考虑支撑系统（硬件和软件）。SLS工艺与铸造工艺的关 系极为密切，如烧结的陶瓷型可作为铸造之型壳、型芯， 蜡型可做蜡模，热塑性材料烧结的模型可做消失模。
FDM.MEM快速成型工艺
• 熔融挤出成型--高性能的快速成型工艺 • 熔融挤出成型(FDM)工艺的材料一般是热塑性材料，如 蜡、ABS、PC、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，材料迅速固化，并与周围的材料粘结。 每一个层片都是在上一层上堆积而成，上一层对当前层起 到定位和支撑的作用。随着高度的增加，层片轮廓的面积 和形状都会发生变化，当形状发生较大的变化时，上层轮 廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用，这就需要 设计一些辅助结构－“支撑”，对后续层提供定位和支撑， 以保证成形过程的顺利实现。