快速成形技术

4.2.3 选择性激光烧结
1986年，美国Texas大学的研究生C.Deckard提出了选择性烧 结（Selected Laser Sintering，SLS）的思想，稍后组建了DTM 公司，于1992年推出SLS成形机。 选择性激光烧结 的成形过程是：由CAD模型各层切片的平面 几何信息生成X-Y激光扫描器在 每层粉末上的数控运动指令，铺 粉器将粉末一层一层地撒在工作台上，再用滚筒将粉末滚平、压 实，每层粉末的厚度均对应于CAD模型的切片厚度。各层铺粉二 氧化碳激光器选择性烧结到基体上，而未被激光扫描、烧结的粉 末仍留在原处起支撑作用，直至烧结出整个零件。
SLS工艺使用固体粉末材料，该材料在激光的照射下吸收能量， 发生熔融固化 ，从而完成每层信息的成形。这种工艺的材料适用 范围很广，特别是在金属和陶瓷材料的成形方面有独特的优点。其 缺点是所成形的零件精度和表面粗糙度较差。
FDM工艺不采用激光作为能源，而是采用电能加热塑料丝，使 其在挤出喷头前达到熔融状态，喷头在计算机的控制下将熔融的塑 料丝喷涂到工作平台上，从而完成整个零件的加工过程。这种方法 的能量传输和材料传输均不同于前面的三种工艺，系统成本较低。 其缺点是：由于喷头的运动是机械运动，速度有一定限制，所以加 工时间较长；成形材料适用范围不广；喷头孔径不可能很小，因此， 原型的成形精度较低。
4 快速成形技术
4 快速成形技术 Rapid Prototyping Manufacturing-- RPM
快 速 成 形 技 术 又 称 快 速 原 型 制 造 ( R a p i d P r o t o t yp i n g Manufacturing，简称RPM)技术，诞生于20世纪80年代后期，是 基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领 域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层 制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，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，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一 种高效低成本的实现手段。即快速成形技术就是利用三维CAD的 数据 据 ，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原 型。
4.2.1.2 约束液面式
约束液面式与自由液面式的方法正好相反：光从下面往上照射， 成型件倒置于基板上，即最先成形的层片位于最上方，每层加工完 之后，Z轴向上移动一层距离，液态树脂充盈于刚加工的层片与底 板之间，光继续从下方照射，最后完成加工过程。 其次，在产品开发和制造过程中，能运用计算机能力和制造过 程的知识基础，用数字计算方法设计复杂产品；可靠地模拟产品的 特性和状态，精确地模拟产品制造过程。 约束液面式可提高零件制作精度，不需要使用刮平树脂液面的 机构 ，制作时间有较大缩短。
4.1.3 快速成形技术的特点
RP技术较之传统的诸多加工方法展示了以下的优越性。 （1）可以制成几何形状任意复杂的零件，而不受传统机械加工 方法中刀具无法达到某些型面的限制； （2） 属非接触式加工，没有刀具、夹具的磨损和切削力所产生 的影响； （3）不需要传统的刀具或工装等生产准备工作。任意复杂零件 的加工只需在一台设备上完成，其加工效率亦远胜于数控加工； （4） 制造原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可 使用；
4.1.2 RP起源
分层制造三维物体的思想雏形可追溯到4000年前，中国出土 的漆器用黏结剂把丝、麻黏结起来铺敷在底胎（类似RP的基板） 上，待漆干后挖去底胎成形。在世界上也发现古埃及人在公元前就 已将木材切成板后重新铺叠制成像现代胶合板似得叠合材料。
1892年 Blanther 用分层方法制作三维地图模型 1979年东京大学的 中川威雄教授
图4-3 选择性激光烧结原理图
4.2.4 熔融沉积制造 Scott Crump在1988年提出 了（Fused Deposition Modelin -g，FDM）的思想，1991年开发 了第一台商业机型。熔融沉积制 造是一种制作速度较快的快速成 型工艺。FDM的成形材料可用铸 造石蜡、尼龙、ABS塑料、可实 现塑料零件无注塑成形制造。
4.2.4 3DP成形过程
3DP工艺的成形原理是将粉末由储料桶送出，再以滚筒将送出 的粉末在加工平台上铺上一层很薄的原料。 喷嘴依照3D计算机模型切片后定义出来的轮廓喷出黏结剂， 黏着粉末。做完一层，加工平台自动下降一点，储料桶上升一点， 刮刀由升高了的储料桶上方把粉末推至工作平台并把粉末推平，再 喷黏结剂，如此循环可得到所要加工的形状。
FDM成形过程是：直接由计算机 控制的喷头挤出热塑材料沉 积成原型的每一薄层。整个模型从基座开始，由下而上逐层生成。
图4-3 FDM成形原理
FDM工艺的关键是半流动成形材料刚好在凝固温度点上，通常 控制在比凝固温度高1°C左右，FDM喷嘴受水平分层控制，当它 沿XY方向移动，半流动熔丝材料从FDM喷嘴中挤压出来，很快凝 固，形成精确地薄层。每层厚度范围为0.25~0.75mm,一层叠一层， 最后形成整体。
快速成形原理图
4.1 快速成形技术概论
4.1.1 RP定义
关于什么是“rapid prototyping”，目前有多种定义。 Terry T. Wohlers和美国制造工程协会（SME）对RP技术进 行了定义：RP系统依据三维CAD模型数据、CT和MRI扫描数据和 由三维实物数字化系统创建的数据，把所有数据分成一系列二维平 面，又按相同序列沉积或固化出物理实体。 清华大学颜永年教授等对RP的描述为：RP技术是基于离散/堆 积成形原理的新型数字化成形技术，是在计算机的控制下，根据零 件的CAD模型，通过材料的精确堆积，制造原形或零件的。 “rapid prototyping”在软件工程中是一种在开发较复杂软 件前，先开发出具有基本功能软件的方法。因此，该词已变得较为 模糊和不明确。 针对制造技术而言，狭义上的定义为：一种根据CAD信息数据 把成形材料层层迭加而制造零件的工艺过程。
光ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ化成形工艺过程原理图
4.2.1.1 自由液面式 自由液面式成形过程是：液槽中盛满液态光固化树脂，一定波 长的激光光束按计算机的控制指令在液面上有选择地逐层扫描固化 （或整层固化），每层扫描固化后的树脂便形成一个二维图形。一 层扫描结束后，升降台下降一层厚度，然后进行第二层扫描，同时 新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此直至整个成形过程结束。
4.2.1 光固化成形
1987年，美国3D Systems 公司推出了名为Stereolithograp -hy Apparatus（SLA）的快速成形装置，中文直译为立体印刷装 置，有人称之为激光立体造型、激光立体光刻、光造型等。因为目 前SL中的光源不再是单一的激光器，还有其他新德光源，如紫外灯 等，但是各种SL使用的成形材料均是对某种特种光束敏感的树脂， 因此，以下称SL工艺为光固化成形。光固化成形加工方式有自由液 面式和约束液面式。
图4-1 LOM工艺的成形原理 1— 二氧化碳激光器 2— 热压辊 3—加工平面 4—升降台 5— 收料轴 6—供料轴 7—料带 8—控制计算机
LOM的成形工艺是基于激光切割薄片材料、由黏结剂粘结各 层的，其具体工艺流程如下图所示。
图4-2
LOM工艺流程图
a）上料 b）热压 c）切割 d）分离 1—料带 2—热压辊 3—新层 4—零件 5—废料 6—二氧化碳激光器
4.2.5 三维印刷工艺
三维印刷（Tree Dimensional Printing，3DP）工艺是麻省理 工学院（MIT）Emanual Sachs等人研制的，被美国的Soligen公 司以DSPC（Direct Shell Production Casting）名义商品化，用 以制造铸造用的陶瓷壳体和芯子。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，而是通过喷头用黏结剂（如硅胶）将零件的 截面“印刷”在材料粉末上面。
（5）制造原型的复制性、互换性高；
（6）加工周期短、成本低，成本与产品复杂程度无关，一般 制造费用降低50% ，加工周期节约70%以上；
（7）加工过程中无振动、噪声和切削废料；
4.2 RP技术的主要工艺方法
快速成形技术经过20年左右的发展，其工艺已经逐步完善， 发展了许多成熟的加工工艺及成形系统。快速成形技术发展至今 以其技术的高集成性、高柔性、高速性而得到了迅速发展。目前 快速成形的工艺方法已有几十种之多，其中主要工艺有五种基本 类型：光固化成型法、分层实体制造法、选择性激光烧结法和熔 融沉积制造法，三维印刷工艺。
一般来说采用RP快速产品开发技术可减少产品开发成本30%~ 70%，减少开发时间50%，如开发光学照相机采用RP技术仅3~5天 （从CAD建模到原型制作）花费5000马克，而传统的方法则至少需 要一个月，耗需3万马克。
4.3.2 国外RP技术的发展现状 美国是世界上最重要的RP设备生产国，1999年美国生产的RP设 备占全世界的81.5%，美国的RP发展水平及其趋势可以说代表了世 界的RP设备发展水平及趋势。
4.2.6 RP技术各成形工艺比较
SL工艺使用的是遇到光照射便固化的液体材料（也成光敏树 脂），当扫描器在计算机的控制下扫描光敏树脂液面时，扫描到的 区域就发生聚合反应和固化，这样层层加工即完成了原型制造。 SL工艺所用激光器的激光波长有限制，一般采用UVhEHe-Cd激光 器（325nm）和UV Ar激光器（351nm，364nm）。采用这种工艺 成形的零件有较高的精度且表面光洁，但其缺点是可用材料的范围 较窄，材料成本较高，激光器价格昂贵，从而导致零件制作成本较 高。 LOM工艺的层面信息通过每一层的轮廓来表示，激光扫描器动 作由这些轮廓信息控制，它采用的材料是具有厚度信息的片材。这 种加工方法只需要加工轮廓信息，所以可以达到很高的加工速度。 其缺点是材料范围很窄，每层厚度不可调整，每层轮廓被激光切割 后会留下燃烧的灰烬，而且燃烧时有较大烟雾。
利用分层技术制造了金属冲裁 模、成形模和注塑模
20世纪70年代末到80年代初，美国3M公司的Alan J. Hebert（1978年）、日本的小玉秀男（1983年） 、美国UVP公司的Charles W. Hull（1982年）和日 本的丸谷洋二（1983年）各自独立的首次提出了RP 的概念
Chares W.Hull在UVP地资助下，完成了第一个RP 系统——Stereolithography Apparatus（SLA） 1986年该系统获得专利，这是RP发展的一个里程碑
4.2.2 叠层实体制造
1984年Michael Feygin提出 叠层实体制造（Laminated Objec -t Manufacturing，LOM）方法， 并于1985年组建Helisys公司， 1992年推出第一台商业机型 LOM-1015。 叠层实体制造其成形过程是：根据CAD模型各层切片的平面 几何信息驱动激光头，对涂覆有热敏胶的纤维纸（厚度0.1mm或 0.2mm）进行分层实体切割。随后工作台下降一层高度，送进机构 又将新的一层材料铺上，并用热压辊碾压使其紧粘在已经成形的基 本上，激光头再次进行切割运动，切出第二层平面轮廓，如此重复 直至整个三维零件制作完成。其原型件的强度相当于优质木材的强 度。
3DP工艺是一种简单的RP技术。可配合PC使用，操作简单， 速度高，适合办公室环境使用。其缺点是 ：工件表面顺滑度受制 于粉末的大小，所以工件表面粗糙，需用后处理来改善；原型件结 构较松散，强度较低。
4.3 快速成形技术的应用与发展
4.3.1 RP技术应用及其市场 快速成技术已经广泛应用于家电、汽车、航空航天、船舶、工 业设计、医疗等领域。艺术、建筑等领域的工作者也开始使用RP 设备，越来越多的艺术家已成为计算机工作者，即不再单纯地依靠 以前的手工，而是由RP设备来表达新的思路和创新。从广义上讲， 这些应用均可属“产品开发范畴”。