快速成型技术及应用

第一章 快速成型原理及方法概要

1.3 RPT的现状和发展方向
取得重大成果。如美国DTM公司利用SLS工艺成形金属 件。一般可通过两种途径：一是使用高功率二氧化碳激 光直接烧结金属粉，逐层堆积成致密度高的结构件；二 是使用中低功率二氧化碳激光烧结覆膜金属粉成形，然 后通过高温烧结和渗金属处理获得致密度高的结构件。 国内如中北大学已利用SLS工艺间接成形小型结构件并 获得阶段成果。西工大在高功率激光直接烧结金属粉的 研究已取得重大进展。 加强RPT的应用研究，最大程度地拓宽其应用领域 。我国更应重视将RPT与反求工程相结合设计开发新产 品，符合中国国情。
第一章 快速成型原理及方法概要
1.1成型方式分类
根据现代成形学的观点,从物质的组织方式分为以 下四类: (1)去除成形(Dislodge Forming).去除成型是利 用分离的方法,把一部分材料有序地从基体上分离出去 而成型的方法. (2)堆积成形(Stacking Forming)．堆积成型是运 用合并与连接的方法，把材料（气．液．固相）有序 地合并堆积起来的成型方法．RP即属于堆积成型．堆 积成型是在计算机控制下完成的，其最大特点是不受 成型零件复杂程度的限制．从广义上讲，焊接也属堆 积成型范畴．
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１.２快速成形的主要工艺方法
1.2.2分层实体制造(Laminated Object Manufacturing--LOM)
也称薄形材料选择性切割．它根据三维模型每一个截面的轮廓线．在计算 机的控制下，用CO2激光束对薄形材料(如底面涂胶的纸)进行切割，逐步 得到各层截面，并黏结在一起，形成三维产品，如图所示．这种方法适合 成形大．中型零件，翘曲变形小，成形时间较短，但尺寸精度不高，材料 浪费大，且清除废料困难．
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1.1成型方式分类
(3)受迫成形（Stacking Forming）受迫成型是利 用材料的可成形性（如塑性等）在特定外围约束（边 界约束或外力约束）下成形的方法．传统的锻压，铸 造和粉末冶金等均属于受迫成形． (4)生长成形(Growth Forming)生长成形是利用材 料的活性进行成形的方法，自然界中生物个体发育均 属于生长成形，“克隆”技术是产生在人为系统中的 生长成形方式．随着活性材料，仿生学，生物化学， 生命科学的发展，这种成形方式将会得到很大发展．
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1.3 RPT的现状和发展方向
美国MIT(Massachusetts Institute of Technology),是3D－P技术的发源地，包括金属型和陶 瓷型，后者已商业化。目前MIT在直接金属熔化沉积制 造中取得了相当的进展。 美国Dayton University，从事包括SLA在内的多 种RPT工艺。 美国UT（Texas University at Austin），与DTM 公司合作，主要为SLS工艺。 美国Carnegie Mellon University，主要从事基 于RPT的微型机械研究和开发。
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１.２快速成形的主要工艺方法
1.2.3选择性激光烧结(Selected Laser Sintering--SLS) 粉末材料选择性激光烧结的原理如图1-5所示.使用CO2激光器烧结粉末材 料(如蜡粉,PS粉,ABS粉,尼龙粉,覆膜陶瓷和金属粉等).成形时先在工作 台上铺上一层粉末材料,激光束在计算机的控制下,按照截面轮廓的信息, 对制件的实心部分所在的粉末进行烧结.一层完成后,工作台下降一层厚, 再进行后一层的铺粉烧结.如此循环,最终形成三维产品.
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1.3 RPT的现状和发展方向
南京航空航天大学、北京隆源公司，主要从事基 于SLS工艺的设备、工艺和材料的研究，后者已经产业 化。 西安交通大学则在SLS设备、工艺和材料的研究方 面取得了很大进展，也已经产业化。 西北工业大学利用高功率激光器直接烧结金属粉， 成形结构零件取得了阶段性成果。 中北大学（原华北工学院）对SLS的研究取得了重 大突破，研制成功线扫描SLS设备，提高了成形效率和 质量。该项成果具有自主知识产权，技术达国际先进水 平。
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１.２快速成形的主要工艺方法 1.2.7热塑性材料选择性喷洒 下图是一种喷墨式的热塑性材料选择性喷洒快速成型系统的原理 图。它采用两个喷嘴，其中一个用于喷洒成形用热塑性材料，另一个 用于喷洒支撑成形件的蜡。这两个喷嘴能根据截面轮廓的信息，在计 算机的控制下做x-y平面运动，选择性地分别喷洒溶化的热塑性材料和 蜡，此两种材料在工作台基底上迅速冷却后形成固态截面层和支撑结 构。随后，用一刀具铣平它们的上表面，使其控制在预定的截面高度 ，每层截面成型之后，工作台下降一截面层的高度，再进行后一层的 喷洒，如此循环。
快速成型技术及应用
中北大学学习略记
目录
快速成型及技术原理及方法概要 快速模具制造技术概要 快速成型技术的软件技术 中北大学在此方面的一些成果

第一章 快速成型原理及方法概要


快速成型（Rapid Prototyping--RP）技术属于机械工 程学科特种加工工艺的范围，用激光作为能源的快速成 型技术（RPT）还可以归入激光加工门类，它是一项多 学科交叉多技术集成的先进制造技术，也是制造理论研 究成果中具有代表性的成果之一． 笼统地讲,快速成型属于添加成型,严格地讲,快速成型 是离散/堆积成型.将计算机上制作的零件三维模型,进 行网格化处理并存储,对其进行分层处理,得到各层截面 的二维轮廓信息,按照这些轮廓信息生成加工路径,由成 型头在控制系统的控制下,选择性地固化或切割一层层 的成型材料,形成各个截面轮廓薄片,并逐渐顺序叠加成 三维坯件,然后进行坯件的后处理,形成零件,如图1-1所 示.
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１.２快速成形的主要工艺方法 1.2.5三维打印(Three-Dimensional Printing---3D-P) 三维打印也称粉末材料选择性粘结，如图1-7所示。喷头在计算机的控制 下，按照截面轮廓的信息，在铺好的一层粉末材料上，有选择性地喷射 粘结剂，使部分粉末粘结，形成截面层。一层完成后，工作台下降一个 层厚，铺粉，喷粘结剂，再进行后一层的粘结，如此循环形成三维产品 。粘结得到的制件要置于加热炉中，作进一步的固化或烧结，以提高粘 结强度。
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１.２快速成形的主要工艺方法 1.2.6固基光敏液相法（Solid ground curling--SGC）
固基光敏液相法的工艺原理如图1-8所示。一层的成型过程由五步来 完成：添料；掩膜紫外光曝光；清除未固化的多余液体料；向空隙处填 充蜡料和磨平。掩膜的制造采用了离于成像技术，因此同一底片可以重 复使用。由于过程复杂，SGC成形机是所有成形机中最庞大的一种。
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1.3 RPT的现状和发展方向
该校开发的点扫描SLS设备，具有光斑尺寸小（直径 0.3mm）、加工精度高等特点，技术达到国内领先水平 。同时自主开发的蜡粉、PS粉等成形材料性能也好于 国内同类产品，已获得较好的产业化成果。 近年来在全国各地建立的RPT中心已经遍布北京、 太原、深圳、广州、天津、上海、西安、武汉、宁波 、重庆以及香港、台湾等地。一些大型企业配备了RPS ，服务于本企业的生产和新产品开发。目前，RPT在我 国的推广和发展呈现出大好势头。
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1.3 RPT的现状和发展方向
德国、新加坡、以色列等国也在RPT方面投入力量 进行了卓有成效的研究。 国外各类RP设备和工艺的产业化情况如下表。
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1.3 RPT的现状和发展方向
2.国内RPT的现状 国内RPT的研究从20世纪90年代初开始，起步较早 ，发展很快，具有代表性的有： 清华大学，主要从事基于LOM和FDM工艺的设备、工 艺和材料的研究，已经产业化。 华中理工大学，主要从事基于LOM工艺的设备、工 艺和材料的研究，进来也开展了对SLS的研究，已经产 业化。 浙江大学，主要对光敏树脂的成形性能进行了许多 研究。
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１.２快速成形的主要工艺方法
1.2.8变长线扫描SLS RPT 1.2.9高功率激光二极管线阵能量源SLS RPT
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1.3 RPT的现状和发展方向
RPT是当今世界上发展最迅速的先进制造技术之一， 在短短十几年的时间里，从只有一家公司的一台设备 （1988年第一台商业化成形机问世）发展到数百家机 构从事成形设备、工艺和相关材料的研究开发，成批 的加工中心面向社会承揽来图加工服务，更多的企业 利用RPT直接为生产和新产品开发服务。美国在这一领 域一直处于领先地位，而欧洲、日本和中国在RPT上也 取得了长足的进步。 1.国外RPT的现状 美国许多世界著名大学和研究机构投入了大量经 费和人力进行这方面的研究，具有代表性的有：
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１.２快速成形的主要工艺方法 1.2.4熔化沉积成形(Fused Deposition Model--FDM)
熔化沉积成形也称丝状材料选择性熔覆，其原理如图1-6所示．三维 喷头在计算机控制下，根据截面轮廓的信息，做x-y-z运动。丝材（如塑 料丝）由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热，熔化，然后被选择性地涂 覆在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层完成后，工作台下降一层 厚，再进行后一层的涂覆，如此循环形成三维产品。
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1.3 RPT的现状和发展方向
美国Drexel University、New Jersey理工学院、 斯坦福以及许多大学都在进行这方面的研究工作。 美国海军的David Taylor Research Centre以及 Aerospac Company Rohr Industries of San Diego 也参加到了这个领域中来。 英国Nottingham和苏格兰Dundee等许多大学和研 究机构在开展这方面的工作。 日本以东京大学为首，一批学术、研究单位也积 极开展了这方面的工作。
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1.3 RPT的现状和发展方向
3. RPT的发展方向 由于RPT属于一种新的制造技术，因此在设备、工艺 和材料各方面都存在很大的发展空间。上述介绍的各种 RP工艺方法各具优缺点，加工对象和应用方向也各有侧 重，使用的材料也不同。因此如何扬长避短，进一步完 善和改进各种RP工艺，提高加工效率和质量，降低设备 制造成本和运行成本，研究开发更多适用材料，降低材 料成本，这是RPT到了产业化阶段参与激烈的市场竞争 必须要面临的问题。 直接使用金属材料和陶瓷成形产品结构件，这是全 世界RPT的发展方向，国外已经从事这方面的研究并
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1.3 RPT的现状和发展方向
完善系统工艺，进一步提高成形速度和精度，降低 系统价格和运行成本，开发出满足工程要求的材料是 RPT发展的重点。另外，完善RP系统与CAD系统的接口 ，制定统一的数据交换标准也是一直研究的重点之一 。
第二章 快速模具制造技术概要
2.1快速模具制造技术的概念
第一章 快速成型原理及方法概要
１.２快速成形的主要工艺方法
1.2.1立体印刷(Stereo Lithography Apparatus--SLA) 此工艺方法也称液态光敏树脂选择性固化．这是一种最早出现的 RPT，它的原理如图1-3所示．液槽中盛满液态光敏树脂，它在紫外激光 束的照射下快速固化．成形开始时，可升降工作台使其处于液面下一层 厚的地方。聚焦后的紫外激光束在计算机的控制下按截面轮廓进行扫描 ，使扫描区域的液态树脂固化，形成该层面的固化层．然后工作台下降 一层的高度，其上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层的扫描固化，与 此同时新固化的一层牢固地黏结在前一层上，如此重复直到整个产品完 成．