快速成形技术及其常用工艺

程晓民、 陈伟文： 快速成形技术及其常用工艺
!"
表面粗糙度好、 颜色丰富多彩。 与传统零件翻制工艺结合， 可以迅速获得功能零件。 如图 # 所示， 其工作原 理与 $%& 类似，两者的主要区别在于材料成型机理，$%& 是将蜡或塑料加热熔融后沉积于加热成型表 面， 靠边界面的熔化粘接于上一层， 其间材料会收缩， 而 ’$( 则是将常温水 ) 或水溶液 * 沉积于低温成型 其间材料会膨胀， 零件表面则自然光 表面， 靠水与冰的自然亲和力 ) 氢键 * 与上一层自然牢固地连接起来， 滑。图 + 为零件的 ,-% 模型与所制得的冰型。
!"
宁 波 高 等 专 科 学 校 学 报
!##$ 年第 ! 期
往往需要将粉末外包裹易烧结塑料作为连接 介质，成型后再经过中温去介质和高温烧结 等后处理工艺才可得到陶瓷或金属零件。 $. " 分 层实 体制 造 成型 ’/-（ ’01230456 /78594 -03:;094:<23=） ’/- 工艺由美国 >5?2@A@ 公司商品化，主 要型号有 ’/- * B#B%、 其工作 ’/- * !#$# 等。 原理与前述三种快速成型工艺有较大差别。 在材料形态上， ’/- 使用具有均匀厚度的片
图(
$) * + 工艺工作原理
$. ( 形状沉积制造成型 &)-（ &E0G5 )5GF@242F3 -03:;094:<23=） &)- 是去除加工与分层堆积 制造相结合的一种新型快速成形 制造工艺， 如图 , 所示。它综合了 两种零件成型的优点， 既可以制造 金属零件，具有较高的成型精度 H 由切削加工保证 I ， 又基本突破了 零件复杂程度限制， 而且与其他快 速成形工艺过程一样，由 JK) 模 型直接驱动、 无需编程。其层层加
图, &)- 工艺工作原理
工的原理是： 喷头喷出的熔化材料
沉积到成型表面上冷却凝固， 点点堆积获得层面， 然后利用五轴数控加工设备精确地加工新获得的层面 H 包括轮廓形状和层面厚度 I 并进行喷丸等去应力处理， 使其具有较高的精度和较小的内应力。成型材料 包括金属和各种塑料。 $. , 快速冻结成型 LM+（ L0G26 M<55N23= +<F4F4AG23=） 最早由张伟博士于 BOO" 年在清华大学提出， 开发于美国新泽西理工学院， 是一 LM+ 工艺又称冰型， 种纯粹的原型制造工艺， 不具有直接制造功能零件的潜力， 但其主要优点是材料清洁易得、 成型速度快、
!
快速成形制造原理与分类
快速成形是一种基于离散堆积成形思想的数字化成形技术：通过离散， 把复杂的三维制造转化为一 系列有序的低维制造的叠加， 把整个零件的制造过程转化为有序的简单单元体的制造与结合过程。按不 同的分类方法， 快速成形分类如 图 $ 所示。 快速成形技术的基本 工作过程如图 ! 所示： 首先由三 维 )*+ 软件设计出零件的 )*+ “ 电子模型 , ， 然后根据具体工艺 要求， 按照一定规则将该模型离 散为一系列有序的单元， 通常是 沿 - 向离散为一系列二维层面， 习惯上称为分层 . /012134 5 或切 片，再根据这些离散信息，输入 加工参数，生成 6) 代码。原形 机 则 在 6) 代 码 控 制 下 顺 序 加 工生成各单元体并使之彼此结 合， 从而得到与“ 电子模型 , 对应的三维实体 . 又称物理模型或原型 5 。
$% # 自由成型制造 无需使用工具、 模具， 自由地成型， 大大缩短了新产品开发周 &’ 技术可以根据原型或零件的形状， 期， 节省工具或样件模具费用； 同时不受零件形状复杂程度限制， 能够制造任意复杂形状与结构、 不同材 料复合的原型或零件。 $% ( 广泛的应用领域 除制造原型外， 特别适合于新产品开发、 快速单件及小批量零件制造、 不规则零件或复杂形状零件的 制造、 模具及模型的设计与制造、 外形设计检查、 装配检验、 快速反求与复制， 也适合难加工材料的制造等。
! 快速成形技术与传统加工方式的区别
技术是有别于传统加工方式的制造新技术， 它于 #$ 世纪 B$ 年代后 快速成形 *E（ *FGHI EJ5K5KLGH9M） 期首先在美国产生并商品化， D$ 年代在全球迅速发展起来。 *E 技术是继 &$ 年代 +2 技术之后制造领域 的又一重大突破， 是先进制造技术群中的重要组成部分。 *E 技术综合运用 2,N ? 2,O 技术、 激光技术和 材料技术，在没有传统模具和夹具的情况下，快速制造出任意复杂形状而又具有一定功能的三维实体模 型或零件。 快速成形技术的推广应用将明显缩短新产品的上市时间， 节约新产品开发和模具制造的费用， 广泛应用于航空航天、 汽车、 通讯、 医疗、 电子、 家电、 玩具、 军事装备、 工业造型 （ 雕刻） 、 建筑模型、 机械等 领域。 快速成形技术在原理上与现有的制造技术存在着明显的区别， 如表 ! 所示， 压力加工属于受迫成型， 切削加工属于去除成型， 而快速成形采用的是堆积成型原理。
!"
世界上第一台 ’( 商用样机 )*+ , -， 其后相继推出 )*+ , !./0 )*+ , .//0 )*+ , ./// 和 )*+ , 1/// 等。 紫外波长的激光束在偏转镜作用下于 )*+ 是基于液态光敏树脂的光固化原理工作的。如图 " 所示， 液面上按离散路径信息扫描， 光点经过的地方， 受辐射的液体就固化， 这样一次平面扫描便加工出一个与 分层平面图形相对应的层面 0 并与前一层已固化部分自动结合起来， 而每一层内的激光扫描路径完全由 数据处理软件根据 2+% 模型的分层信息自动生成。当一层加工完成后， 机器读入下一层路径信息， 使工 作台下降一层厚度， 液体重新浸铺上来， 激光再次扫描加工下一层。这样层层加工直到整个过程结束， 得 到三维实体模型。在 )*+ 工艺中， 普遍使用的激光器为 34 , 25 激光器、 而成 +6 离子激光器或固态激光器； 型材料则以含感光剂的环氧类树脂为主， 它比原先使用的丙烯酸类树脂具有更高的固化精度和机械性能。 )*+ 工艺需要支撑，其作用是支撑零件的倒挂结构部分，当零件成型完成后，这些支撑结构必须去 除。 支撑结构由数据处理软件自动生成， 必要时需要进行一定的人为干预。 )*+ 的支撑结构与零件本体部 分一样也是层层堆积而成的， 主要区别仅在于激光扫描的参数不同。 除 "% )7894:8 公司外， 其它一些厂商也开发 )*+ 是零件精度和表面质量比较高而且稳定的 ’( 工艺， 了基于 )*+ 工艺的设备。 如日本 2 , &;< 公司的 )=>( 系列、 公司的 系列、 德国 ;=) 公司的 % , &;2 )2) )9464?8 #// 等。 "@ ! 熔融沉积成型 $%&（ $A845 %4B?8C9C?D &?54ECDF） $%& 工 艺 是 美 国 的 )G?99 26A:B 于 采用 $%& 工艺的设备 -HII 年研究成功的， 主 要 型 号 有 $%& , -J//， $%& , I// 和 $%& KALD9A: 等。 在前期数据处理的基本原理上， $%& 与 )*+ 相似，其主要差别反映在单元制造 和结合机理上。 直 $%& 基于熔融挤压原理， 接将熔融材料挤出喷头，在特定温度条件 下冷却凝固，并依靠挤出的熔融材料与本 体材料之间的热传递和村料本身粘性结合 起来。 如图 # 所示， 扫描喷头将挤出的熔融 材料按照分层路径信息有选择地沉积在衬 板 M 加工第一层时 N 或本体材料 M 已成型部 分 N 上， 通过升降台的运动完成层层沉积成 形。 $%& 的成型原材料为丝状的蜡、 +O) 塑
# 常用的快速成形工艺
#% $ 立体光固化成型 /7*（ /89:9;018<;4:=><? *>>=:=8@A） /7* 技术是美国的 )% B=00 于 $CDE 年研究成功的， $CDF 年获专利， $CDD 年由美国 #+ /?A89GA 公司推出
程晓民、 陈伟文： 快速成形技术及其常用工艺
图% &’& 工艺工作原理
状材料， 片材的一面涂敷有热熔胶， 用于将相 邻两层粘接起来。另外在 ’/- 工艺中，零件
的每一层不是通过点点堆积起来， 而是通过在片材上用强功率激光束切割层面轮廓获得的。对于轮廓内 部的材料不予加工， 而轮廓外部的多余材料则用激光束切碎， 它对下一层具有支撑作用， 因而 ’/- 工艺 也不需要支撑。这种工艺的特点是： 片材便宜、 成型过程中无材料相变应力、 不易发生翘曲变形、 速度快、 所用材料为纸、 合成材料、 塑料等片状材料。 模型强度大、 韧性好、 可替代传统木模翻制模具 C 零件， $. % 三维打印成型 $) * +（ DE<55 * 62153@2F30? +<23423=） $) * + 工艺是由麻省理工学院开发的 成型技术，与 &’& 类似，$) * + 也使用粉末 材料， 无需支撑， 但它不使用激光束， 而是用 喷头喷出的粘接剂粘接粉末材料，如图 ( 所 示。该工艺制出的原型经过烧结和渗铜等后 处理也可以制造金属模具 C 零件。
收稿日期： #$$# ; !# ; !< 作者简介： 程晓民， 女， 宁波高等专科学校副教授 7 基金项目： 浙江省自然科学基金项目 = "$#!<$ > ； 宁波市青年 ? 博士基金项目 = #$$%,&#$#! > 7
!! 计与制造一体化的技术。
宁 波 高 等 专 科 学 校 学 报
!""# 年第 ! 期
图# $%& 工艺工作原理
料或尼龙等。 挤出机构通过送进轮把丝材挤入喷头内的液化管中， 由液化管把材料逐渐加热至熔融状态， 丝材不断送入， 熔融材料被挤出喷嘴而沉积在成型面上。为保证每一层间的结合性能， 喷嘴、 液化管和环 境温度必须进行精确的控制。 $%& 工艺成型时需支撑结构，其最大的特点是可以直接制造塑料零件，材料和工艺过程的污染小， 并且不使用激光， 系统运行成本比较低。因而 $%& 设备的市场占有率近年来不断攀升。 "@ " 选择性激光烧结成型 )*)（ )4E4G9CP4 *L846 )CD946CDF） )*) 工艺首先由美国 %<& 公司商品化，主要型号有 )*) , -!.、 )*) , !///、)*) , !.// 等。 )*) 与 )*+ 工艺在材料、激光器和材料进给方式上存在着较大差别，主要区别为：)*+ 使用紫外波长的激光束 M 功率为几十到几百毫瓦 N 有选择地固化液态的光敏树脂， 材料进给通过升降台下降利用液体流动性自动 完成， 而 )*) 使用 2=! 激光器产生的强功率激光束 M 功率为几十瓦或更高 N 有选择地烧结固体粉末材料， 当一层烧结完毕后， 供料活塞顶出一部分材料， 由布料辊子把这些粉末材料推到成型表面上铺平。 这样层 层烧结获得三维实体。 图 . 为其工作原理示意图， 图中未烧结的部分粉末对下一层的烧结具有支撑作用， 因而 )*) 工艺不需要支撑。 目前使用的材料包括各种塑料、 蜡、 尼龙、 甚至陶瓷和金属粉末， 只是后者 )*) 工艺的材料适应性好，
*E 技术具有如下特点： !7 ! 制造快速 从产品 2,N 模型或从实体反求获得数 *E 技术是并行工程中进行复杂原型和零件制造的有效手段， 据到制成原型， 一般只需要几小时至几十小时， 速度比传统成型加工方法快得多。 !7 # 技术高度集成 数据采集与处理技术、 材料工程、 机电加工与控制技术的综合体现， 是实现设 *E 技术是计算机技术、
要： 将快速成形技术与传统加工方式进行比较， 介绍了快速成形的原理、 分类， 以及主要的快速成形工艺。快速成
形是一种具有广阔应用前景的技术， 在新产品开发、 零件的多品种小批量生产及快速模具制造等领域正在发挥日益重要的
文章编号： !$$B ; C!$D （ #$$% ） $# ; $$#! ; $"
第 !" 卷 第 # 期 #$$% 年 & 月
宁 波 高 等 专 科 学 校 学 报 ’()*+,- (. +/+01( 2(--303
4567 !" +57 # ’89:7 #$$%
快速成形技术及其常用工艺
程晓民 陈伟文
%!源自文库$!& >
= 宁波高等专科学校 浙江 宁波 摘 作用。 关键词： 快速成形； 成型工艺； 立体光固化成型； 熔融沉积成型 中图分类号： @A!& 文献标识码： ,