快速成型制造工艺--I
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在目前所有的快速成型工艺方法中，光固化成型法 （StereoLithography Apparatus，SLA)、叠层实体制造法 (LOM)、激光选区烧结法(Selective Laser Sintering，SLS)、 熔融沉积法(FDM)得到了世界范围内的广泛应用，下面重 点介绍这几种常用的快速成型技术：
ξ2 快速成型制造工艺
快速成型制造系统
ห้องสมุดไป่ตู้
快 速 成 型
产
品
产
造
品
型
原
型
ξ2 快速成型制造工艺
快速成型制造技术从广义上讲可以分成两类：材料叠加和材料去除。下 图给出了当前众多快速成型工艺根据材料和构建技术不同进行的分类。
ξ2 快速成型制造工艺
快速成型制造技术是20世纪80年代中期发展起来的 一项高新技术，从1988年世界上第一台快速成型机问世以 来，快速成型技术的工艺方法目前已有十余种。
CAD三维造型
三维实体造型是CAD模型的最好表示，也是快速原型制作 必须的原始数据源。
没有CAD三维数字模型，就无法驱动模型的快速原型制作。 CAD模型的三维造型可以在UG、Pro/E、Catie等大型CAD软 件以及许多小型的CAD软件上实现。
图2-2a给出的是小扳手在UG NX2.0上的三维造型。
ξ2 快速成型制造工艺
快速成型制造工艺
第一节 快速成型工艺过程及分类
快速成型制造工艺的全过程可以归纳为以下三个步骤： 1)前处理。它包括工件的三维模型的构造、三维模型的近 似 处理、模型成形方向的选择和三维模型的切片处理。 2)分层叠加成形。它是快速成形的核心．包括模型截面轮 廓 的制作与截面轮廓的叠合。 3)后处理。它包括工件的剥离、后固化、修补、打磨、抛 光和表 面强化处理等。 如图所示：
一层固化完毕后，工作台下移一个层厚的距离，以使在原 先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，用刮板将粘度 较大的树脂液面刮平，然后进行下一层的扫描加工，新固化的 一层牢固地粘结在前一层上，如此重复直至整个零件制造完毕， 得到一个三维实体原型。
ξ2 快速成型制造工艺
ξ2 快速成型制造工艺
因为树脂材料的高粘性，在每层固化之后，液面很难在短时间 内迅速流平，这将会影响实体的精度。采用刮板刮切后，所需数量 的树脂便会被十分均匀地凃敷在上一叠层上，这样经过激光固化后 可以得到较好的精度，使产品表面更加光滑和平整。
生聚合反应，选择时有局限性。
需要二次固化 经快速成型系统光固化后的原型树脂并未完
全被激光固化。
较脆，易断裂，性能尚不如常用的工业塑料
ξ2 快速成型制造工艺
二、 光固化快速原型的工艺过程
光固化快速原型的制作一般可以分为前处理、原型制作和 后处理三个阶段。
（一）前处理
前处理阶段主要是对原型的CAD模型进行数据转换、摆放方位确定、 施加支撑和切片分层，实际上就是为原型的制作准备数据。下面以某一小 扳手的制作来介绍光固化原型制作的前处理过程。
ξ2 快速成型制造工艺
第二节 光固化成型工艺
光固化成型工艺，也常被称为立体光刻成型，英文的名 称为StereoLithography，简称SL，也有时被简称为SLA （StereoLithography Apparatus），该工艺是由Charles (查 尔斯)Hull于1984年获得美国专利，是最早发展起来的快速 成型技术。自从1988年3D Systems公司最早推出SLA商品 化快速成型机以来，SLA已成为最为成熟而广泛应用的RP 典型技术之一。
ξ2 快速成型制造工艺
图2-2
光 固 化 快 速 原 型 前 处 理
a) CAD三维原始模型
c) 模型的摆放方位
b) CAD模型的STL数据模型 d) 模型施加支撑
ξ2 快速成型制造工艺
数据转换
数据转换是对产品CAD模型的近似处理，主要是生成STL 格式的数据文件。
STL数据处理实际上就是采用若干小三角形片来逼近模型 的外表面，如图2-2b所示。
光固化成型以光敏树脂为原料，通过计算机控制 紫外激光使其凝固成型。
这种方法能简捷、全自动地制造出历来各种加工 方法难以制作的复杂立体形状，在加工技术领域中具 有划时代的意义。
ξ2 快速成型制造工艺
一、光固化成型的基本原理和特点 （一）光固化成型的基本原理
光固化成型工艺的成型过程如图2-2示。
液槽中盛满液态光敏树脂，氦－镉激光器或氩离子激光器 发出的紫外激光束在控制系统的控制下按零件的各分层截面 信息在光敏树脂表面进行逐点扫描，使被扫描区域的树脂薄 层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。
ξ2 快速成型制造工艺
前前处处理理 构造三维模型 模型近似处理 成型方向选择
切片处理
分层叠加成型
光固化快速成型－SLA 叠层实体制造－LOM 选择性激光烧结－SLS 熔融沉积制造－FDM
＊＊＊＊＊
后后处处理理
工工件件剥剥离离或或 去去支支撑撑等等
强强硬硬化化处处理理 表表面面处处理理
快速成型制作过程
但是，有时为了提高原型制作质量以及提高某些关键尺寸和形 状的精度，需要将最大的尺寸方向作为叠层方向摆放。
ξ2 快速成型制造工艺
吸附式涂层结构
ξ2 快速成型制造工艺
（二）光固化成型技术的特点
优点：
SLA系统非常稳定，加工开始
成型过程自动化程度高 后，成型过程可以完全自动化，
直至原型制作完成。
尺寸精度高
SLA原型的尺寸精度可以达到±0.1mm。
优良的表面质量
虽然在每层固化时侧面及曲面可能出现台阶，但上表面
仍可得到玻璃状的效果。
可以制作结构十分复杂的模型
可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失型
缺点：
制件易变形 成型过程中材料发生物理和化学变化 设备运转及维护成本较高 液态树脂材料和激光器的价格较高 使用的材料较少
目前可用的材料主要为感光性的液态树脂材料
液态树脂有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止提前发
这一阶段需要注意的是STL文件生成的精度控制。目前， 通用的CAD三维设计软件系统都有STL数据的输出。
ξ2 快速成型制造工艺
确定摆放方位
摆放方位的处理是十分重要的，不但影响着制作时间和效率， 更影响着后续支撑的施加以及原型的表面质量等，因此，摆放方位 的确定需要综合考虑上述各种因素。
一般情况下，从缩短原型制作时间和提高制作效率来看，应该 选择尺寸最小的方向作为叠层方向。
ξ2 快速成型制造工艺
快速成型制造系统
ห้องสมุดไป่ตู้
快 速 成 型
产
品
产
造
品
型
原
型
ξ2 快速成型制造工艺
快速成型制造技术从广义上讲可以分成两类：材料叠加和材料去除。下 图给出了当前众多快速成型工艺根据材料和构建技术不同进行的分类。
ξ2 快速成型制造工艺
快速成型制造技术是20世纪80年代中期发展起来的 一项高新技术，从1988年世界上第一台快速成型机问世以 来，快速成型技术的工艺方法目前已有十余种。
CAD三维造型
三维实体造型是CAD模型的最好表示，也是快速原型制作 必须的原始数据源。
没有CAD三维数字模型，就无法驱动模型的快速原型制作。 CAD模型的三维造型可以在UG、Pro/E、Catie等大型CAD软 件以及许多小型的CAD软件上实现。
图2-2a给出的是小扳手在UG NX2.0上的三维造型。
ξ2 快速成型制造工艺
快速成型制造工艺
第一节 快速成型工艺过程及分类
快速成型制造工艺的全过程可以归纳为以下三个步骤： 1)前处理。它包括工件的三维模型的构造、三维模型的近 似 处理、模型成形方向的选择和三维模型的切片处理。 2)分层叠加成形。它是快速成形的核心．包括模型截面轮 廓 的制作与截面轮廓的叠合。 3)后处理。它包括工件的剥离、后固化、修补、打磨、抛 光和表 面强化处理等。 如图所示：
一层固化完毕后，工作台下移一个层厚的距离，以使在原 先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，用刮板将粘度 较大的树脂液面刮平，然后进行下一层的扫描加工，新固化的 一层牢固地粘结在前一层上，如此重复直至整个零件制造完毕， 得到一个三维实体原型。
ξ2 快速成型制造工艺
ξ2 快速成型制造工艺
因为树脂材料的高粘性，在每层固化之后，液面很难在短时间 内迅速流平，这将会影响实体的精度。采用刮板刮切后，所需数量 的树脂便会被十分均匀地凃敷在上一叠层上，这样经过激光固化后 可以得到较好的精度，使产品表面更加光滑和平整。
生聚合反应，选择时有局限性。
需要二次固化 经快速成型系统光固化后的原型树脂并未完
全被激光固化。
较脆，易断裂，性能尚不如常用的工业塑料
ξ2 快速成型制造工艺
二、 光固化快速原型的工艺过程
光固化快速原型的制作一般可以分为前处理、原型制作和 后处理三个阶段。
（一）前处理
前处理阶段主要是对原型的CAD模型进行数据转换、摆放方位确定、 施加支撑和切片分层，实际上就是为原型的制作准备数据。下面以某一小 扳手的制作来介绍光固化原型制作的前处理过程。
ξ2 快速成型制造工艺
第二节 光固化成型工艺
光固化成型工艺，也常被称为立体光刻成型，英文的名 称为StereoLithography，简称SL，也有时被简称为SLA （StereoLithography Apparatus），该工艺是由Charles (查 尔斯)Hull于1984年获得美国专利，是最早发展起来的快速 成型技术。自从1988年3D Systems公司最早推出SLA商品 化快速成型机以来，SLA已成为最为成熟而广泛应用的RP 典型技术之一。
ξ2 快速成型制造工艺
图2-2
光 固 化 快 速 原 型 前 处 理
a) CAD三维原始模型
c) 模型的摆放方位
b) CAD模型的STL数据模型 d) 模型施加支撑
ξ2 快速成型制造工艺
数据转换
数据转换是对产品CAD模型的近似处理，主要是生成STL 格式的数据文件。
STL数据处理实际上就是采用若干小三角形片来逼近模型 的外表面，如图2-2b所示。
光固化成型以光敏树脂为原料，通过计算机控制 紫外激光使其凝固成型。
这种方法能简捷、全自动地制造出历来各种加工 方法难以制作的复杂立体形状，在加工技术领域中具 有划时代的意义。
ξ2 快速成型制造工艺
一、光固化成型的基本原理和特点 （一）光固化成型的基本原理
光固化成型工艺的成型过程如图2-2示。
液槽中盛满液态光敏树脂，氦－镉激光器或氩离子激光器 发出的紫外激光束在控制系统的控制下按零件的各分层截面 信息在光敏树脂表面进行逐点扫描，使被扫描区域的树脂薄 层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。
ξ2 快速成型制造工艺
前前处处理理 构造三维模型 模型近似处理 成型方向选择
切片处理
分层叠加成型
光固化快速成型－SLA 叠层实体制造－LOM 选择性激光烧结－SLS 熔融沉积制造－FDM
＊＊＊＊＊
后后处处理理
工工件件剥剥离离或或 去去支支撑撑等等
强强硬硬化化处处理理 表表面面处处理理
快速成型制作过程
但是，有时为了提高原型制作质量以及提高某些关键尺寸和形 状的精度，需要将最大的尺寸方向作为叠层方向摆放。
ξ2 快速成型制造工艺
吸附式涂层结构
ξ2 快速成型制造工艺
（二）光固化成型技术的特点
优点：
SLA系统非常稳定，加工开始
成型过程自动化程度高 后，成型过程可以完全自动化，
直至原型制作完成。
尺寸精度高
SLA原型的尺寸精度可以达到±0.1mm。
优良的表面质量
虽然在每层固化时侧面及曲面可能出现台阶，但上表面
仍可得到玻璃状的效果。
可以制作结构十分复杂的模型
可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失型
缺点：
制件易变形 成型过程中材料发生物理和化学变化 设备运转及维护成本较高 液态树脂材料和激光器的价格较高 使用的材料较少
目前可用的材料主要为感光性的液态树脂材料
液态树脂有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止提前发
这一阶段需要注意的是STL文件生成的精度控制。目前， 通用的CAD三维设计软件系统都有STL数据的输出。
ξ2 快速成型制造工艺
确定摆放方位
摆放方位的处理是十分重要的，不但影响着制作时间和效率， 更影响着后续支撑的施加以及原型的表面质量等，因此，摆放方位 的确定需要综合考虑上述各种因素。
一般情况下，从缩短原型制作时间和提高制作效率来看，应该 选择尺寸最小的方向作为叠层方向。