快速成型技术

CAD数据输入LOM系统后，LOM软件会每层的横截面，激光线切割顶 层模型边界后，进行剖面线切割，方便以后清除。
新的一层原料叠在最上面，系统会自动测试高度，并产生一个新的截 面，激光线进行切割，当所有层完成后，便去除多余材料，取出工件。
1）加工完成后将制成块从系统取 出。
2）将周边的架子移去，出现长方 体的余料。
2、工艺过程
产品三维模型的构建 成型加工
成型零件的后处理
三维模型的近似处理 三维模型的切片处理
1）产品三维模型的构建 由于RP系统是由三维CAD模型直接驱动，因此首先要构建 所加工工件的三维CAD模型。该三维CAD模型可以利用计 算机辅助设计软件（如Pro/E,I-DEAS,SolidWorks,UG等） 直接构建，也可以将已有产品的二维图样进行转换而形成三 维模型，或对产品实体进行激光扫描、CT断层扫描，得到 点云数据，然后利用反求工程的方法来构造三维模型。
优点：
(1)可采用多种材料：塑料、蜡、陶瓷、金属粉末等。 (2)制造工艺比较简单。 (3)高精度。依赖于使用的材料种类和粒径、产品的几何形 状和复杂程度，该工艺一般能够达到工件整体范围内 ±(0.05～2.5)mm的公差。当粉末粒径为0.1mm以下时， 成型后的原型精度可达±l％。 (4)材料利用率高，价格便宜，成本低。 (5)无需支撑结构。 缺点：
1、立体光固化成型系统(SLA)
立体光固化成形（stereolithography apparatus,SLA）是 最早发展的快速成形技术。自从1988年3D SYSTEM INC公 司最早推出SLA商品化快速成形机以来，SLA已成为最为成 熟而广泛应用的RP典型技术之一。 SLA快速成形技术是根据某些材料在特定波长的激光照射 下具有可固化性的特点，采用紫外（UV）激光为光源，计 算机按分层信息精密控制扫描振镜组，精确定位、扫描，在 光敏树脂液面聚合、固化形成一个固化层面，顺序逐层扫描 固化，直至完成整个零件的成形。
2、分层实体制造（LOM）
LOM（LaminatedObjectManufacturing，LOM）工艺， 叠层实体制造或分层实体制造，由美国Helisys公司的 MichaelFeygin于1986年研制成功。 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工艺材料仅限于薄片材 料，如纸、塑料薄膜等 ，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
一、 原理、特点
1、原理 快速成型技术(Rapid Prototyping Technology ，RP)的成型 原理是基于离散-叠加原理而实现快速加工原型或零件 。
产品三维CAD模型→分层离散→按离散后的平面几何信息逐 层加工堆积原材料→生成实体模型。
该技术集计算机技术、激光加工技术、新型材料技术于一体， 依靠CAD软件，在计算机中建立三维实体模型，并将其切分 成一系列平面几何信息，以此控制激光束(或工作头)的扫描方 向和速度，采用粘结、熔结、聚合或化学反应等手段逐层有选 择地加工原材料，从而快速堆积制作出产品实体模型。
3）三维模型的切片处理。 根据被加工模型的特征选择合适的加工方向，在成型高度 方向上用一系列一定间隔的平面切割近似后的模型，以便 提取截面的轮廓信息。间隔一般取0.05mm~0.5mm，常 用0.1mm。间隔越小，成型精度越高，但成型时间也越长， 效率就越低，反之则精度低，但效率高。
4）成型加工 根据切片处理的截面轮廓，在计算机控制下，相应的成
2）三维模型的近似处理。 由于产品往往有一些不规则的自由曲面，加工前要对模型进行近似处理， 以方便后续的数据处理工作。由于STL格式文件格式简单、实用，目前 已经成为快速成型领域的准标准接口文件。它是用一系列的小三角形平 面来逼近原来的模型，每个小三角形用3个顶点坐标和一个法向量来描 述，三角形的大小可以根据精度要求进行选择。STL文件有二进制码和 ASCll码两种输出形式，二进制码输出形式所占的空间比ASCII码输出 形式的文件所占用的空间小得多，但ASCII码输出形式可以阅读和检查。 典型的CAD软件都带有转换和输出STL格式文件的功能。
SLA方法是目前快速成型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。SLA工艺成型的零件精度较高，加工精度一般 可达到0.1mm，原材料利用率近100％。但这种方法也有白身的局 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。
优点：（1）成型过程自动化程度高；(2)尺寸精度高。(3)表面质量 优良。(4)可以制作结构十分复杂的模型。(5)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。
2）快速性。通过对一个CAD模型的修改或重组就可获 得一个新零件的设计和加工信息。从几个小时到几十个 小时就可制造出零件，具有快速制造的突出特点。
3）高度柔性。无需任何专用夹具或工具即可完成复杂的 制造过程，快速制造工模具、原型或零件。
4）快速成型技术实现了机械工程学科多年来追求的两 大先进目标．即材料的提取（气、液固相）过程与制造 过程一体化和设计（CAD）与制造（CAM）一体化。
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 已成型的工件粘接。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，工作台带动已成型的工件 下降，与带状片材分离。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。工作合上升到加工平 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。最后，去除切碎的多余 部分，得到分层制造的实体零件。
型头（激光头或喷头）按各截面轮廓信息做扫描运动，在工 作台上一层一层地堆积材料，然后将各层相粘结，最终得到 原型产品。
5）成型零件的后处理 从成型系统里取出成型件，进行打磨、抛光、涂挂，或放在 高温炉中进行后烧结，进一步提高其强度。
3、特点
1）可以制造任意复杂的三维几何实体。由于采用离散／堆 积成型的原理．它将一个十分复杂的三维制造过程简化为二 维过程的叠加，可实现对任意复杂形状零件的加工。越是复 杂的零件越能显示出RP技术的优越性此外，RP技术特别适 合于复杂型腔、复杂型面等传统方法难以制造甚至无法制造 的零件。
缺点：(1)成型过程中伴随着物理和化学变化，所以制件较易弯曲， 需要支撑，(2)设备运转及维护成本较高。(3)可使用的材料种类较 少。(4)液态树脂具有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止提 前发生聚合反应，选择时有局限性。(5)需要二次固化。(6)液态树 脂同化后的性能尚不如常用的工业塑料，一般较脆、易断裂，不使 进行机加工。
FDM不采用激光，成型材料为丝状的高分子聚合物；在开始成型之 前，丝状材料需要先在液化管中被加热到略高于其软化点以将其熔 化。成型时，喷头在计算机控制下作x-y联动扫描，同时喷出半流动 状的高分子聚合物，高分子聚合物在成型室中冷却成型，并与已经 成型的下层牢固地粘结在一起。
SLA工作原理： 液槽中盛满液态光固化树脂激光束在偏转镜作用下，能在液态表而上扫 描，扫描的轨迹及光线的有无均由计算机控制，光点打到的地方，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．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，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然 后再进行下一层的扫描，新周化的一层牢周地粘在前一层上，如此重复 直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。
某航空产品生产厂家，要生产几十件某战斗机型的控制手柄，该手柄为 铝合金中空多孔结构，且外型为多曲面不规则形状，若开模生产，其成 本相当可观。利用性激光烧结技术，迅速拿到样件，经测评合格后，用 快速成型机进行小批量生产，即减少了投资，又赢得了时间。
4、熔融沉积制造（FDM）
FDM（FusedDepostionModeling），熔融沉积制造 （FDM）工艺由美国学者ScottCrump于1988年研制成功。 FDM的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABSபைடு நூலகம்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，材料迅速凝 固，并与周围的材料凝结。
三、分类
快速成型技术根据成型方法可分为两类：基于激光及其他 光源的成型技术（LaserTechnology），例如：光固化成 型（SLA）、分层实体制造（LOM）、选域激光粉末烧结 （SLS）、形状沉积成型（SDM）等；基于喷射的成型技 术（JettingTechnoloy），例如：熔融沉积成型（FDM）、 三维印刷（3DP）、多相喷射沉积（MJD）。
3、选择性激光烧结（SLS）
SLS（SelectiveLaserSintering）工艺，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型的。研究SLS的有DTM公司、 EOS公司、北京隆源公司、南京航空航天大学和华中理工 大学等。华中理工大学开发出HRPS-I型成形机。 其原理是将材料粉末铺洒在已成型零件的上表面，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，并与下面已成型的部分连接。当一层截面烧结完 后，铺上新的一层材料粉末，有选择地烧结下层截面。烧 结完成后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理得到 零件。
5）与反求工程（Reverse Engineering）、CAD技术、 网络技术、虚拟现实等相结合，成为产品决速开发的有 力工具。
二、 发展
快速成型技术概念即RP(Rapid Prototyping Technology)概 念的提出可追朔到1979年，日本东京大学生产技术研究所的 中川威雄教授发明了叠层模型造型法，1980年小玉秀男又提 出了光造型法，该设想提出后，由丸谷洋二于1984年继续研 究，并于1987年进行产品试制。
1988年，美国3D System公司率先推出快速成型实用装 置—立体光固化成型系统即SLA (Stereo Lightgraphy Apparatus),并以年销售增长率为30%～40%的增幅在世界市 场出售。近年来，随着扫描振镜性能的提高，以及材料科学 和计算机技术的发展，快速原型技术已日趋成熟，并于1994 年正式进入推广普及阶段。
（1）特别是薄壁件的抗拉强度和弹性不够好； （2）易吸湿膨胀，成型后应尽快进行表面防潮处理； （3）件表面有台阶纹，其高度等于材料的厚度(通常为 0.1mm左右)
上图为某摩托车厂制作的250型双缸摩托车汽缸头。这是一款新设计 的发动机，用户需要10件样品进行发动机的模拟实验。该零件具有复 杂的内部结构，传统机加工无法加工，只能采用铸造成型。整个过程 需经过开模、制芯、组模、浇铸、喷砂和机加等工序，与实际生产过 程相同。其中仅开模一项就需三个月时间。这对于小批量的样品制作 无论在时间上还是成本上都是难以接受的。采用选择性激光烧结技术， 以精铸熔模材料为成型材料,在AFS成型机上仅用5天即加工出该零件 的10件铸造熔模,再经熔模铸造工艺，10天后得到了铸造毛坯。经过必 要的机加工，30天即完成了此款发动机的试制。
3）将余料与模型分离。 4）对模型表面进行砂纸打磨和喷 油处理。
因LOM模型无相变和可以抵抗收缩。故可以用于制造精密硅胶模具
LOM工艺只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫 描整个截面。因此成型厚壁零件的速度较快，易于制造大 型零件。工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲 变形。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，所以LOM工艺无需加支撑。缺点是材料浪费 严重，表面质量差。