第二章 快速成型制造工艺--I

第二章快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRCξ2快速成型制造工艺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。第一节快速成型工艺过程及分类模具工程技术研究中心METRC构造三维模型模型近似处理成型方向选择切片处理前处理分层叠加成型后处理光固化快速成型－SLA叠层实体制造－LOM选择性激光烧结－SLS熔融沉积制造－FDM＊＊＊＊＊工件剥离或去支撑等强硬化处理表面处理快速成型制作过程ξ2快速成型制造工艺快速成型制造系统产品造型快速成型产品原型模具工程技术研究中心METRCξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRCξ2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。模具工程技术研究中心METRC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。在目前所有的快速成型工艺方法中，光固化成型法(SLA)、叠层实体制造法(LOM)、激光选区烧结法(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快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC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（StereoLithographyApparatus），该工艺是由CharlesHull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3DSystems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。它以光敏树脂为原料，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快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC一、光固化成型的基本原理和特点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。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，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。（一）光固化成型的基本原理ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC光固化成型工艺过程原理图ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRCξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRCξ2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。模具工程技术研究中心METRCξ2快速成型制造工艺吸附式涂层结构模具工程技术研究中心METRC成型过程自动化程度高（二）光固化成型技术的特点优点：尺寸精度高SLA系统非常稳定，加工开始后，成型过程可以完全自动化，直至原型制作完成。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ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC制件易变形缺点：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，以防止提前发生聚合反应，选择时有局限性。成型过程中材料发生物理和化学变化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快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC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。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UGNX2.0上的三维造型。ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRCa)CAD三维原始模型b)CAD模型的STL数据模型c)模型的摆放方位d)模型施加支撑图2-2光固化快速原型前处理ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC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。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快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRCa)CAD三维原始模型b)CAD模型的STL数据模型c)模型的摆放方位d)模型施加支撑图2-2光固化快速原型前处理ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC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。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。有时为了减少支撑量，以节省材料及方便后处理，也经常采用倾斜摆放。确定摆放方位以及后续的施加支撑和切片处理等都是在分层软件系统上实现。对于上述的小扳手，由于其尺寸较小，为了保证轴部外径尺寸以及轴部内孔尺寸的精度，选择直立摆放，如图2-2c所示。同时考虑到尽可能减小支撑的批次，大端朝下摆放。ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRCa)CAD三维原始模型b)CAD模型的STL数据模型c)模型的摆放方位d)模型施加支撑图2-2光固化快速原型前处理ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC施加支撑摆放方位确定后，便可以进行支撑的施加了。施加支撑是光固化快速原型制作前处理阶段的重要工作。对于结构复杂的数据模型，支撑的施加是费时而精细的。支撑施加的好坏直接影响着原型制作的成功与否及制作的质量。支撑施加可以手工进行，也可以软件自动实现。软件自动实现的支撑施加一般都要经过人工的核查，进行必要的修改和删减。为了便于在后续处理中支撑的去除及获得优良的表面质量，目前，比较先进的支撑类型为点支撑，即在支撑与需要支撑的模型面是点接触，图2-2d示意的支撑结构就是点支撑。ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRCa)CAD三维原始模型b)CAD模型的STL数据模型c)模型的摆放方位d)模型施加支撑图2-2光固化快速原型前处理ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC图2-3某手柄的光固化快速原型切片分层支撑施加完毕后，根据设备系统设定的分层厚度沿着高度方向进行切片，生成RP系统需求的SLC格式的层片数据文件，提供给光固化快速原型制作系统，进行原型制作。图2-3给出的是该扳手的光固化原型。ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC（二）光固化成型光固化成型过程是在专用的光固化快速成型设备系统上进行。在原型制作前，需要提前启动光固化快速成型设备系统，使得树脂材料的温度达到预设的合理温度，激光器点燃后也需要一定的稳定时间。设备运转正常后，启动原型制作控制软件，读入前处理生成的层片数据文件。一般来说，叠层制作控制软件对成型工艺参数都有缺省的设置，不需要每次在原型制作时都进行调整，只是在固化特殊的结构以及激光能量有较大变化时需要进行相应的调整。此外，在模型制作之前，要注意调整工作台网板的零位与树脂液面的位置关系，以确保支撑与工作台网板的稳固连接。当一切准备就绪后，就可以启动叠层制作了。整个叠层的光固化过程都是在软件系统的控制下自动完成的，所有叠层制作完毕后，系统自动停止。下图给出的是SPS600光固化成型设备在进行光固化叠层制作时的界面。界面显示了激光能源的某些信息、激光扫描速度、原型几何尺寸、总的叠层数、目前正在固化的叠层、工作台升降速度等有关信息。ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRCξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC（三）光固化成型的后处理在快速成型系统中原型叠层制作完毕后，需要进行剥离等后续处理工作，以便去除废料和支撑结构等。对于光固化成型方法成型的原型，还需要进行后固化处理等，下面以某一SLA原型为例给出其后续处理的步骤和过程。ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC原型叠层制作结束后，工作台升出液面，停留5~10min，以晾干多余的树脂。将原型和工作台一起斜放晾干后浸入丙酮、酒精等清洗液体中，搅动并刷掉残留的气泡。持续45min左右后放入水池中清洗工作台约5min。12ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC从外向内从工作台上取下原型，并去除支撑结构。再次清洗后置于紫外烘箱中进行整体后固化。34ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC三、光固化成型的激光扫描方法由于激光束的照射使得液态光敏树脂的聚合反应发生在液体的表面，其固化的区域可以用水平方向上的线宽和垂直方向上的已成型深度来表示。目前，激光束固化光敏树脂常用的三种方法是ACESTM，STARWEAVETM和QuickCastTM。ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC（一）ACESTM方法建造方式：实体的内部在激光束的作用下将完全固化，如图2-3所示。特点：ACESTM方法是低变形树脂材料固化成型中精度最高的。尽管其扫描时间是三种方法中最长的，但该方法广泛应用于高精度原型的制作。图2-3ACESTM光固化方式ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC图2-4STARWEAVETM光固化方式（二）STARWEAVETM方法建造方式：栅格是在每隔一层成型时在每半个间距中产生的，如图2-4所示。上一层平移半个间距的下一层特点：扫描时间较短，尺寸稳定性好。适用于聚合时收缩率较高的丙烯酸树脂，也适用于环氧树脂材料。ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC图2-5ACESTM光固化方式（三）QuickCastTM方法建造方式：正方形(QuickCastTMVersion1.1)或等边三角形(QuickCastTMVersion1.0)填充，三角形的平移应确保每个三角形面的顶点位于前一层三角形质心的上方（如图2-5所示），而正方形则按间距的一半距离进行偏离。特点：便于排出多余的树脂，主要用于中空的铸件模型制造。ξ2快速成型制造工艺模具工程技术研究中心METRC四、光固化成型的支撑结构在成型过程中，由于未被激光束照射的部分材料仍为液态，它不能使制件截面上的孤立轮廓和悬臂轮廓定位。因此必须设计一些细柱状或肋状支撑结构(如图所示)，并在成型过程中制作这些支撑结构，以便确保制