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第6章快速成型成型Chapter6Rapidprototyping概述：快速成形技术(RapidPrototyping，简称RP)20世纪80年代发展起来的，它综合了机械工程、CAD、数控技术、激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而大大缩短产品的研制周期。因而，被认为是近20来制造领域的一个重大突破。影响力与数控技术相当。发展：我国在90年代先后有武汉华中科技大学快速制造中心、北京航空航天大学激光研究中心、西安交大先进制造技术研究所、北京殷华实业有限公司、陕西省激光快速成形与模具制造工程研究中心等在快速成形工艺研究、设备开发、数据处理及控制软件、新材料的研发等方面做了大量有成效的工作。基本思路：1.CAD模型建立2.STL文件生成3.分层切片4.快速堆积成形(a)工件(b)切片(c)分层自由成型(d)叠加零件快速成型与普通成型的区别：传统加工快速成型快速成型方法分类（本章内容）：6.1立体光造型技术(SLA)6.2选择性激光烧结技术(SLS)6.3激光薄片叠层制造技术(LOM)6.4熔融沉积快速成型技术(FDM)6.5其它快速成型方法6.1立体光造型技术(SLA)立体光造型技术，又称光敏树脂液相固化成形或立体光刻）。最早由CharlesHul发明并于1984年获得专利，1988年美国3D系统公司推出商品化的世界上第一台快速成形机。基本原理：SL工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作。这种液态材料在一定波长和功率的紫外线光（如：λ=325nm紫外线）的照射下能迅速发生光聚合反应，相对分子量急剧增大，材料也由液态变成固态。基本原理图图SLA基本原理图优缺点优点SLA方法是目前快速成形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。该方法成型精度高、表面质量好、原材料利用率将近100%，能制造出形状特别复杂（如空心零件）、特别精细（如首饰、装饰品等）的零件。制造出来的原型件，可快速翻制各种模具。缺点需要支撑，树脂收缩导致精度下降，材料昂贵，光固化树脂有一定的毒性等。应用：（1）可直接制作树脂功能件，用作结构验证和功能测试（2）可制作比较精细和复杂零件（3）可制造出有透明效果的制件（4）制造出来的原型可以翻制各种模具快速成型方法分类（本章内容）：6.1立体光造型技术(SLA)6.2选择性激光烧结技术(SLS)6.3激光薄片叠层制造技术(LOM)6.4熔融沉积快速成型技术(FDM)6.5其它快速成型方法6.2选择性激光烧结技术(SLS)选择性激光烧结成形(SLS—SelectedLaserSintering)，又称选区激光烧结）。由美国德克萨斯大学奥汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。基本原理：SLS工艺是利用粉末材料（金属粉末或非金属粉末）在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成形。基本原理图：工作台上均匀铺上一层很薄(0.1~0.2mm)的粉末，激光束在计算机的控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结完成后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理便获得零件。图SLS基本原理图优缺点：优点只要壁厚超过0.4mm，只要有三维造型文件，无论如何复杂的零件，都可以成型；成形速度快，强度高，耐高温性能好；原材料便宜，制品可以直接用来做结构验证和性能测试；支持材料的自主研发；设备自动化程度高，遇到故障自动停机；可以在无人值守的情况下自动化生产。无需加支撑，因为没有被烧结的粉末起到支撑作用。可以烧结制造空心、多层镂空的复杂零件。缺点材料精度难以控制，需要专业的控制系统，该技术为少数厂家所掌握，且已经申请大量专利，维护成本较高，设备昂贵。应用：（1）可直接制作树脂功能件，用作结构验证和功能测试，并可用于装配样机。（2）制造出来的原型可以翻制各种模具。（3）制件可直接作熔模铸造用的蜡模和砂型、型芯。汽车发动机排气管功能测试零件复杂砂型零件快速成型方法分类（本章内容）：6.1立体光造型技术(SLA)6.2选择性激光烧结技术(SLS)6.3激光薄片叠层制造技术(LOM)6.4熔融沉积快速成型技术(FDM)6.5其它快速成型方法6.3激光薄片分层叠加成形(LOM)薄片分层叠加成形（LOM—LaminatedObjectManufacturing，又称层叠实体制造或分层实体制造）。由美国Helisys于1986年研制成功，并推出商品化的机器。基本原理：LOM工艺是利用薄片材料，如纸、塑料薄膜等作为成形材料，片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，用CO2或刀在计算机控制下按照CAD分层模型轨迹切割片材，然后通过热滚压，使当前层与下面已成形的工件层粘结，从而堆积成形。基本原理图：供料机构转动收料轴和供料轴，使新层移到加工区域；工作台上升到加工平面，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，得到分层制造的实体零件。图LOM基本原理图优缺点优点：1、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。因此易于制造大型、实体零件。2、零件的精度较高。3、无需加支撑。工件外框与截面轮廓之间的多余材料起到支撑作用。缺点：1、LOM后处理时间长；2、纸质片材易受潮变形，不易久放。应用：纸价格相对便宜，可以用来做零部件的原型样件，如汽车发动机曲轴、连杆、各类箱体、盖板等。打印机原型样件快速成型方法分类（本章内容）：6.1立体光造型技术(SLA)6.2选择性激光烧结技术(SLS)6.3激光薄片叠层制造技术(LOM)6.4熔融沉积快速成型技术(FDM)6.5其它快速成型方法熔融沉积快速成型（FMD-FusedDepositionModeling，又称熔丝沉积），是继SLA和LOM后的一种应用较广泛的快速成型工艺，并以美国Stratasys公司开发的FDM制造系统应用最为广泛。基本原理：它是将丝状的热熔性材料加热融化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，挤出的材料迅速固化并与周围材料粘结，层层堆积而成。6.4熔融沉积快速成型(LOM)FDM原理图基本原理图：优缺点优点：1、采用热熔挤压头专利技术，系统结构原理和操作简单，且使用无毒的原材料，设备可安装在办公环境中。2、成型速度快。不需要SLA中的刮板工序。3、用蜡成型的零件原型，可以直接用于熔模铸造。4、可以成型任意复杂程度的零件。如复杂的内腔、孔等。5、原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小。6、原材料利用率高。7、支撑去除简单。缺点：1、精度较国外先进的SLA工艺低，最高精度0.127mm；2、成型表面光洁度不如国外先进的SLA工艺；3、成型速度相对较慢。应用：主要适用于模具行业新产品开发和医疗、考古等基于数字成像技术的三维实体模型制造。快速成型方法分类（本章内容）：6.1立体光造型技术(SLA)6.2选择性激光烧结技术(SLS)6.3激光薄片叠层制造技术(LOM)6.4熔融沉积快速成型技术(FDM)6.5其它快速成型方法6.5其它快速成型方法图激光熔覆快速成形原理图激光熔覆快速成型：被熔覆的金属粉末通过送粉装置用气体或重力输送，采用高功率激光同步熔化被送粉末，在基板上逐线、逐层堆积成非常之谜的金属零件。三维打印(3D-P)：3DP工艺是美国麻省理工学院EmanualSachs等人1989年研制的。3DP工艺采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。通过喷头用粘接剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。SLASLSFDMLOM优点(1)成形速度极快，成形精度、表面质量高；(2)适合做小件及精细件。(1)有直接金属型的概念，可直接得到塑料、蜡或金属件；(2)材料利用率高；造型速度较快。(1)成形材料种类较多，成形样件强度好，能直接制作ABS塑料；(2)尺寸精度较高，表面质量较好，易于装配(3)材料利用率高；(4)可在办公环境进行。(1)成形精度较高；(2)只须对轮廓线进行切割，制作效率高，适合做大件及实体件；(3)制成的样件有类似木质制品的硬度，可进行一定的切削加工。缺点(1)成形后要进一步固化处理；(2)光敏树脂固化后较脆，易断裂，可加工性不好；(3)工作温度不能超过100℃，成形件易吸湿膨胀，抗蚀能力不强。(1)成形件强度和表面质量较差，精度低。(2)在后处理中难于保证制件尺寸精度，后处理工艺复杂，样件变型大，无法装配。(1)成形时间较长；(2)做小件和精细件时精度不如SLA。(1)不适宜做薄壁原型；(2)表面比较粗糙，工件表面有明显的台阶纹，成型后要进行打磨；(3)易吸湿膨胀，成形后要尽快表面防潮处理；(4)工件强度差，缺少弹性。设备费高昂高昂低廉中等日常维护费激光器有损耗，光敏树脂价格昂贵，运行费用很高。激光器有损耗，材料利用率高，原材料便宜，运行费用居中。无激光器损耗，材料的利用率高，原材料便宜，运行费用极低。激光器有损耗，材料利用率很低，运行费用较高。发展趋势稳步发展稳步发展飞速发展渐趋淘汰应用领域复杂、高精度、艺术用途的精细件铸造件设计塑料件外形和机构设计实心体大件适合行业快速成形服务中心铸造行业科研院校、生产企业铸造行业本章结束！