第4讲-快速原型技术

快速原型技术先进制造技术第四讲快速原型技术4.1概述4.2快速原型的软件技术4.3SLA工艺4.4LOM工艺4.5SLS工艺4.6FDM工艺4.7RP技术的应用4.8RP技术的发展趋势4.1概述快速原型技术RapidPrototypingRP技术快速成形技术4.1概述4.1.1快速原型技术的基本原理4.1.2快速原型技术的典型方法4.1.3快速原型技术的特点4.1.1快速原型技术的基本原理传统的零件加工过程是先制造毛坯，然后经切削加工，从毛坯上去除多余的材料得到零件的形状和尺寸，这种方法统称为材料去除制造。快速原型技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法，而基于“材料逐层堆积”的制造理念，将复杂的三维加工分解为简单的材料二维添加的组合，它能在CAD模型的直接驱动下，快速制造任意复杂形状的三维实体，是一种全新的制造技术。其成型过程为：逐层堆积制造建立零件的三维CAD模型模型Z向离散（分层）4.1.1快速原型技术的基本原理快速原型工艺流程4.1.2快速原型技术的典型方法1．光固化成形工艺StereolithographyApparatus，简称SLA，也称立体光刻使用材料：液态光敏树脂4.1.2快速原型技术的典型方法2．选区片层粘结法LaminatedObjectManufacturing，简称LOM，也称分层实体制造使用材料：片材，如纸、塑料薄膜等4.1.2快速原型技术的典型方法3．选择性激光烧结工艺SelectiveLaserSintering，简称SLS，也称选区激光烧结使用材料：粉末状材料4.1.2快速原型技术的典型方法4．熔丝沉积制造工艺FusedDepositionModeling，简称FDM使用材料：塑料丝4.1.3快速原型技术的特点成型速度快，可迅速响应市场；产品制造过程几乎与零件的复杂程度无关；产品的单价几乎与批量无关，特别适合于新产品开发和单件小批量生产；整个生产过程数字化、柔性化；无切割、噪声和振动等，有利于环保；与传统方法相结合，可实现快速铸造、快速模具制造、小批量零件生产等功能，为传统制造方法注入新的活力。4.2快速原型的软件系统快速原型的软件系统CAD造型软件：分层处理软件：成形控制软件：进行零件的三维设计进行分层计算以获取层片信息进行加工参数设定、生成数控代码、控制实时加工4.2.1产品三维模型构造及其近似处理1．产品的三维模型构造根据产品的要求在CAD软件平台设计三维模型根据二维图样构建三维模型采用逆向工程技术构建三维模型4.2.1产品三维模型构造及其近似处理2．三维模型的近似处理用一系列小三角平面来逼近模型上的自由曲面，每一个小三角形由三个顶点和一个法矢量来表示，三角形的大小可以选择，从而得到不同的曲面近似精度。经近似处理的三维模型文件格式为STL，典型的商品化CAD系统都有STL文件输出的数据接口4.2.1产品三维模型构造及其近似处理STL输出的误差在Pro/E中输出STL文件4.2.2分层处理软件由于快速原型是按一层层截面轮廓来进行成形，因此，加工前必须从三维模型上，沿成形的高度方向，每隔一定的间隔进行分层切片处理，以获得截面的轮廓。分层间隔选取的范围为0.05mm～0.5mm，常用的是0.1mm左右。间隔愈小，精度愈高，但成形时间愈长。各种快速原型系统都带有分层处理软件，能将CAD模型以片层方式来描述，这样，无论零件多么复杂，对于每一层来说，都是简单的平面。4.2.3成型控制软件成形控制软件根据所选的数控系统将分层处理软件生成的二维层片信息即轮廓与填充的路径生成NC代码，与工艺紧密相连，是一个工艺规划过程。快速原型扫描路径规划的主要内容包括刀具尺寸补偿和扫描路径选择，其核心算法包括二维轮廓偏置算法和填充网格生成算法。算法的要求是合理性、完善性，算法的好坏直接影响数据处理效率，生成结果则直接决定成形加工效率。4.3SLA工艺SLA工艺于1984年由CharlesHull提出并获美国专利。1988年美国3DSystems公司推出世界上第一台商品化RP设备SLA-250。它以光敏树脂为原料，通过计算机控制紫外激光使其固化成形，自动制作出各种加工方法难以制作的复杂立体形状，在制造领域具有划时代的意义。目前SLA工艺已成为世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速原型方法。4.3SLA工艺4.3.1SLA系统组成4.3.2成形工艺过程4.3.3SLA材料4.3.4SLA工艺特点4.3.5SLA工艺应用案例4.3.1SLA系统组成CPS250B快速原型机SLA工艺原理4.3.1SLA系统组成液槽控制系统紫外激光器氦-镉激光器：输出功率15mW～50mW，波长325nm氩激光器：输出功率100mW～500mW，波长351nm～365nm激光束扫描装置电流计驱动式的扫描镜方式X-Y绘图仪方式主要由工控机、分层处理软件和控制软件等组成4.3.2成形工艺过程1.模型及支撑设计在成形中，未被激光束照射的部分材料仍为液态，它不能使制件上的孤立和悬臂轮廓定位。因此，必须设计和制作支撑结构。工件底部也要加支撑，以使工件成形后顺利从工作台取下。成形完毕后应小心除去支撑，从而得到最终所需的工件。4.3.2成形工艺过程2.分层处理采用分层软件对CAD模型的STL格式文件进行分层处理，得到每一层截面图形及其有关的网格矢量数据，用于控制激光束的扫描轨迹。分层处理还包括层厚、建立模式、固化深度、扫描速度、网格间距、线宽补偿值、收缩补偿因子的选择与确定。3.原型制作液态光敏树脂逐层固化而形成原型件。4.后处理原型制作完毕，需进行剥离，以便去除废料和支撑结构，有时还需进行后固化、修补、打磨、抛光、表面涂覆、表面强化处理等，这些工序统称为后处理。4.3.3SLA材料SLA原型材料是液态光敏树脂，如环氧树脂、乙烯酸树脂、丙烯酸树脂等。光敏树脂材料中主要包括齐聚物、反应性稀释剂、光引发剂。由于树脂固化过程中产生收缩，不可避免地会使模型材料内部产生应力，引起模型变形。开发收缩系数小、固化速度快或无需后固化、强度高的光敏树脂材料是其发展趋势。4.3.4SLA工艺特点SLA工艺优点如下：尺寸精度高，可达±0.1mm，是RP技术中最高的；原型表面质量优良；可以制作结构复杂、细小的模型；系统非常稳定，成形过程自动化程度高；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。4.3.4SLA工艺特点SLA工艺缺点：成形过程中伴随着材料的物理和化学变化，产生收缩，并且会因材料内部的应力导致制件较易翘曲、变形；需要支撑；设备运转及维护成本高；需要二次固化；液态树脂固化后在性能上不如常用的工业塑料，一般较脆、易断裂。4.3.5SLA工艺应用案例SLA工艺自诞生以来，在概念设计的交流、单件小批量精密铸造、产品模型、快速工模具及直接面向产品的模具等方面广泛应用于汽车、航空、电子、消费品、娱乐以及医疗等行业。采用SLA工艺制作RP原型，然后翻制成硅橡胶模具，最后进行低压注塑，得到所需的10件操作手柄。产品开发周期仅为传统方式的1/10，费用仅为传统方式1/3。4.3.5SLA工艺应用案例4.3.5SLA工艺应用案例4.3.5SLA工艺应用案例4.4LOM工艺LOM工艺方法和设备于1991年问世，由于该工艺大多使用纸为原料，材料成本低，而且激光只要切割每一层片的轮廓，成形效率高，在制作中、大原型件时有较大优势，因此近年来发展迅速。4.4LOM工艺4.4.1LOM系统组成4.4.2成形工艺过程4.4.3LOM材料4.4.4LOM工艺特点4.4.5SLA工艺应用案例4.4.1LOM系统组成4.4.2成形工艺过程1.制作基底2.原型制作3.去除余料4.后处理余料去除以后，为提高原型表面状况和机械强度，保证其尺寸稳定性、精度等方面的要求，需对原型进行后置处理，比如防水、防潮、加固和使其表面光滑等，通常采用的后置处理工艺包括修补、打磨、抛光、表面涂覆等。4.4.3LOM材料LOM技术使用薄层材料，如纸、金属箔、塑料薄膜、陶瓷膜等，除了可以制造模型外，还可以直接制造结构件或功能件。目前LOM成形材料多采用纸。纸材在激光切割过程中一直保持固态，不发生状态变化，因此翘曲变形小。所成形的制件经过表面涂覆处理后不吸水，有良好的稳定性且坚如硬木，表面光滑。LOM材料涉及到三方面的问题：薄层材料、粘结剂和涂布工艺。4.4.4LOM工艺特点LOM工艺优点如下：生产效率比其它RP工艺高，非常适合于制作中、大型实心原型件；无需设计和制作支撑结构；后处理工艺简单，成形后废料易于剥离，且不需后固化处理；原材料价格便宜，原型制作成本低；制件能承受高达200℃的高温，有较高的硬度和较好的力学性能，可以进行各种切削加工。4.4.4LOM工艺特点LOM工艺缺点：工件（尤其是薄壁件）的抗拉强度和弹性不够好；工件易吸湿膨胀，因此成形后应尽快做表面防潮处理；不能直接制作塑料工件；工件表面有台阶，其高度等于材料厚度，因此，成形后需进行表面打磨。4.4.5LOM工艺应用案例LOM工艺虽然在精细产品和类塑料件制作方面不及SLA工艺，但是在比较厚重的结构件模型、实物外观模型、制鞋业、砂型铸造、快速模具母模等方面的应用有其独特的优越性。4.4.5LOM工艺应用案例奥迪轿车刹车钳体精铸母模的LOM原型奥迪轿车刹车钳体精铸件汽车工业中很多形状复杂的零部件均由精铸直接制得，如何高精度、高效率、低成本地制造这些精铸母模是关键。采用传统的木模工手工制作，对于曲面形状复杂的母模，效率低、精度差；采用数控加工制作，则成本太高。采用LOM工艺制造汽车零部件精铸母模，生产效率高，尺寸精度高。4.4.5LOM工艺应用案例汽车发动机排气管的精铸母模4.5SLS工艺SLS工艺由美国得克萨斯大学奥汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功，并首先由美国DTM公司商品化，它利用粉末状材料（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。SLS的原理与SLA十分相象，主要区别在于所使用的材料及其状态。SLA使用液态光敏树脂，而SLS则使用各种粉末状材料。4.5SLS工艺4.5.1SLS系统组成4.5.2成形工艺过程4.5.3SLS材料4.5.4SLS工艺特点4.5.5SLS工艺应用案例4.5.1SLS系统组成AFS-320成形机基本性能参数激光器类型射频CO2波长10.6μm最大功率50W光路及扫描系统焦平面光斑0.4mm同光路指示670nm红光成形室一次成形尺寸320×320×440mm分层厚度0.08～0.3mm成形材料精铸模料、工程塑料、树脂砂控制系统工控机即时主流配置控制软件AFSWinv2.04.5.2成形工艺过程1.成形参数选择2.原型制作分层参数：零件加工方向、分层厚度、扫描间距和扫描方式。成形烧结参数：扫描速度、激光功率、预热温度、铺粉参数等。4.5.2成形工艺过程3.后处理刚刚成形的树脂原型密度和强度较低，需作强化处理，将液体可固化树脂浸渗到烧结零件中，将其保温、固化，得到增强的零件；对于陶瓷原型，需将其放在加热炉中烧除粘接剂，烧结陶瓷粉；当原型材料为金属与粘结剂的混合粉时，成形需将制件置于加热炉中，烧去其中的粘结剂，烧结金属粉，然后进行渗铜处理，以得到高密度的金属件。4.5.3SLS材料SLS工艺使用粉末材料，它来源较为广泛，原则上讲所有受热能相互粘结的粉末材料或表面附有热固（塑）性粘结剂的粉末都可用作SLS材料；用蜡可以制造精密铸造用蜡模，用热塑性塑料可以制造消失模，用陶瓷可以制造铸造壳型、型芯和陶瓷构件，用金属可以制造金属结构件和模具。目前SLS材料主要有塑料粉、蜡粉、金属粉、表面附有粘结剂的覆膜陶瓷粉、覆膜金属粉及覆膜砂等；4.5.4SLS工艺特点SLS工艺优点如下：可以采用多种材料，特别是可以直接制造金属零件，这使SLS工艺颇具吸引力；无需设计和制作支撑结构；制件具有较好的机械性能，可直接用作功能测试