搜索
1of42第2章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，快速成型制造技术的工艺方法目前已有十余种。根据所使用的材料和建造技术的不同，目前应用比较广泛的方法有：采用光敏树脂材料通过激光照射逐层固化的光固化成型法、采用纸材等薄层材料通过逐层粘接和激光切割的叠层实体制造法、采用粉状材料通过激光选择性烧结逐层固化的选择性激光烧结法和熔融材料加热熔化技压喷射冷却成型的熔融沉积制造法等。2．1快速成型工艺过程及分类快速成型的制造方式是基于离散堆积原理的累加式成型，从成型原理上提出了一种全新的思维模式，即将计算机上设计的零件三维模型，表面三角化处理，存储成阿STL文件格式，对其进行分层处理，得到各层截面的二维轮廓信息，按照这些轮廓信息自动生成加工路径，在控制系统的控制下，选择性地固化或烧结或切割一层层的成型材料，形成各个截面轮廓薄片，并逐步顺序叠加成三维实体，然后进行实体的后处理，形成原型，如图2-1所示。各种快速成型制造工艺的基本原理都是基于离散的增长方式成型原型或制品。快速成型技术从广义上讲可以分成两类：材料累积和材料去除。但是，目前人们谈及的快速成型制造方法通常指的是累积式的成型方法，而累积式的快速成型制造方法通常是依据原型使用的材料及其构建技术进行分类的，如图2－2所示。2of422．2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，英文名称为StereolithograPhy，简称SL，也有时被简称为SLA（StereolithigraphyApparatus）。该工艺是由CharlesW.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年美国3DSystems公司最早推出SLA250商品化快速成型机以来，SLA已成为目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成型工艺方法。它以光敏树脂为原料，通过计算机控制紫外激光使其逐层凝固成型。这种方法能简捷、全自动地制造出表面质量和尺寸精度较高、几何形状较复杂的原型。2．2．1光固化成型工艺的基本原理和特点1．光固化成型工艺的基本原理光固化成型工艺的成型过程如图2-3所示。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接在前一层上，如此重复直至整个零件制造完毕，得到一个三维实体原型。当实体原型完成后，首先将实体取出，并将多余的树脂排净。之后去掉支撑，进行清洗，然后再将实体原型放在紫外激光下整体后固化。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涂敷在上一叠层上，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。采用刮板结构进行辅助涂层的另一个重要的优点就是可以解决残留体积的问题，残留的多余树脂如图2－4所示。最新推出的光固化快速成型系统多采用吸附式涂层机构，如图2-5所示。吸附式涂层机构在刮板静止时，液态树脂在表面张力作用下，吸附槽中充满3of42树脂。当刮板进行涂刮运动时，吸附槽中的树脂会均匀涂敷到已固化的树脂表面。此外，涂敷机构中的前刃和后刃可以很好地消除树脂表面因为工作台升降等产生的气泡。2．光固化成型工艺的特点在当前应用较多的几种快速成型工艺方法中，由于光固化成型具有制作原型表面质量好，尺寸精度高以及能够制造比较精细的结构特征，因而应用最为广泛。（1）光固化成型的优点：l）成型过程自动化程度高。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。2）尺寸精度高。SLA原型的尺寸精度可以达到+0．lmm。3）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。4）可以制作结构十分复杂、尺寸比较精细的模型。尤其是对于内部结构十分复杂、一般切削刀具难以进入的模型，能轻松地一次成型。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。4of426）制作的原型可以在一定程度上替代塑料件。（2）光固化成型的缺点：1）成型过程中伴随着物理和化学变化，制件较易弯曲，需要支撑，否则会引起制件变形。2）液态树脂固化后的性能尚木如常用的工业塑料，一般较脆，易断裂。3）设备运转及维护成本较高。由于液态树脂材料和激光器的价格较高，并且为了使光学元件处于理想的工作状态，需要进行定期的调整和严格的空间环境，其费用也比较高。4）使用的材料种类较少。目前可用的材料主要为感光性的液态树脂材料，并且在大多数情况下，木能进行抗力和热量的测试。5）液态树脂有一定的气味和毒性，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。6）在很多情况下，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，为提高模型的使用性能和尺寸稳定性，通常需要二次固化。2．2．2光固化成型的工艺过程光固化成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。1．前处理前处理阶段主要是对原型的CAD模型进行数据转换、确定摆放方位、施加支撑和切片分层，实际上就是为原型的制作准备数据。下面以某一小手柄为例来介绍光固化快速成型的前处理（图2-6）。5of42（1）CAD三维造型。三维实体造型是CAD模型的最好表示，也是快速成型制作必需的原始数据源。没有CAD三维数字模型，就无法驱动模型的快速成型制作。CAD模型的三维造型可以在UG、Pro／E、Chtia等大型CAD软件以及许多小型的CAD软件上实现，图2-6a给出的是小手柄在UGNX2．0上的三维原始模型。（2）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。STI。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，STI。数据模型如图2－6b所示。这一阶段需要注意的是STI。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STI一数据的输出。（3）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，需要将较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的。对于小手柄，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2－6C所示。同时考虑到尽可能减小支撑的批次，大端朝下摆放。6of42（4）施加支撑。摆放方位确定后，便可以施加支撑了。施加支撑是光固化快速成型制作前处理阶段的重要工作。对于结构复杂的数据模型，施加支撑是费时而精细的。支撑施加得好坏直接影响着原型制作的成功与否及制作的质量。施加支撑可以手工进行，也可以软件自动实现。软件自动施加支撑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，即支撑与需要支撑的模型面是点接触。图2－6d示意的支撑结构就是点支撑。（5）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系统需要的SI。C格式的层片数据文件，提供给光固化快速成型制作系统，进行原型制作。图2－7给出的是该手柄的光固化原型。2原型制作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默认的设置，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，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。图2－8给出的是SPS600光固化成型设备在进行光固化叠层制作时的控制软件界面。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。7of423．后处理光固化成型的后处理主要包括原型的清理、去除支撑、后固化以及必要的打磨等工作。下面以某一SLA原型为例给出其后处理过程（图2-9）。1）原型叠层制作结束后，工作台升出液面，停留5～10min，以晾干滞留在原型表面的树脂和排除包裹在原型内部多余的树脂，如图2－9a所示。2）将原型和工作台网板～起斜放晾干，并将其浸入雨酮、酒精等清洗液体中，搅动并刷掉残留的气泡，如图2－9b所示。如果网板是固定于设备工作台上的，直接用铲刀将原型从网板上取下进行清洗，如图2干C所示。3）原型清洗完毕后，去除支撑结构，即将图2－9C中原型底部及中空部分的支撑去除干净。去除支撑时，应注意不要到伤原型表面和精细结构。4）再次清洗后置于紫外烘箱中进行整体后固化，如图2－9d所示。对于有些性能要求不高的原型，可以不做后固化处理。8of422．2．3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。当采用ACESTM方法时，实体的内部在激光束的作用下将完全固化，如图2-9d所示。发生反应的树脂相当于一半线宽的间距。由于间距都相等，所以所固化的树脂将受到同等累积的紫外激光束的照射并向下形成平直的表面。这种方法只适用于聚合时不收缩的环氧树脂，否则在成型时将会发生变形。和其他两种常用的方法相比，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。STARWEAVETM方法则依据一系列在原型内部的栅格为所固化的原型提供了较高的尺寸稳定性，这些栅格是在每隔一层成型时在每半个间距中产生的，如图2－11所示。栅格的末端并不接触到实体的边缘，这样可以减少实体的完全变形。而且，为了便变形更小，棚路线不能相交；但是为了提高实体的强度，栅格线将尽可能地接近。这种方法适用于聚合时收缩率较高的丙烯酸树脂，同时由于它的扫描时间较短，也适用于环氧树脂材料。QuickCastTM方法主要用于中空的铸件模型制造中。在成型过程中，每层的外轮廓在内部固化之前先被扫描，并且正方形（QuickCastTMVersionl．1）或等边三角形（QuickCastTMVersionl．0）填充在实体中，它们在垂直方向上以一定的距离子行，以便于多余树脂的排出。三角形的平移如图2刁2所示，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而正方形的平移则按间距的一半距离进行偏离。由于正方形的内角比三角形大，树脂的月形液面更小，便于排出多余的树脂。因为QuckCastTM方法生成的原型具有较大的表面，以及树脂是吸湿性的，所以为了避免因吸湿而产生变形，原型应该尽可能快地移到可以控制湿度的地方。9of4210of422．2．4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。囚此必须设计一些细往状或肋状支撑结构（如图2-13