第2讲快速成型基本工艺-精选

快速原型制造技术--第2讲快速原型基本工艺制造科学与工程学院梅筱琴第2讲快速原型制造工艺本讲主要内容：快速原型主要的制造工艺基本工艺过程加工对象-材料工艺特点主要的工艺方法学习提示：每一种工艺方法的加工对象-材料都有着自己的特点，即材料技术促成了不同的RP工艺的发展快速原型的主要工艺方法20世纪80年代以来，比较成熟的RP工艺有20余种，其中应用最广泛的有：光固化成型/立体印刷（StereoLithographyApparatus---SLA）叠/分层实体制造（LaminatedObjectManufacturing---LOM）激光选择性烧结（SelectedLaserSintering---SLS）熔融沉积成型（FusedDepositionModeling---FDM）三维打印（Three-DimensionalPrinting---3D-P）一、光固化成型工艺/立体印刷-SLASLA-StereoLithographyApparatus或StereoLithography（简称SL）1986年CharlesW.Hull发明并获美国专利，1988年美国3DSystems公司推出商品化样机SLA-1，是世界上第一台快速原型机SLA是最早出现,研究最多，且技术上最为成熟的RPT，最高精度已能达到0.05mm目前研究SLA技术的公司3DSystems公司、EOS公司、F&S公司、CMET公司、D-MEC公司等美国3DSystems公司推出SLA-3500，SLA-5000使用半导体激励的固体激光器，扫描速度可达到5m/s，成形层厚最小可达0.05mm。SLA-7000机型扫描速度达9.52m/s，成形层厚最小可达0.025mm，精度比SLA-5000提高了1倍采用了一种称为ZephyerRecoatingSystem的新技术，该技术是在每一成形层上，用一种真空吸附式刮板在该层上涂一层0.05～0.1mm的待固化树脂，使成形时间平均缩短了20%国内，西安交通大学、清华大学等1.SLA成型原理1.SLA成型原理SLA成型原理2.SLA的工艺流程SLA成型实例3.SLA的系统结构液态光敏树脂在一定波长（λ=325/355nm）和功率（P=30~40mW）的光源照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也从液态转变成固态紫外光敏树脂可见光敏树脂4.SLA的成型材料SLA工艺对光敏树脂的要求粘度低便于树脂在短时间内流平，减少加工时间，提高制作精度光敏性高即所吸收波长的范围窄扫描速度越高，零件加工所需的时间越短。要求光敏树脂在光束扫描到液面时立刻固化，而当光束离开后聚合反应又必须立即停止，否则会影响精度光源寿命有限，光敏性差则会延长固化时间，增加制作成本SLA工艺对光敏树脂的要求固化收缩率小光敏树脂在由液态转化为固态的过程中会产生内应力收缩导致原型件在制作过程中的变形、翘曲、开裂等，成型件的精度降低，机械性能下降是SLA制件精度最主要的影响因素机械性能良好一定的硬度、强度等以满足使用的需要SLA工艺对光敏树脂的要求溶胀小湿态成型件在液态树脂中的溶胀会造成零件尺寸偏大储存稳定性好不发生缓慢聚合反应不发生因其中组分挥发而导致粘度增大不被氧化而变色毒性小成本低目前进口材料约1200元/公斤液态光敏树脂的组成与油墨和紫外光固化涂料组成相似由预聚物(齐聚物)、光引发剂、反应性稀释剂、交联固化剂、光敏增感剂、热稳定剂、流平剂、抗氧剂等组成液态光敏树脂分类（根据光引发剂的引发机理）自由基光固化树脂阳离子光固化树脂混杂型光固化树脂5.SLA主要的成型材料自由基光固化树脂包括：环氧树脂-丙烯酸脂聚合速度快、强度高、脆性较大、产品易泛黄聚脂丙烯酸脂流平性好、固化性好、性能可调节聚氨脂丙烯酸脂聚合速度较慢、产品柔韧性与耐磨性好优点：固化速度高、粘度低、韧性好、成本低缺点：固化时，由于表面氧的干扰作用，成型零件精度较低；树脂固化时收缩大，成型零件翘曲变形大；反应固化率(固化程度)较环氧系的低，需二次固化；反应后应力变形大。阳离子光固化树脂主要成份为环氧化合物。环氧树脂是最常用的阳离子型齐聚物，其优点如下：固化收缩小（2%－3%）；产品精度高阳离子聚合物是活性聚合，在光源熄灭后可继续引发聚合生坯件强度高；产品可以直接用于注塑模具氧气对自由基聚合有阻聚作用，而对阳离子树脂则无影响缺点：粘度较高，需添加相当量的活性单体或低粘度的预聚物才能达到满意的加工粘度；阳离子聚合通常要求在低温、无水情况下进行，条件比自由基聚合苛刻。混杂型光固化树脂主要包括：丙烯酸系列乙烯基醚系列环氧系列与前两种树脂相比，具有下列优点聚合时体积收缩很小甚至产生膨胀，可以设计成无收缩的聚合物可以提供诱导期短而聚合速度稳定的聚合系统能克服光照消失后自由基迅速失活而使聚合终结的缺点6.SLA工艺的主要特点成型方法简单，自动化程度高，能直接生产塑料件表面粗糙度较低，尺寸精度较高可以制作结构十分复杂的、比较精细的原型，尤其是内部结构复杂的原型成型过程中有物理、化学以及相的变化，制件较易翘曲、变形，需要支撑结构成型速度较低，需要对制件进行二次固化，以提高制件的尺寸稳定性和使用性能成本高（树脂和激光器价格昂贵）原材料有气味和毒性，对环境有污染，且需避光保存7.支撑结构在RP成型过程中，因为成型原理的原因，不能使制件在某一截面上突然出现的孤立轮廓或悬臂轮廓定位。为此，设计一些细柱、十字、网格或肋状结构，从工作平台生长至孤立轮廓或悬臂轮廓出现的片层，以便对其进行可靠定位，同时有助于减少片层之间的翘曲变形。基础支撑人工支撑支撑结构示意图基础支撑人工支撑基础支撑网格人工支撑柱状双腹板支撑单腹板支撑制件直支撑制件斜支撑十字支撑常见支撑结构肋状单墙十字形腹板形未添加支撑的模型人工添加支撑添加支撑的模型8.SLA的激光扫描方式-ACESTMACESTMSTARWEAVETMQuickCastTMACESTM1.该方法以平行线方式扫描，3DSystemCO.最早采用2.间距相等，树脂受累积光照强度相等，成型精度较高3.固化完全，成型效率较低4.适于收缩率小的环氧树脂8.SLA的激光扫描方式-STARWEAVETM下一层该方法以栅格方式扫描固化原型内部的树脂。栅格是每隔一层成型时在每半个间距中产生的，且栅格线不能相交。栅格的末端不接触实体的边缘，以减少实体的整体变形。原型的尺寸稳定性较高，适于聚合收缩率较高的丙烯酸树脂，同时由于扫描时间较短，也适于环氧树脂材料。8.SL的激光扫描方式-QuickCastTM该方法先固化每一片层的外轮廓，再以正方形或等边三角形方式扫描填充实体内部。适于中空的原型件。正方形或等边三角形在垂直方向上以一定的距离平移，以便排出多余树脂。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，而正方形则按间距的一半距离进行偏移。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。该方法生成的原型具有较大的表面，且树脂具有良好的吸湿性，为避免因吸湿而产生变形，原型应尽快移到可以控制湿度的地方。9.后处理1.晾干多余树脂2.清洗原型件3.取件并去除支撑4.二次紫外光固化10.光固化树脂的收缩光固化树脂收缩引起的制件变形10.光固化树脂的收缩两种常见结构的翘曲变形10.光固化树脂的收缩零件固化成型过程中层片翘曲变形10.光固化树脂的收缩原因固化收缩—相变体收缩率约10％线收缩率约3％热胀冷缩二次固化收缩约占总收缩量的25％～40％甲基丙烯酸甲酯的聚合反应（以具有三甲基硅基的烯酮二缩合物为引发剂）11.SL的应用替代熔模铸造的蜡型制作样品—手板模型医学美容、康复、诊断、手术规划等验证模型3DSystem–iProSLACenter系列11.SL的应用制造硅胶模真空注型机二、分（叠）层实体制造-LOMLaminatedObjectManufacturing-LOM由MichaelFeygin于1986年研制成功，1991年美国Helisys公司推出商品化机器LOM工艺原理采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等，在材料表面事先涂覆上一层热熔胶，加工时用CO2激光器或刀具在计算机控制下进行切割，然后通过热压辊热压，使当前层与下面已成型的工件粘接，从而堆积成型研究LOM工艺的公司美国Helisys公司（已破产）、日本Kira公司、瑞典Sparx公司、新加坡Kinergy精技公司；国内有华中理工大学、清华大学等LOM工艺材料受材料（纸）限制，性能难以有突破性的提高，已逐渐走入没落，大部分厂家已经或准备放弃该工艺分层实体制造学术关注度（1994~2019）用户关注度（2019.8~2019.12）1.LOM工艺原理1.LOM工艺原理CO2激光器热压辊控制计算机供料轴加工平面升降台收料轴料带LOM成型原理LOM成型实例片层轮廓及网格废料2.LOM成型材料薄材，如纸、塑料薄膜涉及三个方面的问题：纸热熔胶涂布工艺LOM工艺对纸的性能要求抗拉强度保证在加工过程中不被拉断浸润性保证良好的涂胶性能抗湿性不易吸水收缩率小不因水份损失而变形易打磨表面光滑稳定性零件可长期保存易剥离垂直方向抗拉强度不是很大LOM工艺对热熔胶的性能要求热熔胶的主要成份EVA树脂+增粘剂+蜡+抗氧化剂等热熔胶的性能指标熔融粘度、流动性、收缩性、粘接强度、浸润性、热分解温度等热熔胶的涂布工艺均匀式涂布采用狭缝式刮板，设备简单非均匀式涂布有条纹式和颗粒式，可减少应力集中，设备比较贵热熔胶的涂布工艺LOM工艺后处理中的表面涂覆表面涂覆的作用提高强度；提高耐热性；改进抗湿性；延长原型的寿命；易于表面打磨等处理，提高制件表面质量和尺寸精度。表面涂覆基本工艺（1）打磨原型表面；（2）按比例配制环氧树脂，并均已混合；（3）在原型上涂刷一层混制好的涂覆材料；（4）再次涂覆，并长时间固化；（5）用砂纸打磨硬化的原型表面，注意确保原型尺寸在公差范围之内；（6）表面抛光。3.LOM工艺的特点LOM原型件强度类似硬木，可承受200℃左右的高温，具有较好的机械强度和稳定性，可承受切削加工经过适当的表面处理，如喷涂清漆、高分子材料或金属后，可作为各类间接快速制模工艺的母模，或直接制作用于注塑用的纸基模具适合大、中型结构简单的零件加工难以清除内腔的废料，不宜制作内部结构复杂的零件零件的精度较高（0.15mm）在加工中，主要成型材料没有相变；网格废料起到了支撑作用，故翘曲变形小工件表面有明显的台阶纹，成型后要进行打磨；且纸制零件很容易吸潮，必须立即进行后处理、上漆原材料种类较少尽管可选用若干原材料，例如纸、塑料、陶土以及合成材料，但实际应用的只有纸材料浪费大，且清除废料困难4.LOM工艺的应用制作样品—手板模型作铸造模样4.LOM工艺的应用薄板金属成型与拼接真空成型4.LOM工艺的应用砂型铸造FoundryCastings三、选择性激光烧结-SLSSelectiveLaserSintering由美国德州Austin分校C.R.Dechard于1989年研制成功，后被美国DTM公司商品化，推出商品化机器SLS工艺原理SLS工艺是利用粉末材料（金属或非金属粉末）在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成形1.SLS工艺原理1.SLS工艺原理激光器扫描镜激光束平整滚筒粉末SLS工艺演示SLS成型实例“球化”现象粉末熔化后，液体质点对固体金属粉末的作用力远比松散的固体金属粉末之间的作用力大，结果导致金属粉末被液体质点粘结形成较大的球体，激光功率越大，球的直径也越大烧结机理模型“球化”现象的解决办法多元系液相烧结（1）使用具有不同化学性质的粉末混合料，该混合料的液相来自低熔点组元的熔化或者低熔共晶物的形成。如：聚合物包裹的金属粉末或陶瓷粉