3D打印与快速成型技术

20Novembre,20103D打印与快速成型---知识管理SHOW之五27-4-2012•RP（RapidPrototyping）技术在制造业中各类零件的传统制造工艺按加工后原材料体积变化与否分为：受迫成型(ForcedForming)——按被加工材料的自然状态又可分为固态成型法（锻造、冲剪、挤压、拉拔等）、液态成型法（铸造）和半液态成型法（注塑）。去除成型(DislodgeForming)——又可分为机械联接、粘接术和焊接三种方式。材料去除法则有人们所熟知的车、铣、刨、磨等工艺，是目前制造业重要成型形式。添加成型(AdditiveForming)——八十年代初一种全新的制造概念被提了出来。通过添加材料来达到零件设计要求的成型方法，这种新型的零件生产工艺就成为RP（快速成型）的主要实现手段。生长成型(GrowthForming)——利用生物材料的活性进行成型的方法,自然界的生物个体的发育都是属于生长成型。“克隆”技术是人为系统中的生长成型方式。RP的概念与原理227-4-2012•STL文件作为快速成型系统的输入信息。通过对STL文件进行软件“切片”处理，得到切片信息及扫描加工路径信息格式(SLI文件)，然后把所得到的切片信息及扫描路径信息进行程序处理，并转化为数控命令代码形式，并输入到计算机数控系统(CNC)中，最后由计算机数控系统完成零件的扫描加工成形。RP的概念与原理3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27-4-20125一、光固化成型的基本原理和特点(SLA)（一）光固化成型的基本原理ξ2快速成型制造工艺光固化成型工艺过程原理图（二）光固化成型技术的特点优点：尺寸精度高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。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。制件易变形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。有时需清洗后置于紫外烘箱中进行整体后固化。较脆，易断裂性能尚不如常用的工业塑料ξ2快速成型制造工艺叠层实体制造工艺(LOM)(LaminatedObjectManufacturing，简称LOM，直译名为“叠层实体制造”)。叠层实体制造技术（LaminatedObjectManufacturing，LOM）是几种最成熟的快速成型制造技术之一。这种制造方法和设备自1991年问世以来，得到迅速发展。由于叠层实体制造技术多使用纸材，成本低廉，制件精度高，而且制造出来的木质原型具有外在的美感性和一些特殊的品质，因此受到了较为广泛的关注，在产品概念设计可视化、造型设计评估、装配检验、熔模铸造型芯、砂型铸造木模、快速制模母模以及直接制模等方面得到了迅速应用。ξ2快速成型制造工艺ξ2快速成型制造工艺一、基本原理和特点由计算机、材料存储及送进机构、热粘压机构、激光切割系统、可升降工作台和数控系统和机架等组成。首先在工作台上制作基底，工作台下降，送纸滚筒送进一个步距的纸材，工作台回升，热压滚筒滚压背面涂有热熔胶的纸材，将当前迭层与原来制作好的迭层或基底粘贴在一起，切片软件根据模型当前层面的轮廓控制激光器进行层面切割，逐层制作，当全部迭层制作完毕后，再将多余废料去除。基本原理:叠层实体制造工艺(LOM)在这种快速成形机上，截面轮廓被切割和叠合后所成的制品如图所示。其中，所需的工件被废料小方格包围，剔除这些小方格之后，便可得到三维工件。截面轮廓被切割和叠合后所成的制件ξ2快速成型制造工艺叠层实体制造技术的特点:有较高的硬度和较好的机械性能，可进行各种切削加工无须后固化处理无须设计和制作支撑结构废料易剥离制件尺寸大原材料价格便宜，原型制作成本低设备可靠性高，寿命长不能直接制作塑料工件工件的抗拉强度和弹性不够好工件易吸湿膨胀工件表面有台阶纹迭层实体制造方法与其他快速原型制造技术相比，具有制作效率高、速度快、成本低等优点，在我国具有广阔的应用前景。缺点优点ξ2快速成型制造工艺选择性激光烧结成型工艺(SLS)选择性激光烧结工艺(SelectiveLaserSintering，简称SLS)又称为选区激光烧结，由美国德克萨斯大学奥汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。该方法已被美国DTM公司商品化。于1992年开发了基于SLS的商业成型机(Sinterstation)。十几年来，DTM公司在SLS领域做了大量的研究工作。德国的EOS公司在这一领域也做了很多研究工作，并开发了相应的系列成型设备。国内华中科技大学（武汉滨湖机电产业有限责任公司）、南京航空航天大学、中北大学和北京隆源自动成型有限公司等，也取得了许多重大成果和系列的商品化设备。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。SLS的原理与SLA十分相象，主要区别在于所使用的材料及其形状。SLA所用的材料是液态的紫外光敏可凝固树脂，而SLS则使用粉状的材料。这是该项技术的主要优点之一，因为理论上任何可熔的粉末都可以用来制造模型，这样的模型可以用作真实的原型制件。ξ2快速成型制造工艺一、选择性激光烧结工艺的基本原理选择性激光烧结加工过程是采用铺粉辊将一层粉末材料平铺在已成形零件的上表面，并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉层上扫描，使粉末的温度升至熔化点，进行烧结并与下面已成形的部分实现粘接。当一层截面烧结完后，工作台下降一个层的厚度，铺料辊又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的烧结，直至完成整个模型。在成型过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂部分起着支撑作用，不必象SLA和FDM工艺那样另行生成支撑工艺结构。当实体构建完成并在原型部分充分冷却后，粉末块会上升到初始的位置，将其拿出并放置到工作台上，用刷子小心刷去表面粉末露出加工件部分，其余残留的粉末可用压缩空气除去。ξ2快速成型制造工艺选择性激光烧结成型工艺(SLS)ξ2快速成型制造工艺二、选择性激光烧结工艺的特点选择性激光烧结工艺和其它快速成型工艺相比，具有较多的优点：可采用多种材料从原理上说，这种方法可采用加热时粘度降低的任何粉末材料，通过材料或各类含粘结剂的涂层颗粒制造出任何造型，适应不同的需要。制造工艺比较简单由于可用多种材料，选择性激光烧结工艺按采用的原料不同可以直接生产复杂形状的原型、型腔模三维构件或部件及工具。例如，制造概念原型，可安装为最终产品模型的概念原型，蜡模铸造模型及其它少量母模，直接制造金属注塑模等。可直接制作金属制品在目前广泛应用的几种快速原型工艺方法中，唯有SLS方法可直接烧结制作金属材质的原型，这是SLS工艺的独特优点。ξ2快速成型制造工艺无需支撑结构和LOM工艺一样，SLS工艺也无需设计和需要支撑结构，叠层过程中出现的悬空层面可直接由未烧结的粉末来实现支撑。材料利用率高由于SLS工艺过程不需要支撑结构，也不象LOM工艺那样出现许多工艺废料，也不需要制作基底支撑，所以该工艺方法在常见的几种快速原型工艺中材料利用率是最高的，材料的利用率基本可以认为是100％。SLS工艺中的多数粉末的价格较便宜，所以SLS模型的成本相比较来看也是较低的。但是，选择性激光烧结工艺的缺点也比较突出，具体如下：原型表面粗糙由于SLS工艺的原材料是粉状的，原型的建造是由材料粉层经过加热熔化而实现逐层粘接的，因此，原型表面严格讲是粉粒状的，因而表面质量不高。烧结过程挥发异味SLS工艺中的粉层粘接是需要激光能源使其加热而达到熔化状态，高分子材料或者粉粒在激光烧结熔化时一般要挥发异味气体。有时需要比较复杂的辅助工艺SLS技术视所用的材料而异，有时需要比较复杂的辅助工艺过程。以聚酰胺粉末烧结为例，为避免激光扫描烧结过程中材料因高温起火燃烧，必须在机器的工作空间充入阻燃气体，一般为氮气。为了使粉状材料可靠地烧结，必须将机器的整个工作空间内直接参与造型工作的所有机件以及所使用的粉状材料预先加热到规定的温度，这个预热过程常常需要数小时。造型工作完成后，为了除去工件表面沾粘的浮粉，需要使用软刷和压缩空气，而这一步骤必须在闭封空间中完成以免造成粉尘污染。ξ2快速成型制造工艺一、熔融沉积工艺的基本原理熔融沉积又叫熔丝沉积，它是将丝状的热熔性材料加热熔化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。喷头可沿着X轴方向移动，而工作台则沿Y轴方向移动。如果热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而成型部分的温度稍低于固化温度，就能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体造型。熔融沉积制造工艺的具体过程如下：ξ2快速成型制造工艺熔融沉积工艺(FDM)一个喷头用于沉积模型材料，一个喷头用于沉积支撑材料。一般来说，模型材料丝精细而且成本较高，沉积的效率也较低。而支撑材料丝较粗且成本较低，沉积的效率也较高。双喷头的优点除了沉积过程中具有较高的沉积效率和降低模型制作成本以外，还可以灵活地选择具有特殊性能的支撑材料，以便于后处理过程中支撑材料的去除，如水溶材料、低于模型材料熔点的热熔材料等。ξ2快速成型制造工艺优点二、熔融沉积工艺的特点系统构造原理和操作简单，维护成本低，系统运行安全。可以使用无毒的原材料，设备系统可在办公环境中安装使用。用蜡成形的零件原型，可以直接用于失蜡铸造。可以成型任意复杂程度的零件，常用于成型具有很复杂的内腔、孔等零件。原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小。原材料利用率高，且材料寿命长。支撑去除简单，无需化学清洗，分离容易。缺点沿成型轴垂直方向的强度比较弱。需要对整个截面进行扫描涂覆，成型时间较长。成型件的表面有较明显的条纹。需要设计与制作支撑结构。原材料价格昂贵。ξ2快速成型制造工艺ξ2快速成型制造工艺RP工艺精度表面质量材料价格材料利用率运行成本生产效率设备费用占有率%SLA好优较贵接近100%较高高较贵78LOM一般较差较便宜较差较低高较便宜7.3SLS一般一般较贵接近100%较高一般较贵6.0FDM较差较差较贵接近100%一般较低较便宜6.1工艺优势对比表ξ2快速成型制造工艺三维印刷工艺(3DP—ThreeDimensionPrinting)采用粉末材料成型，如陶瓷粉末、金属粉末。材料粉末不是通过烧结连接起来，而是通过喷头用粘结剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉末之上。粘结剂粘结的零件强度较低，还须或后处理，即先烧掉粘结剂，然后高温渗入金属,使零件致密化，以提高强度。ξ2快速成型制造工艺24当前国际上制鞋业的竞争日益激烈，而美国WolverineWorldWide公司无论在国际还是美国国内市场都一直保持着旺盛的销售势头，该公司鞋类产品的款式一直保持着快速的更新，时时能够为顾客提供高质量的产品，而使用PowerSHAPE软件和Helysis公司的LOM快速原型加工技术是WolverineWorldWide公司成功的关键。LOM原型在制鞋业中的应用Wolverine的设计师们首先设计鞋底和鞋跟的模型或图形，从不同角度用各种材料产生三维光照模型显示，这种高质的图像显示使得在开发过程中能及早地排除任何看起来不好的装饰和设计。即使前期的设计已经排除了许多不理想的地方，