快速成型技术与试题 - 答案

试卷

3.快速成型技术的主要优点包括成本低，制造速度快，环保节能，适用于新产品开发和单间零件生产等

4.光固化树脂成型（SLA）的成型效率主要与扫描速度，扫描间隙，激光功率等因素有关

5.

也被称为：3D打印，增材制造；

6.选择性激光烧结成型工艺（SLS）可成型的材料包括塑料，陶瓷，金属等；

7.选择性激光烧结成型工艺（SLS）工艺参数主要包括分层厚度，扫描速度，体积成型率，聚焦光斑直径等；

8.快速成型过程总体上分为三个步骤，包括：数据前处理，分层叠加成型（自由成型），后处理；

9.快速成型技术的特点主要包括原型的复制性、互换性高，加工周期短，成本低，高度技术集成等；

10.快速成型技术的未来发展趋势包括：开发性能好的快速成型材料，改善快速成形系统的可靠性，提高其生产率和制作大件能力，优化设备结构，开发新的成形能源，快速成形方法和工艺的改进和创新，提高网络化服务的研究力度，实现远程控制等；

11.光固化快速成型工艺中，其中前处理施加支撑工艺需要添加支撑结构，支撑结构的主要作用是防止翘曲变形，作为支撑保证形状；

二、术语解释

1.STL数据模型

是由3D SYSTEMS 公司于1988 年制定的一个接口协议，是一种为快速原型制造技术服务的三维图形文件格式。STL 文件由多个三角形面片的定义组成，每个三角形面片的定义包括三角形各个定点的三维坐标及三角形面片的法矢量。stl 文件是在计算机图形应用系统中，用于表示三角形网格的一种文件格式。它的文件格式非常简单，应用很广泛。STL是最多快速原型系统所应用的标准文件类型。STL是用三角网格来表现3D CAD模型。STL只能用来表示封闭的面或者体，stl文件有两种：一种是ASCII明码格式，另一种是二进制格式。

2.快速成型精度包括哪几部分

原型的精度一般包括形状精度，尺寸精度和表面精度，即光固化成型件在形状、尺寸和表面相互位置三个方面与设计要求的符合程度。形状误差主要有：翘曲、扭曲变形、椭圆度误差及局部缺陷等；尺寸误差是指成型件与CAD模型相比，在x、y、z三个方向上尺寸相差值；表面精度主要包括由叠层累加产生的台阶误差及表面粗糙度等。

3.阶梯误差

由于快速成型技术的成型原理是逐层叠加成型，因此不可避免地会产生台阶效应，使得零件的表面只是原CAD模型表面的一个阶梯近似（除水平和垂直表面外），导致原型产生形状和尺寸上的误差。

4.摆放方位

摆放方位是指成型零件的成型的第一层与最后一层的选择，影响到成型零件的表面质量与后续支撑的施加。

5.三维打印快速成型（3DP）

三维打印快速成型工艺是以某种喷头作为成型源，其运动方式与喷墨打印机的打印头类似，在台面上做X-Y平面运动，所不同的是喷头喷出的不是传统喷墨打印机的墨水，而是粘结剂、熔融材料或光敏材料等，基于快速成型技术基本的堆积建造模式，实现原型的快速制作。根据使用材料或固化方式不同，3DP快速成型技术可分为粉末材料三维喷涂粘结成型、熔融材料喷墨三维打印成型两大类工艺。

6.翘曲变形

光固化成型工艺中，液态光敏树脂在固化过程中都会发生收缩，收缩会在公件内产生内应力，沿层厚从正在固化的层表面向下，随固化程度不同，层内应力呈梯度分布。在层与层之间，新固化层收缩时要受到层间粘合力限制。层内应力和层间应力的合力作用致使工件产生翘曲变形。

三、简答题

3.1快速成型方法主要包括哪几种（写出5种），这几种方法的英文全称及缩写是什么？

所有的快速成型工艺方法都是一层一层地制造零件，区别是制造每一层的方法和材料不同而已

①SLA 光固化成型法Stereo Lithography Apparatus

将激光聚焦到液态材料如光固化树脂表面根据CAD模型令其有规律的固化，由点到线，由线到面完成一个层面的制造，然后升降平台移动一个层片厚度的距离重新覆盖一层液体材料，再重复建层，由此叠加完成一个三维实体的制造。②FDM 熔融沉积成型Fused Deposition Modeling

将热熔性材料通过加热器融化，挤压喷出并堆积一个层面，同样的方法造出第二个层面并与前一层融化在一起，层层堆积可以获得三维实体

③LOM分层实体制造Laminated Object Manufacturing

采用激光或刀具对箔材进行切割从而获得一个层面。通过升降平台的移动和箔材的送给，可以切割出新的层面并用粘结剂与原层面粘结，层层迭加获得三维实体。

④SLS选择性激光烧结Selecting Laser Sintering

首先将粉末预热到稍低于其熔点的温度，然后在刮平棍子的作用下将粉末铺平；激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地烧结，一层完成后进行下层烧结，全部烧结完后去掉多余的粉末就可以得到一烧结好的零件。

⑤3DP三维打印技术Three-Dimensional Printing

三维打印的工作原理类似喷墨打印机，故名三维打印，不过喷墨打印机是把墨水打印到纸上，而三维打印是把粘结剂、液态的蜡、塑料或树脂通过喷射粘结剂或挤出的方式实现层层堆积形成三维实体。这项技术不需要激光。

3.2叙述从CAD模型到快速成型获得实体零件的整个过程

一般分为前处理，原型制作以及后处理三个过程。

前处理主要是对原型的CAD模型进行数据转换（生成STL数据文件），确定摆放方位，施加支撑以及切片分层（根据设定的分层厚度沿着高度方向进行切片，生成所需的SLC格式的层片数据文件）

原型制作是在专用的快速成型设备上进行的，根据不同的工艺需要对系统设备有不一样的操作。

后处理主要是对半成品的处理，首先是清洗除去零件表面的剩余材料，然后是去除修整原型的支撑，最后是根据不同的精度要求对零件进行加工。

3.3熔融沉积快速成型过程中确定摆放方位的作用是什么？双喷头熔融沉积快速成型工艺的突出优势是什么？

摆放方位影响到成型零件的表面质量与后续支撑的施加。在高度方向上，正确的摆放方位可以减小阶梯误差，同时可以得到最合适，最容易拆卸的支撑结构。双喷头的好处在于成型速度快，同时可以使用两种成型材料。

3.4简述快速成型技术产业面临的挑战，并请谈一谈目前快速成型技术与传统制造业（如数控机床等）的关系

1)材料问题.目前快速成型技术中成型材料的成型性能大多不太理想，成型件的物理性能不能满足功能性、半功能性零件的要求，必须借助于后处理或二次开发才能生产出令人满意的产品。由于材料技术开发的专门性，一般快速成型材料的价格都比较贵，造成生产成本提高。

2)高昂的设备价格。快速成型技术是综合计算机、激光、新材料、CAD/CAM集成等技术而形成的一种全新的制造技术，是高科技的产物，技术含量较高，所以，目前快速成型设备的价格较贵，限制了快速成型技术的推广应用。

3)功能单一。现有快速成型机的成型系统都只能进行一种工艺成型，而且大多数只能用一种或少数几种材料成型。这主要是因为快速成型技术的专利保护问题，各厂家只能生产自己开发的快速成型工艺成型设备，随着技术的进步，这种保护体制已成为快速成型技术集成的障碍。

4)成型精度和质量问题。由于快速成型的成型工艺发展还不完善，特别是对快速成型软件技术的研究还不成熟，目前快速成型零件的精度及表面质量大多不能满足工程直接使用的需要，不能作为功能性零件，只能作原型使用。为提高成型件的精度和表面质量，必须改进成型工艺和快速成型软件。

5)应用问题。虽然快速成型技术在航空航天、汽车、机械、电子、电器、医学、玩具、建筑、艺术品等许多领域都已获得了广泛应用，但大多仅作为原型件进行新产品开发及功能测试等，如何生产出能直接使用的零件是快速成型技术面临的一个重要问题。随着快速成型技的进一步推广应用，直接零件制造是快速成型技术发展的必然趋势。

6)软件问题。随着快速成型技术的不断发展，快速成型技术的软件问题越来越突出，快速成型软件系统不但是实现离散/堆积成型的重要环节，对成型速度，成型精度，零件表面质量等方面都有很大影响，软件问题已成为快速成型技术发展的关键问题。

与传统的制造过程相比，采用快速成型和快速制模技术后，可以将产品试制和批量生产的模具准备工作并行作业，明显缩短新产品设计和试制周期，并节省产品开发费用。但是快速成型技术普遍需要借助传统加工工艺来后处理实现产品的性能。

3.5熔融沉积快速成型工艺在加工前需要对数据处理，数据处理主要包括哪些步骤？

数据处理：CAD建模，并生成STL格式数据文件

分层，分层后的层片包括三个部分，分别为原型的轮廓部分、内部填

充部分和支撑部分。）

层面处理

成型加工：逐层堆积，生成实体，后处理

根据STL文件判断成型过程，由计算机设计出支撑结构并生成支撑，然后对STL文件分层切片，最后根据每一层的填充路径将信息输给成型系统完成成形。

3.6请分别用1-2句话简要叙述5种（SLA，FDM，LOM，SLS，3DP）快速成型工艺的基本原理

四、判断题

1.快速成型技术制造的零件的表面质量超过了传统的加工方法（×）

2.快速成型技术目前采用的数据是STL格式（√）

3.熔融沉积快速成型工艺可以同时成型两种或以上材料（√）

4.针对所以的快速成型工艺，层厚越小，成型零件精度越低（×）

5.针对CAD数据处理过程中，切片软件的精度过低，可能遗失两相邻切片层之间的小特征结构（如窄槽、小助片）（√）

6.LOM工艺对原型进行表面涂覆处理可以提高强度和改进抗湿性（√）

7.金属零件直接熔化成型工艺需要较高激光功率（密度）熔化金属粉末（√）

8.STL数据中小三角形数量越少，则成型件的精度越高（×）

五、基于以下材料回答问题

1.从2015年5月份开始，快速成型技术（3D打印）在媒体的宣传下变得很热，来自北京航空航天大学的王华明教授谈了他对快速成型技术的一些看法：

“我认为这种技术确实带有一种变革性的，短流程、低成本、数字化，高性能的制备构建制造一体化的技术，对构建的制造是重要的，尤其是这种技术一部分高性能难加工构建技术的革命。”

“我觉得它的潜力应该也是很大的，它是一匹千里马，增材制造（快速成型技术）和传统制造也是一样，每一种技术都有各自的优势，并不是取代传统制造技术，但是有很多确实趋势很有用武之地。说道3D打印与第三次工业革命的关系，我觉得第一，它绝不是划等号，至多是作为第三次工业革命的元素或者是组成部分，其实第三次工业革命已经在发生，我觉得增材制造（快速成型技术）需要提前、需要创新，也需要理性。”

通过阅读上述王华明教授对快速成型技术的评价，结合您对快速成型技术优缺点的了解，请谈一谈快速成型技术与传统制造技术的关系，并分析未来快速成型技术的可能发展方向有哪些？

快速成型技术与传统成形方式的区别快速原型技术成形机理和工艺控制与传统成形方式有很大差别，主要表现在：（1）RP加工不是一般意义上的模具或刀具，而是利用光、热、电等物理手段实现材料的转移或堆积；（2）原型是通过堆积不断增大，其力学性能不但取决于成型材料本身，而且与成型中所施加的能量大小及施加方式有密切关系，故在成型工艺控制方面，需要对多个坐标进行精确的动态控制；（3）能量在成型物理过程中是一个极为关键的因素，在以往的去除成形和受迫成形中，能量是被动地供给的，一般无须对加工能量进行精确的预测与控制，而在离散、堆积类型的RP中，单元体制造中能量是主动供给的，需要准确地预测与控制，对成型中的能量形式、强度、分布、供给方式以及变化等进行有效的控制，从而经由单元体的制造而完成成型。

（1）大力改善现行快速成型制作机的制作精度、可靠性和制作能力，提高生产效率，缩短制作周期。尤其是提高成型件的表面质量、力学和物理性能，为进一

步进行模具加工和功能试验提供平台。

（2）随着成型工艺的进步和应用的扩展，其概念逐渐从快速成型向快速制造转变，从概念模型向批量定制转变，成型设备也向概念型、生产型和专用型三个方向分化。

（3）开发性能更好的快速成型材料。材料的性能既要利于原型加工，又要具有较好的后续加工性能，还要满足对强度和刚度等不同的要求。

（4）提高RP 系统的加工速度和开拓并行制造的工艺方法。目前即使是最快的快速成型机也难以完成象注塑和压铸成型的快速大批量生产。将来的快速成型机需要向快速和多材料的制造系统发展，以便可以直接面向产品制造。

（5）开发直写技术。直写技术对于材料单元有着精确的控制能力，开发直写技术，是快速RP技术的材料范围扩大到细胞等活性材料领域，

（6）开发用于快速成型的RPM 软件。这些软件有快速高精度直接切片软件，快速造型制造和后续应用过程中的精度补偿软件，考虑快速成型原型制造和后续应用的CAD 等。

（7）开发新的成型能源。目前大多数成型机都是以激光作为能源，而激光系统的价格和维修费用昂贵，并且传输效率较低。这方面也需要得到改善和发展。（8）RPM 与CAD、CAM、CAPP、CAE 以及高精度自动测量、逆向工程的集成一体化。该项技术可以大大提高新产品的第一次投入市场就十分成功的可能性，也可以快速实现反求工程。

（9）研制新的快速成型方法和工艺。除了目前SLA、LOM、SLS、FDM 外，直接金属成型工艺将是以后的发展焦点。

（10）提高网络化服务，进行远程控制，实现全球化异地协同合作。

盛年不重来，一日难再晨。及时宜自勉，岁月不待人。