快速成型材料与设备
快速成型第3章快速成型材料及设备
第3章快速成型材料及设备3．1 快速成型材料快速成型材料一直是快速成型技术研究与开发的重要任务之一，每一种快速成型制造工艺的推出和成熟都与材料研究与开发密切相关。
一种新的快速成型材料的出现往往会使快速成型工艺及设备结构、成型件品质和成型效益发生巨大的进步。
快速成型材料根据原型建造原理、技术和方法的不同分为薄层材料、液态材料、粉状材料、丝材等。
不同的成型制造方法对应的成型材料的性状是不同的，不同的成型制造方法对成型材料性能的要求也是不同的。
在快速成型技术推出初期，一般都是快速成型设备的制造商在从事所需求的材料的研究。
但随着快速成型技术的发展和推广，许多材料专业公司也加入到快速成型材料的研发中，成型材料正向高性能、系列化的方向发展。
快速成型材料一般根据成型工艺方法来分类，分为光固化成型材料、粉末烧结材料、熔融沉积丝材及叠层实体薄层材料等。
根据目前较为常用的快速成型用的材料来看，一般根据材料的性状分类比较清晰，分为液态材料、薄层材料、粉末材料、丝状材料等。
常见的快速成型材料分类见表3－1。
快速成型材料及其性能不仅影响着所制作原型的性能及精度，而且也影响着与成型工艺相关联的建造过程。
快速成型工艺对成型材料性能的总体要求有如下几个方面：1）适应逐层累加方式的快速成型建造模式。
2）在各种快速成型建造方式下，能快速实现层内建造及层间连接。
3）制作的原型具有一定的尺寸精度和尺寸稳定性。
4）确保原型具有一定的力学性能及性能稳定性。
5）无毒无污染。
3．1．1光固化快速成型材料用于光固化快速成型的材料为液态光固化树脂，或称液态光敏树脂。
随着光固化成型技术的不断发展，具有独特性能的光固化树脂（如收缩率小甚至无收缩，变形小，不用二次固化，强度高等）也不断地被开发出来。
1．光固化成型材料分类光固化材料是一种既古老又崭新的材料，与一般固化材料比较，光固化材料具有下列优点。
1）固化快。
可在几秒钟内固化，可应用于要求立刻固化的场合。
最新快速成型技术RapidPrototyping
SLA工作原理 SLA工作原理图
SLA优点： (1)原材料的利用率将近100% ； (2)尺寸精度高( ±0. 1 mm)； (3)表面质量优良； (4)可以制作结构十分复杂的模型。 SLA缺点： (1)成型过程中伴随着物理和化学变化，所以制件较易弯曲，
快速成型技术 RapidPrototyping
RP技术的主要特点：
（1）可以制造任意复杂的三维几何实体 （2）快速性 :几个小时到几十个小时就可制造出零件 （3）高度柔性：无需任何专用夹具或工具 （4）产品结构与性能的及时快速优化 （5）进行小批量生产 （6）RP技术有利于环保
二、RP技术加工方法和设备
需要支撑，如图5； (2)可使用的材料种类较少； (3)液态树脂具有气味和毒性，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。
SLA成型中加入支撑示意图
2、LOM（ Laminated Object Modelling）
LOM工艺由美国Helisys于1986年研制成功。LOM工 艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆 上一层热熔胶。其主要零部件有：工作平台、CO2激光器、 加热辊、供料与收料辊等。
目前RP技术的快速成型工艺方法有十多种。现简要介 绍四种比较成熟且常用的四种成型方法：光固化成型 （SLA）、分层实体制造（LOM）、选择域激光粉末烧 结成型（SLS）、熔融沉积成型（FDM）。
1、SLA
光固化法是第一个投入商业应用的RP技术,它以美国 3D Systems公司生产的SLA系列成型机为代表。SLA技术 是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的，这种液态材料 在一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，
快速成型技术实习报告
一、实习目的随着科技的不断发展，快速成型技术（Rapid Prototyping，简称RP）在制造业中的应用越来越广泛。
为了更好地了解这一先进技术，提高自己的实践能力，我参加了为期两周的快速成型技术实习。
本次实习旨在通过实际操作，掌握快速成型技术的原理、设备、工艺流程以及应用领域，为今后从事相关工作打下基础。
二、实习内容1. 快速成型技术原理快速成型技术是一种将计算机辅助设计（CAD）模型快速转化为三维实物的技术。
其原理是将CAD模型离散化，生成一系列的切片数据，然后通过逐层堆积的方式，将材料堆积成实体。
2. 快速成型设备本次实习主要使用了以下几种快速成型设备：立体光固化快速成型机（SLA）：利用紫外激光照射液态光敏树脂，使其固化成一层，然后进行下一层的固化，直至整个模型成型。
选择性激光烧结（SLS）设备：利用高能激光束将粉末材料烧结成层，直至整个模型成型。
熔融沉积建模（FDM）设备：利用热熔挤出机将熔融的塑料材料挤出，在计算机控制的运动平台上堆积成层，直至整个模型成型。
3. 快速成型工艺流程快速成型工艺流程主要包括以下步骤：CAD建模：使用CAD软件进行三维建模，生成STL格式的切片数据。
切片处理：将CAD模型切片处理成二维层片，每层厚度约为0.1-0.2mm。
模型成型：根据切片数据，使用相应的快速成型设备进行模型成型。
后处理：对成型的模型进行打磨、抛光等后处理，提高模型的表面质量。
4. 快速成型应用领域快速成型技术在以下领域具有广泛的应用：产品开发：快速成型可以用于新产品的设计验证和原型制作，缩短产品开发周期。
模具制造：快速成型可以用于快速制造模具，降低模具制造成本。
逆向工程：快速成型可以用于逆向工程，将实物模型转化为三维CAD模型。
教育科研：快速成型可以用于教育和科研，培养学生的实践能力和创新思维。
三、实习体会通过两周的快速成型技术实习，我深刻体会到以下几方面：1. 快速成型技术是一种高效、便捷的制造技术，可以缩短产品开发周期，降低成本。
机械设计中的快速成型技术有哪些
机械设计中的快速成型技术有哪些在当今的机械设计领域，快速成型技术正发挥着日益重要的作用。
它为设计师和工程师们提供了一种高效、精确且创新的方法来将概念转化为实际的产品模型。
那么，究竟有哪些常见的快速成型技术呢？首先，我们来谈谈 3D 打印技术。
这是目前应用最为广泛的快速成型技术之一。
它通过逐层堆积材料的方式来构建物体。
常见的 3D 打印材料包括塑料、金属、陶瓷等。
根据不同的技术原理，3D 打印又可以分为熔融沉积成型（FDM）、光固化成型（SLA）、选择性激光烧结（SLS）等多种类型。
熔融沉积成型（FDM）是一种相对简单且成本较低的3D 打印技术。
它将丝状的热塑性材料通过加热喷头挤出，按照预定的路径逐层堆积，形成三维物体。
这种技术适用于制作一些对精度要求不是特别高，但需要快速获得原型的产品，比如简单的机械零件、模型等。
光固化成型（SLA）则利用紫外线激光照射液态光敏树脂，使其逐层固化成型。
由于其能够实现较高的精度和光滑的表面质量，常用于制作具有复杂形状和精细结构的零件，如珠宝模具、医疗器械部件等。
选择性激光烧结（SLS）则适用于打印金属、陶瓷等粉末材料。
激光束按照模型的切片信息有选择地烧结粉末，未被烧结的粉末则起到支撑作用。
这种技术能够制造出具有高强度和良好机械性能的零件。
除了 3D 打印，立体光刻技术（Stereolithography）也是一种重要的快速成型方法。
它使用紫外线激光逐层固化液态光敏树脂，从而构建出三维物体。
与 3D 打印中的光固化成型技术相似，但在精度和细节表现上可能更具优势。
还有一种常见的快速成型技术是分层实体制造（LOM）。
它将薄片材料（如纸、塑料薄膜等）逐层粘结在一起，然后通过激光切割或刀具切割出零件的轮廓。
这种技术的优点是成型速度快，适用于制作大型零件的原型。
数控加工（CNC）虽然不是严格意义上的快速成型技术，但在机械设计中也经常被用于快速制造零件。
通过计算机控制机床对材料进行切削、钻孔、铣削等加工操作，可以获得高精度的零件。
快速成型技术
b.设计的易达性
• 可以制造任意复杂形状的三维实体模型，快速成型技术不受零件几何 形状的限制，在计算机管理和控制下能够制造出常规加工技术无法实 现的复杂几何形状零件的建模，能充分体现设计细节，尺寸和形状精 度大为提高，零件不需要经一步加工。
c.快速性
• RP技术是一项快速直接地单件零件的技术。可以直接接受产品设计 （CAD）数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型，大大缩短新 产品开发周期、降低成本、提高开发质量。
分层实体成型——LOM成ห้องสมุดไป่ตู้工艺
• LOM(Laminated Object Manufacturing)工艺或称为叠层实体 制造，其工艺原理是根据零件分层几 何信息切割箔材和纸等，将所获得的 层片粘接成三维实体。其工艺过程是： 首先铺上一层箔材，然后用CO，激 光在计算机控制下切出本层轮廓，非 零件部分全部切碎以便于去除。当本 层完成后，再铺上一层箔材，用滚子 碾压并加热，以固化黏结剂，使新铺 上的一层牢固地粘接在已成形体上， 再切割该层的轮廓，如此反复直到加 工完毕，最后去除切碎部分以得到完 整的零件。该工艺的特点是工作可靠， 模型支撑性好，成本低，效率高。缺 点是前、后处理费时费力，且不能制 造中空结构件。
选择性激光烧结成型——SLS成型工艺
SLS(Selective Laser Sintering)工艺，常 采用的材料有金属、陶瓷、ABS塑料等材 料的粉末作为成形材料。其工艺过程是： 先在工作台上铺上一层粉末，在计算机控 制下用激光束有选择地进行烧结(零件的 空心部分不烧结，仍为粉末材料)，被烧 结部分便固化在一起构成零件的实心部分。 一层完成后再进行下一层，新一层与其上 一层被牢牢地烧结在一起。全部烧结完成 后，去除多余的粉末，便得到烧结成的零 件。该工艺的特点是材料适应面广，不仅 能制造塑料零件，还能制造陶瓷、金属、 蜡等材料的零件。造型精度高，原型强度 高，所以可用样件进行功能试验或装配模 拟。
第五章_熔融沉积快速成型工艺介绍
成型速度 原型精度
制造成本 复杂程度
零件大小 常用材料
较高 复杂
中小件
低 简单
中大件
较低 复杂
中小件
较低 中等
中小件
热固性光敏树 纸、金属箔、 石蜡、塑料、 石蜡、尼龙、 脂等 塑料薄膜等 金属、陶瓷等 ABS、低熔点 金属等 粉末
第五章
熔融沉积快速成型工艺
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熔融沉积快速成型工艺的基本原理和特点
尺寸：254mm×254mm×305mm 尺寸：203mm×203mm×305mm
第二节 熔融沉积快速成型材料及设备
3D Systems公司自推出光固化快速成型系统及选择性激光烧 结系统后，又推出了熔融沉积式的小型三维成型机Invision 3-D Modeler系列。该系列机型采用多喷头结构，成型速度快，材料具
第二节 熔融沉积快速成型材料及设备
熔融沉积快速成型工艺对原型材料的要求：
材料的粘度 材料的粘度低、流动性好，阻力就小，有助于材料顺利挤出。材料的流动性差，需要很 大的送丝压力才能挤出，会增加喷头的启停响应时间，从而影响成型精度。 材料熔融温度 熔融温度低可以使材料在较低温度下挤出，有利于提高喷头和整个机械系统的寿命。可 以减少材料在挤出前后的温差，减少热应力，从而提高原型的精度。 材料的粘结性 FDM工艺是基于分层制造的一种工艺，层与层之间往往是零件强度最薄弱的地方，粘结 性好坏决定了零件成型以后的强度。粘结性过低，有时在成型过程中因热应力会造成层与层 之间的开裂。 材料的收缩率 由于挤出时，喷头内部需要保持一定的压力才能将材料顺利挤出，挤出后材料丝一般会 发生一定程度的膨胀。如果材料收缩率对压力比较敏感，会造成喷头挤出的材料丝直径与喷 嘴的名义直径相差太大，影响材料的成型精度。FDM成型材料的收缩率对温度不能太敏感， 否则会产生零件翘曲、开裂。 由以上材料特性对FDM工艺实施的影响来看，FDM工艺对成型材料的要求是熔融温度 低、粘度低、粘结性好、收缩率小。
快速成型技术
快速成型技术1、快速成型简介快速成型（RP）技术是九十年代发展起来的一项先进制造技术，是为制造业企业新产品开发服务的一项关键共性技术, 对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极的推动作用。
自该技术问世以来，已经在发达国家的制造业中得到了广泛应用，并由此产生一个新兴的技术领域。
RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。
不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。
但是，其基本原理都是一样的，那就是"分层制造，逐层叠加"，类似于数学上的积分过程。
形象地讲，快速成形系统就像是一台"立体打印机"。
2、RP 技术的原理RP 技术是采用离散∕堆积成型的原理, 由CAD 模型直接驱动的通过叠加成型方出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型, 根据工艺要求将其按一定厚度进行分层, 把三维电子模型变成二维平面信息(截面信息), 在微机控制下, 数控系统以平面加工的方式有序地连续加工出每个薄层并使它们自动粘接成型, 图1 为RP 技术的基本原理。
图1 RP 技术的基本原理。
RP 技术体系可分解为几个彼此联系的基本环节: 三维CAD 造型、反求工程、数据转换、原型制造、后处理等。
2.1立体光固化成型(SLA)该方法是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方法。
SLA 技术原理是计算机控制激光束对光敏树脂为原料的表面进行逐点扫描, 被扫描区域的树脂薄层( 约十分之几毫米) 产生光聚合反应而固化, 形成零件的一个薄层。
工作台下移一个层厚的距离, 以便固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂, 进行下一层的扫描加工, 如此反复, 直到整个原型制造完毕。
由于光聚合反应是基于光的作用而不是基于热的作用, 故在工作时只需功率较低的激光源。
此外,因为没有热扩散, 加上链式反应能够很好地控制, 能保证聚合反应不发生在激光点之外, 因而加工精度高, 表面质量好, 原材料的利用率接近100%, 能制造形状复杂、精细的零件, 效率高。
叠层制造及其它快速成型工艺与设备
LOM快速原型工艺适合制作大中型原型件，翘曲变形较小，成型时间较短，激光器使用寿命长，制成件有良好的机械性能，适合于产品设计的概念建模和功能性测试零件，且由于制成的零件具有木质属性，特别适合于直接制作砂型铸造模。
面曝光快速成型
MPSL(Mask Projection Stereolithography)面曝光快速成型与扫描式固化快速成型最大的不同在于采用片层掩膜技术，一次曝光固化一个层面的实体。MPSL的关键技术之一是如何生成图形动态掩膜（Dynamic Mask）。 图形掩膜的生成方式有多种，早期是利用静电复印技术原理，在玻璃底版上生成图形掩膜。目前，比较典型的图形生成工艺是采用液晶显示技术（Liquid Crystal Display，LCD）和数字投影技术（Digital Light Processing，DLP）。下面对这两种技术分别进行简单地介绍，着重说明一下DLP的技术原理。
LOM快速成形技术的缺点
6. 表面比较粗糙，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。 7. 难以构建精细形状的零件，即仅限于结构简单的零件。 8. 由于难以（虽然并非不可能）去除里面的废料，该工艺不宜构建内部结构复杂的零件。 9. 当加工室的温度过高时常有火灾发生，因此，工作过程中需要专职人员职守。
MPSL技术基本原理
由分析可以看出，相比于LCD，DMD能更好地适应快速成型加工所需要的高精度、高可靠性以及对紫外光源能量较高的承受能力。因此将DLP技术应用到光固化快速成型技术的面曝光快速成型具有更好的发展前景。 它主要包括两大部分：固化成像器件即掩膜发生器和机械辅助装置即升降、涂覆系统等。掩膜发生器负责完成每层图像的生成，由紫外光照射投影到成像位置，即光敏树脂液面处，曝光固化一次树脂，再通过升降装置以及涂覆系统完成新一层树脂的准备工作，从而开始下一层的固化。
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对材料总体性能要求：
▪ 1、适应逐层累加方式的快速成型建造模式； ▪ 2、能快速实现层内建造和层间连接； ▪ 3、原形的精度和尺寸稳定； ▪ 4、原形的力学性能满足实际要求； ▪ 5、对环境无污染。
▪ 涂布厚度指在纸上涂多少厚度的胶,选择原则是保证 可靠的黏结性的前提下,尽可能少涂,一减少变形,溢 胶和错位.
三、熔融沉积快速成型（FDM）材料
熔融沉积快速成型（FDM）材料
▪ 熔融沉积快速成型材料主要在于热喷头喷出材料 时要求既保持一定的形状又有良好的粘接性能。
▪ 材料的要求： ▪ （1）材料的粘度要求，粘度低，流动性好，阻
覆在已固化的层上，保证每一层厚度均匀； ▪ 5 数字控制系统和数字软件作用： 控制激光器、
激光束扫描装置、升降台、刮刀的运动。
二.叠层实体快速成型（LOM）制造设备
LOM成形系统的组成：
▪ LOM成形系统由计算机及控制软件、原材料 存储及送料机构、热碾压机构、激光切割系 统、可升降工作台、数控系统、模型取出装 置和机架组成。
▪ 1、激光器的作用：切割作用；
▪ 2、热压棍作用：给胶提供能量和施加压力， 提高工件成型后的强度；
▪ 3、可升降工作台作用：控制成形工件的升 降；
▪ 4、数字控制系统和数字软件作用： 控制 激光器扫描装置、升降台、热压棍的运动。
三、熔融沉积快速成型（FDM）设备
▪ 1.硬件系统 硬件系统由机械系统和控制系统组成。
▪ 2.软件系统 软件系统由几何建模和信息处理组成。
▪ 3.供料系统 由马达驱动主动辊，带动从动棍，通过
导向套从而将丝料送入成形喷头。
四、激光粉末烧结快速成型（SLS）设备组成
▪ SLS成形机主要由激光烧结系统、粉末供 给系统、升温系统、可升降工作台、和计 算机控制系统组成。
▪ 1.激光器作用：加热作用； ▪ 2 .粉末供给系统：主要设备为铺料小车，
理和化学稳定性；
▪ (3)熔融状态下与纸具有好的涂挂性及黏结 性；
▪ (4)与纸具有足够的黏结强度； ▪ (5)良好的废料剥离分离性能。
2）涂布工艺
▪ 涂布工艺包括涂布形状和涂布厚度.
▪ 涂布形状指采用均匀涂布和不均匀涂布,均匀涂布采 用狭缝刮板涂布,不均匀涂布有条纹式和颗粒式.一 般讲,不均匀涂布可以减少应力集中,但设备很贵.
上次课内容回顾
▪ 1、FDM原理； ▪ 2、 FDM设备组成和个组成的作用； ▪ 3、 FDM成型过程； ▪ 4、 FDM成型精度及控制方法； ▪ 5、 FDM原材料有哪些及对其要求； ▪ 6、 FDM成型特点。
第三章 快速成型材料及设备
▪ 第一节、快速成型材料 ▪ 第二节、快速成型设备
第一节、快速成型材料
▪ 要求：容易制备成粉末；熔点低。
第二节 快速成型制造设备 一、光固化快速成型（SLA）制造设备
二、光固化快速成型（SLA）装置组成
▪ SLA成形系统由激光器、X－Y运动装置、 液槽、升降台、刮刀和控制软件组成。
▪ 1.激光器作用：产生激光；
▪ 2.液槽作用：盛放光敏树脂； ▪ 3.升降台作用：控制成形工件的升降； ▪ 4.刮刀作用：保证新一层树脂迅速、均匀的涂
力小，有利于材料的顺利挤出； ▪ （2）材料熔融温度要求，熔融温度低可以在很
低的温度下挤出，有利于提高喷头的寿命； ▪ （3）收缩率小，成型后工件变形小，提高精度； ▪ （4）粘接性越高，成型后工件的强度越高。
四、选择性激光烧结（SLS）快速成型材料
选择性激光烧结（SLS）快速成型材料
▪ 可用于SLS技术的材料包括：尼龙粉、覆 裹尼龙的玻璃粉、聚碳酸脂粉、聚酰胺粉、 蜡粉、金属粉（成型后常须进行再烧结及 渗铜处理）、覆裹热凝树脂的细沙、覆蜡 陶瓷粉和复蜡金属粉等。
起到运输粉末材料和使每层材料平整；
▪ 3 .升温系统，在预热时加热粉末材料； ▪ 4 .可升降工作台：控制成形工件的升降； ▪ 5 .计算机控制系统：控制激光器扫描装置、
升降台、铺料小车的运动
本次课内容小结
▪ 1、快速成型的原材料及对原材料的要求； ▪ 2、快速成型的设备组成及个组成的作用
பைடு நூலகம்
一、光固化快速成型（SLA）材料
1、光固化快速成型材料特点：
▪ 光固化快速成型的材料为液态树脂，或称为液态 光敏树脂，其具有以下特点：
▪ 1）、固化快，可以在几秒钟固化； ▪ 2）、不需要加热就能固化； ▪ 3）、可以很容易制成液态形态； ▪ 4）、可以实现自动化操作，提高生产效率。
2、光固化成型材料的组成
过程中不会因为水分的损失而产生变形
▪ (2)良好的侵润性,保证良好的涂胶能力 ▪ (3)抗拉强度好,保证在加工过程中不被拉断 ▪ (4)收缩率小,保证热压过程中不会因为水分的损失
而产生变形
▪ (5)剥离性好,容易打磨,稳定性好
▪ 2）胶的要求：
▪ (1)良好的热熔稳定性； ▪ (2)在反复的热熔-固化条件下,具备好的物
▪ 光敏树脂主要有齐聚物、光引发剂、稀释剂组成。
▪ 齐聚物是光民树脂的主体，是一种含有不饱和官能团 的基料，它的末段有可聚合的活性基团，一旦有活性 种，就可以继续聚合长大，一经聚合，相对质量上升 极快，变成固体。
▪ 光引发剂是激发光敏树脂交联反应的特殊基团，当受到 光子作用时，会变成高度活性的自由基团，作用于高分 子聚合物，使其产生交联反应，有线状变成网状，从而 实现固化。
▪ 稀释剂是一种功能性单体，可以调节齐聚物的粘度，也 参加聚合反应。
二、叠层实体快速成型（LOM）材料
▪ 1、叠层实体材料组成： ▪ 叠层实体材料有薄型材料（纸、塑料）、粘接剂
（胶）以及涂布工艺。
2、叠层实体材料的要求： ▪ 1）纸的要求： ▪ (1)抗湿好,保证不会因时间长而吸水,从而保证热压