第六章快速成型技术(机械制造基础)

基本原理图：
图 SLS基本原理图
工作台上均匀铺上一层 很薄(0.1~0.2mm) 的粉末， 激光束在计算机的控制下按 照零件分层轮廓有选择性地 进行烧结，一层完成后再进 行下一层烧结。全部烧结完 成后去掉多余的粉末，再进 行打磨、烘干等处理便获得 零件。
优缺点：
➢ 优点 只要壁厚超过0.4mm，只要有三维造型文件，无论如何
发展：
我国在90年代先后有武汉华中科技大学快速制造中心、 北京航空航天大学激光研究中心、西安交大先进制造技术研 究所、北京殷华实业有限公司、陕西省激光快速成形与模具 制造工程研究中心等在快速成形工艺研究、设备开发、数据 处理及控制软件、新材料的研发等方面做了大量有成效的工 作。
基本思路：
1. CAD模型建立 2. STL文件生成 3. 分层切片 4. 快速堆积成形
熔融沉积快速成型（FMD-Fused Deposition Modeling，又 称熔丝沉积），是继SLA和LOM后的一种应用较广泛的快速 成型工艺，并以美国Stratasys公司开发的FDM制造系统应用最 为广泛。
基本原理： 它是将丝状的热熔性材料加热融化，通过带有一个微细喷
嘴的喷头挤喷出来。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，挤 出的材料迅速固化并与周围材料粘结，层层堆积而成。
飞速发展
铸造件设计
塑料件外形和机构设计
铸造行业
科研院校、生产企业
LOM
(1) 成形精度较高； (2) 只须对轮廓线进行切 割，制作效率高，适合做 大件及实体件； (3) 制成的样件有类似木 质制品的硬度，可进行一 定的切削加工。
(1) 不适宜做薄壁原型； (2) 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； (3) 易吸湿膨胀，成形后 要尽快表面防潮处理； (4) 工件强度差，缺少弹 性。
基本原理： LOM工艺是利用薄片材料，如纸、塑料薄膜等作为成形
材料，片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，用CO2或 刀在计算机控制下按照CAD分层模型轨迹切割片材，然后通 过热滚压，使当前层与下面已成形的工件层粘结，从而堆积 成形。
基本原理图：
图 LOM 基本原理图
供料机构转动收料轴和 供料轴，使新层移到加工区 域；工作台上升到加工平面， 热压辊热压，工件的层数增 加一层，高度增加一个料厚， 再在新层上切割截面轮廓。 如此反复直至零件的所有截 面粘接、切割完，得到分层 制造的实体零件。
基本原理图：
FDM 原理图
优缺点
➢ 优点：
1、采用热熔挤压头专利技术，系统结构原理和操作简单，
且使用无毒的原材料，设备可安装在办公环境中。 2、成型速度快。不需要SLA中的刮板工序。 3、用蜡成型的零件原型，可以直接用于熔模铸造。 4、可以成型任意复杂程度的零件。如复杂的内腔、孔等。 5、原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小。 6、原材料利用率高。 7、支撑去除简单。
汽车发动机曲轴、连杆、各类箱体、盖板等。
打印机原型样件
快速成型方法分类（本章内容）： 6.1 立体光造型技术 (SLA ) 6.2 选择性激光烧结技术 (SLS) 6.3 激光薄片叠层制造技术 (LOM) 6.4 熔融沉积快速成型技术(FDM) 6.5 其它快速成型方法
6.4 熔融沉积快速成型 (LOM)
(1) 成形件强度和表 (1) 成形时间较长； 面质量较差，精度低。 (2) 做小件和精细件时精 (2) 在后处理中难于 度不如SLA。 保证制件尺寸精度， 后处理工艺复杂，样 件变型大，无法装配。
高昂
激光器有损耗，材料 利用率高，原材料便 宜，运行费用居中。
稳步发展
低廉
无激光器损耗，材料的利 用率高，原材料便宜，运 行费用极低。
中等ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
激光器有损耗，材料利用 率很低，运行费用较高。
渐趋淘汰
实心体大件
铸造行业
本章结束！
第6章 快速成型成型 Chapter 6 Rapid prototyping
概述：
快速成形技术(Rapid Prototyping，简称RP)20世纪80年 代发展起来的，它综合了机械工程、CAD、数控技术、激光 技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设 计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而大 大缩短产品的研制周期。因而，被认为是近20来制造领域的 一个重大突破。影响力与数控技术相当。
优缺点 ➢ 优点：
1、只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个 截面。因此易于制造大型、实体零件。
2、零件的精度较高。 3、无需加支撑。工件外框与截面轮廓之间的多余材料起到 支撑作用。
➢ 缺点：
1、LOM后处理时间长；
2、纸质片材易受潮变形，不易久放。
应用： 纸价格相对便宜，可以用来做零部件的原型样件，如
基本原理图
图 SLA基本原理图
优缺点 ➢ 优点
SLA方法是目前快速成形技术领域中研究得最多的方法， 也是技术上最为成熟的方法。该方法成型精度高、表面质量 好、原材料利用率将近100%，能制造出形状特别复杂（如空 心零件）、特别精细（如首饰、装饰品等）的零件。 制造出来的原型件，可快速翻制各种模具。
高昂 激光器有损耗，光敏树 脂价格昂贵，运行费用 很高。 稳步发展
复杂、高精度、艺术用 途的精细件 快速成形服务中心
SLS
FDM
(1) 有直接金属型的 概念，可直接得到塑 料、蜡或金属件； (2) 材料利用率高； 造型速度较快。
(1) 成形材料种类较多， 成形样件强度好，能直接 制作ABS塑料； (2) 尺寸精度较高，表面 质量较好，易于装配 (3) 材料利用率高； (4) 可在办公环境进行。
优点
缺点
设备费 日常 维护费 发展 趋势 应用 领域 适合 行业
SLA
(1) 成形速度极快，成 形精度、表面质量高； (2) 适合做小件及精细 件。
(1) 成形后要进一步固 化处理； (2) 光敏树脂固化后较 脆，易断裂，可加工性 不好； (3) 工作温度不能超过 100℃，成形件易吸湿膨 胀，抗蚀能力不强。
(a)工件 (b)切片 (c)分层自由成型 (d)叠加零件
快速成型与普通成型的区别：
传统加工
快速成型
快速成型方法分类（本章内容）： 6.1 立体光造型技术 (SLA ) 6.2 选择性激光烧结技术 (SLS) 6.3 激光薄片叠层制造技术 (LOM) 6.4 熔融沉积快速成型技术(FDM) 6.5 其它快速成型方法
➢ 缺点：
1、精度较国外先进的SLA工艺低，最高精度0.127 mm； 2、成型表面光洁度不如国外先进的SLA工艺； 3、成型速度相对较慢。
应用：
主要适用于模具行业新产品开发和医疗、考古等基于 数字成像技术的三维实体模型制造。
快速成型方法分类（本章内容）： 6.1 立体光造型技术 (SLA ) 6.2 选择性激光烧结技术 (SLS) 6.3 激光薄片叠层制造技术 (LOM) 6.4 熔融沉积快速成型技术(FDM) 6.5 其它快速成型方法
6.1 立体光造型技术 ( SLA )
立体光造型技术，又称光敏树脂液相固化成形或立体光 刻）。最早由Charles Hul发明并于1984年获得专利，1988年 美国3D系统公司推出商品化的世界上第一台快速成形机。
基本原理： SL工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作。这种
液态材料在一定波长和功率的紫外线光（如：λ = 325 nm紫 外线）的照射下能迅速发生光聚合反应，相对分子量急剧 增大，材料也由液态变成固态。
材料精度难以控制，需要专业的控制系统，该技术为少数 厂家所掌握，且已经申请大量专利，维护成本较高，设备 昂贵。
应用： （1）可直接制作树脂功能件，用作结构验证和功能测试，并
可用于装配样机。 （2）制造出来的原型可以翻制各种模具。 （3）制件可直接作熔模铸造用的蜡模和砂型、型芯。
功能测试零件
汽车发动机排气管
6.5 其它快速成型方法
激光熔覆快速成型： 被熔覆的金属粉末通过送粉装置用气体或重力输送，采
用高功率激光同步熔化被送粉末，在基板上逐线、逐层堆积 成非常之谜的金属零件。
图 激光熔覆快速成形原理图
三维打印(3D-P)：
3DP工艺是美国麻省理工学院Emanual Sachs等人1989年 研制的。3DP工艺采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉 末。通过喷头用粘接剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料 粉末上面。
6.2 选择性激光烧结技术 (SLS)
选择性激光烧结成形(SLS—Selected Laser Sintering)，又称选 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。
基本原理： 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。
➢ 缺点 需要支撑，树脂收缩导致精度下降，材料昂贵，光固化
树脂有一定的毒性等。
应用： （1）可直接制作树脂功能件，用作结构验证和功能测试 （2）可制作比较精细和复杂零件 （3）可制造出有透明效果的制件 （4）制造出来的原型可以翻制各种模具
快速成型方法分类（本章内容）： 6.1 立体光造型技术 (SLA ) 6.2 选择性激光烧结技术(SLS) 6.3 激光薄片叠层制造技术 (LOM) 6.4 熔融沉积快速成型技术(FDM) 6.5 其它快速成型方法
复杂砂型零件
快速成型方法分类（本章内容）： 6.1 立体光造型技术 (SLA ) 6.2 选择性激光烧结技术 (SLS) 6.3 激光薄片叠层制造技术 (LOM) 6.4 熔融沉积快速成型技术(FDM) 6.5 其它快速成型方法
6.3 激光薄片分层叠加成形 (LOM)
薄片分层叠加成形（LOM—Laminated Object Manufacturing， 又称层叠实体制造或分层实体制造）。由美国Helisys于1986年 研制成功，并推出商品化的机器。
复杂的零件，都可以成型；成形速度快，强度高，耐高温性 能好；原材料便宜，制品可以直接用来做结构验证和性能测 试；支持材料的自主研发；设备自动化程度高，遇到故障自 动停机；可以在无人值守的情况下自动化生产。无需加支撑， 因为没有被烧结的粉末起到支撑作用。可以烧结制造空 心、多层镂空的复杂零件。 ➢ 缺点