3D打印与快速成型技术

ξ2 快速成型制造工艺
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。
缺 点
成型件的表面有较明显的条纹 。 沿成型轴垂直方向的强度比较弱。 需要设计与制作支撑结构。 需要对整个截面进行扫描涂覆，成型时间较长。 原材料价格昂贵。
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工艺优势对比表
表面 质量 材料 价格 运行 成本 生产 效率 设备 费用
RP工艺
精度
材料利用率
占有率%
SLA LOM SLS FDM
3D打印与快速成型
---知识管理SHOW之五
20 Novembre, 2010
RP的概念与原理
• RP（Rapid Prototyping）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(Forced Forming)——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(Dislodge Forming) ——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(Additive Forming) ——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(Growth Forming) ——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。
ξ2 快速成型制造工艺
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。
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。
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熔融沉积工艺(FDM)
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
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。
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一、基本原理和特点
叠层实体制造工艺(LOM)
基本原理:
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
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。
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：
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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
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
光固化成型工艺过程原理图
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（二）光固化成型技术的特点 优点：

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。
尺寸精度高
SLA原型的尺寸精度可以达到±0.1mm。
叠层实体制造工艺(LOM)
(Laminated Object Manufacturing， 简称LOM，直译名为“叠层实体制造”) 。叠层实体制造技术（Laminated Object Manufacturing，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
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选择性激光烧结成型工艺(SLS)
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
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。
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
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好 一般 一般 较差
优 较差 一般 较差
较贵 较便宜 较贵 较贵
接近100% 较差 接近100% 接近100%
较高 较低 较高 一般
高 高 一般 较低
较贵 较便宜 较贵 较便宜
78 7.3 6.0 6.1
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三维印刷工艺(3DP—Three Dimension Printing)
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。
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。
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前处理
分层叠加成型
后处理
构造三维模型
光固化快速成型－SLA 叠层实体制造－LOM
工件剥离或 去支撑等
模型近似处理
选择性激光烧结－SLS 熔融沉积制造－FDM
强硬化处理
成型方向选择
表面处理
＊＊＊＊＊
切片处理 快速成型制作过程
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RP的概念与原理
• 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。
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。
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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
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叠层实体制造技术的特点:
优
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 பைடு நூலகம்件尺寸大 原材料价格便宜，原型制作成本 设备可靠性高，寿命
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。
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LOM原型在制鞋业中的应用
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，因为理论上仸何可熔 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。
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。

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
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缺点：


制件易变形
成型过程中材料发生物理和化学变化
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
当前国际上制鞋业的竞争日益激烈，而美国Wolverine World Wide 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
低 长
缺
点
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。
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选择性激光烧结成型工艺(SLS)
选择性激光烧结工艺(Selective Laser Sintering，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仸公司）、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。
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。
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二、熔融沉积工艺的特点
优
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。