第三章 快速成型材料及設(shè)備-II

1、第二節(jié)快速成型制造設(shè)備 快速成型設(shè)備的研究與開(kāi)發(fā)是快速成型制造技術(shù)的重要部分，各種快速成型設(shè)備可以說(shuō)是相應(yīng)的快速成型技術(shù)方法以及相關(guān)材料等研究成果的集中體現(xiàn)，快速成型設(shè)備系統(tǒng)的先進(jìn)程度是衡量快速成型技術(shù)發(fā)展水平的標(biāo)志。隨著1988年3D Systems公司推出第一臺(tái)快速成型商品化設(shè)備SLA250以來(lái)，世界范圍內(nèi)相繼推出了和快速成型方法對(duì)應(yīng)的多種商品化設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室階段的設(shè)備。和快速成型技術(shù)方法一樣，目前，商品化比較成熟的設(shè)備系統(tǒng)有光固化成型設(shè)備系統(tǒng)、疊層實(shí)體制造設(shè)備系統(tǒng)、熔融沉積制造設(shè)備系統(tǒng)以及選擇性激光燒結(jié)成型系統(tǒng)等。上述這些比較成熟的商品化設(shè)備系統(tǒng)的銷售量平均以50左右的速度在逐年遞增，標(biāo)志

2、著快速成型技術(shù)的應(yīng)用正處于繁榮發(fā)展的階段。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC3 快速成型材料及設(shè)備快速成型材料及設(shè)備一、光固化快速成型制造設(shè)備 20世紀(jì)70年代末到80年代初期，美國(guó)3M公司的Alan J. Hebert(1978)、日本的小玉秀男(1980)、美國(guó)UVP公司的Charles W. Hull(1982)和日本的丸谷洋二(1983)，在不同的地點(diǎn)各自獨(dú)立地提出了RP的概念，即利用連續(xù)層的選區(qū)固化產(chǎn)生三維實(shí)體的新思想。Charles Hull在UVP的繼續(xù)支持下，完成了一個(gè)能自動(dòng)建造零件的稱之為SLA-1的完整系統(tǒng)。同年，Charles Hull和UVP的股東們一起建立了3D Sy

3、stems公司，并于1988年首次推出SLA-250機(jī)型，如圖所示。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC 目前，研究光固化成型設(shè)備的單位有美國(guó)的3D Systems公司、Aaroflex公司，德國(guó)的EOS公司、F&S公司，日本的SONY/D-MEC公司、Teijin Seiki公司、Denken Engieering公司、Meiko公司、Unipid公司、NTT DATA&CMET公司，以色列的Cubital公司以及國(guó)內(nèi)的西安交通大學(xué)、上海聯(lián)泰科技有限公司等。 3 快速成型材料及設(shè)備快速成型材料及設(shè)備 在上述研究SLA設(shè)備的眾多公司中，美國(guó)3D Systems公司的SLA技術(shù)在國(guó)際市場(chǎng)上占的比例

4、最大。3D Systems公司在繼1988年推出第一臺(tái)商品化設(shè)備SLA250以來(lái)，又于1997年推出了SLA250HR、SLA3500、SLA5000三種機(jī)型，在光固化成型設(shè)備技術(shù)方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。其中，SLA3500和SLA5000使用半導(dǎo)體激勵(lì)的固體激光器，掃描速度分別達(dá)到2.54m/sec和5m/sec，成層厚最小可達(dá)0.05mm。此外，還采用了一種稱之為Zephyer recoating system的新技術(shù)，該技術(shù)是在每一成層上，用一種真空吸附式刮板在該層上涂一層0.050.1mm的待固化樹(shù)脂，使成形時(shí)間平均縮短了20%。該公司于1999年推出SLA7000機(jī)型。SLA7000與S

5、LA5000機(jī)型相比，成體積雖然大致相同，但其掃描速度卻達(dá)9.52m/sec，平均成型速度提高了4倍，成層厚最小可達(dá)0.025mm，精度提高了一倍。3D Systems公司最新推出的機(jī)型是Vipersi2SLA。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC3 快速成型材料及設(shè)備快速成型材料及設(shè)備 3D Systems公司的SLA-3500機(jī)型 模具工程技術(shù)研究中心 METRC 3D Systems公司的SLA-5000機(jī)型 3 快速成型材料及設(shè)備快速成型材料及設(shè)備 3D Systems公司的SLA-7000機(jī)型 模具工程技術(shù)研究中心 METRC 3D Systems公司的Vipersi2SLA機(jī)型 3

6、快速成型材料及設(shè)備快速成型材料及設(shè)備國(guó)內(nèi)西安交通大學(xué)在光固化成型技術(shù)、設(shè)備、材料等方面進(jìn)行了大量的研究工作，推出了自行研制與開(kāi)發(fā)的SPS、LPS、和CPS三種機(jī)型，每種機(jī)型有不同的規(guī)格系列，其工作原理都是光固化成型原理。其中SPS600和LPS600成型機(jī)如圖所示。模具工程技術(shù)研究中心 METRC西安交通大學(xué)SPS600成型機(jī) 西安交通大學(xué)LPS600成型機(jī) 3 快速成型材料及設(shè)備快速成型材料及設(shè)備西安交通大學(xué)光固化成型機(jī)主要性能指標(biāo)與技術(shù)特征 模具工程技術(shù)研究中心 METRC該成型機(jī)激光器、掃描與光聚焦系統(tǒng)兩關(guān)鍵部件從國(guó)外引進(jìn)，掃描速度SPS最大可達(dá)7m/s、LPS可達(dá)2m/s，精度達(dá)0.1

7、mm；全范圍掃描分辨率達(dá)3.6m，整機(jī)控制精度達(dá)50m，高于國(guó)外同類機(jī)器水平，保證了可靠性；掃描光斑直徑=0.2mm，SPS激光壽命5000h，LPS激光壽命2000h，與國(guó)外水平相同。 采用了快速排序分層法，大大加快分層速度，且具有對(duì)分層數(shù)據(jù)自動(dòng)診斷和修復(fù)功能。 國(guó)際上創(chuàng)新的YLSF成型工藝，大大減小了翹曲等變形誤差，提高了原型件制作質(zhì)量。優(yōu)于美國(guó)3D Systems公司的工藝方法；拐角誤差采用自適應(yīng)延時(shí)控制，較少了輪廓誤差的影響，此為國(guó)際首創(chuàng)。 零件成型精度達(dá)0.1mm(100mm)，與國(guó)外水平相同；樣件測(cè)試尺寸合格率達(dá)到美國(guó)3D Systems公司SLA系列機(jī)器的水平，高于日本CMET公

8、司Soup型機(jī)器的水平。 不同材料與結(jié)構(gòu)，可調(diào)整回流量，從而改善涂層質(zhì)量，此為國(guó)際首創(chuàng)；且可以采用不同公司、不同牌號(hào)的樹(shù)脂，有良好的兼容性和開(kāi)放性。優(yōu)于美國(guó)3D Systems公司、日本CMET公司的同類產(chǎn)品。 零件模型管理和成型數(shù)據(jù)生成軟件在Windows95下自主開(kāi)發(fā)、整機(jī)自制，用戶界面全部漢化，具有優(yōu)異的交互性和易學(xué)性。而且三維STL模型的檢視、分層過(guò)程與編輯、支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)全部實(shí)現(xiàn)了圖視化操作；而成型控制軟件是在DOS下開(kāi)發(fā)，保證滿足了控制的實(shí)時(shí)性要求，操作界面全部漢化和圖視化。 3 快速成型材料及設(shè)備快速成型材料及設(shè)備 上海聯(lián)泰科技有限公司開(kāi)發(fā)的光固化成型設(shè)備主要有RS-350H、R

9、S-350S、RS-600H和RS-600S等機(jī)型。模具工程技術(shù)研究中心 METRC上海聯(lián)泰公司開(kāi)發(fā)的RS-600S光固化成型機(jī) 3 快速成型材料及設(shè)備快速成型材料及設(shè)備模具工程技術(shù)研究中心 METRC3 快速成型材料及設(shè)備快速成型材料及設(shè)備模具工程技術(shù)研究中心 METRC3 快速成型材料及設(shè)備快速成型材料及設(shè)備二、疊層實(shí)體快速成型制造設(shè)備 目前研究疊層實(shí)體制造成型（LOM）設(shè)備和工藝的單位有美國(guó)的Helisys公司、日本的Kira公司、Sparx公司、新加坡的Kinergy公司以及國(guó)內(nèi)的華中科技大學(xué)和清華大學(xué)等。 其中Helisys公司的技術(shù)在國(guó)際市場(chǎng)上所占的比例最大。1984年Michae

10、l Feygin提出了分層實(shí)體制造（LOM）的方法，并于1985年組建Helisys公司，1992年推出第一臺(tái)商業(yè)機(jī)型LOM-1015（臺(tái)面380mm250mm350mm）后，又于1996年推出臺(tái)面達(dá)815mm550mm508mm的LOM-2030H機(jī)型，其成型時(shí)間比原來(lái)縮短了30%，如圖所示。模具工程技術(shù)研究中心 METRC3 快速成型材料及設(shè)備快速成型材料及設(shè)備 Helisys公司除原有的LPH、LPS和LPF三個(gè)系列紙材品種以外，還開(kāi)發(fā)了塑料和復(fù)合材料品種。Helisys公司在軟件方面開(kāi)發(fā)了面向Windows NT4.0的LOMSlice軟件包新版本，增加了STL可視化、糾錯(cuò)、布爾操作等

11、功能，故障報(bào)警更完善。 國(guó)內(nèi)華中科技大學(xué)研制的HRP系列薄材疊層快速成形系統(tǒng)（如圖所示）無(wú)論在硬件還是在軟件方面都有自己獨(dú)特的特點(diǎn)。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC3 快速成型材料及設(shè)備快速成型材料及設(shè)備華中科技大學(xué)LOM成型機(jī)主要性能指標(biāo)與技術(shù)特征 模具工程技術(shù)研究中心 METRCX-Y掃描單元采用交流伺服驅(qū)動(dòng)和滾珠絲桿傳動(dòng)，升降工作臺(tái)為4柱導(dǎo)向和雙滾珠絲桿傳動(dòng)（專利），保證了系統(tǒng)的高精、高速和平穩(wěn)傳動(dòng)； 無(wú)拉力疊層材料送進(jìn)系統(tǒng)（專利），送進(jìn)可靠，速度高，材料利用率高； 抽風(fēng)排煙裝置采用隨動(dòng)式吹風(fēng)和強(qiáng)力抽排煙裝置（專利），能及時(shí)充分地排出煙塵，防止煙塵污染； 采用國(guó)際著名的美國(guó)公司CO2激

12、光器，穩(wěn)定性好，可靠性高，模式好，壽命長(zhǎng)，功率穩(wěn)定，切割質(zhì)量好，并且可更換氣體，具有較高的性能價(jià)格比，并配以全封閉恒溫水循環(huán)冷卻系統(tǒng)。 3 快速成型材料及設(shè)備快速成型材料及設(shè)備獨(dú)立開(kāi)發(fā)的功能強(qiáng)大的HRP2001軟件，具有易于操作的友好圖形用戶界面，開(kāi)放式的模塊化結(jié)構(gòu)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出接口，具有以下功能： 模具工程技術(shù)研究中心 METRCSTL文件識(shí)別及重新編碼； 獨(dú)有的容錯(cuò)及數(shù)據(jù)過(guò)濾切片技術(shù)，大幅度提高工作效率； STL文件可視化，具有旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等圖形變換功能； 原型制作實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真； 獨(dú)有的變網(wǎng)格劃分技術(shù)； 數(shù)據(jù)擬合，速度規(guī)劃，速度預(yù)測(cè)，高速插補(bǔ)控制，任意組合曲線的高速、高精連續(xù)加工，

13、為該公司獨(dú)有的技術(shù)； 激光能量隨切割速度適時(shí)控制，保證了切割深度和線度均勻，切割質(zhì)量好； 激光光斑直徑隨內(nèi)外輪廓自動(dòng)補(bǔ)償，提高了制件的精度； 系統(tǒng)故障診斷，故障自動(dòng)停機(jī)。 3 快速成型材料及設(shè)備快速成型材料及設(shè)備 清華大學(xué)也研究并推出了LOM快速成型設(shè)備SSM-500與SSM-1600。其中SSM-1600設(shè)備是世界上最大的快速成型設(shè)備，可成型零件的最大尺寸為1600mm800mm700mm，適用于制造大規(guī)模的快速原型。該設(shè)備具有大尺寸，高精度，高效率，高可靠性的顯著技術(shù)特點(diǎn)。該設(shè)備與精密鑄造等技術(shù)結(jié)合可用于制造大型的快速模具。其主要技術(shù)特點(diǎn)為： 模具工程技術(shù)研究中心 METRC先進(jìn)的分區(qū)并行

14、加工方式（國(guó)家專利）； 快速板式熱壓裝置（國(guó)家專利）； 無(wú)張力快速供紙技術(shù)（國(guó)家專利）； 機(jī)床式高穩(wěn)定性鑄鐵床身；高精度、高可靠性的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)； 高性能激光系統(tǒng)及光學(xué)系統(tǒng)。 3 快速成型材料及設(shè)備快速成型材料及設(shè)備模具工程技術(shù)研究中心 METRC3 快速成型材料及設(shè)備快速成型材料及設(shè)備三、選擇性激光燒結(jié)快速成型制造設(shè)備 研究選擇性激光燒結(jié)（SLS）設(shè)備工藝的單位有美國(guó)的DTM公司、3D Systems公司、德國(guó)的EOS公司以及國(guó)內(nèi)的北京隆源公司和華中科技大學(xué)等。1986年，美國(guó)Texas大學(xué)的研究生C. Deckard提出了選擇性激光燒結(jié)（SLS）的思想，稍后組建了DTM公司，于199

15、2年推出SLS成型機(jī)。DTM公司于1992年、1996年和1999年先后推出了Sinterstation 2000、2500和2500Plus機(jī)型，如圖所示。其中2500Plus機(jī)型的成體積比過(guò)去增加了10%，同時(shí)通過(guò)對(duì)加熱系統(tǒng)的優(yōu)化，減少了輔助時(shí)間，提高了成型速度。 模具工程技術(shù)研究中心 METRCDTM公司的Sinterstation2500機(jī)型 DTM公司的Sinterstation2500 Plus機(jī)型 3 快速成型材料及設(shè)備快速成型材料及設(shè)備 華中科技大學(xué)的HRPS-III激光粉末燒結(jié)系統(tǒng)模具工程技術(shù)研究中心 METRC3 快速成型材料及設(shè)備快速成型材料及設(shè)備 華中科技大學(xué)的HRPS

16、-III激光粉末燒結(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)： 模具工程技術(shù)研究中心 METRC 掃描系統(tǒng)采用國(guó)際著名公司的振鏡式動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)，具有高速度（最大掃描速度為4m/s）和高精度（激光定位精度小于50m）的特點(diǎn)；激光器采用美國(guó)CO2激光器，具有穩(wěn)定性好、可靠性高、模式好、壽命長(zhǎng)、功率穩(wěn)定、可更換氣體、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)，并配以全封閉恒溫水循環(huán)冷卻系統(tǒng)；新型送粉系統(tǒng)（專利）可使燒結(jié)輔助時(shí)間大大減少；排煙除塵系統(tǒng)能及時(shí)充分地排除煙塵，防止煙塵對(duì)燒結(jié)過(guò)程和工作環(huán)境的影響；全封閉式的工作腔結(jié)構(gòu)，可防止粉塵和高溫對(duì)設(shè)備關(guān)鍵元器件的影響。 獨(dú)自開(kāi)發(fā)的功能強(qiáng)大的HRPS2002軟件，具有易于操作的友好圖形用戶界面，開(kāi)放式的模塊

17、化結(jié)構(gòu)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出接口，具有以下功能： 切片模塊：具有HRPS-STL(基于STL文件)和HRPS-PDSLice（基于直接切片文件，由用戶選用）兩種模塊； 數(shù)據(jù)處理：具有STL文件識(shí)別及重新編碼，容錯(cuò)及數(shù)據(jù)過(guò)濾切片，STL文件可視化，原型制作實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真等功能； 工藝規(guī)劃：具有多種材料燒結(jié)工藝模塊（包括燒結(jié)參數(shù)、掃描方式和成型方向等）； 安全監(jiān)控：設(shè)備和燒結(jié)過(guò)程故障自動(dòng)診斷，故障自動(dòng)停機(jī)保護(hù)。 3 快速成型材料及設(shè)備快速成型材料及設(shè)備模具工程技術(shù)研究中心 METRC3 快速成型材料及設(shè)備快速成型材料及設(shè)備四、熔融沉積快速成型制造設(shè)備 研究熔融沉積制造（FDM）設(shè)備工藝的單位主要有美國(guó)的

18、Stratasys公司、MedModeler公司以及國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)等。 Stratasys公司的SLS技術(shù)在國(guó)際市場(chǎng)上所占比例最大。Scott Crump在1988年提出了熔融沉積（FDM）的思想，并于1991年開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)機(jī)型。Stratasys公司于1993年開(kāi)發(fā)出第一臺(tái)FDM1650（臺(tái)面為250mm250mm250mm）機(jī)型，如圖所示。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC Stratasys公司的FDM-1650機(jī)型 3 快速成型材料及設(shè)備快速成型材料及設(shè)備 Stratasys公司又先后推出了FDM2000、FDM3000和FDM8000機(jī)型，其中FDM8000的臺(tái)面達(dá)457mm45

19、7mm610mm。引人注目的是1998年S t r a t a s y s 公 司 推 出 的 F D M - Q u a n t u m 機(jī) 型 ， 最 大 成 型 體 積 為600mm500mm600mm，如圖所示。由于采用了擠出頭磁浮定位系統(tǒng)，可在同一時(shí)間獨(dú)立控制兩個(gè)擠出頭，因此其成型速度為過(guò)去的5倍。Stratasys公司1998年與MedModeler公司合作開(kāi)發(fā)了專用于一些醫(yī)院和醫(yī)學(xué)研究單位的MedModeler機(jī)型，使用ABS材料，并于1999年推出可使用聚脂熱塑性塑料的Genisys型改進(jìn)機(jī)型Genisys Xs，其成體積達(dá)305mm203mm203mm，如圖所示。模具工程技術(shù)

20、研究中心 METRCStratasys公司的FDM-Quantum機(jī)型 Stratasys公司的FDM- Genisys Xs機(jī)型 3 快速成型材料及設(shè)備快速成型材料及設(shè)備 國(guó)內(nèi)清華大學(xué)研制的熔融擠壓沉積成型(Melted Extrusion Modeling-MEM)也有其獨(dú)特的特點(diǎn)，MEM機(jī)型重于特殊的噴嘴和設(shè)備的開(kāi)發(fā)，成卷軸狀的絲質(zhì)原材料是通過(guò)加熱噴頭擠出，原型在一個(gè)垂直上下移動(dòng)的底座上逐層制造出來(lái)。 該設(shè)備采用先進(jìn)的噴嘴設(shè)計(jì)（包括絲質(zhì)材料加熱、擠出、輸入和控制），起停補(bǔ)償和超前控制，保證了熔化材料的堆積精度；采用了先進(jìn)的、獨(dú)特的懸掛式裝置，因而機(jī)床具有良好的吸振性能，掃描精度也大大提高，性能可靠，穩(wěn)定性好；由于未采用激光，運(yùn)行費(fèi)用在所有的RP設(shè)備中是較低的；該設(shè)備無(wú)噪音，對(duì)環(huán)境無(wú)