快速成型技術(shù).doc

1、快速成型 編輯 使用快速成型技術(shù)生成的精致模型 使用快速成型技術(shù)，不借助于模具而生成一個(gè)球體。 加工過(guò)程為 30 分鐘，本視頻精簡(jiǎn)為 4 分鐘快速成型或快速成形英語(yǔ)：Rapid prototyping , RP是一種快速生成模型或者零件的制造技術(shù)。在電腦控制與管理下，依靠已有的 CAD 數(shù)據(jù)，采用材料精確堆積的方式，即由點(diǎn)堆 積成面，由面堆積成三維，最終生成實(shí)體1。依靠此技術(shù)可以生成非常復(fù)雜的實(shí)體，而且成型的過(guò)程中無(wú)需模具的輔助 2。目錄 隱藏 1 開(kāi)展歷史2 技術(shù)原理2.1 工藝過(guò)程2.2 工藝技術(shù)2.2.1 光固化立體造型 SLA2.2.2 層片疊加制造 LOM2.2.3 選擇性激光燒結(jié)

2、SLS2.2.4 熔融沉積造型 FDM2.2.5 三維印刷工藝三維 P2.3 工藝與材料3 特點(diǎn)4 應(yīng)用5 參見(jiàn)6 相關(guān)文獻(xiàn)7 參考資料開(kāi)展歷史 編輯 對(duì)于快速成型技術(shù)的研究始于 1970 年代，但是直到 1980年代末才逐漸出現(xiàn)了成熟的制造設(shè) 備3。美國(guó)3M公司的Alan J.Herbert 1982年、日本名古屋市工業(yè)研究所的小玉秀男1980年、美國(guó)UVP公司的Charles W. Hull 1984年、日本大阪工業(yè)技術(shù)研究所的丸谷洋二1984年，各自獨(dú)立地提出了快速成型的技術(shù)設(shè)想，實(shí)現(xiàn)的材料和方式有差異，但均以多層疊加 并固化來(lái)產(chǎn)生實(shí)體。在 1986 年， Charles W. Hull

3、 在美國(guó)獲得了光固化立體造型設(shè)備SLA的專(zhuān)利，標(biāo)志著快速成型技術(shù)即開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用階段 4，在設(shè)計(jì)領(lǐng)域及汽車(chē)工業(yè)上有廣泛應(yīng) 用。技術(shù)原理 編輯 快速成型過(guò)程示意圖使用SLA工藝1在電腦中創(chuàng)立的實(shí)體造型2實(shí)體造型中的一層 3.通過(guò)聚合反響生成的一層實(shí)體 4.平臺(tái) 5. 激光器快速成型設(shè)備開(kāi)始生成模型圖中灰色局部 模型逐漸增厚模型完成 一個(gè)完成的模型 盡管快速成型有多種不同工藝技術(shù)， 但根本原理都和三維打印相同， 即將一定厚度的材料反 復(fù)打印在平臺(tái)上， 循環(huán)往復(fù)， 直到生成整個(gè)成型件。 按照不同的實(shí)現(xiàn)工藝， 材料可以是紙張、 塑料、金屬、陶瓷等各種材料。一個(gè)淺顯的事例為，盡管紙張看似是二維的，但是由于

4、具有 一定厚度，將紙張一層層疊加起來(lái)，就能組成三維實(shí)體。工藝過(guò)程 編輯 首先利用三維造型軟件創(chuàng)立三維實(shí)體造型， 再將設(shè)計(jì)出的實(shí)體造型通過(guò)快速成型設(shè)備的處理 軟件進(jìn)行離散與分層， 然后將處理過(guò)的數(shù)據(jù)輸入設(shè)備進(jìn)行制造， 最后還需要進(jìn)行一定的后處 理以得到最終的成品 5 。實(shí)體造型的構(gòu)建：使用快速成型技術(shù)的前提是擁有相應(yīng)模型的 CAD 數(shù)據(jù)，這可以利用電腦 輔助設(shè)計(jì)軟件如 Pro/E、SolidWorks 、Unigraphics、 AutoCAD 等創(chuàng)立，或者通過(guò)其他方式如激 光掃描、 電腦斷層掃描，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，也得創(chuàng)立相應(yīng)的三維實(shí)體造型。實(shí)體造型的離散處理： 由于實(shí)體造型往往有一些不規(guī)那么的

5、自由曲面， 加工前要對(duì)模型進(jìn)行近 似處理， 比方曲線(xiàn)是無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)的， 實(shí)際制造時(shí)需要近似為極細(xì)小的直線(xiàn)段來(lái)模擬， 以方 便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作。由于STL格式文件格式簡(jiǎn)單實(shí)用，目前已經(jīng)成為快速成型領(lǐng)域的最 常用的文件標(biāo)準(zhǔn)， 用以和設(shè)備進(jìn)行對(duì)接。 它將復(fù)雜的模型用一系列的微小三角形平面來(lái)近似 模擬，每個(gè)小三角形用 3 個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)和一個(gè)法矢量來(lái)描述，三角形的大小的選擇那么決定了 這種模擬的精度。實(shí)體造型的分層處理： 需要依據(jù)被加工模型的特征選擇適宜的加工方向， 比方應(yīng)當(dāng)將較大面 積的局部放在下方。 隨后成型高度方向上用一系列固定間隔的平面切割被離散過(guò)的模型，以便提取截面的輪廓信息。 間隔可以小至亞

6、毫米級(jí)， 間隔越小， 成型精度越高，但成型時(shí)間也 越長(zhǎng)。成型加工：根據(jù)切片處理的截面輪廓，在電腦控制下，相應(yīng)的成型頭根據(jù)設(shè)備的不同，分 別為激光頭或噴頭等進(jìn)行掃描，在工作臺(tái)上一層一層地堆積材料，然后將各層粘結(jié)根據(jù) 工藝不同，有各自的物理或者化學(xué)過(guò)程 ，最終得到原型產(chǎn)品。成型零件的后處理： 對(duì)于實(shí)體中上大下小的局部， 一般會(huì)設(shè)計(jì)多余的局部去支撐， 把這些廢 料去除是必須的。另外還可能需要進(jìn)行打磨、 拋光、涂上油漆，或在高溫爐中燒結(jié)以提高強(qiáng) 度。工藝技術(shù) 編輯 目前已有十余種不同方法，如光固化立體造型SLA、層片疊加制造LOM、選擇性激光燒結(jié)SLS、熔融沉積造型FDM、掩模固化法SGC、三維印刷法

7、三維P、噴粒法BPM 等。其中SLA是使用最早和最廣泛的技術(shù)，約占全部快速成型設(shè)備的70%左右4。光固化立體造型 SLA 編輯自 1984 年的第一臺(tái)快速成形設(shè)備即采用了光固化立體造型的工藝， 現(xiàn)在的快速成型設(shè)備中， 以SLA的研究最為深入，運(yùn)用也最為廣泛。該技術(shù)以光敏樹(shù)脂的聚合反響為根底。在電腦控制下的紫外激光，沿著零件各分層截面輪廓，由點(diǎn)逐漸形成線(xiàn)， 最終形成對(duì)液態(tài)樹(shù)脂進(jìn)行逐點(diǎn)掃描， 使被掃描的樹(shù)脂薄層產(chǎn)生聚合反響，零件的一個(gè)薄層的固化截面， 而未被掃描到的樹(shù)脂保持原來(lái)的液態(tài)。 當(dāng)一層固化完畢， 升降 工作臺(tái)移動(dòng)一個(gè)層片厚度的距離，在上一層已經(jīng)固化的樹(shù)脂外表再覆蓋一層新的液態(tài)樹(shù)脂， 用以進(jìn)

8、行再一次的掃描固化。 新固化的一層牢固地粘合在前一層上， 如此循環(huán)往復(fù)， 直到整 個(gè)零件原型制造完畢。這種方法的特點(diǎn)是有較高的精度和較好的外表質(zhì)量， 能制造形狀特別復(fù)雜 如空心零件 和 特別精細(xì)如工藝品、首飾等的零件。層片疊加制造LOM編輯層片疊加制造工藝是將單面涂有熱溶膠 在被加熱狀態(tài)下可產(chǎn)生粘性 的箔材紙、 陶瓷箔、 金屬箔等通過(guò)熱輥加熱粘接在一起，位于上方的激光器按照CAD 分層模型所獲數(shù)據(jù)，用激光束將箔材切割成所制零件的內(nèi)外輪廓， 然后新的一層箔材再疊加在上面， 通過(guò)熱壓裝置 和下面已切割層粘合在一起， 激光束再次切割， 在每一層進(jìn)行切割和粘合的過(guò)程， 直至整個(gè) 零件模型制作完成。選擇

9、性激光燒結(jié) SLS 編輯 這種工藝也是以激光器為能量源，通過(guò)紅外激光束使塑料、蠟、陶瓷、金屬或其復(fù)合物的粉 末均勻地?zé)Y(jié)在加工平面上。在工作臺(tái)上均勻鋪上一層很薄亞毫米級(jí)的粉未作為原料， 激光束在電腦的控制下， 通過(guò)掃描器以一定的速度和能量密度按分層面的二維數(shù)據(jù)掃描。 經(jīng) 過(guò)激光束掃描后， 相應(yīng)位置的粉末就燒結(jié)成一定厚度的實(shí)體片層， 未掃描的地方仍然保持松 散的粉末狀。 這一層掃描完畢， 隨后需要對(duì)下一層進(jìn)行掃描。 先根據(jù)物體截層厚度而升降工 作臺(tái)，鋪粉滾筒再次將粉末鋪平， 可以開(kāi)始新一層的掃描。 如此反復(fù)， 直至掃描完所有層面。 去掉多余粉末，并經(jīng)過(guò)打磨、烘干等適當(dāng)?shù)暮筇幚?，即可獲得零件。目前

10、應(yīng)用此工藝時(shí)，以 蠟粉末及塑料粉末作為原料較多，而用金屬粉或陶瓷粉進(jìn)行粘接或燒結(jié)的工藝尚未獲得實(shí) 用。熔融沉積造型 FDM 編輯1993 年美國(guó) Stratasys 公司開(kāi)發(fā)出了第一臺(tái)基于熔融沉積造型的設(shè)備。將CAD 模型分為一層層極薄的截面， 生成控制 FDM 噴嘴移動(dòng)軌跡的二維幾何信息。 FDM 加熱頭把熱熔性材料 ABS 樹(shù)脂、尼龍、蠟等加熱到臨界狀態(tài)，呈現(xiàn)半流體性質(zhì)，在電腦控制下，沿CAD 確定的二維幾何信息運(yùn)動(dòng)軌跡， 噴頭將半流動(dòng)狀態(tài)的材料擠壓出來(lái)， 凝固形成輪廓形狀的薄層。 當(dāng)一 層完畢后， 通過(guò)垂直升降系統(tǒng)降下新形成層， 進(jìn)行固化。 這樣層層堆積粘結(jié)，自下而上形成 一個(gè)零件的三維

11、實(shí)體。FDM 工藝的關(guān)鍵是保持材料的半流動(dòng)性。這些材料并沒(méi)有固定的熔點(diǎn)，需要精確控制其溫 度。三維印刷工藝三維 P 編輯 采用三維P技術(shù)的RepRap以聚乳酸為原料生成一個(gè)雙曲面三維印刷工藝，也稱(chēng)為三維打印。1989年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的 Emanuel M. Sachs和John S. Haggerty等在美國(guó)申請(qǐng)了三維印刷技術(shù)的專(zhuān)利，之后Emanuel M. Sachs和John S. Haggerty又屢次對(duì)該技術(shù)進(jìn)行完善，形成了今天的三維印刷快速成型工藝。通過(guò)這個(gè)工藝，在每一層粘結(jié)完畢后，成型缸下降一個(gè)距離等于層厚 ，供粉缸上升一段高度，推出多余粉末， 并被鋪粉輥推到成型缸， 鋪平并被

12、壓實(shí)。 噴頭在電腦控制下， 按照下一個(gè)截面的二維幾何信 息進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，有選擇地噴射粘結(jié)劑， 最終構(gòu)成層面。原理和打印機(jī)非常相似，即為三維打印 這一名稱(chēng)的由來(lái)。 鋪粉輥鋪粉時(shí)多余的粉末被粉末收集裝置收集。 如此周而復(fù)始地送粉、 鋪 粉和噴射粘結(jié)劑，最終完成一個(gè)三維粉體的粘結(jié)，從而生產(chǎn)制品。三維P工藝與SLS工藝都是將粉末材料選擇性地粘結(jié)成為一個(gè)整體。其最大的不同之處在于三維 P工藝不用將粉末材料熔融，而是通過(guò)噴嘴本身會(huì)噴出粘合劑，將這些材料粘合在一起。工藝與材料 編輯 材料的不同， 是不同快速成型工藝間最大的區(qū)別之一。 材料工藝過(guò)程間有很強(qiáng)的聯(lián)系。 對(duì)于 LOM 工藝，其所選擇的材料應(yīng)該是在一定條

13、件下能夠互相展合的薄層材料，比方說(shuō)涂有熱 熔膠的紙、陶瓷、塑料等。而 SLS所選材料的范圍非常廣泛，材料根本只要滿(mǎn)足能在激光作 用下進(jìn)行粘結(jié)的條件， 這種材料的粉末就可作為原料。 常用原料高分子粉末 具有熱塑性 、 鑄造用蠟?zāi)┓邸⒔饘俜勰┮约巴獗硗坑袩崛勰z的陶瓷粉末等。三維P適用的材料和 SLS基本相同。SLA選擇的材料和其它工藝都有所不同，大局部工藝的材料均只有物理變化，而SLA那么需要化學(xué)反響，因此SLA需要選擇對(duì)激光有較快的吸收和響應(yīng)速度，以此來(lái)保證固化速度。同時(shí)為了保證本錢(qián)的質(zhì)量，也有固化時(shí)收縮小等要求 6。工藝 材料三維印刷工藝三維Printing，三維P 塑料等Contour Cr

14、afting ， CC 混凝土Electron Beam Melting ， EBM 金屬熔融沉積造型Fused Deposition Modeling， FDMABS樹(shù)脂、聚碳酸酯層片疊加制造 Laminated Object Modelling ， LOM紙、塑料、 陶瓷、 鋁需要借助于熱熔膠Laser Engineered Net Shaping， LENS 金屬Laser Claddi ng 金屬M(fèi)ulti Jet Modeling ， MJM 熱塑性塑料等Polyamidguss 聚酰胺Selective Laser Melting ， SLM 金屬，塑料，陶瓷選擇性激光燒結(jié) Sel

15、ected Laser Sintering， SLS熱塑性塑料，金屬，陶瓷Space Puzzle Molding， SPM 塑料光固化立體造型 Stereolithography ， SLA液態(tài)熱固性聚合物，彈性體 ElastomerStreifenlichtscanning 各種材料特點(diǎn) 編輯可生成高復(fù)雜度的產(chǎn)品。 產(chǎn)品制造過(guò)程幾乎與零件的復(fù)雜程度無(wú)關(guān)， 相比傳統(tǒng)制造方式 如 鑄造，使用快速成型技術(shù)可以制作出外形極為復(fù)雜的產(chǎn)品，對(duì)于傳統(tǒng)工藝來(lái)說(shuō)，一些特殊 的形狀無(wú)法完成 78 。便于修改，生產(chǎn)迅速。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字化，與 CAD 模型具有直接的關(guān)聯(lián)，可隨時(shí)修改數(shù) 據(jù)后進(jìn)行制造，尤其適用于產(chǎn)

16、品設(shè)計(jì)階段的模型制造 8。固定的制造本錢(qián)。 傳統(tǒng)的模型制作往往先需要模具， 需要消耗大量時(shí)間， 且模具的制造本錢(qián) 往往較高?？焖俪尚图夹g(shù)的單個(gè)成品制作本錢(qián)往往高于使用模具進(jìn)行批量生產(chǎn)的平均本錢(qián)， 但是無(wú)需模具的一次性投資， 對(duì)于只需要小規(guī)模生產(chǎn)的情況 比方在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的設(shè)計(jì)模 型，使用快速成型技術(shù)可以降低本錢(qián) 4 。固定的的生產(chǎn)效率。 使用快速成型技術(shù)生產(chǎn)任何產(chǎn)品均使用雷同的材料堆積方式， 對(duì)某一特 定的產(chǎn)品的生產(chǎn)而言可能不是最優(yōu)的方式。 比方，生產(chǎn)時(shí)間會(huì)隨著產(chǎn)品體積的增大而迅速增 加9。應(yīng)用 編輯快速成型技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用 2000 年 9 美國(guó)在自動(dòng)成型技術(shù)的研究和使用上處于領(lǐng)先地位，

17、一些著名的高校如麻省理工學(xué)院、 得克 薩斯大學(xué)從政府和企業(yè)獲得了大量經(jīng)費(fèi)用以研究，諸多企業(yè)也紛紛將設(shè)備投入商用。此外， 日本、德國(guó)、英國(guó)等國(guó)的高校和企業(yè)也在不斷研究新的成型技術(shù)?，F(xiàn)已有 2500 多套快速成 型機(jī)分布在世界各地的不同領(lǐng)域 8 ，其中尤其廣泛應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè) 9。電影?機(jī)械公敵?中的奧迪 RSQ轎車(chē)使用快速成型技術(shù)制造一條限量版項(xiàng)鏈，以參加了玻璃纖維的尼龍作為原材料。使用三維P工藝制作的渦輪縮小模型 快速成型技術(shù)的主要應(yīng)用可分為：新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的驗(yàn)證。設(shè)計(jì)師手中的CAD 模型，可以通過(guò)快速成型技術(shù)轉(zhuǎn)換成物理實(shí)物模型，方便對(duì)設(shè)計(jì)和功能進(jìn)行驗(yàn)證，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。如果用傳統(tǒng)方法，需要經(jīng)過(guò)繪圖、工 藝設(shè)計(jì)、模具制造等多個(gè)環(huán)節(jié)， 花費(fèi)較多的時(shí)間和較高的本錢(qián)。對(duì)于一些復(fù)雜的系統(tǒng)， 其可 制造性和可裝配性用快速成型技術(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)和設(shè)計(jì)，可以此類(lèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造難度大大降 低。對(duì)于暫時(shí)難以確定生產(chǎn)工藝的復(fù)雜零件，可以先行用快速成型技術(shù)進(jìn)行試生產(chǎn) 商業(yè)交流。通過(guò)快速成型設(shè)備制造的成品， 可以在產(chǎn)品商品化的過(guò)程中作為產(chǎn)品向客戶(hù)提供， 或者進(jìn)行市場(chǎng)宣傳等。 快速成型技術(shù)已成為并行工程和敏捷制造的一種技術(shù)途徑， 使用快速 成型技術(shù)制造的一些樣品經(jīng)常在展覽會(huì)上出現(xiàn)。小批量零件和特殊復(fù)雜零件的直接生產(chǎn)