3D打印成型工藝資料

1、快速成型（Rapid Prototyping）:快速成形技術（簡稱RF）是由CAD莫型直接驅(qū)動的快速制造任意復雜形狀三維 物理實體的技術總稱，其基本過程是：首先設計出所需零件的計算機三維模型（數(shù) 字模型、CAD莫型），然后根據(jù)工藝要求，按照一定的規(guī)律將該模型離散為一系 列有序的單元，通常在Z向?qū)⑵浒匆欢ê穸冗M行離散（習慣稱為分層），把原來 的三維CAD莫型變成一系列的層片；再根據(jù)每個層片的輪廓信息，輸入加工參數(shù)， 自動生成數(shù)控代碼；最后由成形系統(tǒng)成形一系列層片并自動將它們聯(lián)接起來，得到一個三維物理實體。:CAD案俸視型!層數(shù)據(jù)丈仲零件實體:|愆散過程，計算機處理快速成型技術的特點：與傳統(tǒng)材料加

2、工技術相比，快速成型具有鮮明的特點：數(shù)字化制造。高度柔性和適應性?？梢灾圃烊我鈴碗s形狀的零件。直接CAD莫型驅(qū)動。如同使用打印機一樣方便快捷。4快速。從CADS計到原型（或零件）加工完畢，只需幾十分鐘至幾十小時。5 材料類型豐富多樣，包括樹脂、紙、工程蠟、工程塑料（ABS等）、陶瓷粉、 金屬粉、砂等，可以在航空，機械，家電，建筑，醫(yī)療等各個領域應用。RP技術結(jié)合了眾多當代高新技術：計算機輔助設計、數(shù)控技術、激光技術、材 料技術等，并將隨著技術的更新而不斷發(fā)展。自1986年出現(xiàn)至今，短短十幾年， 世界上已有大約二十多種不同的成形方法和工藝，而且新方法和工藝不斷地出現(xiàn)。 目前已出現(xiàn)的RP技術的主要

3、工藝有：1.SL工藝：光固化/立體光刻 。2.FDM工 藝：熔融沉積成形3.SLS工藝：選擇性激光燒結(jié)4.LOM工藝：分層實體制造5.3DP工藝：三維印刷。6.PCM工 藝：無木模鑄造。熔融擠岀成型-高性能的快速成型工藝熔融擠岀成型（FDM）工藝的材料一般是熱塑性材料，如蠟、 ABS、PC、尼龍等，以絲狀供料。材 料在噴頭內(nèi)被加熱熔化。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠岀，材料迅 速固化，并與周圍的材料粘結(jié)。每一個層片都是在上一層上堆積而成，上一層對當前層起到定位 和支撐的作用。隨著高度的增加，層片輪廓的面積和形狀都會發(fā)生變化，當形狀發(fā)生較大的變化 時，上層輪廓就不能給當前層

4、提供充分的定位和支撐作用，這就需要設計一些輔助結(jié)構(gòu)-支撐”，對后續(xù)層提供定位和支撐，以保證成形過程的順利實現(xiàn)。頁型和剌拿這種工藝不用激光，使用、維護簡單，成本較低。用蠟成形的零件原型， 可以直接用于失蠟鑄造。 用ABS制造的原型因具有較高強度而在產(chǎn)品設計、測試與評估等方面得到廣泛應用。近年來又開發(fā)出PC，PC/ABS，PPSF等更高強度的成形材料，使得該工藝有可能直接制造功能性零件。由于 這種工藝具有一些顯著優(yōu)點，該工藝發(fā)展極為迅速，目前FDM系統(tǒng)在全球已安裝快速成形系統(tǒng)中的份額大約為30 %適于三維打印機的特點不使用激光，維護簡單，成本低：價格是成型工藝是否適于三維打印的一個重要因素。多用于

5、概 念設計的三維打印機對原型精度和物理化學特性要求不高，便宜的價格是其能否推廣開來的決定 性因素。塑料絲材，清潔，更換容易：與其他使用粉末和液態(tài)材料的工藝相比，絲材更加清潔，易于更換、保存，不會在設備中或附近形成粉末或液體污染。后處理簡單：僅需要幾分鐘到一刻鐘的時間剝離支撐后，原型即可使用。而現(xiàn)在應用較多的SL，SLS，3DP等工藝均存在清理殘余液體和粉末的步驟，并且需要進行后固化處理，需要額外的輔助設備。這些額外的后處理工序一是容易造成粉末或液體污染，二是增加了幾個小時的時間，不能在成型完成后立刻使用。成型速度較快：一般來講，F(xiàn)DM工藝相對于SL，SLS，3DP工藝來說，速度是比較慢的。但針

6、對 三維打印應用，其也有一定的優(yōu)勢。首先，SL，SLS，3DP都有層間過程（鋪粉/液，掛平），因而它們一次成型多個原型是速度很快，例如3DP可以做到一小時成型 25mm左右高度的原型。三維打印機成型空間小，一次多成型1至2個原型，相對來講，他們的速度優(yōu)點就不甚明顯了。其次三維打印機對原型強度要求不高，所以FDM工藝可通過減小原型密實程度的方法提高成型速度。通過試驗，具有某些結(jié)構(gòu)特點的模型，最高成型速度已經(jīng)可以達到60立方厘米/小時。通過快速塑料零件制造材料性能一直是FDM工藝的主要優(yōu)點，其 ABS原型強度可以達到注塑零件的三分之一。今年來 又發(fā)展岀PC,PC/ABS , PPSF等材料，強度已

7、經(jīng)接近或超過普通注塑零件，可在某些特定場合（試用，維修，暫時替換等）下直接使用。雖然直接金屬零件成型（近年來許多研究機構(gòu)和公司都在 進行這方面的研究，是當今快速原型領域的一個研究熱點）的材料性能更好，但在塑料零件領域，F(xiàn)DM工藝是一種非常適宜的快速制造方式。隨著材料性能和工藝水平的進一步提高，我們相信， 會有更多的FDM原型在各種場合直接使用。立體光刻（SL）-高精度的快速成型工藝SL工藝，由Charles Hull于1984年獲美國專利。1986年美國3D Systems公司推出商品化樣機 SLA 1， 這是世界上第一臺快速原形系統(tǒng)。SLA系列成形機占據(jù)著 RP設備市場的較大份額。SL工藝是

8、基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長（325或355nm）和強度（w=10400mw）的紫外光的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應，分子量急劇增大，材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。液槽中盛滿液態(tài)光固化樹 脂，激光束在偏轉(zhuǎn)鏡作用下，能在液態(tài)表面上掃描，掃描的軌跡及激光的有無均由計算機控制，光點掃描到的地方，液體就固化。成型開始時，工作平臺在液面下一個確定的深度，液面始終處于激光的焦平面，聚 焦后的光斑在液面上按計算機的指令逐點掃描，即逐點固化。當一層掃描完成后，未被照射的地方仍是液 態(tài)樹脂。然后升降臺帶動平臺下降一層高度，已成型的層面上又布滿一層樹脂，刮平器將粘度較大的樹脂 液面刮平，然

9、后再進行下一層的掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復直到整個零件制造完 畢，得到一個三維實體模型。紫外澈光光載擁脂刮平器二尸一SL方法是目前RP技術領域中研究得最多的方法，也是技術上最為成熟的方法。一般層厚在0.1到0.15mm，成形的零件精度較高。多年的研究改進了截面掃描方式和樹脂成形性能，使該工藝的加工精度能達到0.1mm，現(xiàn)在最高精度已能達到 0.05mm。但這種方法也有自身的局限性， 比如需 要支撐、樹脂收縮導致精度下降、光固化樹脂有一定的毒性等。無模鑄型制造技術(PCM )-制作大型鑄件的快速成型工藝無模鑄型制造技術(PCM , Patternless Casting Ma

10、nufacturing)是由清華大學激光快速成形中心開 發(fā)研制。該將快速成形技術應用到傳統(tǒng)的樹脂砂鑄造工藝中來。首先從零件CAD模型得到鑄型CAD模型。由鑄型CAD模型的STL文件分層，得到截面輪廓信息，再以層面信息產(chǎn)生控制信息。 造型時，第一個噴頭在每層鋪好的型砂上由計算機控制精確地噴射粘接劑，第二個噴頭再沿同樣 的路徑噴射催化劑，兩者發(fā)生膠聯(lián)反應，一層層固化型砂而堆積成形。粘接劑和催化劑共同作用 的地方型砂被固化在一起，其他地方型砂仍為顆粒態(tài)。固化完一層后再粘接下一層，所有的層粘 接完之后就得到一個空間實體。原砂在粘接劑沒有噴射的地方仍是干砂，比較容易清除。清理岀 中間未固化的干砂就可以得

11、到一個有一定壁厚的鑄型，在砂型的內(nèi)表面涂敷或浸漬涂料之后就可 用于澆注金屬。分層、生成掃描路住車篦有層潔完V丄HrU 赳1W最耒層錨砂唏射樹菲枯榕和噴射催化劑造型完畢清陰干砂澆棒鑄件涂藏涂料無模鑄型制臆工莒JM理圖和傳統(tǒng)鑄型制造技術相比，無模鑄型制造技術具有無可比擬的優(yōu)越性，它不僅使鑄造過程高度自 動化、敏捷化，降低工人勞動強度，而且在技術上突破了傳統(tǒng)工藝的許多障礙，使設計、制造的 約束條件大大減少。具體表現(xiàn)在以下方面：制造時間短、制造成本低、無需木模、一體化造型，型、 芯同時成形、無拔模斜度、可制造含自由曲面(曲線)的鑄型。在國內(nèi)外，也有其它一些將RP技術引入到砂型或陶瓷型鑄造中來的類似工藝

12、。其中較為典型的有：MIT開發(fā)研制的3DP (Three Dimensional Printing )工藝、德國 Generis公司的砂型制造工藝 等。美國 Sloigen 公司的 DSPC ( Direct Shell Production Casting )工藝就是在 MIT 的 3DP 基礎上 發(fā)展起來的。選擇性激光燒結(jié)（SLS）材料廣泛的快速成型工藝SLS工藝又稱為選擇性激光燒結(jié)，由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R. Dechard于1989年研制成功。SLS工藝是利用粉末狀材料成形的。將材料粉末鋪灑在已成形零件的上表面，并刮平；用 高強度的CO2激光器在剛鋪的新層上掃描岀零件截面；

13、材料粉末在高強度的激光照射下被燒結(jié)在一起，得到零件的截面，并與下面已成形的部分粘接；當一層截面燒結(jié)完后，鋪上新的一層材料粉末，選擇地燒結(jié)下層截面。SLS工藝原理圖SLS工藝最大的優(yōu)點在于選材較為廣泛，如尼龍、蠟、ABS、樹脂裹覆砂（覆膜砂）、聚碳酸脂（poly carbonates）、金屬和陶瓷粉末等都可以作為燒結(jié)對象。粉床上未被燒結(jié)部分成為燒結(jié)部分的支撐結(jié)構(gòu)，因而無需考慮支撐系統(tǒng)（硬件和軟件）。SLS工藝與鑄造工藝的關系極為密切，如燒結(jié)的陶瓷型可作為鑄造之型殼、型芯，蠟型可做蠟模，熱塑性材料燒結(jié)的模型可做消失模。分層實體制造（LOM）-沒落的快速成型工藝? LOM工藝稱為分層實體制造，由美國

14、 Helisys公司的Michael Feygin于1986年研制成功。該公司 已推出LOM-1050和LOM-2030兩種型號成形機。LOM工藝采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一層熱熔膠。加工時，熱壓輥熱壓片材，使之與下面已成形的工件粘接；用CO2激光器在剛粘接的新層上切割岀零件截面輪廓和工件外框，并在截面輪廓與外框之間多余的 區(qū)域內(nèi)切割岀上下對齊的網(wǎng)格；激光切割完成后，工作臺帶動已成形的工件下降，與帶狀片材（；帶）分離；供料機構(gòu)轉(zhuǎn)動收料軸和供料軸，帶動料帶移動，使新層移到加工區(qū)域；工作臺上升到加 工平面；熱壓輥熱壓，工件的層數(shù)增加一層，高度增加一個料厚；再在新層上切割截面

15、輪廓。如此反復直至零件的所有截面粘接、切割完，得到分層制造的實體零件。加工平血科帶收料軸L01I工藝瘵理圖LOM工藝只須在片材上切割岀零件截面的輪廓，而不用掃描整個截面。因此成形厚壁零件的速度較快，易于制造大型零件。零件的精度較高（ 0.15mm）。工件外框與截面輪廓之間的多余材料在加工中起到了支撐作用，所有LOM工藝無需加支撐。研究LOM工藝的公司除了 Helisys公司，還有日本 Kira公司、瑞典Sparx公司、新加坡 Kinergy 精技私人有限公司、清華大學、華中理工大學等。但因為LOM工藝材料僅限于紙，性能一直沒有提高，以逐漸走入沒落，大部分廠家已經(jīng)或準備放棄該工藝三維印刷（3DP

16、）工藝是美國麻省理工學院 Emanual Sachs等人研制的。E.M.Sachs于1989年申請了3DP （Three-Dimensional Printing ）專利，該專利是非成形材料微滴噴射成形范疇的核心專利之一。3DP工藝與SLS工藝類似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金屬粉末。所不同的是材料粉末不 是通過燒結(jié)連接起來的，而是通過噴頭用粘接劑（如硅膠）將零件的截面 印刷”在材料粉末上面。用粘接劑粘接的零件強度較低，還須后處理。具體工藝過程如下：上一層粘結(jié)完畢后，成型缸下降 一個距離（等于層厚：0.0130.1mm），供粉缸上升一高度，推岀若干粉末，并被鋪粉輥推到成型 缸，鋪平并被壓實

17、。噴頭在計算機控制下，按下一建造截面的成形數(shù)據(jù)有選擇地噴射粘結(jié)劑建造 層面。鋪粉輥鋪粉時多余的粉末被集粉裝置收集。如此周而復始地送粉、鋪粉和噴射粘結(jié)劑，最 終完成一個三維粉體的粘結(jié)。未被噴射粘結(jié)劑的地方為干粉，在成形過程中起支撐作用，且成形 結(jié)束后，比較容易去除。;HZr-11 u I亙層印巖循環(huán)重復nj印刷量后一層尊件嚴品3DF工藝庾理圖該工藝的特點是成形速度快，成形材料價格低，適合做桌面型的快速成形設備。并且可以在粘結(jié) 劑中添加顏料，可以制作彩色原型，這是該工藝最具競爭力的特點之一，有限元分析模型和多部 件裝配體非常適合用該工藝制造。缺點是成形件的強度較低，只能做概念型使用，而不能做功能

18、性試驗。以上四種典型RP工藝由于具有不同的優(yōu)劣特點，所以應用于不同的領域SLA光固化成型FDM熔融沉積成型SLS選擇性激光燒結(jié)LOM分層實體制造(1)成形速度極快，(1)成形材料種類較(1)有直接金屬型的(1)成形精度較高；成形精度、表面質(zhì)量多，成形樣件強度概念，可直接得到塑(2)只須對輪廓線進高；好，能直接制作ABS料、蠟或金屬件；行切割，制作效率(2)適合做小件及精塑料；(2)材料利用率高；高，適合做大件及實優(yōu)點細件。尺寸精度較高， 表面質(zhì)量較好，易于 裝配；材料利用率高；操作環(huán)境干凈、 安全可在辦公室環(huán) 境下進行。造型速度較快。體件；(3)制成的樣件有類 似木質(zhì)制品的硬度， 可進行一定的切削 加工。(1)成形后要進一步(1)成形時間較長；(1)成形件強度和表(1)不適宜做薄壁原固化處理；(2)做小件和精細件面質(zhì)量較差，精度型；缺點(2)光敏樹脂固化后時精度不如SLA。低。(2)表面比較粗