先進(jìn)制造技術(shù)3-9S

快速成形制造RPM

-------Rapid

Prototyping

Manufacturing

RapidPrototyping-RP快速成型技術(shù)RP技術(shù)是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的一項(xiàng)高科技成果。

RP技術(shù)對(duì)制造業(yè)的影響可以和20世紀(jì)50～60年代發(fā)展起來的數(shù)控技術(shù)相媲美。

RP技術(shù)是基于離散(discrete)和堆積(deposit)原理，將零件的CAD模型按一定方式離散，成為可加工的離散面、離散線和離散點(diǎn)，而后采用物理或化學(xué)手段，將這些離散的面、線段和點(diǎn)堆積而形成零件的整體形狀。2.技術(shù)原理*4零件的快速成形零件在CAD/CAM中的處理過程零件的快速成形SLA–光固化立體造型法，三維光刻法,SLS－激光粉末燒結(jié)法；LOM－薄片疊層法；FDM－熔絲堆積法；3.RP工藝方法的分類

SL-Stereo(鉛版,立體照片)Lithogra-phy(平版印刷術(shù))ApparatusSL法最成熟，也是市場(chǎng)的最大占有者。美國3DSystems公司1988年制造第一臺(tái)原型機(jī)（SLA-1）發(fā)明人CharlesHul，1984年獲美國專利3.1

三維光刻法

基于液態(tài)光敏(photosensitive)樹脂(resin)的光聚合(

polymerize)原理。

光敏樹脂在一定波長和功率的紫外激光的照射下能夠迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，分子量急劇增大，材料也能從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。三維光刻法的工作原理*8液體材料容器紫外光液態(tài)光敏樹脂液面成形開始時(shí)，工作臺(tái)在液面下的一個(gè)確定深度，工作臺(tái)液面始終處于激光的焦平面，聚焦后的光斑在液面上按計(jì)算機(jī)指令逐點(diǎn)掃描，逐點(diǎn)固化（分層固化）三維光刻工藝的工作原理*9一層掃描完成后，除該層及之前成型部分，其余仍是液態(tài)樹脂。升降臺(tái)帶動(dòng)工作臺(tái)下降一層高度，成型面上又布滿一層樹脂。刮平器刮平樹脂液面，再進(jìn)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(fù)直到整個(gè)零件制造完畢，即得到一個(gè)三維實(shí)體模型。刮平器升降臺(tái)工作臺(tái)三維光刻工藝的工作原理精度高、表面質(zhì)量好(精度在0.1mm國內(nèi)SLA精度在0.1—0.3mm之間，并且存在很大的波動(dòng)性）；；原材料利用率接近100%;制造出來的原型件，可以制造各種模具。成形速度較快、系統(tǒng)工作相對(duì)穩(wěn)定能制造形狀特別復(fù)雜（如空心零件）、特別精細(xì)（如首飾、工藝品等）的零件；三維光刻法的工藝特點(diǎn)*11SLA快速成型技術(shù)缺點(diǎn)1、需要專用的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，成型件需要后處理，比如：二次固化，防潮處理等工序。2、尺寸穩(wěn)定性差，隨著時(shí)間推移，樹脂會(huì)吸收空氣中的水分，導(dǎo)致軟薄部分的翹曲變形，進(jìn)而極大地影響成型件的整體尺寸精度（圓會(huì)不像圓是SLA最大的缺陷，豎向）

；3、氦-鎘激光管的壽命僅3000小時(shí)，價(jià)格較昂貴，由于需對(duì)整個(gè)截面進(jìn)行掃描固化，成型時(shí)間較長，因此制作成本相對(duì)較高。4、可選擇的材料種類有限，必須是光敏樹脂。由這類樹脂制成的工件在大多數(shù)情況下都不能進(jìn)行耐久性和熱性能試驗(yàn)，且光敏樹脂對(duì)環(huán)境有污染，使皮膚過敏。5、需要設(shè)計(jì)工件的支撐結(jié)構(gòu)，以便確保在成型過程中制作的每一個(gè)結(jié)構(gòu)部位都能可靠定位，支撐結(jié)構(gòu)需在未完全固化時(shí)手工去除，容易破壞成型件。

SLS-Selective（選擇性的）Laser（激光）Sintering(燒結(jié))

美國C.R.Dechard1989年發(fā)明3.2選擇性激光粉末燒結(jié)法

SLS工藝是利用粉末材料（金屬粉末或非金屬粉末）在激光照射下燒結(jié)的原理，在計(jì)算機(jī)控制下層層堆積成形。SLS工藝的工作原理SLS工藝的工作過程粉末平鋪(工作臺(tái))工作平臺(tái)下降(約0.1mm)粉末燒結(jié)(激光束掃描)輥?zhàn)庸纹綄优c層燒結(jié)三維實(shí)體原型SLS工藝的工作過程材料適應(yīng)面廣塑料材料陶瓷、石蠟等材料直接制造金屬零件無需加支撐沒被燒結(jié)的粉末起支撐作用

可燒結(jié)制造空心、多層鏤空的復(fù)雜零件。零件的構(gòu)建時(shí)間較短，可達(dá)到1in/h高度

SLS的工藝特點(diǎn)*17SLS快速原型技術(shù)缺點(diǎn)

1、需要專門實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，維護(hù)費(fèi)用高昂。2、在加工前，要花近2小時(shí)的時(shí)間將粉末加熱到熔點(diǎn)以下，當(dāng)零件構(gòu)建之后，還要花5-10小時(shí)冷卻，然后才能將零件從粉末缸中取出。3、成形件強(qiáng)度和表面質(zhì)量較差，精度低。表面的粗糙度受粉末顆粒大小及激光光斑的限制，一般不適宜做比較小的部件。4、零件的表面多孔性，為了使表面光滑必須進(jìn)行滲蠟等后處理。在后處理中難于保證制件尺寸精度，后處理工藝復(fù)雜，樣件變型大，無法裝配。5、需要對(duì)加工室不斷充氮?dú)庖源_保燒結(jié)過程的安全性，加工的成本高。6、該工藝產(chǎn)生有毒氣體，污染環(huán)境。

LOM（Laminated（薄片的）ObjectManufacturing）

美國Helisys公司研制成功因?yàn)槌Ｓ谩凹垺弊髟希虼擞址Q為“紙片疊層法”。3.3薄片分層疊加成形法片層表面涂熱溶膠（當(dāng)前工作表面）工作臺(tái)下降(成形片材與多余片材分開)熱壓輥熱壓層與層粘結(jié)三維實(shí)體原型供料機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)(收料軸/供料軸)新材料層移動(dòng)激光束切割(零件輪廓和工件外框架)薄片分層疊加成形法的工作過程LOM工藝只需要在片材（如紙、塑料薄膜等）上切割出零件截面的輪廓，而不用掃描整個(gè)截面。因此易于制造大型、實(shí)體零件。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，故無需支撐。零件的精度較高（<0.15mm）。薄片分層疊加成形法的工藝特點(diǎn)*21Lom快速原型技術(shù)的缺點(diǎn)

1、需要專門實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，維護(hù)費(fèi)用高昂。2、可實(shí)際應(yīng)用的原材料種類較少，盡管可選用若干原材料，例如紙、塑料、陶土以及合成材料，但目前常用的只是紙，其他箔材商在研制開發(fā)中。3、表面比較粗糙，工件表面有明顯的臺(tái)階紋，成型后要進(jìn)行打磨；且紙制零件很容易吸潮，必須立即進(jìn)行后處理、上漆。4、難以構(gòu)建精細(xì)形狀的零件，即僅限于結(jié)構(gòu)簡單的零件。5、由于難以（雖然并非不可能）去除里面的廢料，該工藝不宜構(gòu)建內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。6、當(dāng)加工室的溫度過高時(shí)常有火災(zāi)發(fā)生。因此，工作過程中需要專職人員職守。

FDM（Fused(熔絲的)

Deposition（沉積）Manufacturing）美國學(xué)者Dr.ScottCrump提出1988年美國Stratasys推出商業(yè)化機(jī)器3.4熔絲堆積法

FDM工藝是利用熱塑性材料的熱熔性、粘接性，在計(jì)算機(jī)控制下層層堆積成型。FDM工藝的工作原理抽絲(熱塑性材料)工作臺(tái)下降噴頭運(yùn)動(dòng)(沿零件截面輪廓和填充軌跡)加熱熔化（噴頭內(nèi)）三維實(shí)體原型熔絲擠出,固化FDM工藝的工作過程FDM工藝不需要激光工藝干凈、簡單、易于材作且不產(chǎn)生垃圾，使用、維護(hù)簡單，制造系統(tǒng)可用于辦公環(huán)境，沒有毒氣或化學(xué)物質(zhì)的危險(xiǎn)。成本較低，原材料費(fèi)用低，一般零件均低于20美元；原材料以卷軸絲的形式提供，易于搬運(yùn)和快速更換?？煽焖贅?gòu)建瓶狀或中空零件。可選用多種材料，如可染色的ABS和醫(yī)用ABS、澆鑄用蠟和人造橡膠。FDM工藝特點(diǎn)*26FDM快速原型技術(shù)的缺點(diǎn)1、精度較低，難以構(gòu)建結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。2、垂直方向強(qiáng)度小。3、速度較慢，不適合構(gòu)建大型零件

TDP,3DP（ThreedimensionPrinting)麻省理工學(xué)院的EmanualSachs等提出3.5三維打印TDP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、甚至淀粉和石膏粉末等。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。a.TDP工藝的工作原理b.TDP工藝的工作過程*303DP快速成形技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)1)3DP快速成形機(jī)類似打印機(jī)，易于操作，工藝過程較為清潔，可作為計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備用于辦公環(huán)境。2)可使用多種原材料，如淀粉加粘合劑、液態(tài)蠟，熔融塑料或光敏樹脂等。3)3DP快速成形機(jī)的價(jià)格較為便宜。4)成形速度較快，Z406型TDP快速成形機(jī)單色每分鐘可打印6層(0．6mm厚)。*313DP快速成形技術(shù)的缺點(diǎn)1)精度和表面粗糙度不夠理想，主要用于制作概念模型，不適合構(gòu)建結(jié)構(gòu)復(fù)雜和細(xì)節(jié)較多的原型。2)由于材料從噴嘴中噴出，以微粒堆砌成為三維原型，微粒粘合力有限，原型的強(qiáng)度較小。*32總結(jié):

快速成形的基本流程三維模型生成STL文件建立支撐切片造型除去支撐清理表面穩(wěn)定處理成品CAD前處理快速造型后處理*33基于快速成形工藝的金屬加工比較*34快速成形技術(shù)的性能和價(jià)格比較成形工藝光敏樹脂固化薄材疊層制造激光粉末燒結(jié)三維打印主要供應(yīng)商

3DSystems

CubicTechnologies

EOS

Z—Corporation設(shè)備型號(hào)

SLA5000

LOM2030H

EOSintM250

Z6lO最大成行尺寸（mm）

508×508×584

8l2x560x508

250×250×200

203×254×203成形速度中等快中等很快成形精度很高一般高一般光潔度很高一般一般一般主要優(yōu)點(diǎn)原型形狀精確原型尺寸大原型較精確成形速度快設(shè)備類型較多材料便宜材料多樣化彩色原型主要缺點(diǎn)需要支撐結(jié)后處理費(fèi)事設(shè)備價(jià)格高原型強(qiáng)度低構(gòu)和后處理原型精度低表面光潔度低表面光潔度低堆砌材料片狀、粒狀、液體堆砌技術(shù)膠粘劑粘結(jié)、光誘導(dǎo)粘結(jié)、激光熔合、高分子樹脂固化、熔融材料固化RP工藝方法我國于20世紀(jì)90年代初研究。

研究機(jī)構(gòu)：華中科技大學(xué)快速制造中心陜西省激光快速成形與模具制造工程研究中心西安交通大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)研究所（盧秉恒）北京清華大學(xué)殷華實(shí)業(yè)有限公司（顏永年）3.5快速成型技術(shù)的發(fā)展快速成型技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛(制造領(lǐng)域的各個(gè)行業(yè)、醫(yī)療、人體工程、文物保護(hù)等)。4.快速成型技術(shù)的應(yīng)用新產(chǎn)品驗(yàn)證（設(shè)計(jì)，功能，可制造性、可裝配性檢驗(yàn)，市場(chǎng)驗(yàn)證）快速制模技術(shù)；反求工程與快速成型；醫(yī)療手術(shù)模擬；使用快速成型技術(shù)快速制作產(chǎn)品的物理模型，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)人員的構(gòu)思，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中存在的問題。使用傳統(tǒng)方法制作原型意味著從繪圖到工裝模具設(shè)計(jì)和制造，一般至少歷時(shí)數(shù)月，經(jīng)過多次返工和修改。采用快速成型技術(shù)則可節(jié)省大量時(shí)間和費(fèi)用。4.1新產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證

使用快速成型技術(shù)制作的原型可直接進(jìn)行裝配檢驗(yàn)、干涉檢查和模擬產(chǎn)品真實(shí)工作情況的一些功能試驗(yàn)，如運(yùn)動(dòng)分析、應(yīng)力分析、流體和空氣動(dòng)力學(xué)分析等，從而迅速完善產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能、相應(yīng)的工藝及所需工模具的設(shè)計(jì)。4.2新品功能驗(yàn)證

快速成型技術(shù)是一種面向裝配和制造設(shè)計(jì)的配套技術(shù)，對(duì)開發(fā)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的新產(chǎn)品（如汽車、飛機(jī)、衛(wèi)星、導(dǎo)彈等），事先驗(yàn)證零件的可制造性、零件之間的相互關(guān)系以及部件的可裝配性尤為重要。4.3可制造性、可裝配性檢驗(yàn)

在新產(chǎn)品正式投產(chǎn)之前或按照定單制造時(shí)，需要制作產(chǎn)品的展覽樣品或攝制產(chǎn)品樣本照片，采用快速成型是理想的方法。當(dāng)客戶詢問產(chǎn)品情況時(shí)，能夠提供物理原型無疑會(huì)加深客戶對(duì)產(chǎn)品的印象。4.4新品市場(chǎng)驗(yàn)證

根據(jù)CT掃描信息，快速制作出實(shí)物模型，可以進(jìn)行手術(shù)模擬、人體骨關(guān)節(jié)的配制，顱骨修復(fù)。

4.5醫(yī)療手術(shù)模擬

在許多情況下，人們希望快速成得到的零件與最終零件具有相同的物理機(jī)械特性。因此，需要用各種轉(zhuǎn)換技術(shù)將快速成型轉(zhuǎn)換為最終零件。

利用硅膠模、環(huán)氧樹脂與精密鑄造等工藝結(jié)合制造模具。經(jīng)過一次或多次轉(zhuǎn)換后制造最終產(chǎn)品，或者將快速成型得到的工件直接用作產(chǎn)品的試制模具，或者將此工件當(dāng)作母模，制作生產(chǎn)用的模具，加快模具的制作過程。4.6快速制模技術(shù)

首先對(duì)原模型進(jìn)行掃描測(cè)量，然后用快速成型作出鑄造用的蠟?zāi)?，?jīng)過精密鑄造就得到金屬零件。4.7反求工程與快速成型SLS工藝成形的葉輪原型

北京殷華公司為四川空分(集團(tuán))有限公司制造了復(fù)雜型面葉輪原形型共三個(gè)，輪廓清晰，表面質(zhì)量好，尺寸穩(wěn)定，達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。CAD