特种加工技术第7章快速成型技术

第七章 快速成型技术7.1 光敏树脂液相固化成型成型原理 成型工艺 基本应用成型特点SLA工 艺 是基于液 态 光敏 树 脂的光聚合原理的。 这 种液 态 材料在波 长 325 nm和功率 30 mW的紫外 线 照射下 发 生光聚合反 应 ，分子量急 剧 增大从液 态转变为 固 态 。在液槽 3中盛 满 了光敏 树 脂 4，氦 -镉 激光器或 氩 离子激光器 1发 出的紫外激光束，在控制系 统 的控制激光偏 转镜 下，按零件的各分 层 截面信息在光敏 树 脂表面 进 行逐 层扫 描，使被 扫 描区域的 树 脂薄 层产 生光聚合反 应 而固化，形成零件的一个薄 层 。一 层 固化完 毕 后，升降的工作台 2下移一个 层 厚距离（ 约 0.1 mm），以使原先固化好的 树 脂表面再敷上一 层 新的液 态树 脂，刮板将粘度 较 大的 树 脂液面刮平，然后 进 行下一 层 的 扫 描，新固化的一 层 牢固地粘接在前一 层上，如此重复直至整个零件制造完 毕 ，得到一个三 维实 体原型 6。当 实 体原型完成后，首先将 实 体取出，并将多余的 树 脂排 净 ，去掉支撑后进 行清洗，然后再将 实 体原型放在紫外激光下 进 行整体固化。刮板的作用是能将所需要的 树 脂十分均匀地涂覆在上一 层 上，可得到 较 好的精度，使 产 品表面更光滑。优 点 ：1）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，直至原型制造完成。2）尺寸精度高。 SLA原型制造的尺寸精度可以达到 0.01 mm。3）表面 质 量好。 虽 然在每 层 固化是 侧 面及曲面有可能出 现 台 阶 ，但上表面仍可达到玻璃状效果。4）可制造 结 构复 杂 的模型。尤其对 于内表面 结 构复 杂 ，切削刀具 难以达到的模型，也能一次成型。5）制造原型可以一定程度的代替塑料制品。6）可以直接直接制造面向熔模 铸造具有中空型 结 构的熔模。缺点 ：1）成型 过 程中有物理和化学 变 化，所以制造出来的原模可能会 产 生 变 形， 为 此制造 时 需要支撑。2）液 态树 脂固化后的性能 还 不如常用的工 业 塑料，一般比 较 脆，容易断裂，不适宜 进 行机械加工。另外在大多情况下，不能 进 行抗力和 热 的 测试 。3） 设备 运 转 和 维护 成本高。液 态树 脂和激光器的价格高，光学元件需定期 调 整。4）液体 树 脂有气味和毒性，并需要遮光保 护 ，以防聚 变 ，所以 选择 有局限。5）有 时 需二次固化。在很多情况下，经 快速成型系 统 光固化后的原型 树 脂并未完全固化， 为 提高原型的使用性能，需 经过 二次固化。光敏树脂液相固化成型特点光敏树脂液相固化成型工艺前处理1） CAD三 维 造型。三 维 造型是 CAD模型的最好表达，也是快速原型制作必须 的原始数据。三 维 造型可以在 UG、 Pro/E、 Catie等大型商 业软 件上 进 行。2）数据 转换 。数据 转换 是 对产 品 CAD模型的近似 处 理，主要是生成 STL格式的数据文件。注意控制 STL文件生成的精度。通用 CAD软 件都有 STL数据输 出。3）确定 摆 放位置。 摆 放位置不但影响着制作 时间 和效率，更影响 这 后 续 支撑的施加以及原型制造的表面 质 量等。从 缩 短原型制作的 时间 来看， 应选 尺寸最小的方向作 为 叠 层 方向； 为 了提高原型 质 量和提高关 键 尺寸和形状的精度，又需 选 尺寸最大的方向作 为 叠 层 方向； 为 减少支撑、 节 省材料、便于后处 理，常 倾 斜 摆 放。4）施加支撑。 对 于 结 构复 杂 的数据模型，支撑的施加是 费时 而精 细 的。比较 先 进 的支撑 类 型 为 点支撑，即在支撑和需要支撑的模型面是点接触的。5）切片分 层 。根据 设备 系 统 的分 层 厚度沿高度方向 进 行切片，生成 RP系 统需求的 SLC格式的 层 片数据文件，提供 给 光固化快速原型制造系 统进 行原型制作。光固化成型 后处理光固化成型前需要启 动 光固化快速成型系 统 ，使光敏 树 脂的温度达到 预设 的合理温度，激光器开启后也需要一段 稳 定时间 。 设备 运行正常后开启原型制作控制 软 件， 读 入 层 片数据文件。一般的叠层 制作控制 软 件都有默 认设 置，根据每次原型制作的具体要求 进 行一些 调 整。另外要注意工作台网板与 树 脂液面位置的 调 整，确保支撑与工作台网板的 稳 固连 接。一切准 备 就 绪 后，启 动 叠 层 制作，机器会全自 动 完成整个制作 过 程。控制 CRT会 显 示激光器能源信息、激光 扫描速度、原型几何尺寸、 总 叠 层 数、目前正在固化的叠 层 、工作台升降速度等有关信息。光固化成型 后处理1）原型制作完成后，工作台升出液面，停留 5-10 min，以晾干原型表面和去除包裹在原型里面的多余树 脂。2）将原型和工作台网板一起斜放晾干，并将其浸入丙 酮 、酒精等， 搅动 并刷掉残留气泡，再将原型从网板上取下， 进 行清洗。3）原型清洗完 毕 后，去除支撑结 构。去除支撑 时 要注意不要刮伤 原型表面和精 细结 构。4）再次清洗后置于紫外烘箱中 进行整体固化， 对 于有些性能要求不高的原型也可以不 进 行二次固化。光敏树脂液相固化成型的应用光敏 树 脂液相固化成型的 应 用有很多方面，可直接制作各种 树 脂功能件，用作 结 构 验证 和功能 测试 ；可制作比 较 精 细 和复 杂 的零件；可制造出透明效果的元件；制造出来的原型可快速翻制各种模具，如硅橡胶模、金属冷 喷 模、陶瓷模、合金模、 电铸 模、 环 氧 树 脂模和消失模等。1） 赛车 行 业 ： 赛车 的每个微小的改 动 都有可能 显 著提高 车 速，因此赛车 也及其重 视 零部件的高效 设计 和一些塑料、橡胶或金属零件的快速制造。2）航空 领 域：航空 发动 机上 许 多零件都是 经过 精密 铸 造来制造的， 对于高精度的木模制造， 传统 工 艺 的成本很高，且制作 时间长 ，而用 SLA工 艺 可以直接制造熔模 铸 造的母模， 时间 和成本可以得到 显 著降低。3） 电 器行 业 ：家用 电 器的外 观设计 要求越来越高， 这 使得 电 器 产 品外壳零部件的快速制作具有广泛的市 场 要求，而光固化原型的 树 脂品 质 是最适合于 电 器塑料外科的功能要求，因此光固化快速原型在 电 器制造 业 中有相当广泛的 应 用。4）医 疗领 域： SLA工 艺 在医 疗领 域也有广泛的 应 用，包括人体器官的教学和交流模型、手 术规 划与演 练 模型、植入体、手 术 器械的开 发 等。薄片分 层 叠加成型 设备 有 计 算机、原材料存 储 和送料机构、 热 粘 压 机构、激光切割系 统 、可升降工作台和数控系 统 等 组 成。其中 计 算机由于接受和存储 工件的三 维 模型，沿模型的高度方向取一系列的横截面 轮 廓 线 ， 发 出控制指令。原材料存 储 及送料机构将存于其中的原材料逐步送到工作台上方。 热粘 压 机构将一 层层 材料粘合在一起。激光切割系 统 安装 计 算机提供的横截面轮 廓 线 ，逐一在工作台上的材料切割出 轮 廓 线 ，并将无 轮 廓区切割成小方格，以便成型后能剔除 废 料。可升降工作台支撑成型工件，并在每 层 成型之后，降低一个材料厚度（通常 为 0.1-0.2 mm）。以便送 进 、粘合和切断新的一层 材料。数控系 统执 行 计 算机 发 出的指令，控制材料的送 进 ，然后粘合、切割，最 终 形成三 维 工作原型。7.2 薄片分层叠加成型特点应用原理 工艺薄片分层叠加成型的特点 缺点优点1）原型精度高。因 为 一是在制作 过 程中只有一 层 胶会 发生状 态变 化，引起的 变 形小；二是上胶工 艺 采用微粒吸附法，其 翘 曲 变 形小；三是三个坐 标 都有步 进电 机 驱动 ，通过滚 珠 丝 杆 传动 ， 导轨 也采用 滚动导轨 ；四是激光切割的切口 宽 度的自 动补偿 。 这 些是的最后加工精度可达 0.1-0.2 mm（ X,Y方向）， 0.2-0.3 mm（ Z方向）。2）制件能承受 200 的高温，有 较 好的硬度等力学性能，可 进 行各种切削加工。3）无需固化 处 理，也无需 设计 支撑等。4）材料便宜、成本低，制件尺寸大， 废 料容易 处 理。5） 设备 操作方便，安全可靠，自 动 化程度高。1）工件的抗拉强 度差。2）不能直接制作塑料工件。3）工件吸湿容易膨 胀 ，因此需要表面防潮 处 理。4）工件表面有台 阶纹 ，其高度等于材料的厚度，因此成型后需要打磨。薄片分层叠加成型工艺过程前处理1） CAD模型和 STL文件。各种快速原型制造系 统 的原型制作 过 程都是在 CAD模型的直接 驱动 下 进 行的，所以快速原型制作 过 程也称 谓 数字化成型。 CAD模型相当于 传统 流程中的加工 图纸 ， 为 原型制作 过 程提供数字信息。目前国 际 上通用的造型 软 件 UG、 Pro/E、 Catie、 Climatro、 Solid Edge、 MDT等的模型文件 输 出格式有多种，一般都有 STL数据格式。2）切片 处 理。薄片分 层 叠加成型是在 计 算机造型技 术 、数控技 术 、激光技 术 、材料科学等基 础 上 发 展起来的，在薄片分 层 叠加成型制造系 统 中，除了激光快速成型 设备 硬件外， 还 需配 备 将 CAD数据模型、激光切割系 统 、机械 传动 系 统和控制系 统连 接并 协调 起来的 专 用 软 件，即切片 软 件。由于薄片分 层 叠加成型是按一 层层 截面 轮 廓来 进 行加工的，因此，加工前必 须 在三 维 模型上用切片 软件，在成型的高度方向每隔一定的 间 隔 进 行切片 处 理，以便提取截面的 轮 廓。间 隔的大小要按生 产 率和加工精度来确定。一般 为 0.05-0.5 mm，常用的是 0.1 mm。叠 层 的厚度会 产 生累 计误 差， 实际 生 产 中 经 常根据 时间测 量 结 果 对 CAD的 STL模型 进 行 实时 切片 处 理。光固化成型 后处理叠加成型工艺参数：1）激光切割速度是影响薄片分层叠加成型的表面质量和加工效率的重要因素，可根据激光器型号规格进行选定；2）加热辊的温度和压力设置应该根据原型层面尺寸大小、纸张厚薄和环境温度来决定；3）激光能量的大小影响切割纸材的厚度和切割速度，通常切割速度和激光能量成抛物线关系；4）切碎网格尺寸影响余料去除和原型表面质量。原型制造过程：1）基底制作：由于叠层在制作过程中工作台要频繁升降，为实现原型和工作台之间的连续，需要制作基底，一般为 3-5层。2）原型制作：当所设参数设定之后，设备便根据给定的工艺参数自动完成原型所以叠层的制作过程。叠片成型 后处理1）余料处理：将成型过程产生的废料、支撑结构与工件分离。2）后置处理：为使表面状况或机械强度等满足需要，保证其尺寸稳定性、精度等的要求，需如下后置处理：原型表面不够光滑，其表面存在因分层引起的小台阶，以及因 STL格式化造成的小缺陷；原型的薄壁和某些小特征结构强度刚度不够；原型的某些尺寸、形状不够精确；制件的耐温性、耐湿性、耐磨性、表面硬度不够满意；制件表面的颜色不符合产品要求等。通常采用修补、打磨、抛光、表面涂覆等。薄片分层叠加成型的应用薄片分 层 叠加成型 设备 由激光系 统 、走 纸 机构、 扫 描机构和 Z轴 升降机构、加 热辊 等 组 成。成型工 艺 由于其原料比 较 便宜，运行成本和投 资 低，所以常用来制作汽 车发动 机曲 轴 、 连 杆、各 类 箱体、盖板等零部件原型样 件。1）汽 车车 灯：随着汽 车 制造也的 发 展， 车 灯 组 件的 设计 要求在内部满 足 结 构和装配要求，在外部要 满 足外 观 完美的要求。快速成型技 术 的出 现 ， 较 好的迎合了 车 灯 结 构与外 观 开放需求。2） 铸铁 手柄：某些机床操作手柄 为铸铁 件，人工方式制作砂型 铸 造用的木模十分 费时 ，且精度得不到保 证 。随着 CAD技 术 的 发 展，具有复 杂曲面形状的手柄 设计 可以直接在 CAD软 件平台上完成，借助快速成型技术 ，尤其是薄片分 层 叠加成型技 术 ，可以直径由 CAD磨削高精度地快速制作砂型 铸 造木模。3）制鞋工 业 ：鞋子的款式更新是保持鞋 业竞 争能力的重要手段，WWW（ Wolverine World Wide）公司的 设计师 首先 设计 鞋底和鞋跟的模型 图 形，从不同的角度用各种材料 产 生三 维 光照模型 显 示，以尽早排除不好的装 饰 和 设计 ，再通 过 薄片分 层 叠加成型技 术 制造 实 物模型来最后确定 设计 方案。采用 铺 粉 辊 将一 层 粉末平 铺 在已成型零件表面，并加 热 至低于 该 粉末 烧结 点的温度，控制系 统 控制激光束在粉 层 上 扫 描，使粉末熔化 烧结 ,并与已成型的部分粘 结 。当一 层烧结 完后，工作台下降一个 层 厚，又 铺 上粉末， 进 行新一 层 的 烧结 ，直至完成整个原模。 SLS使用的是 CO2激光器，原料 为 蜡、聚碳酸 酯 、尼 龙 、金属及其他。当 实 体构建完成并在原型部分充分冷却后，粉末会上升到初始位置，将其拿出并放置到一个空的工作台，用刷子刷去表面的粉末，露出加工部分，其余残留的粉末可用 压缩 空气除去。7.3 选择性激光粉末烧结成型特点应用原理 工艺选择性激光粉末烧结成型的特点 缺点优点1）可加工的材料种 类 多。 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。2）制造工 艺简单 。可用多种材料，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 构建或部件及工具。例如，制造概念原型，可按照最 终产 品模型的概念原理、熔模铸 造原型及其他少量母模生 产 、直接制造金属注塑模等。3）高精度。依 赖 于材料种 类 和粒径、 产 品的几何形状复 杂 程度， 该 工 艺 一般 0.05-2.5 mm的公差，当粉末粒径 0.1 mm时 ，原型精度=1%。4）无需支撑。未 烧结 的粉末 对 工件的 悬 臂或薄壁等有支撑作用。5）材料利用率高。由于不需要支撑、不需要基底、也不会出 现废 料，所以材料的利用率高，接近 100%，而且 SLS用的粉末价格普遍 较 低。1）表面粗糙。 SLS的原材料是粉末， 过 程是粉末 烧结 ，所以原型表面 质 量 较 低。2） 烧结过 程会 发 出异味。粉末材料在激光的加 热 下熔化，其中的高分子会 发 出一些异味。3） 辅 助工 艺 复 杂 。 SLS技 术视 所用的材料而异，有 时 需要比 较 复 杂 的 辅 助工 艺 ，例如聚酰 胺粉末的 烧结 ， 为 了避免激光 扫 描 烧结过 程在材料因高温引起燃 烧 ，必 须 引入阻燃气体；而 为 了使粉末材料可靠 烧结，需要将工作空 间 和粉末等都加 热 到 规 定的温度； 还 有在 烧结 完去除粉末的 过 程中需要防止引起粉 尘污 染。选择性激光粉末烧结成型工艺过程1）材料：石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它 们 的复合粉末材料。2）金属材料直接 烧结 成型是用激光的能源 对 金属粉末直接 烧结 ，使其熔化， 实现 叠 层 堆 积 ，其工 艺 流程 为 ： CAD模型 分 层 切片 激光 烧结 RP原型零件 金属件。其成型 过 程短，无需后 处 理，要有大功率激光器，保 证 直金属粉末直接熔化。 烧结 中激光参数 选择 、被 烧结 金属粉末材料熔凝 过 程控制是 烧结 成型的关 键 。3）激光器的功率越高，能量密度越高，材料熔化越充分，粉末 烧结 后越不容易产 生凹凸不平的 烧结层 面。功率 过 大 产 生 过热 而汽化，形成 烧结飞溅现 象。4）光斑直径越小，熔池的尺寸也就可以控制的越小，越溶液在 烧结过 程在形成致密、精 细 、均匀一致的微 观组织 ，也可以得到精度 较 好的三 维结 构。但是光斑越小， 预 示 这 激光作用区内的能量密度提高， 烧结飞溅现 象将 变 得 严 重。5） 扫 描 间 隔 对层 面 质 量和 层间结 合、 烧结 效率等有直接影响。合理的 扫 描 间隔 应 保 证烧结线间 与 层间 有少 许 的重叠。6）激光束前移，熔池的前半部分金属熔化，后半部分液 态 金属凝固。熔池内温度、熔体的流速和散 热 不同，凝固特征存在差 别 。激光功率不大 时 成 为 异 质 形核核心；而当激光功率大 时 能均 质 形核，形成等 轴 晶。例： 镍 基 F105合金：激光功率 为 900 W，光斑直径 0.8 mm， 扫 描 间 隔 0.6 mm，扫 描速度 1.2 m/min，粉 层 厚度 0.1 mm。成型的零件 组织严 密，晶粒 细 ，表面质 量好。选择性激光粉末烧结成型的应用直接制作快速模具SLS工 艺 可以 选择 不同的材料粉末制造不同用途的模具，如 烧结 金属模具和陶瓷模具，用作注塑、 压铸 、 挤 塑等塑料成型模具及 钣 金成型模具。 DTM公司将SLS烧结 得到的模具，放在聚合物的溶液中浸泡一定的 时间 后，放入加 热 炉中加 热 蒸 发 聚合物，接着 进 行渗 铜 ，出炉后打磨并嵌入模架内即可。复 杂 金属零件的快速无模 铸 造将 SLS激光快速成型技 术 与精密 铸 造工 艺结 合起来，特 别 适合具有复 杂 形状的金属功能零件整体制造。在新 产 品 试 制和零件 单 件生 产 中，不需要复 杂 工装和模具，可大大提高制造速度，并降低成本。内燃机 进 气管模型采用 SLS工 艺 快速制造内燃机 进 气管模型，可以直接与相关零部件安装， 进 行功能 验证 ，快速 检测 内燃机的运行效果，以 评 价 设计 的 优 劣，然后 进 行 针对 性的改 进 ，以达到内燃机 进 气管 产 品的 设计 要求。特点7.4 熔丝堆积成型原理 应用熔 丝 堆 积 也叫熔融沉 积 ，是将 丝 状 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 X轴 方向移 动 ，而工作台 则 沿 Y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 熔性材料 挤喷 出 喷 嘴后与前面一 层 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 ，直到完成整个 实体造型。其 过 程如下：将 实 芯 丝 材原材料 缠绕 在供料 辊 上，由 电 机 驱动辊 子旋 转 ， 辊 子和 丝 材之 间 的摩擦力使 丝 材向 喷头 的出口 输 送。在供料 辊 和 喷头 之 间 有一个 导向套， 导 向套采用低摩擦材料制成，以便 丝 材能 顺 利、准确地由供料 辊 送到 喷头 的内腔，最大送料速度 为 10-25 mm/s，推荐速度 5-18 mm/s， 喷头 的前端有电 阻式加 热 器，在其作用下， 丝 材被熔化（熔模 铸 造的蜡 丝 熔融温度 74 ，机加工蜡 丝为 96 ，聚 烯烃树 脂 丝为 106 ， ABS为 270 ，聚 酰 胺 丝为 155 ），然后通 过 出口（内径 0.25-1.32 mm）涂覆至工作台，因此 丝 材是熔点不高的热 塑性塑料或蜡。 丝 材熔融沉 积层 厚随 喷头 的运 动 速度（最高 为 380 mm/s）而变 化，通常最大 层 厚 为 0.15-0.25 mm。熔丝堆积成型的特点 缺点优点1）可以成型任意复 杂 的零件，常用于成型具有复 杂 内腔或内孔的零件。2）蜡作原型可以直接用于熔模 铸 造。3）材料利用率高，原材料无毒，可在 办 公 环 境安装。无化学 变 化，制件的 翘 曲 变 形小。4）系 统 构造原理 简单 、操作方便、成本低、运行安全。5）无需支撑、无需化学清洗、无需分离。1）成型件表面有明 显的条 纹2）沿成型 轴 垂直方向的 强 度差3） 对 整个截面 扫 描涂覆，成型 时间长 。4）原材料价格高表 7-1 FDM工艺与其他快速成型工艺的比较指 标 LOM SLS FDM成型速度 较 快 快 较 慢 较 慢原型精度 高 较 高 较 低 较 低制造成本 较 高 低 较 低 较 低复 杂 程度 复 杂 简单 复 杂 中等零件大小 中小件 中大件 中小件 中小件常用材料 热 固性光敏 树 脂 纸 、金属箔、塑料薄膜石蜡、金属、塑料、陶瓷等粉末石蜡、尼 龙 、 ABS、低熔点金属蚀 除占用率 70 10 7 6熔丝堆积成型的应用丰田公司：用于轿车右侧镜支架和四个门把手的母模制造，显著降低成本，轿车右侧镜支架模具节省 20万美元，而四个门把手的模具节省 30万美元。借助 FDM工艺制作玩具水枪模型，通过对多个零件一体制造，减少了制件数，避免了焊接和螺纹链接，显著提高了模型制作的效率。Mizuno公司开发一套新的高尔夫球杆，通常需要 13个月，用 FDM 技术大大缩短了这个过程，可以迅速得到反馈意见并进行修改，加快了造型阶段的设计验证。快速原型制造技 术 已被广泛 应 用于汽 车 、机械、航空航天、家用 电 器、 电 子通讯 、建筑、医学、玩具等 产 品的 设计 开 发过 程，如 产 品的外 观评 估、方案 选择、装配 检查 、功