【精品PPT课件】PR快速成型技术培训教程.ppt

上海理工大学 陈泽中,1,快速成型技术,第16章,上海理工大学 陈泽中,2,快速成型技术概述 20世纪80年代后发展起来的快速成形技术（rapid protoyping 简称rp），被认为是近20年制造领域的一次重大突破，其对制造业的影响可与20世界50-60年代的数控技术相比，快速成形技术综合了机械工程、cad、数控技术、激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思路转变为具有一定功能功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评估、修改及功能实验，大大缩短了产品的研制周期。而且rp系统为基础发展起来并已成熟的快速工装模具制造、快速精铸技术则可实现零件的快速制造。它是基于一种全心的制造概念增材加工法。 我国于20世纪90年代初先后有武汉华中科技大学快速制造中心、山西省激光快速成形与模具制造工程研究中心、西安交通大学先进制造技术研究所、北京隆源自,上海理工大学 陈泽中,3,动成型系统有限公司、北京清华大学殷华实业有限公司等，在快速成形工艺研究、成形设备开发、数据处理及控制软件、新材料的研发等方面做了大量卓有成效的工作，赶上了世界发展的步伐并有锁创新，现都已开发研制出系列化的快速成形商品化设备可供订购。我国中国机械工程学会下属的特种加工学会，于2001年增设了快速成形专业委员会，开展快速成形技术的普及和提高工作。 在众多的快速成形工艺中，具有代表性的工艺是：光敏数值液相固化成形、选择性粉末烧结成形、薄片分层叠加成形和熔丝堆积成形等4种。以下对这些典型工艺的原理、特点等进行简单的介绍。,上海理工大学 陈泽中,4,光敏数值液相固化成形 选择性粉末烧结成形 薄片分层叠加成形 熔丝堆积成形,上海理工大学 陈泽中,5,光敏数值液相固化成形,光敏数值液相固化成形（sl-stereolithography）又称光固化立体造型或立体光刻。它由charle hul发明并于1984年货美国专利。1988年美国3d系统公司推出商品化的世界上第一台快速原型成形机。sla系列成形机占据着rp设备市场较大的份额。,成形材料：液态光敏树脂； 制件性能：相当于工程塑料或蜡模； 主要用途：高精度塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。,上海理工大学 陈泽中,6,一.光敏数值液相固化成形-sl工作原理 sl工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长（=325nm）和功率（p=30mw）的紫外激光的照射下能迅速发生光聚反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。 通常从上方对液态树脂进行扫描照射的成形方式称之为自由液面型成形系统，如下图所示。这种系统需要精确检测液态树脂的液面高度，并精确控制液面与液面下已固化树脂层上表面的距离，即控制成形层的厚度。,上海理工大学 陈泽中,7,成形机由液槽、可升降工作台、激光器、扫描系统和计算机控制系统等组成。液槽中盛满液态光敏树脂。工作台在步进电机的驱动下可沿z轴方向作往复运动。工作台面分布着许多可让液体自由通过的小孔。光源为紫外（uv）激光器，通常为氦镉（he cd）激光器和固态（solid state）激光器。近年3d公司趋向于采用半导体激光器。激光器功率一般为10200mw，波长为320370nm。扫描系统通常为一组定位镜和两只振镜组成。两只振镜可根据控制系统的指令，按照每一截面轮廓曲线的要求作往复转摆，从而将来自激光器的光束反射并聚焦于液态树脂的上表面，在该面作x-y平面的扫描运动。在这一层受到紫外光束照射的部位，液态光敏树脂在光能作用下快速固化，形成相应的一层固态截面轮廓。,上海理工大学 陈泽中,8,三、特点和成形方法： 这种方法的特点是精度搞、表面质量好、原材料利用率将近100%，能制造形状特别复杂（如空心零件）、特别精细（如首饰、工艺品等）的零件。制作出来的原型件可快速翻制各种模具。 sl工艺的成形材料称为光固化树脂（或称光敏树脂），光固化树脂材料中主要包括齐聚物、反应性稀释剂及光引发剂。根据引发剂的引发机理，光固化树脂可以分三类：自由基光固化树脂、阳离子光固化树脂和混杂型光固化树脂。 自由基光固化树脂、阳离子光固化树脂和混杂型光固化树脂各有许多优点，目前的趋势是使用混杂型光固化树脂。,上海理工大学 陈泽中,9,选择性粉末烧结成形,一、选择性激光粉末烧结成形-sls工艺原理 工艺：利用粉末材料（金属粉末，非金属粉末），在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成型 如图所示 此法采用 二氧化碳激光器作为能源。在工作台上均匀铺上一层很薄（0.10.2mm）的粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性的进行烧结。全部烧结完成后，去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理获得零件,成形材料：工程塑料粉末； 制件性能：相当于工程塑料、蜡模、砂型； 主要用途：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。,上海理工大学 陈泽中,10,二、特点和成形材料 sls工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、石蜡等材料的零件。特别是可以直接制造金属零件，这使sls工艺颇具吸引力。 另一特点是sls工艺无需加支持，应为没有被烧结的粉末起到了支撑的作用。因此可以烧结制造空心、多层镂空的复杂零件。 sls烧结成形用的材料，早起采用蜡分及高分子塑料粉，用金属或陶瓷粉进行粘接或烧结的工艺也达到了实用阶段。任何受热粘结的粉末都有被用作sls原材料的可能性，原则上这包括了塑料、陶瓷、金属粉末及他们的复合粉。 为了提高原型的强度，用于sls工艺材料的研究转向金属和陶瓷，这也是sls工艺优越于sl、lom工艺之处。 近年来，金属粉末的制取越来越多地采用雾化法。主要有两种方式：离心雾化法和气体雾化法。他们的主要原理是使金属熔融，高速将金属液滴甩出并急冷，随后形成粉末颗粒。 sl工艺还可以采用其他粉末，比如聚碳酸酯粉末，当烧结环境温度控制在聚碳酸酯软化点附近时，其线胀系数较小，进行激光烧结后，被烧结的聚碳酸酯材料翘曲较小，具有很好的公艺性。,上海理工大学 陈泽中,11,三、几年来的发展： 多年来金属直接成形和快速制模技术，主要是选择性激光烧结(sls)直接制作金属模具。这种烧结件往往是低密度的多孔状结构，可将低熔点相的金属渗入后直 接形成金属模具。制件的强度与精度问题一直是难以逾越的障碍。optomec公司于1998年和1999年分别推出了lens-50、lens-1500机型。以钢、钢合金、铁镍合金、钛钽合金和镍铝合金为原料，采用激光净成形技术，将金属直接沉积成形，使该技术有所突破。,上海理工大学 陈泽中,12,薄片分层叠加成形,一、薄片分层叠加成形-lom工艺原理： lom工艺采用薄片材料，如纸，塑料薄膜等作为成行材料，片材表面实现涂覆上一层热熔胶。加工时，用二氧化碳激光器在计算机控制下按照cad分层，然后通过热压，与下面已成型的工件层粘结，从而堆积成型。,成形材料：涂敷有热敏胶的纤维纸； 制件性能：相当于高级木材； 主要用途：快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。,上海理工大学 陈泽中,13,上海理工大学 陈泽中,14,上海理工大学 陈泽中,15,上海理工大学 陈泽中,16,上海理工大学 陈泽中,17,上海理工大学 陈泽中,18,上海理工大学 陈泽中,19,熔丝堆积成形,一、熔丝堆积成形-fdm工艺原理： 丝沉积制造又称fdm，该技术的成形原理如图1-4所示。采用丝状材料作为加工物质，通过两个喷头分别挤出熔融态的成形材料和支撑材料，扫描二维截面形成实体。,成形材料：固体丝状工程塑料； 制件性能：相当于工程塑料或蜡模； 主要用途：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。,上海理工大学 陈泽中,20,上海理工大学 陈泽中,21,上海理工大学 陈泽中,22,上海理工大学 陈泽中,23,上海理工大学 陈泽中,24,上海理工大学 陈泽中,25,上海理工大学 陈泽中,26,上海理工大学 陈泽中,27,rp的软件,stratasys公司开发了对fdm系统的quickslice6.0和对genisys系统的autogen3.0软件包，采用了触摸屏，使操作更加直观。helisys公司开发了面向windows nt4.0的lomslice软件包新版本，增加了stl可视化、纠错、布尔操作等功能，故障报警更完善。3d公司开发了针对actua概念机的新操作软件allegro 2.0，用于sla 7000，其3d lightyear软件不仅操作简便（easy-to-use），而且文件的确认速度提高了150倍，着色速度提高了6倍，文件的准备速度提高了两倍多，而文件的存储空间则减少了50%。solid concepts公司开发了solidview3.0软件包。clemson大学研究了通过对参数曲面的切片，产生参数曲线的分层边界，利用这种参数曲线控制快速成形机。国内有关研究单位也开发了多种rp软件，并达到实用水平。,上海理工大学 陈泽中,28,几种rp成型的优缺点：,上海理工大学 陈泽中,29,快速制模、快速制造技术的发展,目前的快速制模方法大致有间接制模法和金属直接制模法。常用的快速制模方法有软模、桥模和硬模。软模（soft tooling）通常指的是硅橡胶模具。用sla、fdm、lom或sls等技术制作的原型，再翻成硅橡胶模具后，向模中灌注双组份的聚氨酯，固化后即得到所需的零件。调整双组份聚氨酯的构成比例，可使所得到的聚氨酯零件的机械性能接近abs或pp。 桥模（bridge tooling）通常指的是可直接进行注塑生产的环氧树脂模具。采用环氧树脂模具与传统注塑模具相比，成本只有传统方法的几分之一，生产周期也大大减少。模具寿命不及钢模，但比硅胶模高，可达10005000件，可满足中小批量生 产的需要。,上海理工大学 陈泽中,30,硬模（hard tooling）通常指的是用间接方式制造金属模具和用快速成形直接加工金属模具。目前有用sla、fdm和sls方法加工出蜡或树脂模型，利用熔模铸造的方法生产金属零件；也有利用lom加工的模型及其它方法加工的制件作为母模来制作硅橡胶模，通过硅橡胶模来生产金属零件；还有利用sls方法，选择合适的造型材料，加工出可供浇注用的铸造型腔。利用原型件作为母模结合精密铸造等制作注塑模或其他金属模具的工艺，典型的还有3d system的quickcast、express tool等。 用sla、sls、fdm或lom方法加工熔模铸造中的蜡模，这是目前生产金属零件和金属模具最主要的途径之一。对快速成形得到的原型表面进行特殊处理后代替木模，直接制造石膏型或陶瓷型，或是由rp原型经硅橡胶模过渡转换得到石膏型或陶瓷型，再由石膏型或陶瓷型浇注出金属模