（机械制造及其自动化专业论文）基于颗粒体熔融堆积的高速挤出装置及快速成形工艺理论研究.pdf

摘要 基于颗粒体熔融堆积的高速挤出装置 及快速成形工艺理论研究 摘要 快速成形技术从诞生至今，一直以较快的速度获得发展。目前的快速成形技 术正在从起初的技术定向向应用定向转变，这对于每一种快速成形技术而言，针 对各自工艺的特点，选择其正确的发展方向是至关重要的。 基于热塑性高聚物的熔融堆积成形工艺以其材料性能的优越性、使用范围的 广泛性以及在新兴领域的应用潜在性，备受业界和研究机构的重视。由于采用熔 融挤出堆积工艺制作的原型较其它快速成形工艺具有更好的性价比，这使其成为 发展最迅速的一种成形工艺。但是目前的熔融堆积成形技术在成形速度、材料选 择范围、原型制作质量的完整性以及新兴领域的应用方面仍存在不足，需要继续 改进和提高。其发展瓶颈具体体现在两个方面，即：如何推陈出新，开发出成形 速度更快，使用范围更广，且能够顺利挤出粘度更大直径更小的熔融丝材的喷头 装置；如何通过成形工艺的改进和提高，来提高已有成形装置的原型制作质量， 实现成形由普通原型向功能零件的转变。这些瓶颈的突破将对熔融堆积成形工艺 本身的继续存在、获得发展和不断完善具有重要意义。 鉴于目前熔融堆积成形技术面l 临的问题，结合快速成形技术的发展方向，本 文首先针对熔融堆积成形中使用的喷头装置的不足，提出并设计了一种新颖的基 于颗粒体材料送进的高速螺旋挤压喷头装置。同时，还需要兼顾原型制作质量的 完整性，实现由单纯普通原型的堆积向制造功能零件的转变。因此在微观和宏观 上提高熔融丝材的堆积质量是必须和必要的，这需要对熔融堆积成形的工艺理论 进行系统地研究。根据这一主体研究思路，全文的主要研究工作如下： ( 1 ) 颗粒体进料的微型螺旋挤压堆积喷头的设计 综合考虑现有喷头技术的特点和不足，针对f d m 工艺发展的新要求，提出 一种基于颗粒体材料的微型螺旋挤压堆积喷头。并且系统地研究和提出了针对小 型化螺杆的一套可行的参数化设计方法和新颖的推杆凹槽的送料方式。通过对装 配好的喷头装置的挤出试验，证明采用颗粒体进料的螺旋挤压堆积喷头的技术是 可行的。在出丝速度、压力的提升潜力和“流涎”的减小方面均达到了预期的 目标，该喷头装置具有良好的应用前景。 ( 2 ) 熔融堆积工艺参数对挤出丝材粘结质量影响的热学分析 堆积丝材间的粘接质量直接影响着堆积原型的机械力学性能。根据 摘要 a b s p 4 0 0 丝材的热学参数和商用f d m 2 0 0 0 成形机的成形参数设置，通过对丝 材堆积物理条件的合理假设，结合丝材热粘结的机理分析，建立了挤出丝材温度 变化规律的数学模型和丝材堆积温度场的有限元模型，同时对直接影响丝材粘结 质量的工艺参数进行了定量的研究，并分析了对丝材粘结有间接影响的相关因 素。理论分析和有限元仿真的结论为新喷头的开发提供了理论依据，为提高丝材 间的粘结质量指明了方向。 ( 3 ) 熔融挤出丝材的堆积过程分析 降低丝材的堆积空隙和提高丝材堆积的均匀性是确保原型成形质量的关键。 根据熔融堆积成形的特点，将一段路径的丝材堆积划分成五个阶段，对丝材堆积 的质量问题分别从工艺参数的设置、原型截面的几何特点和出丝速度与扫描运动 速度的耦合三个方面进行了研究，并分析了堆积的拉丝缺陷问题，进而针对成形 过程中易出现的质量缺陷提出了改善丝材堆积的具体方法。根据已堆积丝材的截 面特征，将丝材堆积分成稳态堆积和暂态堆积两种方式，并给出了颗粒体送料的 螺旋挤压堆积喷头的控制模型。 ( 4 ) 熔融堆积成形中原型翘曲变形的研究 针对影响f d m 原型尺寸精度的翘曲变形缺陷，分析了原型变形产生的根源 及其作用杌理，建立了原型的翘曲变形模型，同时定量地分析了各种工艺参数， 包括堆积层数，截面长度，环境温度和材料的线收缩率对原型变形的影响。分析 结果合理地解释了熔融堆积成形过程中出现的一些现象并结合研究实例提出了 减小原型翘曲变形的相应措施。 ( 5 ) f i ) m 原型的表面精度研究 围绕如何改善和提高f d m 原型表面精度的问题，研究了f d m 原型表面粗糙 度的产生机理，推导出原型表面粗糙度的计算模型，井时原型表面粗糙度实测值 与计算值问误差的成困进行了分析。基于成形工艺参数的设置原理和特殊的原型 后处理工艺方法，提出了有针对性地减小f d m 原型表面粗糙度的具体措施。 关键词：快速成形，熔融堆积成形，喷头，热分析，翘曲变形，表面精度 h i g h s p e e d e x t r u s i o ne q u i p m e n t b a s e do nf u s e dd e p o s i t i o no fb u l km a t e r i a l i ng r a n u l a t e df o r ma n ds t u d yo n t h ef d mp r o c e s s a b s t r a c t r a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n gr a p i d l yf r o mi t su a i s s a n c e0 1 1 ，a n dt h e t e c h n o l o g yi sn o wc h a n g i n gf r o mt e c h n i q u ee m p h a s e st oa p p l i c a t i o nf o c u s e s t h e r e f o r e ， f o re a c ho fr a p i dp r o t o t y p i n gp r o c e s s e s ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt os e l e c ti t sa c c g r a t e e v o l u t i o nd i r e c t i o nb a s e do nt h ep r o c e s sc h a r a c t e r s f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ( f d m ) i sb a s e do nt h em e l t e de x t r u s i o na n dd e p o s i t i o no f t h e r m o p l a s t i cp o l y m e r t h ef d mp r o c e s sh a s s o m ec h a r a c t e r si n c l u d i n gt h es u p e r i o r i t y o f m a t e r i a lp e r f o r m a n c e ，t h eu n i v e r s a l i t yo f a p p l i c a t i o ns c o p ea n dt h ep o t e n t i a li na r i s e n f i e l d s ，h e r e b yi ti si n c r e a s i n g l ya t t r a c t i n gt h ea t t e n t i o n so fi n d u s t r yf i e l d sa n dr e s e a r c h a g e n c i e s t h ep r o t o t y p e sf a b r i c a t e d 、 ，i mt h ef d mp r o c e s sh a v em u c hb e t t e rr e l a t i v e v a l u eo fq u a l i t ya n dp r i c e ，s ot h ef d mp r o c e s sh a sb e c o m eo n eo fr a p i dp r o t o t y p e t e c h n o l o g yw i t hm o s tr a p i d l ye x p a n d ! n gs p e e d h o w e v e r , t h ef d mp r o c e s ss t i l lh a s s o m ei n s u f f i c i e n c i e sc o n c r e t e l yi n c l u d i n gt h ef a b r i c a t i n gs p e e d ，t h es e l e c t i v er a n g eo f w o r k a b l em a t e r i a l s ，t h ed e p o s i t i o nq u a l i t yi n t c g r a l i t yo fp r o t o t y p e s ，a n dt h ea p p l i c a t i o n i nn e wa r e a s t h u st h ep r o c e s sn e e d st oi m p r o v ec o n t i n u o u s l y t h ep r o g r e s sb o t t l e n e c k s o ft h ef d mp r o c e s sc o n c r e t e l yi n v o l v et w op o i n t s ，a sf o l l o w s ：f i r s t l y , d e v e l o p i n ga n o v e ld e p o s i t i o nh e a de q u i p m e n tp o s s e s s i n gs o m ec h a r a c t e r si n c l u d i n gm o r er a p i d l y f i l a m e n t - e x t r u d i n gs p e e d ，m o r ee x t e n s i v e l ys e l e c t i v es c o p eo fw o r k a b l em a t e r i a l s ，t h e a b i l i t yt oe x t r u d em o r ev i s c o u sf i l a m e n tw i t hs m a l l e rd i a m e t e r s e c o n d l y ，i r e p r o v i n gt h e f d md e p o s i t i o np r o c e s so nt h ee x i s t i n gc o m m e r c i a lm a c h i n et of a b r i c a t es o m e p r o t o t y p e sw i t hb e t t e rq u a l i t y , a c h i e v i n gt o t r a n s f o r mf r o mt h eo r d i n a r yp r o t o t y p e d e p o s i t i o nt ot h ef u n c t i o n a lp a r tf a b r i c a t i o n t h eb o t t l e n e c k s b r e a k t h r o u g hw i l lh a v e i m p o r t a n tm e a n i n g f o rc o n t i n u e de x i s t e n c e ，a c q u i r e dd e v e l o p m e n ta n di n c e s s a n t i m p r o v e m e n t o f t h ef d m p r o c e s s j i a i m i n ga tt h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no f r a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g ya n d t h ep r o b l e m s f a c i n gt of u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n gt e c h n o l o g y , t h ed i s s e r t a t i o nf i r s t l yp r o p o s ea n d d e s i g nan o v e ls c r e w - e x t r u d i n gh e a de q u i p m e n tf e dw i t hb u l km a t e r i a li ng r a n u l a t e d f o r ma c c o r d i n gt ot h ei n s u f f i c i e n c i e so ft h ee x i s t i n gh e a dt e c h n o l o g yu s e di nt h ef d m p r o c e s s a tt h es a n l et i m e ，t ot r a n s f o r mf r o mt h eo r d i n a r yp r o t o t y p ed e p o s i t i o nt ot h e f u n c t i o n a lp a r tf a b r i c a t i o n , i ti sn e c e s s a r yf o r 山ef d mp r o c e s st oi m p r o v et h eq u a l i t y i n t e g r a l i t yo f p r o t o t y p ef a b f i c m i o n t h e r e f o r e ，i m p r o v i n gt h ed e p o s i t i o nq u a l i t y o ff u s e d f i l a m e n t si nm i c r o s c o p ya n dm a c r o s e o p yi sn e c e s s a r ya n de s s e n t i a l ，a n dt h ep r o c e s s t h e o r yo ft h ef d mp r o c e s sa l s on e e dt ob es y s t e m i c a l l yr e s e a r c h e d b a s e d o nt h ec h i e f s t u d y i n gt h o u g h t s ，t h em a i nr e s e a r c h i n gw o r ko f t h ew h o l e d i s s e r t a t i o ni sa sf o l l o w s ： f 1 ) d e s i g no fm i n i s c r e w - e x t r u d i n gd e p o s i t i o nh e a df e d w i t hb u l km a t e r i a li ng r a n u l a t e df 0 1 0 4 t oa i ma tc h a r a c t e r sa n di n s u f f i c i e n c i e so f t h ee x i s t i n gh e a ds y s t e m s ，a c c o r d i n gt ot h e n e wd e v e l o p m e n t so f t h ef d mp r o c e s s ，an o v e le x t r u d i n gd e p o s i t i o nh e a df e dw i t hb u l k m a t e r i a li ng r a n u l a t e df o r mi sp r o p o s e d t h ed i f f i c u l t i e so ft h ed e p o s i t i o ne q u i p m e n t r e a l i z a t i o na r et h em i n i a t u r i z a t i o no fe x t r u d i n gs c r e wa n dt l l es t e a d yf e e d i n go ft h e g r a n u l e s t h e r e f o r e ，af e a s i b l ep a r a m e t e r s d e s i g nm e t h o do fs m a l le x t r u d i n gs c r e wi s s y s t e m a t i c a l l yf o u n d e d ，a n dan o v e lf e e d i n gs e t i sa d o p t e d t h r o u g ht h ef i l a m e n t e x t r u d i n ge x p e r i m e n t s o ft h ea s s e m b l e dh e a de q u i p m e n t ，t h en o v e le x t r u s i o nh e a d t e c h n o l o g y i s p r o v e n f e a s i b l e ，s o m e a n t i c i p a t i v eo b j e c t si n c l u d i n g t h e f i l a m e n t - e x t r u d i n gs p e e d ，t h ep r e s s u r e - i n c r e a s i n gp o t e n t i a la n dt h ef i l a m e n t - e x t r u d i n g r e s p o n s e ，h a v ea l lb e e na c h i e v e d w i t hf u r t h e ri m p r o v e m e n t ，t h ed e p o s i t i o nh e a dh a sa p r o m i s i n ga p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d ( 2 ) t h e r m a la n a l y s i so nt h eq u a l i t y o fb o n d i n gb e t w e e n f i l a m e n t si n f l u e n c e db yr e l a t e d p r o c e s sp a r a m e t e r si nt h e f d mp r o c e s s t h eb o n d i n gq u a l i t yb e t w e e nc o n t i g u o u sf i b e r sc a nd i r e c t l yi n f l u e n c et h em e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e so f f d mp r o t o t y p e s a c c o r d i n gt ot h et h e r m a lp a r a m e t e r so f t h ew o r k a b l e m a t e r i a ln a m e da b s p 4 0 0a n dt h ep a r a m e t e r s s e t u po ft h ec o m m e r c i a lm o d e l i n g a b s t m e t s y s t e mn a m e df d m 2 0 0 0 ，a n dt h em e c h a n i s ma n a l y s i s o ft h e r m a l b o n d i n go f c o n t i g u o u sf i l a m e n t sw i t hr e a s o n a b l eh y p o t h e s e sa b o u tf i l a m e n t - d e p o s i t i n gp h y s i c a l c o n d i t i o n s ，am a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h et e m p e r a t u r ef i e l d so fe x t r u d i n gf i l a m e n t sa n da f i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h et e m p e r a t u r ef i e l d so fd e p o s i t i o nf i l a m e n t sa r ee s t a b l i s h e d h o wt h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r sd i r e c t l yi n f l u e n c i n gt h eb o n d i n gq u a l i t ya r es t u d i e d q u a n t i f i c a t i o n a l l y , a n dt h ei n t e r r e l a t e df a c t o r si n d i r e c t l ya f f e c t i n gt h et h e r m a lb o n d i n g b e t w e e nf i l a m e n t sa r ea l s oa n a l y z e d t h ec o n c l u s i o n so ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n df i n i t e e l e m e n tt h e r m a ls i m u l m i o nc a np r o v i d et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n sf o rt h ed e v e l o p m e n to f t h en o v e lh e a ds y s t e m s ，a n dp o i n to u tt h ei m p r o v e m e n tm e t h o d so ff i l a m e n t s - b o n d i n g q u a l i t y ( 3 ) a n a l y s i so nt h ed e p o s l t i o np r o c e s so fe x t r u d i n g f i l a m e n t s d e c r e a s i n gi n t e r - f i l a m e n td e p o s i t i o ng a pa n di m p r o v i n gu n i f o r m i t yo ff i l a m e n t s d e p o s i t i o na r ek e y st oi n s u r et h eq u a l i t yo f f d mp r o t o t y p e s a c c o r d i n g t ot h e c h a r a c t e r s o ff u s e dd e p o s i t i o n , t h ep r o c e s so ff i l a m e n t s d e p o s i t i o na l o n gap a t hc a nb ed i v i d e di n t o f i v ep h a s e s a n dt h eq u a l i t yp r o b l e m so ff i l a m e n t s d e p o s i t i o na r ee n t i r e l ya n a l y z e d t h r o u g ht h r e ep a r t si n c l u d i n gt h es e t u pi s s u e so fp r o c e s sp a r a m e t e r s ，t h eg e o m e t r i c a l c h a r a c t e r so fp r o t o t y p es l i c e sa n dt h ec o u p l i n gp r o b l e m sb e t w e e ne x t r u d i n gs p e e da n d s c a n n i n gs p e e d m o r e o v e r ，t h ee n dc u ti s s u e so fd e p o s i t i o nf i l a m e n ti sa n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，t oa i ma tt h ef a m i l i a rq u a i l t yd e f e c t s ，s o m em e a s u r e sa r ep r o p o s e dt o i m p r o v et h eq u a l i t yo ff i l a m e n t s d e p o s i t i o n a c c o r d i n gt os e c t i o nc h a n g eo fd e p o s i t e d f i l a m e n t ，t h ef i l a m e n td e p o s i t i o nc a nb ed i v i d e di n t ot h es t e a d y - s t a t ed e p o s i t i o na n dt h e t e m p o r a r y s t a t ed e p o s i t i o n a n dt h ec o n t r o lm o d e lo ft h en o v e ls c r e w - e x t r u d i n gh e a d s y s t e m si sa c q u i r e d ( 4 ) s t u d y0 np r o t o t y p ew a r pd e f o r m a t i o ni nt h ef d m p r o c e s s t oa i ma tw a r pd e f o r m a t i o nd e f e c t si n f l u e n c i n gt h ed i m e n s i o np r e c i s i o no ft h ef d m p r o t o t y p e ，t h ee s s e n c eo fd e f o r m a t i o na n di n t e r a c t i n gp r i n c i p l ea r ea n a l y z e d a c c o r d i n g t os o m er e a s o n a b l eh y p o t h e s i s ，t h em a t h e m a t i cm o d e lo fp r o t o t y p ew a r pd e f o r m a t i o ni s a b s t r a c t f o u n d e d ，a n de a c ho f t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s ，i n c l u d i n gd e p o s i t i o nl a y e rn u m b e r , s e c t i o n l e n g t h ，e n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r eo fc h a m b e r , a n dm a t e r i a ll i n e a rs h r i n k a g er a t e ，i s q u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e d b a s e do nt h ea n a l y z i n gr e s u l t s ，s o m ei s s u e si nt h ep r o c e s so f f d ma l er a t i o n a l l ye x p l a i n e d f u r t h e r m o r e ，i m p r o v e m e n tm e t h o d sf o rt h ed e c r e a s eo f w a r pd e f o r m a t i o no fp r o t o t y p ea l ep r o v i d e dw i t ht h eh e l po fac a s es t u d y , a n dt h e a p p l y i n ge f f e c t sa r e b e t t e r ( 5 ) s t u d yo ns u r f a c e p r e s i c i o no ff d mp r o t o t y p ep a r t s s u r f a c er o u g h n e s si sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e rf o rt h eq u a l i t ye v a l u a t i o no fr p p r o t o t y p ep a r t s t om m a ts u r f a c ep r e c i s i o no ft h ep r o t o t y p ep a r t sf a b r i c a t e dw i t ht h e f d m p r o c e s s ，m e c h a n i s m so fs u r f a c er o u g k u e s so ff d mp r o t o t y p ep a r t sa r es t u d i e d f u r t h e r m o r e ，t h ea n a l y t i cm o d e lo fs u r f a c er o u g h n e s si sf o u n d e d ，a n dt h ec a u s e so f s u r f a c er o u g h n e s sd e v i a t i o nb e t w e e nm e a s u r i n gv a l u ea n dc a l c u l a t i o nv a l u ea r e r e s p e c t i v e l ya n a l y z e d b a s e do ni n f l u e n c i n gp r i n c i p l e so ft h ef d mp r o c e s sp a r a m e t e r s a n ds p e c i a lp o s tp r o c e s s i n go ff d mp r o t o t y p ep a r t s ，s o m ec o n c r e t em e a s u r e sa r e p r o p o s e dt or e d u c et h es u r f a c er o u g h n e s s k e y w o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n g ( r p ) f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ( f d m ) n o z z l et h e r m a la n a l y s i s w a r pd e f o r m a t i o n s u r f a c ep r e c i s i o n v l 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者繇已久明 日期：硝年7 月7 7 目 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：刁天明 指导教师签名： 日期：多羼7 刖7 日 、 卜叫 y 干 日期y 勺肌朋 上海交通大学博：学位论文 第一章绪论 1 1 快速成形技术 随着信息技术的飞速发展和社会需求的多样化，传统制造业市场环境发生 了巨大变化。一方面表现为消费者兴趣的短时效性和消费者需求的主体化、个 性化及多元化；另一方面由于区域性、国际性市场壁垒的淡化和打破，使制造 商不得不着眼于全球市场的激烈竞争。快速地将多样化的产品推向市场是制造 商把握市场先机而求生存的重要保障，由此导致了制造战略重点从成本和质量 到时间和响应的转移。在此背景下，产品研发速度逐渐成为当代企业赢得全球 竞争的第一要素，面向制造领域的快速产品开发技术得到了飞速的发展，快速 成形技术作为其中的一项先进制造技术，它可以自动、直接、快速、精确地将 设计思想物化为具有一定功能的实体原型或者直接使用的零件，可以对产品设 计进行快速评价、修订和功能试验，从而有效地缩减了产品的上市周期和研发 成本，因此也逐渐得到广泛的重视和应用，相关成形方法、工艺理论和技术应 用的研究成为学者研究的一个热点。 1 1 1 快速成形技术的产生与发展 快速( r a p i dp r o t o t y p i n g 简称r p ) 作为一种新兴的先进制造技术 ( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，简称a m t ) ，它是上个世纪8 0 年代后 期诞生的，又被称为分层制造技术( l a y e r e dm a n u f a c t u r i n g 简称l m ) 和自由表 面实体制造技术( s o l i df r c e f o 肋f a b r i c a t i o n 简称s f f ) 0 3 】，它的出现被认为是 制造领域的一次重大技术突破。近年来，在我国引用该技术的英文名称时都已 倾向使用“r a p mp r o t o t y p i n g ”。1 9 9 8 年7 月中国机械工程学会制定了r p 技术 统一规范的中文名称，讨论后决定使用“快速成形”来指代该项先进制造技术， 其中的“形”字指出了这项技术可以直接由材料( 而非毛坯) ，不经过辅助工装、 夹具、模具，由c a d 数据直接驱动来制造零部件实体原型，从而指出了其与一 般材料成形技术的区别，本文亦遵循这一规定。 由于快速成形技术涉及的一些单元技术在上个世纪8 0 年代中期已经成熟( 见 表1 1 ) ，市场应用前景已经凸显，这些有利条件促使c h u c kh u l l 在1 9 8 6 年仓造性 的将分层累加成形理念引入到制造业，他提出立体光刻成形( s t e r e l i t h o g r a p h y ) 技术并获得发明专利【4 】。1 9 8 8 年开发出世界上首台r p 样机，这是一套采用立体光 刻法的快速成形系统，并以此为基础成立3 ds y s t e m s 公司，由此产生的s t l ( s t e r e l i t h o g r a p h y 的缩写) 数据处理格式现在已经成为行业标准。 1 第一耄绪论 表1 1 快速成形及其相关的单元技术的发展历史四 t a b l e l 一1h i s t o r i c a ld e v e | o p m e mo f r a p i dp r o t o t y p i n ga n dr e l a t e dt e c h n o l o g i e s y e a ro f i n c e p t i o n t e c h n o l o g y 1 7 7 0m e c h a n i z a t | o n 1 9 4 6f i r s tc o m d i i r 1 9 5 2f i r s tn u m e r i e a lc o n t r o lf n c ) m a e b i n et o o i 1 9 6 0f i r s te o m m e r c i a ll a s e r 1 9 6 1f i 体lc o 巾m e f 瑚出r o b o t 1 9 6 3f j 鞲li n t e r a c t i v eg r , i p h i t ss y 砒e m ( e a r l yv e r s i o no f c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ) 1 9 8 8f i r s tc o m m e r c i a lr a p i dp r o t o t y p m gs y s t e m 3 ds y s t e m s 公司制造的r p 系统s l a 1 在1 9 8 7 年1 1 月底特律举行的 a u t o f a c t 展览会上迸行了展示，这标志着快速成形技术在世界上正式出现。 由于r p 技术自身的特点： ( 1 ) 对于成形的零件的几何外形的复杂性几乎没有限制； ( 2 ) 由于采用的是分层累j j n $ 0 造思想，较容易实现c a d 向c a m 的互连，是 真正意义上的数字化制造，省去了传统加工方法中复杂的制造工序和繁琐 的工艺准备。 这使得快速成形技术一经出现便表现出极强的生命力，并获得迅猛的发展。1 9 9 2 年以前全世界总共装机为3 0 0 台，1 9 9 7 年世界装机为3 2 8 9 台，截止2 0 0 3 年底全世 界已有近1 t 0 0 0 多台快速成形系统投入使用( 见图1 1 和图1 - 2 ) 【6 】，这种发展趋势 仍在继续。目自i 快速成形设备材料生产商全球的年销售额已超过l o 亿美元，涉及 该领域相关服务的产值约为设备销售额的2 倍 7 1 。 1 2 0 0 0 蚰l du n i t s 2 ，咖鬟 8 8 1 2 ，3 9 4 弓s 6 7 9 8 瑚瑚0 t 瑚 0 3 圈l - 1 全球快速成形系统的总装机量 f i g 1 1t o t a li n s t a l l a t i o no f r ps y s t e m si nt h ew o r l d 上海交通大学博士学位论文 图i - 2 全球每年快速成形系统新增的装机量 f i g 1 - 2a n n u a li n c r e a s e dr ps y s t e m si n s t a l l a t i o nw o r l d w i d e 针对不同的成形材料和使用用途，快速成形技术形成和衍生出许多种成形 工艺，且各有特点。每种工艺的研发周期不等，一些工艺还处在实验室研究阶 段，目前被商业化的比较成熟的快速成形工艺主要有以下六种( 见表1 2 ) 。 s l a ( s t e r e o l i t h o g r a p h y a p p a r a t u s ，立体光刻成形法) 是最早出现的一种快 速成形工艺，它采用低功率的紫外激光源逐点照射光敏树脂使之固化的方法来 成形原型。该工艺首先由美国3 ds y s t e m s 公司研制成功。s l a 工艺制作的原型 具有高的成形精度和好的表面质量，但由于成形材料的软脆特点，使得制作的 原型只局限于r p 传统的应用领域，不能用作功能原型。 f d m ( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ，熔融堆积成形法) 成形工艺使用热塑性 成形丝材，通过滚轮驱动将丝材连续稳定地推入液化室，使其受热软化熔融并 被挤出喷嘴，靠商温挤 乜丝材的自粘结性逐层堆积成形，该成形工艺最早由美 国的s t r a t a s y s 公司商业化的。f d m 成形工艺具有成形机构简单，无需激光系统， 运行费用低，且技术难点相对集中，使用可靠，维修成本低，尺寸精度容易保 证，使用材料广泛，原型强度好。 s l s ( s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ，选择性激光烧结法) 工艺采用中等功率的 c 0 2 激光器逐点照射粉末材料，使包覆在粉末颗粒外的固体粘结剂熔融以实现 材料的粘结，该工艺首先由美国的d t m 公司开发成功。德国e o s t 8 l 公司也开 发出自己的材料和设备，可以直接烧结成形塑料件和金属件。 l o m ( l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ，叠层实体制造法) 工艺采用激光或 者刀具1 9 l 切割箔材，箔材之间靠热熔胶在压辊的热熨压作用下实现粘结，层层 叠加形成原型。该工艺设备