快速成型总结报告.doc

快速成型总结报告一、快速成型技术的发展及原理快速成形技术（RapidPrototyping，简称RP）是二十世纪八十年代末九十年代初兴起并迅速发展起来的新的先进制造技术.是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称，其基本过程是：首先设计出所需零件的计算机三维模型（数字模型、CAD模型），然后根据工艺要求，按照一定的规律将该模型离散为一系列有序的单元，通常在Z向将其按一定厚度进行离散（习惯称为分层），把原来的三维CAD模型变成一系列的层片；再根据每个层片的轮廓信息，输入加工参数，自动生成数控代码；最后由成形机成形一系列层片并自动将它们联接起来，得到一个三维物理实体。快速成型技术的原理：快速成型技术(RP)的成型原理是基于离散-叠加原理而实现快速加工原型或零件.这里所说的快速加工原型是指能代表一切性质和功能的实验件,一般数量较少,常用来在新产品试制时作评价之用.而这里所说的快速成型零件是指最终产品,已经具有最佳的特性,功能和经济性.二、快速成型技术的分类快速成型技术 - 分类 快速成型技术根据成型方法可分为两类：基于激光及其他光源的成型技术（LaserTechnology），例如：光固化成型（SLA）、分层实体制造（LOM）、选域激光粉末烧结（SLS）、形状沉积成型（SDM）等；基于喷射的成型技术（JettingTechnoloy），例如：熔融沉积成型（FDM）、三维印刷（3DP）、多相喷射沉积（MJD）。下面对其中比较成熟的工艺作简单的介绍。SLA技术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和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。 1、SLA（光固化成型）SLA工作原理：液槽中盛满液态光固化树脂激光束在偏转镜作用下，能在液态表而上扫描，扫描的轨迹及光线的有无均由计算机控制，光点打到的地方，液体就固化。成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。当一层扫描完成后未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新周化的一层牢周地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。 SLA方法是目前快速成型技术领域中研究得最多的方法也是技术上最为成熟的方法。SLA工艺成型的零件精度较高，加工精度一般可达到0.1mm，原材料利用率近100。但这种方法也有白身的局限性，比如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂有一定的毒性等。优点：（1）成型过程自动化程度高(2)尺寸精度高。(3)表面质量优良。(4)可以制作结构十分复杂的模型。(5)可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失型。缺点：(1)成型过程中伴随着物理和化学变化，所以制件较易弯曲，需要支撑，(2)设备运转及维护成本较高。(3)可使用的材料种类较少。(4)液态树脂具有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止提前发生聚合反应，选择时有局限性。(5)需要二次固化。(6)液态树脂同化后的性能尚不如常用的工业塑料，一般较脆、易断裂，不使进行机加工。2、LOM（LaminatedObjectManufacturing，LOM）工艺LOM工艺称叠层实体制造或分层实体制造，由美国Helisys公司的MichaelFeygin于1986年研制成功。LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热胶。 LOM原理加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成型的工件粘接。用CO2激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格。激光切割完成后，工作台带动已成型的工件下降，与带状片材分离。供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域。工作合上升到加工平面，热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚。再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完。最后，去除切碎的多余部分，得到分层制造的实体零件。 LOM工艺只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。因此成型厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件。工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲变形。工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所以LOM工艺无需加支撑。缺点是材料浪费严重，表面质量差。3、SLS（SelectiveLaserSintering）工艺SLS工艺称为选域激光烧结，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。SLS工艺是利用粉末状材料成型的。 SLS原理其原理是将材料粉末铺洒在已成型零件的上表面，并刮平，用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面，材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成型的部分连接。当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，有选择地烧结下层截面。烧结完成后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理得到零件。优点：（1）精度高。制件在X和y方向的精度可达0.10.2mm，Z方向的精度可达0.20.3mm。（2）实体制造中无需设计和制作支撑，所以制作效率高、速度快、成本低。(1)可采用多种材料。(2)制造工艺比较简单。(3)高精度。依赖于使用的材料种类和粒径、产品的几何形状和复杂程度，该工艺一般能够达到工件整体范围内(0.052.5)mm的公差。当粉末粒径为0.1mm以下时，成型后的原型精度可达l。(4)材料利用率高，价格便宜，成本低。(5)无需支撑结构。缺点：（1）特别是薄壁件的抗拉强度和弹性不够好；（2）易吸湿膨胀，成型后应尽快进行表面防潮处理；（3）件表面有台阶纹，其高度等于材料的厚度(通常为0.1mm左右)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、蜡等材料的零件，特别是可以制造金属零件。这使SLS工艺颇具吸引力。4、3DP(ThreeDimensionPrinting）工艺三维印刷工艺是美国麻省理工学院E-manualSachs等人研制的。已被美国的Soligen公司以DSPC（DirectShellProductionCasting）名义商品化，用以制造铸造用的陶瓷壳体和型芯。3DP工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成型，如陶瓷粉末、金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连结起来的，而是通过喷头用粘结剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉来上面。3DP的原理如图所示，左面是3DP原理储粉筒,材料被放置在快速成型过程的起始位置。零件是由粉末和胶水组成的。右面就是部件制作的地方。在工作平台的里面是一个平整的金属盘,上面一层层微细的粉末由滚筒铺开,然后在制作过程中由打印头喷出粘着剂进行粘结.其优点：（1）速度快，（2）是和制造复杂形状的零件，（3）可用与制造复合材料或非均匀材料的零件，（4）可是和制造小批量零件，（5）无污染，是绿色化的办公室设计。缺点：（1）零件精度差，表面粗糙度差（2）零件易变性甚至出现裂纹。5、FDM（FusedDepostionModeling）工艺熔融沉积制造（FDM）工艺由美国学者ScottCrump于1988年研制成功。FDM的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、尼龙等。以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。FDM工艺原理如图所示。 FDM原理与上述工艺不同，FDM不采用激光，成型材料为丝状的高分子聚合物；在开始成型之前，丝状材料需要先在液化管中被加热到略高于其软化点以将其熔化。成型时，喷头在计算机控制下作x-y联动扫描，同时喷出半流动状的高分子聚合物，高分子聚合物在成型室中冷却成型，并与已经成型的下层牢固地粘结在一起。FDM工艺的缺点是需要支撑，而且由于物态变化，成型后原型存在变形现象。 优点：(1)由于热融挤压头系统构造原理和操作简单，维护成本低，系统运行安全。(2)成型速度快。用熔融沉积方法生产出来的产品，不需要SLA中的刮板再加工这一道工序。(3)用蜡成型的零件原型，可以直接用于熔模铸造。(4)可以成型任意复杂程度的零件，常用于成型具有很复杂的内腔、孔等零件。(5)原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小。(6)原材料利用率高，且材料寿命长。(7)支撑去除简单，无需化学清洗，分离容易。缺点：(1)成型件的表面有较明显的条纹。(2)沿成型轴垂直方向的强度比较弱。(3)需要设计与制作支撑结构。(4)需要对整个截面进行扫描涂覆，成型时间较长。(5)原材料价格昂贵。三、快速成型技术的数据处理1、前期数据处理RP快速成型技术的数据来源主要有一下两大类：（1）、三维CAD数据由三维实体造型软件（pro/E、solid-works、AutoCAD等）生成产品的三维CAD数据模型，然后对数据模型直接分层的到精确的界面轮廓。最常用的方法是将三维CAD数据模型转换为三角形网格形式的STL文件数据资料，然后对其进行分层，从而得到RP系统专用加工路径。（2）、逆向工程数据 主要是借助逆行工程相关软件，借助逆向工程测量设备（如三维扫描仪）对已有零件进行三维实体扫描，从而获得实体的点云数据资料；再对这些点云数据资料进行相关的处理：对数据点进行三角网格化生产STL文件，再进行分层数据处理货对三维点云数据点直接进行分层处理。（3）、STL数据格式的预处理NV1N STL数据格式的出发点就是用小三角形面片的形式去逼近三维实体的自由曲面。在每个三角形片面中都可由三角形的三个顶点、指向模型外部的三角片面的法矢量组成。如下图：V2 V32、中期数据处理将所得的三维造型数据进行优化、切片以及转化成RP系统可以识别的文件格式，通常采用STL格式。三维CAD软件与RP软件系统之间的数据接口可分为两大类：利用中间格式文件进行切片和直接切片。四、STL工艺的工艺过程 （1）三维模型的构造：按图纸或设计意图在三维CAD设计软件中设计出该零件的CAD实体文件。一般快速成型支持的文件输出格式为STL模型，即对实体曲面做近似的所谓面型化处理，是用平面三角形面片近似模型表面。以简化CAD模型的数据格式。便于后续的分层处理。由于它在数据处理上较简单，而且与CAD系统无关，所以很快发展为快速成型制造领域中CAD系统与快速成型机之间数据交换的标准，每个三角面片用四个数据项表示。即三个顶点坐标和一个法向矢量，整个CAD模型就是这样一个矢量的集合。在一般的软件系统中可以通过调整输出精度控制参数，减小曲面近似处理误差。如Pre/1E软件是通过选定弦高值(ch-chordheight)作为逼近的精度参数。 （2）三维模型的离散处理（切片处理）：在选定了制作(堆积)方向后，通过专用的分层程序将三维实体模型(一般为STL模型)进行一维离散，即沿制作方向分层切片处理，获取每一薄层片截面轮廓及实体信息。分层的厚度就是成型时堆积的单层厚度。由于分层破坏了切片方向CAD模型表面的连续性，不可避免地丢失了模型的一些信息，导致零件尺寸及形状误差的产生。所以分层后需要对数据作进一步的处理，以免断层的出现。切片层的厚度直接影响零件的表面粗糙度和整个零件的型面精度，每一层面的轮廓信息都是由一系列交点顺序连成的折线段构成。所以，分层后所得到的模型轮廓已经是近似的，层与层之间的轮廓信息已经丢失，层厚越大丢失的信息越多，导致在成型过程中产生了型面误差。 （3）成型制作：把分层处理后的数据信息传至设备控制机，选用具体的成型工艺，在计算机的控制下，逐层加工，然后反复叠加，最终形成三维产品。 （4）后处理：根据具体的工艺，采用适当的后处理方法，改善样品性能。 五、STL工艺影响成型精度的因素 目前，快速成型技术面临的一个主要的问题就是表面质量不高，其制件必须经过打磨、抛光等后处理工艺才能满足工业应用的要求。表面质量问题限制了快速成型技术快速性的优势，在一定程度上制约了快速成型技术的发展。影响快速成型制件表面质量和尺寸精度因素包括数据处理精度、设备精度、材料和工艺。其中设备精度包括成型元素（光束直径、熔滴直径等）的作用范围、激光器、工作台等部件的机械运动精度和层准备精度等，这部分的精度是由快速成型系统硬件设施决定的，要保证这部分的精度，需要不断的优化调整设备参数，使其处于最佳状态；材料和工艺因素包括材料的收缩和热变形、扫描路径和支撑设计、刀具补偿以及后处理工艺等。这部分最主要的问题是材料的收缩和热变形，是由材料本身性质以及工艺中各个工序共同决定的，减小这部分误差首先要优化工艺和工序使温度场和应力场均匀分布，其次要根据实际情况对误差进行补偿。为提高快速成型数据处理的精度、提高制件的表面质量，国内外学者进行了大量的研究。本文主要就如何解决“传统”快速成型数据处理技术中出现的台阶效应和STL 逼近误差问题的研究现状进行介绍并展开一定的分析和讨论。 1 数据处理误差 （1） 台阶效应 台阶效应是由快速成型技术“离散-堆积”的核心思想所引起的一种原理性误差，是影响快速成型表面质量和精度的一个主要因素。台阶效应的影响可以用“尖峰高度（cusp height）”来量化表示，所谓尖峰高度是指台阶底部到模型表面（STL 斜面）的最大距离。因此，当层厚固定后，尖峰高度的大小只与模型的形状有关，那么对整个制件来说，所有尖峰高度的大小是不均匀、不可控的。 台阶效应引起的另一个问题是分层过程中容易造成模型的形状改变以及局部特征遗失。在房檐处由于局部的尺寸不