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快速成型技术及其应用电气信息工程学院 电气工程及其自动化06-1 （24）快速成型技术是20世纪80年代中后期发展起来的、观念全新的现代制造技术。这门崭新的技术不仅在成型方法上开辟了与传统方法截然不同的思路,而且为产品开发提供了一套新的流程,对传统制造业组织结构产生了冲击。快速成型技术是继数控技术之后制造业的又一次重大革命。与传统的去除成形不同,快速成型技术是一种离散堆积的成形过程。这种加工过程可分为前期数据处理和物理实现,在离散过程中,将三维形体的CAD模型沿一定方向分解,得到一系列截面数据,再根据各自具体的工艺要求,获得控制成形头运动的轨迹;在堆积过程中,成形头在运动轨迹的控制下,加工出层片,并将层片与层片堆积!连接,重复上述2个过程,加工出零件快速成型的特点(1)快速性 通过STL格式文件,RPM系统几乎可以与所有的CAD造型系统无缝连接,从CAD模型到完成原型制作通常只需几小时到几十小时。(2)高度柔性 快速成型系统是真正的数字化制造系统,它取消了工装夹具,系统不作任何改变和调整即可完成不同类型的零件的加工制作,特别适合新品开发或单件小批量生产。(3)与复杂程度无关性 零件制造周期和制造成本与零件的形状和复杂度无关,而只与其净体积有关。(4)高度集成化 用重复的三维扫描成型复杂的三维零件,避免了数控加工的复杂编程步骤。从而实现高度自动化和程序化。选择性激光烧结(SLS)SLS法是采用滚筒将粉末铺撒成薄薄的一层,用红外板将粉末预热至稍低于熔点温度,然后用计算机控制激光束按原型或零件的截面形状扫描平台上的粉末.激光束扫描所到之处,粉末被烧结形成物理模型的组成部分.升降工作台一个层厚,用滚筒在已烧结层上再铺撒一层粉末,用激光束扫描烧结.依次重复逐层烧结直至形成完整原型.烧结粉末可以是塑料、金属!陶瓷、蜡粉及其复合物等。SLS法特点是可用材料多,制造工艺简单,高精度,低成本.熔融沉积成型 (FDM)FDM法采用热熔喷头,使半流动状态的材料按CAD分层数据控制的路径挤压并沉积在指定的位置凝固成型,逐层沉积凝固后形成物理原型.去除支撑!底托等即可得到原型零件.FDM法工作原理如图4所示.两个喷头中一个用于挤出成型材料,另一个用于挤出支撑材料.支撑的作用是支撑原型悬空部分,使原型不至于因自重而变形.RPM技术既可用于产品的概念设计!功能测试等方面,又可直接用于工件设计!模具设计和制造等领域.RPM技术在模具、家电、汽车、航空航天、医疗、建筑、工艺品制作以及玩具等行业得到了广泛的应用。FDM丝状材料选择性熔覆.快速原型工艺是一种不依靠激光作为成型能源、而将各种丝材加热溶化的成型方法，简称FDM。丝状材料选择性熔覆的原理室，加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作X-Y平面运动。热塑性丝状材料由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热和溶化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大约0.127mm厚的薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层画出截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。 这种工艺方法同样有多种材料选用，如ABS塑料、浇铸用蜡、人造橡胶等。这种工艺干净，易于操作，不产生垃圾，小型系统可用于办公环境，没有产生毒气和化学污染的危险。但仍需对整个截面进行扫描涂覆，成型时间长。适合于产品设计的概念建模以及产品的形状及功能测试。由于甲基丙烯酸ABS（MABS）材料具有较好的化学稳定性，可采用加码射线消毒，特别适用于医用。FDM快速原型技术的优点是：1、操作环境干净、安全可在办公室环境下进行。2、工艺干净、简单、易于材作且不产生垃圾。3、尺寸精度较高，表面质量较好，易于装配。可快速构建瓶状或中空零件。4、原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。5、材料利用率高。6、可选用多种材料，如可染色的ABS和医用ABS、PC、PPSF等。SLA敏树脂选择性固化是采用立体雕刻原理的一种工艺，简称SLA，也是最早出现的、技术最成熟和应用最广泛的快速原型技术。在树脂液槽中盛满液态光敏树脂，它在紫外激光束的照射下会快速固化。成型过程开始时，可升降的工作台处于液面下一个截面层厚的高度，聚焦后的激光束，在计算机的控制下，按照截面轮廓的要求，沿液面进行扫描，使被扫描区域的树脂固化，从而得到该截面轮廓的塑料薄片。然后，工作台下降一层薄片的高度，以固化的塑料薄片就被一层新的液态树脂所覆盖，以便进行第二层激光扫描固化，新固化的一层牢固的粘结在前一层上，如此重复不已，知道整个产品成型完毕。最后升降台升出液体树脂表面，即可取出工件，进行清洗和表面光洁处理。光敏树脂选择性固化快速原型技术适合于制作中小形工件，能直接得到塑料产品。主要用于概念模型的原型制作，或用来做装配检验和工艺规划。它还能代替腊模制作浇铸模具，以及作为金属喷涂模、环氧树脂模和其他软模的母模，使目前较为成熟的快速原型工艺。SLA快速原型技术的优点是：1、成形速度较快。2、系统工作相对稳定。3、 尺寸精度较高，可确保工件的尺寸精度在0.1mm。4、 表面质量较好，工件的最上层表面很光滑，侧面可能有台阶不平及不同层面间的曲面不平；比较适合做小件及较精细件。5、 系统分辨率较高。SLS粉末材料选择性烧结,是一种快速原型工艺，简称SLS。粉末材料选择性烧结采用二氧化碳激光器对粉末材料（塑料粉、陶瓷与粘结剂的混合粉、金属与粘结剂的混合粉等）进行选择性烧结，是一种由离散点一层层对集成三维实体的工艺方法。在开始加工之前，先将充有氮气的工作室升温，并保持在粉末的熔点一下。成型时，送料筒上升，铺粉滚筒移动，先在工作平台上铺一层粉末材料，然后激光束在计算机控制下按照截面轮廓对实心部分所在的粉末进行烧结，使粉末溶化继而形成一层固体轮廓。第一层烧结完成后，工作台下降一截面层的高度，在铺上一层粉末，进行下一层烧结，如此循环，形成三维的原型零件。最后经过5-10小时冷却，即可从粉末缸中取出零件。未经烧结的粉末能承托正在烧结的工件，当烧结工序完成后，取出零件，未经烧结的粉末基本可自粉末材料选择性烧结工艺适合成型中小件，能直接的到塑料、陶瓷或金属零件，零件的翘曲变形比液态光敏树脂选择性固化工艺要小。但这种工艺仍需对整个截面进行扫描和烧结，加上工作室需要升温和冷却，成型时间较长。此外，由于受到粉末颗粒大小及激光点的限制，零件的表面一般呈多孔性。在烧结陶瓷、金属与粘结剂的混合粉并得到原型零件后，须将它置于加热炉中，烧掉其中的粘结剂，并在孔隙中渗入填充物，其后处理复杂。粉末材料选择性烧结快速原型工艺适合于产品设计的可视化表现和制作功能测试零件。由于它可采用各种不同成分的金属粉末进行烧结、进行渗铜等后处理，因而其制成的产品可具有与金属零件相近的机械性能，故可用于制作EDM电极、直接制造金属模以及进行小批量零件生产。SLS快速原型技术的优点是：1、 与其他工艺相比，能生产较硬的模具，有直接金属型的概念。2、 可以采用多种原料，包括类工程塑料、蜡、金属、陶瓷等。3、 零件的构建时间较短，可达到1in/h高度。 4、 无需设计和构造支撑。LOM箔材叠层实体制作,快速原型技术是薄片材料叠加工艺，简称LOM。箔材叠层实体制作是根据三维CAD模型每个截面的轮廓线，在计算机控制下，发出控制激光切割系统的指令，使切割头作X和Y方向的移动。供料机构将地面涂有热溶胶的箔材（如涂覆纸、涂覆陶瓷箔、金属箔、塑料箔材）一段段的送至工作台的上方。激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓用二氧化碳激光束对箔材沿轮廓线将工作台上的纸割出轮廓线，并将纸的无轮廓区切割成小碎片。然后，由热压机构将一层层纸压紧并粘合在一起。可升降工作台支撑正在成型的工件，并在每层成型之后，降低一个纸厚，以便送进、粘合和切割新的一层纸。最后形成由许多小废料块包围的三维原型零件。然后取出，将多余的废料小块剔除，最终获得三维产品。叠层实体制作快速原型工艺适合制作大中型原型件，翘曲变形较小，尺寸精度较高，成型时间较短，激光器使用寿命长，制成件有良好的机械性能，适合于产品设计的概念建模和功能性测试零件。且由于制成的零件具有木质属性，特别适合于直接制作砂型铸造模。LOM快速原型技术的优点是：1、 由于只需要使激光束沿着物体的轮廓进行切割，无需扫描整个断面，所以这是