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快速成型的优缺点及基于FDM方式的快速成型制造XXXXXX 机械工程及自动化专业2007级 六班 XXX XXXXXXXXX指导老师: XXX内容摘要: 近十几年来，随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈。尤其是计算机技术的迅速普遍和CAD/CAM技术的广泛应用，使得RP技术得到了异乎寻常的高速发展，表现出很强的生命力和广阔的应用前景。快速成形技术发展至今，以其技术的高集成性、高柔性、高速性而得到了迅速发展。目前，快速成形的工艺方法已有几十种之多，其中主要工艺有五种基本类型：光固化成型法（SLA）、分层实体制造法（LOM）、选择性激光烧结法（SLS）、熔融沉积制造法（FDM）和三维打印（3DP）。关键词: 快速成型 优缺点 FDM快速成形技术又称快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。即，快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。一. 快速成型制造的几种典型工艺的优点及缺点。1. 光固化成型 : SLA(Stereo lithography Apparatus)工艺也称光造型、立体光刻及立体印刷，其工艺过程是以液态光敏树脂为材料充满液槽，由计算机控制激光束跟踪层状截面轨迹，并照射到液槽中的液体树脂，而使这一层树脂固化，之后升降台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，然后再进行新一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到1个三维实体模型。（1）SLA方法具体以下优点:1）尺寸精度高； 2）表面质量较好； 3）可以制作结构十分杂的模型；4）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。（2）SLA工艺也存在着许多缺点：1）尺寸稳定性差； 2）需要设计成型件的支撑结构，否则会引起型件变形； 3）设备运转及维护成本较高； 4）可使用的材料种类较少； 5）液态树脂具有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止其提前发生聚合反应，选择时有局限性；6）需要二次固化； 7）液态树脂固化后的性能不如常用的工业塑料，一般较脆，易断裂，不便进行机加工。2分层实体制造：LOM(Laminated Object Manufacturing)工艺或称为叠层实体制造，其工艺原理是根据零件分层几何信息切割箔材和纸等，将所获得的层片粘接成三维实体。其工艺过程是：首先铺上一层箔材，然后用CO2，激光在计算机控制下切出本层轮廓，非零件部分全部切碎以便于去除。当本层完成后，再铺上一层箔材，用滚子碾压并加热，以固化黏结剂，使新铺上的一层牢固地粘接在已成形体上，再切割该层的轮廓，如此反复直到加工完毕，最后去除切碎部分以得到完整的零件。（1）LOM方法有如下优点： 1）成型速度较快； 2）原型精度高，翘曲变形较小； 3）原型能承受高达200 0C的温度，有较高的硬度和较好的力学性能； 4）无需设计和制作支撑结构； 5）可进行切削加工； 6）废料易剥离，无需后固化处理； 7）可制作尺寸大的原型； 8）原材料价格便宜，原型制作成本低。（2）LOM成型技术的不足之处： 1）不能直接制作塑料原型； 2）原型（特别是薄壁件）的抗拉强度和弹性不够好； 3）原型易吸湿膨胀，因此，成型后应尽快进行表面防潮处理； 4）原型表面有台阶纹理，难以构建形状精细，多曲面的零件，仅限于结构简单的零件，因此，成型后需进行表面打磨。 3选择性激光烧结： SLS(Selective Laser Sintering)工艺，常采用的材料有金属、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作为成形材料。其工艺过程是：先在工作台上铺上一层粉末，在计算机控制下用激光束有选择地进行烧结(零件的空心部分不烧结，仍为粉末材料)，被烧结部分便固化在一起构成零件的实心部分。一层完成后再进行下一层，新一层与其上一层被牢牢地烧结在一起。全部烧结完成后，去除多余的粉末，便得到烧结成的零件。 （1）SLS的优点主要有： 1）可以采用多种材料； 2）过程与零件复杂程度无关，制件的强度高； 3）材料利用率高，未烧结的粉末可重复使用，材料无浪费； 4）无需支撑结构； 5）与其他成型方法相比，能生产较硬的模具。 （2）SLS成型的缺点主要有：1）原型结构疏松，多孔，且有内应力，制件易变形； 2）生成陶瓷，金属制件的后处理较难； 3）需要预热与冷却； 4）成型表面粗糙多孔，并受粉末颗粒大小及激光光斑的限制； 5）成型过程产生有毒气体和粉尘，污染环境。4熔融沉积制造：FDM(Fused Deposition Manufacturing)工艺又称为熔融挤出成型，其工艺过程是以热塑性成形材料丝为材料，材料丝通过加热器的挤压头熔化成液体，由计算机控制挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，使熔化的热塑材料丝通过喷嘴挤出，覆盖于已建造的零件之上，并在极短的时间内迅速凝固，形成一层材料。之后，挤压头沿轴向向上运动一微小距离进行下一层材料的建造。这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。（1）FDM具有其他成型方法不具有的优点如下：1）成本低； 2）采用水溶性支撑材料，使得去除支撑结构简单易行，可快速构建复杂的内腔，中空零件以及一次成型的装配结构件； 3）原材料以材料卷的形式提供，易于搬运和快速更换； 4）可选用多种材料，如各种色彩的工程塑料ABS，PC，PPSF以及医用ABS等； 5）原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小； 6）用蜡成型的原型零件，可直接用于熔模铸造。（2）FDM的缺点具体如下： 1）原型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。 5三维打印： 3DP（也称三维印刷或喷涂粘结），是一种高速多彩的快速成型方法。3DP的工艺过程是：1）采集粉末原料；2）将粉末铺平到打印区域；3）打印机喷头在模型横截面定位，喷黏结剂；4）送粉活塞上升一层，实体模型下降一层以继续打印；5）重复上述过程直至模型打印完毕。（1）3DP快速成型技术的优点主要有： 1）成型速度快，成型材料价格低，适合做桌面型的快速成型设备； 2）在粘结剂中添加颜色，可以制作彩色原型，这是该工艺最具竞争力的特点之一； 3）成型过程不需要支撑，多余粉末的去除比较方便，特别适合于做内腔复杂的原型。 但此工艺的原型强度较低，只能做概念型模型，而不能做功能性试验。 二. 基于FDM方式的快速成型制造实例。 1. FDM的工艺原理如下图所示： FDM的工艺原理喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作XY平面运动；热塑性丝材由供丝机构送至喷头，并在喷头中被加热熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的涂覆，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。2基于FDM的成型实例：（1）建模模型图示如下：（2） 在三维CAD软件里将模型用二进制的STL文件格式导出，并将其保存。再将其文件导入到快速成型系统软件进行数据处理，对其网格划分。（3）设置参数：三快速成型技术的未来发展趋势。RP技术随着成型工艺的进步和应用的扩展，其概念逐渐从快速成型向快速制造转变，从概念模型向批量定制转变；与此同时，成型设备也向概念型，生产型和专用型三个方向分化。RP技术的发展日益依赖于实现“离散堆积”过程的使能技术的发展。采用新的使能技术更新工艺，使成型过程与材料制备相结合，在应用上将向生物医学制造和微细制造领域拓宽。快速成型技术未来的发展趋势主要体现在以下几个方面：（1）材料成型和材料制备： （2）生物制造和生长成型； （3）计算机外设和网络制造； （4）