特种加工技术第7章快速成型技术PPT课件

第七章快速成型技术 7 1光敏树脂液相固化成型 成型原理 成型工艺 基本应用 成型特点 SLA工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理的 这种液态材料在波长325nm和功率30mW的紫外线照射下发生光聚合反应 分子量急剧增大从液态转变为固态 在液槽3中盛满了光敏树脂4 氦 镉激光器或氩离子激光器1发出的紫外激光束 在控制系统的控制激光偏转镜下 按零件的各分层截面信息在光敏树脂表面进行逐层扫描 使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化 形成零件的一个薄层 一层固化完毕后 升降的工作台2下移一个层厚距离 约0 1mm 以使原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂 刮板将粘度较大的树脂液面刮平 然后进行下一层的扫描 新固化的一层牢固地粘接在前一层上 如此重复直至整个零件制造完毕 得到一个三维实体原型6 当实体原型完成后 首先将实体取出 并将多余的树脂排净 去掉支撑后进行清洗 然后再将实体原型放在紫外激光下进行整体固化 刮板的作用是能将所需要的树脂十分均匀地涂覆在上一层上 可得到较好的精度 使产品表面更光滑 优点 1 成型过程自动化程度高 SLA系统非常稳定 加工开始后成型过程可以完全自动化 直至原型制造完成 2 尺寸精度高 SLA原型制造的尺寸精度可以达到 0 01mm 3 表面质量好 虽然在每层固化是侧面及曲面有可能出现台阶 但上表面仍可达到玻璃状效果 4 可制造结构复杂的模型 尤其对于内表面结构复杂 切削刀具难以达到的模型 也能一次成型 5 制造原型可以一定程度的代替塑料制品 6 可以直接直接制造面向熔模铸造具有中空型结构的熔模 缺点 1 成型过程中有物理和化学变化 所以制造出来的原模可能会产生变形 为此制造时需要支撑 2 液态树脂固化后的性能还不如常用的工业塑料 一般比较脆 容易断裂 不适宜进行机械加工 另外在大多情况下 不能进行抗力和热的测试 3 设备运转和维护成本高 液态树脂和激光器的价格高 光学元件需定期调整 4 液体树脂有气味和毒性 并需要遮光保护 以防聚变 所以选择有局限 5 有时需二次固化 在很多情况下 经快速成型系统光固化后的原型树脂并未完全固化 为提高原型的使用性能 需经过二次固化 光敏树脂液相固化成型特点 光敏树脂液相固化成型工艺 前处理 1 CAD三维造型 三维造型是CAD模型的最好表达 也是快速原型制作必须的原始数据 三维造型可以在UG Pro E Catie等大型商业软件上进行 2 数据转换 数据转换是对产品CAD模型的近似处理 主要是生成STL格式的数据文件 注意控制STL文件生成的精度 通用CAD软件都有STL数据输出 3 确定摆放位置 摆放位置不但影响着制作时间和效率 更影响这后续支撑的施加以及原型制造的表面质量等 从缩短原型制作的时间来看 应选尺寸最小的方向作为叠层方向 为了提高原型质量和提高关键尺寸和形状的精度 又需选尺寸最大的方向作为叠层方向 为减少支撑 节省材料 便于后处理 常倾斜摆放 4 施加支撑 对于结构复杂的数据模型 支撑的施加是费时而精细的 比较先进的支撑类型为点支撑 即在支撑和需要支撑的模型面是点接触的 5 切片分层 根据设备系统的分层厚度沿高度方向进行切片 生成RP系统需求的SLC格式的层片数据文件 提供给光固化快速原型制造系统进行原型制作 光固化成型 后处理 光固化成型前需要启动光固化快速成型系统 使光敏树脂的温度达到预设的合理温度 激光器开启后也需要一段稳定时间 设备运行正常后开启原型制作控制软件 读入层片数据文件 一般的叠层制作控制软件都有默认设置 根据每次原型制作的具体要求进行一些调整 另外要注意工作台网板与树脂液面位置的调整 确保支撑与工作台网板的稳固连接 一切准备就绪后 启动叠层制作 机器会全自动完成整个制作过程 控制CRT会显示激光器能源信息 激光扫描速度 原型几何尺寸 总叠层数 目前正在固化的叠层 工作台升降速度等有关信息 光固化成型 后处理 1 原型制作完成后 工作台升出液面 停留5 10min 以晾干原型表面和去除包裹在原型里面的多余树脂 2 将原型和工作台网板一起斜放晾干 并将其浸入丙酮 酒精等 搅动并刷掉残留气泡 再将原型从网板上取下 进行清洗 3 原型清洗完毕后 去除支撑结构 去除支撑时要注意不要刮伤原型表面和精细结构 4 再次清洗后置于紫外烘箱中进行整体固化 对于有些性能要求不高的原型也可以不进行二次固化 光敏树脂液相固化成型的应用 光敏树脂液相固化成型的应用有很多方面 可直接制作各种树脂功能件 用作结构验证和功能测试 可制作比较精细和复杂的零件 可制造出透明效果的元件 制造出来的原型可快速翻制各种模具 如硅橡胶模 金属冷喷模 陶瓷模 合金模 电铸模 环氧树脂模和消失模等 1 赛车行业 赛车的每个微小的改动都有可能显著提高车速 因此赛车也及其重视零部件的高效设计和一些塑料 橡胶或金属零件的快速制造 2 航空领域 航空发动机上许多零件都是经过精密铸造来制造的 对于高精度的木模制造 传统工艺的成本很高 且制作时间长 而用SLA工艺可以直接制造熔模铸造的母模 时间和成本可以得到显著降低 3 电器行业 家用电器的外观设计要求越来越高 这使得电器产品外壳零部件的快速制作具有广泛的市场要求 而光固化原型的树脂品质是最适合于电器塑料外科的功能要求 因此光固化快速原型在电器制造业中有相当广泛的应用 4 医疗领域 SLA工艺在医疗领域也有广泛的应用 包括人体器官的教学和交流模型 手术规划与演练模型 植入体 手术器械的开发等 薄片分层叠加成型设备有计算机 原材料存储和送料机构 热粘压机构 激光切割系统 可升降工作台和数控系统等组成 其中计算机由于接受和存储工件的三维模型 沿模型的高度方向取一系列的横截面轮廓线 发出控制指令 原材料存储及送料机构将存于其中的原材料逐步送到工作台上方 热粘压机构将一层层材料粘合在一起 激光切割系统安装计算机提供的横截面轮廓线 逐一在工作台上的材料切割出轮廓线 并将无轮廓区切割成小方格 以便成型后能剔除废料 可升降工作台支撑成型工件 并在每层成型之后 降低一个材料厚度 通常为0 1 0 2mm 以便送进 粘合和切断新的一层材料 数控系统执行计算机发出的指令 控制材料的送进 然后粘合 切割 最终形成三维工作原型 7 2薄片分层叠加成型 特点 应用 原理 工艺 薄片分层叠加成型的特点 缺点 优点 1 原型精度高 因为一是在制作过程中只有一层胶会发生状态变化 引起的变形小 二是上胶工艺采用微粒吸附法 其翘曲变形小 三是三个坐标都有步进电机驱动 通过滚珠丝杆传动 导轨也采用滚动导轨 四是激光切割的切口宽度的自动补偿 这些是的最后加工精度可达 0 1 0 2mm X Y方向 0 2 0 3mm Z方向 2 制件能承受200 的高温 有较好的硬度等力学性能 可进行各种切削加工 3 无需固化处理 也无需设计支撑等 4 材料便宜 成本低 制件尺寸大 废料容易处理 5 设备操作方便 安全可靠 自动化程度高 1 工件的抗拉强度差 2 不能直接制作塑料工件 3 工件吸湿容易膨胀 因此需要表面防潮处理 4 工件表面有台阶纹 其高度等于材料的厚度 因此成型后需要打磨 薄片分层叠加成型工艺过程 前处理 1 CAD模型和STL文件 各种快速原型制造系统的原型制作过程都是在CAD模型的直接驱动下进行的 所以快速原型制作过程也称谓数字化成型 CAD模型相当于传统流程中的加工图纸 为原型制作过程提供数字信息 目前国际上通用的造型软件UG Pro E Catie Climatro SolidEdge MDT等的模型文件输出格式有多种 一般都有STL数据格式 2 切片处理 薄片分层叠加成型是在计算机造型技术 数控技术 激光技术 材料科学等基础上发展起来的 在薄片分层叠加成型制造系统中 除了激光快速成型设备硬件外 还需配备将CAD数据模型 激光切割系统 机械传动系统和控制系统连接并协调起来的专用软件 即切片软件 由于薄片分层叠加成型是按一层层截面轮廓来进行加工的 因此 加工前必须在三维模型上用切片软件 在成型的高度方向每隔一定的间隔进行切片处理 以便提取截面的轮廓 间隔的大小要按生产率和加工精度来确定 一般为0 05 0 5mm 常用的是0 1mm 叠层的厚度会产生累计误差 实际生产中经常根据时间测量结果对CAD的STL模型进行实时切片处理 光固化成型 后处理 叠加成型工艺参数 1 激光切割速度是影响薄片分层叠加成型的表面质量和加工效率的重要因素 可根据激光器型号规格进行选定 2 加热辊的温度和压力设置应该根据原型层面尺寸大小 纸张厚薄和环境温度来决定 3 激光能量的大小影响切割纸材的厚度和切割速度 通常切割速度和激光能量成抛物线关系 4 切碎网格尺寸影响余料去除和原型表面质量 原型制造过程 1 基底制作 由于叠层在制作过程中工作台要频繁升降 为实现原型和工作台之间的连续 需要制作基底 一般为3 5层 2 原型制作 当所设参数设定之后 设备便根据给定的工艺参数自动完成原型所以叠层的制作过程 叠片成型 后处理 1 余料处理 将成型过程产生的废料 支撑结构与工件分离 2 后置处理 为使表面状况或机械强度等满足需要 保证其尺寸稳定性 精度等的要求 需如下后置处理 原型表面不够光滑 其表面存在因分层引起的小台阶 以及因STL格式化造成的小缺陷 原型的薄壁和某些小特征结构强度刚度不够 原型的某些尺寸 形状不够精确 制件的耐温性 耐湿性 耐磨性 表面硬度不够满意 制件表面的颜色不符合产品要求等 通常采用修补 打磨 抛光 表面涂覆等 薄片分层叠加成型的应用 薄片分层叠加成型设备由激光系统 走纸机构 扫描机构和Z轴升降机构 加热辊等组成 成型工艺由于其原料比较便宜 运行成本和投资低 所以常用来制作汽车发动机曲轴 连杆 各类箱体 盖板等零部件原型样件 1 汽车车灯 随着汽车制造也的发展 车灯组件的设计要求在内部满足结构和装配要求 在外部要满足外观完美的要求 快速成型技术的出现 较好的迎合了车灯结构与外观开放需求 2 铸铁手柄 某些机床操作手柄为铸铁件 人工方式制作砂型铸造用的木模十分费时 且精度得不到保证 随着CAD技术的发展 具有复杂曲面形状的手柄设计可以直接在CAD软件平台上完成 借助快速成型技术 尤其是薄片分层叠加成型技术 可以直径由CAD磨削高精度地快速制作砂型铸造木模 3 制鞋工业 鞋子的款式更新是保持鞋业竞争能力的重要手段 WWW WolverineWorldWide 公司的设计师首先设计鞋底和鞋跟的模型图形 从不同的角度用各种材料产生三维光照模型显示 以尽早排除不好的装饰和设计 再通过薄片分层叠加成型技术制造实物模型来最后确定设计方案 采用铺粉辊将一层粉末平铺在已成型零件表面 并加热至低于该粉末烧结点的温度 控制系统控制激光束在粉层上扫描 使粉末熔化烧结 并与已成型的部分粘结 当一层烧结完后 工作台下降一个层厚 又铺上粉末 进行新一层的烧结 直至完成整个原模 SLS使用的是CO2激光器 原料为蜡 聚碳酸酯 尼龙 金属及其他 当实体构建完成并在原型部分充分冷却后 粉末会上升到初始位置 将其拿出并放置到一个空的工作台 用刷子刷去表面的粉末 露出加工部分 其余残留的粉末可用压缩空气除去 7 3选择性激光粉末烧结成型 特点 应用 原理 工艺 选择性激光粉末烧结成型的特点 缺点 优点 1 可加工的材料种类多 这种方法可采用加热时粘度降低的任何粉末材料 通过材料或各类含粘结剂的涂层颗粒制造出任何造型 2 制造工艺简单 可用多种材料 按采用的原料不同 可以直接生产复杂形状的原型 型腔模三维构建或部件及工具 例如 制造概念原型 可按照最终产品模型的概念原理 熔模铸造原型及其他少量母模生产 直接制造金属注塑模等 3 高精度 依赖于材料种类和粒径 产品的几何形状复杂程度 该工艺一般 0 05 2 5mm的公差 当粉末粒径 0 1mm时 原型精度 1 4 无需支撑 未烧结的粉末对工件的悬臂或薄壁等有支撑作用 5 材料利用率高 由于不需要支撑 不需要基底 也不会出现废料 所以材料的利用率高 接近100 而且SLS用的粉末价格普遍较低 1 表面粗糙 SLS的原材料是粉末 过程是粉末烧结 所以原型表面质量较低 2 烧结过程会发出异味 粉末材料在激光的加热下熔化 其中的高分子会发出一些异味 3 辅助工艺复杂 SLS技术视所用的材料而异 有时需要比较复杂的辅助工艺 例如聚酰胺粉末的烧结 为了避免激光扫描烧结过程在材料因高温引起燃烧 必须引入阻燃气体 而为了使粉末材料可靠烧结 需要将工作空间和粉末等都加热到规定的温度 还有在烧结完去除粉末的过程中需要防止引起粉尘污染 选择性激光粉末烧结成型工艺过程 1 材料 石蜡 高分子 金属 陶瓷粉末和它们的复合粉末材料 2 金属材料直接烧结成型是用激光的能源对金属粉末直接烧结 使其熔化 实现叠层堆积 其工艺流程为 CAD模型 分层切片 激光烧结 RP原型零件 金属件 其成型过程短 无需后处理 要有大功率激光器 保证直金属粉末直接熔化 烧结中激光参数选择 被烧结金属粉末材料熔凝过程控制是烧结成型的关键 3 激光器的功率越高 能量密度越高 材料熔化越充分 粉末烧结后越不容易产生凹凸不平的烧结层面 功率过大产生过热而汽化 形成烧结飞溅现象 4 光斑直径越小 熔池的尺寸也就可以控制的越小 越溶液在烧结过程在形成致密 精细 均匀一致的微观组织 也可以得到精度较好的三维结构 但是光斑越小 预示这激光作用区内的能量密度提高 烧结飞溅现象将变得严重 5 扫描间隔对层面质量和层间结合 烧结效率等有直接影响 合理的扫描间隔应保证烧结线间与层间有少许的重叠 6 激光束前移 熔池的前半部分金属熔化 后半部分液态金属凝固 熔池内温度 熔体的流速和散热不同 凝固特征存在差别 激光功率不大时成为异质形核核心 而当激光功率大时能均质形核 形成等轴晶 例 镍基F105合金 激光功率为900W 光斑直径0 8mm 扫描间隔0 6mm 扫描速度1 2m min 粉层厚度0 1mm 成型的零件组织严密 晶粒细 表面质量好 选择性激光粉末烧结成型的应用 直接制作快速模具SLS工艺可以选择不同的材料粉末制造不同用途的模具 如烧结金属模具和陶瓷模具 用作注塑 压铸 挤塑等塑料成型模具及钣金成型模具 DTM公司将SLS烧结得到的模具 放在聚合物的溶液中浸泡一定的时间后 放入加热炉中加热蒸发聚合物 接着进行渗铜 出炉后打磨并嵌入模架内即可 复杂金属零件的快速无模铸造将SLS激光快速成型技术与精密铸造工艺结合起来 特别适合具有复杂形状的金属功能零件整体制造 在新产品试制和零件单件生产中 不需要复杂工装和模具 可大大提高制造速度 并降低成本 内燃机进气管模型采用SLS工艺快速制造内燃机进气管模型 可以直接与相关零部件安装 进行功能验证 快速检测内燃机的运行效果 以评价设计的优劣 然后进行针对性的改进 以达到内燃机进气管产品的设计要求 特点 7 4熔丝堆积成型 原理 应用 熔丝堆积也叫熔融沉积 是将丝状热熔性材料加热熔化 通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来 喷头可沿X轴方向移动 而工作台则沿Y方向移动 如果热熔性材料的温度始终稍高于固化温度 而成型部分的温度稍低于固化温度 就能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后与前面一层熔结在一起 一个层面沉积完成后 工作台按预定的增量下降一个层的厚度 再继续熔喷沉积 直到完成整个实体造型 其过程如下 将实芯丝材原材料缠绕在供料辊上 由电机驱动辊子旋转 辊子和丝材之间的摩擦力使丝材向喷头的出口输送 在供料辊和喷头之间有一个导向套 导向套采用低摩擦材料制成 以便丝材能顺利 准确地由供料辊送到喷头的内腔 最大送料速度为10 25mm s 推荐速度5 18mm s 喷头的前端有电阻式加热器 在其作用下 丝材被熔化 熔模铸造的蜡丝熔融温度74 机加工蜡丝为96 聚烯烃树脂丝为106 ABS为270 聚酰胺丝为155 然后通过出口 内径0 25 1 32mm 涂覆至工作台 因此丝材是熔点不高的热塑性塑料或蜡 丝材熔融沉积层厚随喷头的运动速度 最高为380mm s 而变化 通常最大层厚为0 15 0 25mm 熔丝堆积成型的特点 缺点 优点 1 可以成型任意复杂的零件 常用于成型具有复杂内腔或内孔的零件 2 蜡作原型可以直接用于熔模铸造 3 材料利用率高 原材料无毒 可在办公环境安装 无化学变化 制件的翘曲变形小 4 系统构造原理简单 操作方便 成本低 运行安全 5 无需支撑 无需化学清洗 无需分离 1 成型件表面有明显的条纹2 沿成型轴垂直方向的强度差3 对整个截面扫描涂覆 成型时间长 4 原材料价格高 表7 1FDM工艺与其他快速成型工艺的比较 熔丝堆积成型的应用 丰田公司 用于轿车右侧镜支架和四个门把手的母模制造 显著降低成本 轿车右侧镜支架模具节省20万美元 而四个门把手的模具节省30万美元 借助FDM工艺制作玩具水枪模型 通过对多个零件一体制造 减少了制件数 避免了焊接和螺纹链接 显著提高了模型制作的效率 Mizuno公司开发一套新的高尔夫球杆 通常需要13个月 用FDM技术大大缩短了这个过程 可以迅速得到反馈意见并进行修改 加快了造型阶段的设计验证 快速原型制造技术已被广泛应用于汽车 机械 航空航天 家用电器 电子通讯 建筑 医学 玩具等产品的设计开发过程 如产品的外观评估 方案选择 装配检查 功能测试 用户看样订货 塑料件开模前校验设计以及少量的产品制造等 也有应用于政府