第六章_三维打印快速成型工艺

第六章,快速成型与快速模具制造技术及其应用,机械工业出版社（第三版）,三维打印快速成型及其他快速成型工艺,第六章三维打印快速成型及其他快速成型工艺,除了前面介绍的4种快速成型技术方法比较成熟之外，其它的许多技术也已经实用化，如三维打印成型（ThreeDimensionalPrinting，3DP）、光掩膜法（SolidGroundCuring，SGC）、数码累积成型（DigitalBrickLaying，DBL）、弹道微粒制造(BallisticParticleManufacturing，BPM)、直接壳法（DirectShellProductionCasting，DSPC）、三维焊接（ThreeDimensionalWelding）、直接烧结技术、全息干涉制造、光束干涉固化等。其中三维打印快速成型技术因其材料较为广泛，设备成本较低且可小型化到办公室使用等，近年来发展较为迅速。三维打印快速成型工艺之所以称之为打印成型，是因为该种快速成型工艺是以某种喷头作为成型源，其运动方式与喷墨打印机的打印头类似，在台面上做X-Y平面运动，所不同的是喷头喷出的不是传统喷墨打印机的墨水，而是粘结剂、熔融材料或光敏材料等，基于快速成型技术基本的堆积建造模式，实现原型的快速制作。依据其使用材料不同及固化方式不同，3DP快速成型技术可分为粉末材料三维喷涂粘结成型、熔融材料喷墨三维打印成型两大类工艺。,1,2,喷墨式三维打印快速成型工艺,三维打印快速成型设备及材料,三维喷涂粘结快速成型工艺,3,4,其他快速成型工艺,第六章三维打印快速成型及其他快速成型工艺,1.三维喷涂粘结快速成型工艺的基本原理粉末材料三维打印粘结（3DP或3DPG-ThreeDimensionalPrintingGluing）快速成型工艺是由美国麻省理工学院开发成功的，它的工作过程类似于喷墨打印机。目前使用的材料多为粉末材料（如陶瓷粉末、金属粉末、塑料粉末等），其工艺过程与SLS工艺类似，所不同的是材料粉末不是通过激光烧结连接起来的，而是通过喷头喷涂粘结剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘结剂粘结的零件强度较低，还需后处理。后处理过程主要是先烧掉粘接剂，然后在高温下渗入金属，使零件致密化以提高强度。,第一节三维喷涂粘结快速成型工艺,图6-1三维喷涂粘结工艺原理,以粉末作为成型材料的3DP的工艺原理如图6-1所示。首先按照设定的层厚进行铺粉，随后根据当前叠层的截面信息，利用喷嘴按指定路径将液态粘结剂喷在预先铺好的粉层特定区域，之后工作台下降一个层厚的距离，继续进行下一叠层的铺粉，逐层粘结后去除多余底料便得到所需形状制件。,第一节三维喷涂粘结快速成型工艺,2.三维喷涂粘结快速成型工艺的特点三维喷涂粘结快速成型制造技术在将固态粉末生成三维零件的过程中与传统方法比较具有很多优点：成本低材料广泛成型速度快安全性较好应用范围广,第一节三维喷涂粘结快速成型工艺,三维喷涂粘结快速成型技术在制造模型时也存在许多缺点，如果使用粉状材料，其模型精度和表面粗糙度比较差，零件易变形甚至出现裂纹等，模型强度较低，这些都是该技术目前需要解决的问题。,3.三维喷涂粘结快速成型工艺过程三维喷涂粘结快速成型技术制作模型的过程与SLS工艺过程类似，下面以三维喷涂粘结快速成型工艺在陶瓷制品中的应用为例，介绍其工艺过程。利用三维CAD系统完成所需生产的零件的模型设计。设计完成后，在计算机中将模型生成STL文件，并利用专用软件将其切成薄片。每层的厚度由操作者决定，在需要高精度的区域通常切得很薄。计算机将每一层分成矢量数据，用以控制粘结剂喷射头移动的走向和速度。用专用铺粉装置将陶瓷粉末铺在活塞台面上。用校平鼓将粉末滚平，粉末的厚度应等于计算机切片处理中片层的厚度。计算机控制的喷射头按步骤的要求进行扫描喷涂粘结，有粘接剂的部位，陶瓷粉粘结成实体的陶瓷体，周围无粘结剂的粉末则起支撑粘结层的作用。,第一节三维喷涂粘结快速成型工艺,计算机控制活塞使之下降一定高度(等于片层厚度)。重复步骤、四步，一层层地将整个零件坯体制作出来。取出零件坯，去除未粘结的粉末，并将这些粉末回收。对零件坯进行后续处理，在温控炉中进行焙烧，焙烧温度按要求随时间变化。后续处理的目的是为了保证零件有足够的机械强度及耐热强度。,第一节三维喷涂粘结快速成型工艺,a)结构陶瓷制品b)注射模具图6-2采用3DP工艺制作的结构陶瓷制品和注射模具,图6-3经过3DP工艺制作的金属制件,第一节三维喷涂粘结快速成型工艺,4.三维喷涂粘结快速成型技术若干问题（1）成型材料性能要求三维喷涂粘结快速成型工艺对粉末材料的基本要求如下：颗粒小，尺度均匀；流动性好，确保供粉系统不堵塞；熔滴喷射冲击时不产生凹坑、溅散和空洞等；与粘结液作用后固化迅速。三维喷涂粘结快速成型工艺对粘结液的基本要求如下：易于分散且稳定，可长期储存；不腐蚀喷头；粘度低，表面张力高；不易干涸，能延长喷头抗堵塞时间。,第一节三维喷涂粘结快速成型工艺,（2）基本工艺参数三维喷涂粘结快速成型的基本工艺参数包括：喷头到粉末层的距离，粉层厚度，喷射和扫描速度，辊子运动参数，每层间隔时间等。当制件精度及强度要求较高时，层厚应取较小值。粘结液与粉末空隙体积比即为饱和度，其程度取决于层厚、喷射量及扫描速度的大小，对制件的性能和质量具有较大影响。喷射与扫描速度应根据制件精度与质量及时间的要求与层厚等因素综合考虑。（3）成型速度三维喷涂粘结快速成型工艺的成型速度受粘结剂喷射量的限制。典型的喷嘴以1cm3/min的流量喷射粘结剂，若有100个喷嘴，则模型制作速度为200cm3/min。美国麻省理工学院开发了两种形式的喷射系统:点滴式与连续式。这种多喷嘴的点滴式系统的成型速度已达每层仅用5s的时间(每层面积为0.5m0.5m)，而连续式的则达到每层0.025s的时间。（4）成型精度三维喷涂粘结快速成型技术制作的模型的精度由两个方面决定：一是喷涂粘结时制作的模型坯的精度，二是模型坯经后续处理(焙烧)后的精度。,第一节三维喷涂粘结快速成型工艺,1,2,喷墨式三维打印快速成型工艺,三维打印快速成型设备及材料,三维喷涂粘结快速成型工艺,3,4,其他快速成型工艺,第六章三维打印快速成型及其他快速成型工艺,第二节喷墨式三维打印快速成型工艺,图6-4多喷嘴喷墨三维打印原理,像三维喷涂粘结快速成型工艺的建造过程类似于SLS工艺一样，喷墨式三维打印快速成型工艺的建造过程类似于FDM工艺。喷墨式三维打印快速成型设备的喷头更像喷墨式打印机的打印头。与喷涂粘结工艺显著不同之处是其累积的叠层不是通过铺粉后喷射粘结液固化形成的，而是从喷射头直接喷射液态的工程塑料瞬间凝固而形成薄层。,多喷嘴喷射成型为喷墨式三维打印设备的主要成型方式，喷嘴呈线性分布。喷嘴数量越来越多，打印精度（分辨率）越来越高，如3DSystems公司的ProJet6000型设备的特清晰打印模式（XHD）的打印精度为0.075mm，层厚为0.05mm。微熔滴直径的大小决定了其成型的精度或打印分辨率，喷嘴的数量多少决定了成型效率的高低。,1,2,喷墨式三维打印快速成型工艺,三维打印快速成型设备及材料,三维喷涂粘结快速成型工艺,3,4,其他快速成型工艺,第六章三维打印快速成型及其他快速成型工艺,三维打印快速成型技术作为喷射成形技术之一，具有快捷、适用材料广等许多独特的优点。该项技术是继SLA、LOM、SLS和FDM四种应用最为广泛的快速成型工艺技术后发展前景最为看好的一项快速成型技术。目前，该项技术由MIT研究取得成功后已经转让给ExtrudeHone、Soligen、SpecificSurfaceCoporation、TDKCoporation、Therics以及ZCoporation等6家公司。已经开发出来的部分商品化设备机型有ZCorp公司的Z系列，Objet公司的Eden系列、Connex系列及桌上型3D打印系统，3DSystems公司开发的PersonalPrinter系列与Professional系列以及Solidscape公司（原SandersPrototypeInc.）的T系列等。,第三节三维打印快速成型设备及材料,1.ZCorp公司开发的设备及材料,第三节三维打印快速成型设备及材料,图6-2ZCorp公司的Z150设备及其制作的白色模型,图6-3ZCorp公司的Z250设备及其制作的彩色模型,第三节三维打印快速成型设备及材料,图6-4ZCorp公司的Z350设备及其制作的白色模型,第三节三维打印快速成型设备及材料,图6-5ZCorp公司的Z650设备及其制作的彩色模型,第三节三维打印快速成型设备及材料,2.Objet公司开发的设备及材料,第三节三维打印快速成型设备及材料,a)Connex500b)Connex350V,图6-7Objet公司的Connex型号设备,图6-8Objet公司的Objet260型号设备,第三节三维打印快速成型设备及材料,图6-9Objet公司的Eden型号设备,a)Objet24b)Objet30,图6-10Objet公司的Eden型号设备,第三节三维打印快速成型设备及材料,第三节三维打印快速成型设备及材料,第三节三维打印快速成型设备及材料,3.3DSystems公司开发的设备及材料3DSystems公司作为快速成型设备全球最早的设备供应商，一直以来致力于快速成型技术的研发与技术服务工作，在引领SLA光固化快速成型技术的同时，也陆续开展了其他快速成型技术的研究，陆续推出SLS设备及3DP设备等。近期，成功并购ZCorp公司，3DP技术的实力和地位再上新台阶。面向不同用户的需求，目前推出的3DP设备分为Personal系列与Professional系列。2009年以来，3DSystems公司推出价格1万美元以下的面向小客户的Personal3DP设备。主要型号有Glider、AxisKit、RapMan、3DTouch、ProJet1000、ProJet1500、V-Flash等。,第三节三维打印快速成型设备及材料,Glider3DPrinter的外轮廓尺寸只有508（W）406.4（D）355.6（H）mm大小，重量只有7kg。建造速度为23mm/h，可制作模型的大小为203（W）203（D）140（H）mm。层厚为0.3mm，喷嘴直径为0.5mm，位置精度为0.1mm。下图为Gilder3DPrinter的照片，售价仅1400美元左右。,图6-113DSystems公司的Gilder三维打印机,第三节三维打印快速成型设备及材料,3DTouchPrinter增加了触摸屏，型号分为单头、双头和三头等，轮廓尺寸为600600700mm，重量为38kg，价格约为4000美元，适合于家庭、学校教室及办公室使用。下图为3DTouchPrinter的照片。,图6-123DSystems公司的3DTouch三维打印机,第三节三维打印快速成型设备及材料,Glider3DPrinter与3DTouchPrinter使用的材料有PLA（白、蓝、绿）和ABS（黑、红）丝材，直径3mm，如图6-13所示。表6-5给出了3DSystems公司上述Personal3Dprinters使用的丝材的基本参数和要求。,图6-133DSystems公司的Personal三维打印机使用的丝材,第三节三维打印快速成型设备及材料,第三节三维打印快速成型设备及材料,ProJet1000&1500个人打印机及V-Flash个人打印机具有更高的打印分辨率和速度、更明亮的色彩及打印的模型耐久性更好，其设备主要参数如表6-6所示，使用材料为VisiJetFTI，其性能如表6-7所示。,第三节三维打印快速成型设备及材料,第三节三维打印快速成型设备及材料,第三节三维打印快速成型设备及材料,图6-143DSystems公司的ProJetSD3000三维打印机,图6-153DSystems公司的ProJet5000三维打印机,图6-163DSystems公司的ProJet6000三维打印机,第三节三维打印快速成型设备及材料,1,2,喷墨式三维打印快速成型工艺,三维打印快速成型设备及材料,三维喷涂粘结快速成型工艺,3,4,其他快速成型工艺,第六章三维打印快速成型及其他快速成型工艺,1.光掩膜法快速成型技术,图6-17光掩膜法工艺制作的小车模型,第四节其他快速成型工艺,光掩膜法（SolidGroundCuring，SGC）是以色列的Cubital公司开发出的。同SLA一样，该系统同样利用紫外光来固化光敏树脂，但光源和具体的工艺方法与SLA不同，曝光是采用光学掩膜技术，电子成像系统先在一块特殊玻璃上通过曝光和高压充电过程产生与截面形状一致的静电潜像，并吸附上碳粉形成截面形状的负像，接着以此为底片用强紫外灯对涂敷的一层光敏树脂同时进行曝光固化，把多余的树脂吸附走以后，用石蜡填充截面中的空隙部分，接着用铣刀把这个截面修平，在此基础上进行下一个截面的固化。与SLA对比，SGC效率更高，因为SGC的每层固化是瞬间完成的。SGC的工作空间较大，可以一次制作多个零件，也可以制作单个大零件。图6-17为SGC工艺制作的一个模型。,图6-18光掩膜法的工艺原理,第四节其他快速成型工艺,光掩膜法的工艺原理:,光掩膜法的具体工艺步骤如下：（1）零件三维造型，并利用切片软件切片。在每层制作之初，用光敏性树脂均匀喷涂工作平面，如图a所示。（2）在每一层，利用Cubital公司的专利印刷技术进行光掩膜，如图b所示。（3）然后用强紫外线灯（2KW）照射，暴露在外的光敏性树脂被一次固化，如图c所示。（4）每一层固化后，未固化的光敏性树脂被真空抽走以便重复利用。固化的光敏性树脂在一个更强的紫外线灯（4KW）的照射下得以二次固化，如图d所示。（5）用蜡填充被真空抽走的区域。通过冷却系统使蜡冷却变硬，硬化的蜡可以作为支撑。因此，不需要作额外的支撑，如图e所示。（6）将蜡、树脂层压平，以便进行下一层的制作，如图f所示。（7）零件制作完成后，将蜡去掉，打磨，得到模型，无需其它的后处理，如图g所示。,第四节其他快速成型工艺,a)b)c),真空吸附,d)e）,图6-19光掩膜法的工艺步骤,f)g),第四节其他快速成型工艺,优点：（1）不需要设计支撑结构。（2）零件的成形速度不受复杂程度的影响，只与体积有关。树脂瞬时曝光，速度快，整层一次成型，效率高。（3）精度高，相对精度约在0.1左右。（4）最适合制作多件原型，制作过程中可以随意选择不同零件的制作次序；一个零件未制作完时，可以先作另一个零件，再回过头来继续作未完零件。（5）模型内应力小，变形小，适合制作大型件。（6）制作过程中如发现错误，可以把错误层铣掉，重新制作此层。,第四节其他快速成型工艺,缺点：（1）树脂和石蜡的浪费较大，且工