机械设计第一章 1

快速设计及成型技术,第一章绪论,1.1简介快速成型（RapidPrototypingRP）技术属于机械工程学科特种加工工艺的范围。使用激光作为能源的快速成型技术(RPT)还可以归入激光加工门类。它是一门多学科交叉，多技术集成的先进制造技术，也是制造理论研究成果中具有代表性的成果之一。,1.2快速成型技术的产生,快速成型技术的产生具有鲜明的时代特征，其背景为：,科学技术整体、迅速的发展不仅促进了经济的繁荣和社会的进步，而且还丰富和发展了各门学科。一方面，不同学科之间的交叉融合迅速产生了科学技术新的聚集，例如智能技术、传感技术、信息技术与结构科学的交叉正在产生智能结构科学；激光技术、新材料技术、计算机辅助设计和制造集成了快速成型制造（RPT）,另一方面，经济的发展和社会的进步又对科学技术提出了新的期望，譬如人们希望由微型计算机进入人体血管进行医疗作业；期待出现微型耳窝“种入聋耳内从而产生听力”。这种聚合和期望可以称之为学科前沿。学科前沿也可以理解为已解决和未解决的科学技术问题之间的界域。,1.2快速成型技术的产生,机械工程学科的新领域几乎都是交叉学科，各项先进制造技术都是多种技术的集成，它们的产生和发展离不开相关学科的发展，因此解决好技术集成的“接口”就成为各项先进制造技术的研究内容。“接口”问题就是学科前沿的界域问题。RPT将激光技术、新材料技术、CAD/CAM集成起来，解决了激光技术对新材料的作用，CAD模型（STL文件格式）的切片处理，以及满足“离散/堆积”成型工艺要求的包括数控技术、精密机械和光电子技术在内的一系列“接口”问题，从而形成一项新的先进制造技术。反过来它的发展又丰富了相关学科的研究内容，从而促进了相关技术的发展。RPT符合上述学科前沿的特徽。,1、从学科发展的特征看RPT的产生背景,面向市场的集成技术工程化要求是多品种、变批量和对市场的快速响应，因此要求系统具有快速开发新产品的能力，而传统的产品开发方法费用高、周期长，企业必须采用新的产品开发手段才能在激烈的市场竞争中立于不败之地，在这种历史背景下，RPT就应用而生了。简言之，快速成型技术具有鲜明的时代特征。它于20世纪80年代后期兴起，起源于美国，很快发展到日本，西欧和中国，是制造技术领域的一次重大突破。属于局部制造理论范围内的研究成果。,2、从全球市场经济的特征看RPT的产生背景,1.3关于对快速成型的命名,对这项新技术的命名，多年未能统一，常见有以下几种：快速成型(RapidPrototyping)任意成型(FreeformFabrication)桌面制造(Desk-TopManufacturing)三维打印(3DPrinting)快速原型/零件制造(RPM)快速工模具制造(RTM)快速铸造(RC)我国已倾向于“快速成型”（RapidPrototyping）这个名称。常用RP来代表快速成型，用RPT来表示快速成型技术，用RPS用于表示快速成型系统。,1.3.1快速成型技术定义,简单说，快速成形技术是由CAD模型直接驱动，快速制造任意复杂形状的三维物理实体的技术。核心是由CAD模型直接驱动，其基本过程如图1-1所示。,CAD建模分层、加工路径生成堆积制造,图1-1快速成型过程示意图,首先由CAD软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体模型，即数字模型或称电子模型；然后根据工艺要求，按照一定的规则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,(习惯称为分层或切片)，把三维电子模型变成一系列的二维层片；再根据每个层片的轮廓信息，进行工艺规划，选择合适的加工参数，自动生成效控代码；最后由成形机接受控制指令制造一系列层片并自动将它们联接起来，得到个三维物理实体。这种将一个物理实体复杂的三维加工离散成一系列二维层片的加工，是一种降维制造的思想，大大降低了加工难度，并且成形过程的难度与待成形的物理实体的形状和结构的复杂程度无关。,1.3.2快速成型五个步骤,1、CAD模型设计主要是解决零件的几何造型，应有较强的实体造型或曲面造型功能，并与后续的软件具有良好的数据接口。2、z向离散化分层过程它将CAD模型在z向上分成一系列具有一定厚度（0.050.3mm）的薄层。破坏了零件在z向的连续性，z向上会产生“台阶”。从理论上讲，分层厚度合理，可满足零件的加工精度要求。,图1-2快速成型的五个步骤,1.3.2快速成型五个步骤,3、层面信息处理为控制成形机对层面的加工轨迹，必须把层面的几何形状信息转换成控制成形机运动的数控代码。4、层面加工与粘接成形机根据控制指令进行二维扫描，同时进行层与层的粘接。5、层层堆积当一层制造完毕后，成形机工作台面下降一个层厚的距离，再加工新的一层，如此反复进行直至整个原型加工完成。对完成的原型进行后处理，如深度固化、去除支撑、修磨、着色等，使之达到要求。,图1-2快速成型的五个步骤,1.3.2快速成型的特征,快速成形技术在成形概念上以离散堆积成形为指导思想；在控制上以计算机和数控为基础，以最大柔性为目标。计算机技术和数控技术高度发展的今天，才有可能产生快速成形技术。CAD技术实现了零件的曲面或实体造型，能够进行精确的离散运算和繁杂的数据转换。先进的数控技术为高速精确的二维扫描提供必要的基础，这是精确高效堆积材料的前提。材料科学的发展则为快速成形技术奠定了坚实的基础，材料技术的每一项进步都将给快速成形技术带来新的发展机遇。目前快速成形技术中材料的转移形式可以是自由添加、去除、添加和去除相结合等多种形式。构成三维物理实体的每一层片，一般为25维层片，即侧壁为直壁的层片。目前也出现了由3维层片构成实体的工艺。,快速成形技术的重要特征是：1)高度柔性，成形过程无需专用工具或夹具。可以制造任意复杂形状的三维实体；2)CAD模型直接驱动，CADCAM一体化，无需人员干预或较少干预，是一种自动化的成形过程；3)成形过程中信息过程和材料过程的一体化，适合成形材料为非均质并具有功能梯度或有孔隙度要求的原型；4)成形的快速性，适合现代激烈竞争的产品市场；5)技术的高度集成性，快速成形是计算机、数控、激光、新材料等技术的高度集成。,思考题,1.简述RP的工艺过程。2.RPT优点（或内涵）是什么？3.快速成型的定义和特征？4.简述快速成型的五个步骤。,第二章快速成型技术原理及其方法,2.1快速成型技术的原理,物质的提取和材料的转移。从广义上讲，从自然形态的物质到成形实体所用的材料均属此范畴。序的设计与建立。所谓序是指组织材料达到三维实体最终结构的书序与约束。成形顺序，成形件几何设计以及NC代码的生成等均属此范围。性能保证。即保证成形件具有预先规定的机械性能，电学性能和表面质量等等。过程控制，在线检测和下线后的后处理工艺及检验均属此范畴。,现代成形理论内容主要包括：,2.1.1成形方式分类,根据现代成形学的观点，从物质的组织方式上，可把成形方式分为以下四类：1.去除成形（DislodgeForming）2.堆积成形（StackingForming）3.受迫成形（ForcedForming）4.生长成形（GrowthForming）随着科学技术的发展和制造工艺的不断完善，未来零件成形将沿着两个方向发展，一方面是各种成形方式与工艺的不断完善。另一方面是多种成形方式、多种成形工艺不断交叉、融合。,去除成形,去除成形是运用分离的方法，把一部分材料（裕量材料）有序的从基本体上分离出去而成形的办法。传统的车、铣、刨、磨等加工方法属于去除成形，现代电火花加工、激光切割、打孔等也属于去除成形。去除成形最先实现了数字化控制，是目前主要的成形方式。,堆积成形,堆积成形是运用合并和连接的方法，把材料（汽、液、固相）有序的合并堆积起来的成形办法。RP即属于堆积成形。它是在计算机控制下完成的，其最大的特点是不受成形零件复杂程度的限制。从广义上讲，焊接也属于堆积成形的范畴。,受迫成形,受迫成形是利用材料的可成形性（如塑性等）在特定外围约束（边界约束或外力约束）下的成形方法。传统的锻压、铸造和粉末冶金等均属于受迫成形。目前受迫成形还未完全实现计算机控制，多用于毛坯成形、特种材料成形等。,生长成形,生长成形是利用材料的活性进行成形的方法。自然界中生物个体发育均属于生长成形，“克隆”技术是产生在人为系统中的一种成形方式。随着活性材料、仿生学、生物化学、生命科学的发展，这种成形方式将会得到很大发展。,2.1.2快速成形技术的原理,笼统讲，RP属于堆积成形，严格讲，RP应该属于离散/堆积成形。RPT将CAD、CAM、CNC、精密伺服驱动、光电子和新型材料等先进技术集于一体，依据由CAD构成的产品三维模型，对其进行分层切片，得到各层界面的轮廓，利用各种RP工艺方法形成各截面，并逐步叠加成三维产品。它将一个复杂的三维加工简化为一系列二维加工的组合与传统加工成形方法形成鲜明的对照。参考图2-1,图2-1传统加工与快速成型,2.1.2.1RP的工艺过程,1、三维模型的构造2、三维模型的近似处理3、三维模型的切片处理4、截面加工5、截面叠加6、后处理RP的工艺流程可以参考图2.2,1、三维模型的构建,由于RP系统是由三维CAD模型直接驱动，因此只接受计算机构造的产品三维模型（立体图），然后才能进行切片处理。该三维CAD模型可以利用计算机辅助设计软件（如Pro/E,I-DEAS,SolidWorks,UG等），根据产品要求设计三维模型。或将已有产品的二维图样进行转换而形成三维模型。或对已有产品实体进行激光扫描、CT断层扫描，得到点云数据，（仿制产品）然后利用反求工程的方法来构造三维模型。,2、三维模型的近似处理,由于产品上往往有一些不规则的自由曲面，加工前必须对其进行近似处理。最常用的方法是用一系列小三角形平面来逼近自由曲面。每个小三角形用三顶点坐标和一个法向量来描述。三角形的大小是可以选择的，从而得到不同的曲面近似程度。经过上述近似处理的三维模型文件称为STL格式文件，它由一系列相连的空间三角形组成。典型的CAD软件都有转换和输出STL格式文件的接口，但有时输出的三角形会有少量错误。需要进行局部的修改。,3、三维模型的切片处理,由于RP工艺是按一层层截面轮廓来进行加工，因此加工前必须从三维模型上沿成形高度方向每隔一定的间距进行切片处理，以便提取截面的轮廓。间隔的大小按精度和生产率要求选定。间隔越小，精度越高，但成形时间越长。间隔的范围为0.05mm0.5mm，常用0.1mm，能得到相当光滑的成形曲面。切片间隔选定后，成形时每层叠加的材料厚度应与其相适应。各种成形系统都带有切片处理软件，能自动提取模型的截面轮廓。,4、截面加工,根据切片处理的截面轮廓，在计算机控制下，RP系统中的成形头(如激光扫描头或喷头)在XY平面内自动按截面轮廓进行扫描，切割纸(或固化液态树脂，烧结粉末材料，喷射粘结剂和热熔材料)，得到一层层截面。,5、截面叠加,每层截面成形之后，下一层材料被送至已成形的层面上，然后进行后一层截面的成形，并与前一层面相粘结，从而将一层层的截面逐步叠合在一起，最终形成三维产品。,6、后处理,从成形机中取出成形件，进行打磨、涂挂。或者放进高温炉中烧结，进一步提高其强度(如3D-P工艺)。对于覆膜材料SLS工艺，成形件放入高温炉中烧结是为了使粘结剂挥发掉，以便进行渗金属(如渗铜)处理。,图2-2快速成型过程,2.1.2.2RPT的优点,RPT采用离散堆积成形的原理，自动完成从电子模型(CAD模型)到物理模型(原型和零件)的转换。RPT具有高度的柔性。无需任何专用工模具即可完成复杂的制造过程，快速制造工模具、原型或零件。RPT实现了机械工程学科多年来追求的两大先进目标，即材料提取(气、液、固相)过程与制造过程一体化和设计(CAD)与制造(CAM)一体化。通过对一个CAD模型的修改或重组就可获得一个新零件的设计和加工信息从几小时到几十小时制造一个零件，具有突出的快速制造的优点。与反求工程(ReverseEngineeringRE)相结合，成为快速开发新产品的有力工具。,2.2快速成型的主要工艺方法,2.2.1立体印刷(光刻)(StereoLithographyApparatusSLA)此工艺方法也称液态光敏树脂选择性固化。这是一种最早出现的RPT，它的原理如图23所示,液槽中盛满液态光敏树脂，它在紫外激光束的照射下快速固化。成形开始时，可升降工作台使其处于液面下一个层厚的地方。聚焦后的紫外激光束在计算机的控制下按截面轮廓进行扫描，使扫描区域的液态树脂固化，形成该层面的固化层。然后工作台下降一层的高度，其上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层的扫描固化，与此同时新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复直到整个产品完成。,1、液面2、激光二维扫描图3、升降台4、零件5、零件支撑结构6、液态光敏树脂,图2-3立体印刷,立体印刷（SLA）成型材料,SLA工艺的成型材科称为光固化树脂(或称光敏树脂)，光固化树脂材料中主要包括齐聚物、反应性稀释剂及光引发剂。根据引发剂的引发机理，光固化树脂可以分为三类：自由基光固化树脂；阳离子光固化树脂；混杂型光固化树脂。,立体印刷（SLA）成型材料,1自由基光固化树脂自由基齐聚物主要有三类：环氧树脂丙烯酸酯(聚合快、终产品强度高但脆性较大、产品易泛黄)；聚酯丙烯酸酯(流平好、固化好、性能可调节)；聚氨酯丙烯酸酯(可赋予产品柔顺性与耐磨性，但聚合速度减慢)。稀释剂包括多官能度单体与单官能度单体两类。此外，常规的添加剂还有：阻聚剂、UV稳定剂、消泡剂、流平剂、光敏剂、染料、天然色素、填充剂及惰性稀释剂等。其中的阻聚剂特别重要，因为它可以保证液态树酯在容器中具有较长的存放时间。,立体印刷（SLA）成型材料,2阳离子光固化树脂阳离子光固化树脂的主要成分为环氧化合物。用于SL工艺的阳离子型齐聚物和活性稀释剂，通常为环氧树脂和乙烯基醚。环氧树脂是最常用的阳离子型齐聚物，其优点如下：(1)固化收缩小，预聚物环氧树脂的固化收缩率为23，自由基光固化树脂的预聚物丙烯酸酷的固化收缩率为57；(2)产品精度高；(3)阳离子聚合物是活性聚合，在光熄灭后可继续引发聚合；(4)氧气对自由基聚合有阻聚作用，而对阳离子树脂则无影响；(5)粘度低；(6)生坯件强度高；(7)产品可以直接用于注塑模具。,3混杂型光固化树脂比起自由基光固化树脂和阳离子光固化树脂，混杂型光固化树脂有许多优点，目前的趋势是使用混杂型光固化树脂，其优点主要有：(1)环状聚合物进行阳离子开环聚合时，体积收缩很小甚至产生膨胀，而自由基体系总有明显的收缩，混杂体系可以设计成无收缩的聚合物。(2)当系统中有碱性杂质时，阳离子聚合的诱导期较长，而自由基聚合的诱导期较短，混杂体系可以提供诱导期短而聚合速度稳定的聚合系统。(3)在光照消失后阳离子仍可引发聚合，故混杂体系能克服光照消失后自由基迅速失活而使聚合终结的缺点。,立体印刷（SLA）成型材料,立体印刷（SLA）的优缺点,优点：适合成形小件，能直接得到塑料产品，表面粗糙度质量较好，并且由于紫外激光波长短(例如He-Cd激光器，325nm)，可以得到很小的聚焦光斑，从而得到较高的尺寸精度。缺点：(1)需要设计支撑（筋肋）结构，才能确保在成形过程中制件的每一个结构部分都能可靠定位；(2)成形中有物相变化，翘曲变形较大，也可以通过支撑结构加以改善；(3)原材料有污染，且使皮肤过敏。,立体印刷（SLA）的优缺点总结,展现细节：基于SLA激光成型的特点和模仿完美细节的优点，SLA成型成为概念模型、设计研究和真空注型原型件的理性之选。SLA能制造形状复杂（如空心零件），特别精细（如首饰、工艺品等）的零件，很多CNC加工不到的细节部分都能加工出来，从而减轻了后处理的工作量。,加工范围：外观概念模型/结构适配样板/快速模具原型/工艺品及玩具,使用价值：整个SLA成型的过程无需进行费时的加工程序编写或工装夹具的设计，摒弃了传统的机械加工方法，极大地提高了生产效率和制造柔性。结合专业的真空复模技术和熟练的表面处理工艺，可以快速地通过较为真实直观的实物样板来审视未来产品的外形和功能。,标准精度：紫外激光可按照零件的截面信息进行0.1mm和0.15mm的分层扫描，加工精度较高，可确保工件的尺寸精度达到0.1mm。丰富的专业知识能以更少的时间，更少的成本制造符合需求的模型样板。,2.1.2分层实体制造（LaminatedObjectManufacturingLOM）,也称薄形材料选择性切割。它根据三维模型每一个截面的轮廓线，在计算机的控制下，用C02激光束对薄形材料(如底面涂胶的纸)进行切割，逐步得到各层截面，并粘结在一起，形成三维产品。如图24所示。,图2-4分层实体制造,LOM工艺中的成型材料涉及到三个方面的问题：纸；热溶胶；涂布工艺。纸材料的选取热溶胶的配置及涂布工艺的研究均要从保证最终成型零件的质量出发，同时要考虑成本。,LOM成型材料,1纸的性能(1)抗湿性保证纸原料(卷铀纸)不会因时间长而吸水。纸的施胶度可用来表示纸张抗水能力的大小。(2)良好的浸润性保证良好的涂胶性能。(3)抗拉强度保证在加工过程中不被拉断。(4)收缩率小保证热压过程中不会因部分水分损失而导致变形。(5)剥离性能好因剥离时，在纸张内部发生破坏，要求纸的垂直方向抗拉强度不是很大。(6)易打磨表面光滑。(7)稳定性成型零件可长时间保存。,LOM成型材料,2热熔胶和涂布工艺LOM成型材料为涂有热熔胶的薄层材料，层与层之间的粘结是靠热熔胶保证。EVA型热熔胶（80%）,分层实体制造中采用EVA型热熔胶(共聚物EVA树脂、增粘刑、蜡类和抗氧剂)。EVA树脂中醋酸乙烯的含量(VA含量)增加，树脂的韧性、耐冲击性、柔韧性、耐应力开裂性、粘性增加，胶接的剥离强度提高，橡胶弹性增大。但强度、硬度、熔融点和热变形温度也随之下降。可根据热熔胶的性能要求选择适当的VA百分含量的EVA树脂做主体材料。熔体流动速率与分子结构和分子量有关，一般来说，树脂的熔融粘度低，配置的热熔胶粘度就低。流动性好，有利于往被粘物表面扩散和渗透。,LOM成型材料,为了增加对被粘物体的表面粘附性、胶接强度，EVA型热熔胶配方中需加增粘剂。随着增粘剂用量增加，流动性、扩散性变好，能提高胶接面的润湿性和韧粘性。但增粘剂用量过多，胶层变厚，内聚强度下降。设计热熔胶配方时，选择增粘剂的软化点和EVA软化点最好同步。这样配置的热熔胶熔化范围窄，性能好。蜡类也是EVA型热熔胶配方中常用的材料。在配方中加入蜡类，可以降低熔融粘度，缩短固化时间，可进一步改善热熔胶的流动性和润湿性，可防止热熔胶存放结块及表面发粘，但用量过多，会使胶接强度下降。,LOM成型材料,为了防止热熔胶热分解、胶变质和胶接强度下降，延长胶的使用寿命，一般加入052的抗氧剂。为了降低成本，减少固化时的收缩率和过度渗透性。热熔胶涂布可分为均匀式涂布和非均匀涂布两种。均匀式涂布采用狭缝式刮板进行涂布，非均匀徐布有条纹式和颗粒式。一般来讲，非均匀涂布可以成小应力集中，但涂布设备比较贵。,LOM成型材料,分层实体制造（LOM）的优缺点,扫描器件有的采用直线单元，适合于大件的加工(如图24所示)，也可采用振镜扫描方式，成形中、小型零件。这种方法适合成形大、中型零件，翘曲变形小，成形时间较短，但尺寸精度不高，材料浪费大，且清除废料困难。,2.1.3选择性激光烧结（SelectedLaserSinteringSLS）,使用C02激光器烧结粉末材料(如蜡粉、P5粉、ABS粉、尼龙粉、覆膜陶瓷和金属粉等)。成形时先在工作台上铺上一层粉末材料，激光束在计算机的控制下，按照截面轮廓的信息，对制件的实心部分所在的粉末进行烷结。一层完成后，工作台下降一个层厚，再进行后一层的铺粉烧结。如此循环，最终形成三维产品。,图2-5选择性烧结成形原理图,用于SLS工艺的材料是各类粉末，包括金属、陶瓷、石醋从及聚合物的粉末，近年来更多地采用复合粉末。间接SLS用的复合粉末通常有两种混合形式：一种是粘接剂粉末与金属或陶瓷粉末按一定比例机械混合；另一种则是把金属或陶瓷粉末放到粘接剂稀释液中，制取具有粘接剂包覆的金属或陶瓷粉末。实验表明，这种粘接剂包覆的粉末制备虽复杂，但烧结效果较机械混合的粉末好。近年来开发的较为成熟的用于SLS工艺的材料如石蜡、合成尼龙等。为了提高原型的强度。用于SLS工艺材料的研究转向金属和陶瓷，这也正是SLS工艺优越于SLA、LOM工艺的地方。,SLS成型材料,美国BFGoodrich公司专门开发用于SLS工艺的石蜡粉末。近年来，金属粉末的制取越来越多地采用雾化法。主要有两种方式：离心雾化法和气体雾化法。它们的主要原理是使金属熔融。高速将金属液滴甩出并急冷，随后形成粉末颗粒。SLS工艺还可以采用其他粉末，比如聚碳酸酯粉末，当烧结环境温度控制在聚碳酸酯软化点附近时，其线胀系数较小，进行激光烧结后，被烧结的聚碳酸酯材料翘曲较小，具有很好的工艺性能。,SLS成型材料,选择性激光烧结（SLS）的优缺点,适合成形中、小型零件，能直接制造蜡模或塑料、陶瓷和金属产品。制件的翘曲变形比SLA工艺小，但仍需对容易发生变形的地方设计支撑结构。对实心部分进行填充式扫描烧结，因此成形时间较长。可烧结覆膜陶瓷粉和覆膜金属粉，得到成形件后，将制件置于加热炉中，烧掉其中的粘结剂，并在孔隙中渗入填充物(如铜)。它的最大优点在于适用材料很广，几乎所有的粉末都可以使用所以其应用范围也最广。,2.1.4熔化沉积成形（FusedDepositionModelingFDM）,也称丝状材料选择性熔覆。三维喷头在计算机控制下，根据截面轮廓的信息，做“XYZ“运动。丝材(如塑料丝)由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热、熔化，然后被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层完成后，工作台下降一层厚，再进行后一层的涂覆，如此循环，形成三维产品。,图2-6选择性熔覆原理图,材料是FDM工艺的基础，FDM工艺中使用的材料分为成型材料和支撑材料。1成型材料FDM工艺对成型材料的要求：熔融温度低、粘度低、粘结性好、收缩率小。影响材料挤出过程的主要因素是粘度。材料的粘度低、流动性好，阻力就小，有助于材料顺利的挤出。材料的流动性差，需要很大的送丝压力才能挤出，会增加喷头的启停响应时间，从而影响成型精度。熔融温度低对FDM工艺的好处是多方而的。熔融温度低可以使材料在较低的温度下挤出，有利于提高喷头和整个机械系统的寿命；可以减少材料在挤出前后的温差，减少热应力，从而提高原型的精度。,FDM成型材料,粘结性主要影响零件的强度。FDM工艺是基于分层制造的一种工艺，层与层之间往住是零件强度最薄弱的地方，粘结性好坏决定了零件成型以后的强度。粘结性过低，有时在成型过程中由于热应力就会造成层与层之间的开裂。零件的粘结从理论上主要有两种方式，液固粘结和液液粘结。液固粘结是指从喷头挤出的丝，浸润在上一层已经固化的丝上，粘结在一起，这种方式的粘结对材料的粘结性要求比较高；液液粘结是指从喷头挤出的丝将上一层的丝重新熔化，依靠同种材料本身的亲和性粘结在一起，这种方式粘结强度较高，但是会对造型精度造成不利的影响。,FDM成型材料,收缩率在很多方面影响零件的成型精度。由于在挤出时，喷头内部需要保持一定的压力才能将材料顺利的挤出，丝在挤出后一般会发生一定程度的膨胀。如果材料收缩率对压力比较敏感，会造成喷头挤出的丝直径与喷嘴的名义直径相差太大，影响材料的成型精度。FDM成型材料的收缩率对温度不能太敏感。由于FDM工艺一般在80120进行，材料的收缩率必然会引起尺寸误差，同时会产生热应力，严重时会使零件翘曲、开裂。,FDM成型材料,2支撑材料FDM工艺对支撑材料的要求是能够承受一定的高温、与成型材料不浸润、具有水溶性或酸溶性、具有较低的熔融温度、流动性要特别好。具体来说：(1)能承受一定的高温。由于支撑材料要与成型材料在支撑面上接触，所以支撑材料必须能够承受成型材料的高温，在此温度下不产生分解、融化。由于FDM工艺挤出的丝比较细，在空气中能够比较快的冷却，所以支撑材料能承受100以下的温度即可。(2)与成型材料不浸润，便于后处理。支撑材料是加工中采取的辅助手段，在加工完毕后必须去除。所以支撑材料与成型材料的亲和性不能太好。,FDM成型材料,(3)具有水溶性或者酸溶性。由于FDM工艺的一大优点是可以成型任意复杂程度的零件。经常用于成型具有很复杂的内腔、孔等零件，为了便于后处理，最好是支撑材料在某种液体里可以溶解。这种液体必须不能产生污染或有难闻的气味。由于现在使用的成型材料一般是ABS工程塑料，该材料一般可以溶解在有机溶剂中，所以不能使用有机溶剂。目前已开发出水溶性支撑材料。(4)具有较低的熔融温度。具有较低的熔融温度可以使材料在较低的温度挤出，提高喷头的使用寿命。(5)流动性要好。由于对支镇材料的成型精度要求不高，为了提高机器的扫描速度，要求支撑材料具有很好的流动性，相对而言，对于粘结性可以差一些。,FDM成型材料,熔化沉积成形（FDM）的优、缺点,适合成形小塑料件，制件的翘曲变形小，但需要设计支撑结构。由于是填充式扫描，因此成形时间较长，为了克服这一缺点，可采用多个热喷头同时进行涂覆，提高成形效率。,2.1.5三维打印（Three-DimensionalPrinting3D-P）,也称粉末材料选择性粘结。喷头在计算机的控制下，按照截面轮廓的信息，在铺好的一层粉末材料上，有选择性地喷射粘结剂，使部分粉末粘结，形成截面层。一层完成后，工作台下降一个层厚，铺粉，喷粘结剂，再进行后一层的粘结，如此循环形成三维产品。粘结得到的制件要置于加热炉中，作进一步的固化或烧结，以提高粘结强度。,图2-73D-P原理图,2.1.6固基光敏液相法（SolidGroundCuringSGC）,一层的成形过程由五步来完成：添料；掩膜紫外光曝光；清除未固化的多余液体料；向空隙处填充蜡料和磨平。,图2-8固基光敏液相法原理图1、加工面；2、均匀施加光敏液材料；3、掩膜紫外光曝光；4、清除未固化原料；5、填蜡；6、磨平；7、成形件；8、蜡；9、零件,掩膜的制造采用了离子成像技术。因此同一底片可以重复使用。由于过程复杂，SGC（固基光敏液相法）成形机是所有成形机中最庞大的一种。SGC工艺每层的曝光时间和原料量是恒定的，因此应尽量排满零件。由于多余的原料不能重复使用，若一次只加工一个零件会很浪费。由于蜡的添加，可省去设计支撑结构。逐层曝光比逐点曝光要快得多，但由于多步骤的影响，在加工速度上提高不很明显，只有在加工大零件时才体现出SGC的优越性。,2.1.7热塑性材料选择性喷洒,为了降低快速成形系统的成本，提高成形速度，使之能成为一种如同打印机的办公设备，可以方便地用于早期初步设计的校验，近年来出现了一些热塑性材料选弹性喷洒式快速成形系统。其系统有很多，以下三种系统阐述其工作原理：喷墨式的热塑性材料选择性喷洒快速成形系统(Ink-jet);多喷嘴式的热塑性材料选择性喷洒快速成形系统(MultijetModeling-MJM);投掷式的热塑性材料选择性喷洒快速成形系统(BallisticParticleManufacturing-BPM)。,喷墨式的热塑性材料选择性喷洒快速成形系统,图2-9喷墨式的热塑性材料选择性喷洒快速成形系统原理图,采用2个喷嘴，一个用于喷洒成形用热塑性材料，另一个用于喷洒支撑成形件的蜡。两个喷嘴能根据截面轮廓的信息，在计算机的控制下做“XY”平面运动，选择性地分别喷洒熔化的热塑性材料和蜡。此两种材料在工作台基底上迅速冷却后形成固态截面层和支撑结构。随后，用一刀具铣平它们的上表面，使其控制在预定的截面高度，每层截面成形之后，工作台下降一截面层的高度，再进行后一层的喷洒，如此循环，最终形成三维产品。,多喷嘴式的热塑性材料选择性喷洒快速成形系统,采用包含96个直线排列喷嘴的喷头。在计算机的控制下，喷嘴同时喷洒直径为0.076mm的熔化热塑性材料，并沿“X”方向做前后扫描运动。熔化的热塑性材料在工作台上迅速冷却后形成固态截面。由于喷头的宽度有限，当成形件的宽度大于喷头的宽度时，喷头须做y方向的扫描运动。每层截面成形之后，工作台下降一截面层的高度，再进行后一层的喷洒，如此循环，最终形成三维产品。这种系统成形时采用离散的细柱状支撑结构，它在成形后易于剔除。,图210多喷嘴式的热塑性材料选择性喷洒快速成形系统的原理图,投掷式的热塑性材料选择性喷洒快速成形系统,图2-11投掷式的热塑性材料选择性喷洒快速成形系统原理图,有一个压电振荡器控制的陶瓷喷射头和一个校平头。喷射头12000滴/秒、直径为0.076mm的熔化热塑性材料，在计算机的控制下做5轴运动。熔化的热塑性材料在工作台上迅速冷却后形成固态截面。校平头跟随喷射头的运动，它将还处于软状态的喷洒层校平，使其在预定的高度上。每层截面成形之后，工作台下降一截面层的高度，再进行后一层的喷洒，如此循环，最终形成三维产品。,2.1.8变长线扫描SLSRPT,我国华北工学院发明的变长线扫描sLsRPT是一项具有自主知识产权、世界上首次采用的新颖快速成形方法，其成果包括设备、工艺方法和烧结材料。将C02激光束通过柱面透镜在工作面上形成具有与上述光斑相同能量密度的细长线束，此线束的长度可随XY二维直线导轨扫描同步地变化,使之与当前烧结层截面的几何形状相适应。,图2-12变长线扫描SLSRPT示意图,这一长度可变面能量密度不变的线状热源对工作台上的粉末材料进行烧结，形成由任意曲线围成的片层实体，片层叠加成为所需要的三维产品。如果片层尺寸大于温光线束的最大长度，可以在线长方向搭接往复扫描。如果片层内含有孔洞不需要烧结，则应以此孔的两个顶点为基准进行分区扫描。,由于激光束被展开成一条细长的线束，又要保持线束上功率密度不降低，所以必须要提高激光器的功率（100W)。本项技术已经成熟，它与点扫描SLSRPT相比，具有成形尺寸大，成形效率高(尤其是对大型实心零件)的优点。最大工件尺寸：500mm400mm；线束长度：015mm50mm连续无级可调；线束宽度：0.15mm；CO2激光器功率：100W；扫描方式：直线导轨扫格。,2.1.9高功率激光二极管线阵能量源SLSRPT,这种线扫格sLSRPT也是由中北大学（原华北工学院）发明并具有自主知识产权的新技术。能量源不是使用C02激光器而是使用高功率激光二极管(功率0.5w1w)。,若干个二极管通过光纤藕合后，将光纤输出端精密地排列成线阵，在此线阵后面设置微透镜阵列(也是线阵)，其各元与各光纤输出端对准，使各激光二极管发出的光束在工作面上形成直径约为0.25mm的光斑。如果光斑直径d小于光纤间的中心距p(称为节距)，说明形成的长线为断续的虚线，需要将若干线阵形成的虚线像互相镶嵌，使之成为实线状的激光线束。,图2-13激光二极管线阵能量源原理图,各个激光器可以独立驱动，扫描遇到孔或曲线轮廓等不需要烧结部位时，对应位置的激光二极管关闭。这种工艺方法具有很高的加工效率，当线阵长度足够时，扫描只要在一个方向进行；线阵长度小于片层尺寸时，可以分区扫描。由激光二极管线阵构成的SLSRP系统的能量源体积小，结构紧凑，可成为研究桌面型SLSRP系统的技术基础。,图2-13激光二极管线阵能量源原理图,2.2PRT与相关学科间的关系,图2-14RPT与相关学科间的关系,RPT与CAD技术之间的关系RPT与激光技术间的关系RPT与数控技术间的关系RPT与材料科学间的关系RPT与检测技术间的关系RPT与其他相关学科间的关系,RPT与CAD之间的关系,CAD技术是RPT产生的前提和基础。传统对新产品的开发沿用设计一画图一模具一零件的技术路线，由于设计结果不能即刻显示以供评价和修改，往往在产品开发出来后才能发现设计的缺陷或不足，面要弥补这些缺陷或不足，又需要特产品的开发过程重复进行，从而极大地延长了产品的开发周期，提高了开发的成本。CAD技术不仅可以迅速地显示设计结果，而且可以得到完整的数据，便于修改和进一步的处理如生成加工数据或形成RPT所需要的STL文件等。显然，CAD是实现RPT的前提，在应用上往往是RPT的瓶颈。同时，PRT的发展又促进CAD技术的发展，比如，数据交换接口(如STL文件)、分层软件等。,RPT与激光技术之间的关系,如前所述，RPT主要有两类方法一类是基于激光的光固化、切割或熔化的方法；另一类则是非激光直接堆积成形的方法。相比较而言，前者发展得更完善，应用也更多。如SLA，L0M，SLS等工艺。激光具有能量集中、易于控制、光斑小、波长恒定等优点，尤其适用于RPT。激光技术的发展和应用是RPT产生的前提之一，同时也是RPT进一步发展的保证。激光在RPT中的应用涵盖了激光器件中相当大的范围，从几十毫瓦的HeCd激光器到几十、几百直至几千瓦的C02激光器。近年来，HeCd激光器、氩离子激光器以及中低功率CO2激光器在RPT对激光光斑、波长、功率控制和输出模式方面的要求下,也得到了发展。,RPT与数控技术之间的关系,不同的工艺方法对数控系统的要求会有所不同。例如，掩膜法光造型中，控制方式为简单的一轴控制；而在SLA、LOM、SLS等工艺中，数控系统是在“XY平面内的二铀联动，Z轴只是在XY平面内加工完毕后有规律地送进。当然，RPT的点堆积方式则需要三铀数控系统。数控技术在RPT中的应用还包括了对加工参数的控制。如SLA工艺中的Z袖尺寸补偿；SLS、L0M、FDM工艺中的温度补偿;激光功率控制和材料进给控制等。此外，与切削加工数控技术相比，RPT要求扫描速度快，停位重复精度高而负荷小。数控技术是RPT的前提和基础，同时RPT也向数控技术提出了新的研究课题，这必将丰富数控技术的研究内容，并推进数控技术的发展。,RPT与材料科学之间的关系,RPT中使用的材料种类很多，例如：SLA工艺采用特种光固化树脂;L0M工艺采用涂有胶梢剂的纸张;FDM上艺采用蜡、ABS以及尼龙等丝材;SLS采用各种金属和非金属粉末为材料。显然，材料的性质不但影响零件的质量，对零件的应用产生决定性影响，更为重要的是它是成形工艺可行性的保证。因此，RPT的发展又会向材料科学提出新的要求，促进材料技术的发展。目前，国外许多RPT研究机构与材料研究部门合作，正反映了这一趋势。相比之下国内的RP材料发展较慢。目前，SLA成形设备所用的光固化树脂主要靠进口，价格昂贵。LOM的纸和胶在切割时不炭化、纸厚胶薄等方面也远不如国外。如何发展我国的RP材料，已成为急迫的问题。,RPT与检测技术之间的关系,RPT是一种自动成形的技术，为了达到零件的设计要求，确保成形质量，检测技术是十分必要的。例如，对加工信息的反馈是十分重要的，它不仅有助于了解成形过程的质量，还可以通过这些信息确定补偿的措施。在SLA工艺中，需测量激光的功