快速设计及成型技术-总结

1、快速成型概念部分：快速成型：简称RP,即将计算机辅助设计CAD计算机辅助制造CAM计算机数字控制CNC、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体，依据计算机上构成的工件三维设计模型，对其进行分层切片，得到各层截面的二维轮廓信息，快速成型机的成形头按照这些轮廓信息在控制系统的控制下，选择性地固化或切割一层层的成形材料，形成各个截面轮廓，并逐步顺序叠加成三维工件。快速成形的基本原理：是叠层制造，快速成形机在XY 平面内通过扫描形成原型件的截面轮廓形状，而在Z 坐标作间断的层厚位移，最终形成三维的原型件。快速成形机：包括扫描路径及成形运动机构、能源部件(激光器、加热头)、材料供应机构和控制系统4

2、 大部分。快速成形与传统制造方法的区别？传统方法根据零件成形过程分为两大类：一类是以成型过程中材料减少为特征，通过各种方法将零件毛胚上多余材料去除，即材料去除法，二类是材料的质量在成型过程中基本保持不变，成型过程主要是材料的转移和毛胚形状的改变即材料转移法，但此类方法生产周期长速度慢。快速成型技术可以以最快的速度、最低的成本和最好的品质将新产品迅速投放市场。快速成型制造技术是由CAD数字模型驱动的通过特定材料采用逐层累积方式制作三维物理模型的先进制造技术。快速原型的用途：快速成型技术制作的原型（模型）可用于新产品的外观评估、装配检验及功能检验等，作为样件可直接替代机加工或者其他成形工艺制造的单

3、件或小批量的产品，也可用于硅橡胶模具的母模或熔模铸造的消失型等，从而批量地翻制塑料及金属零件。快速原型的优势：（1）可按用户要求快速的进行产品外形设计。（2）便于产品进行功能测试和评价。（3）将设计与装配方面出现的问题消灭在开模之前。（4）缩短产品的研制开发周期。（5）大大提高新产品的一次成功率。（6）降低产品复杂程度对制造的限制。（7）制造周期大大缩短，成本大大降低。快速成型的发展： 1、快速成型向着多种材料复合成型方向发展，无需装配一次制造。 2、快速成型向低成本、提高效率、简化工艺的方向发展。 3、提高成型件的精度、表面质量、力学和物理性能。快速成型技术发展到目前阶段，主要存在两大局限：

4、（1）由于成型材料种类和成本的限制，原型多为模型而非实际需要的工作零件；（2）因数据处理及制作工艺等限制，快速成型系统制作的原型很难达到与CAD设计相同的尺寸精度和实际使用要求的表面质量。快速成形技术的发展：1988年，第1台光固化（商业用途），1982年，非商业用途。快速成型的特点: (1) 快速性 (2) 设计制造一体化 (3) 自由成型制造 (4) 高度柔性 (5) 材料的广泛性 (6) 技术的高度集成 (7)与反求工程、cad技术、网络技术、虚拟现实技术等相结合，成为产品快速开发的有力工具。快速成型技术的分类: 基于激光或其它光源的成型技术，如：光固化成型法（SLA）、叠成分层实体制造

5、（LOM）、选择性激光烧结（SLS）等；基于喷射的成型技术，如：熔融沉积制造（FDM）。 快速成形技术常用的文件格式：有STL、IGES、HPGL 和STEP 四种。(文件格式有ASCII码和二进制码两种输出形式，二进制码形式所占用的文件空间比ASCII码形式的小得多，一般是16。但是，ASCII可以阅读，并能进行直观检查。)快速成型的数据来源：来源类型：（直接，转化，反求）1)三维CAD模型：三角网格模型（STL） 2)逆向工程数据：三角化生成STL 3)数学几何数据：数学公式和几何数据 4)医学/体素数据：人体断层扫描和核磁共振 5)分层数据：直接获得分层活截面轮廓快速成型的工艺过程: 1

6、）产品三维模型的构建 2）三维模型的近似处理 3）三维模型的切片处理 4）成型加工 5）成型零件的后处理快速成型材料的分类1、按材料的物理状态分类：液体、薄片、粉末和丝状2、按材料化学性能分类：树脂类、石蜡类、金属、陶瓷和其它复合材料3、按材料成型方法分类：SLA材料、LOM材料、SLS材料、FDM材料4、那材料成型步骤分类：直接成型（反映型聚合物、非反应型聚合物、纸、金属、砂、陶瓷）；间接复制用材料（硅橡胶、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、反应成型塑料）快速成型工艺对材料性能的总体要求 1、有利于快速精确地加工原型零件。 2、用快速成型系统直接制造功能件的材料要接近最终用途对强度、刚度、耐潮

7、性、热稳定性等要求。 3、当原型间接使用时，其性能要有利于后续处理工艺 4、当原型间接使用时，要有利于后续处理工艺。主要快速成形系统选用原则：A：成形件的用途（a检查并核实形状、尺寸用的样品b性能考核用的样品c模具d小批量和特殊复杂零件的直接生产e新材料的研究）B：成形件的形状C：成形件的尺寸大小D成本（a设备购置成本b设备运行成本c人工成本）E技术服务（a保修期b软件的升级换代c技术研发力量）F用户环境快速成形技术全过程步骤：a.前处理b.分层叠加成型c.后处理快速成形制造流程：CAD模型面型化处理分层层信息处理层准备层制造层粘接实体模型快速成形的全处理主要包括：CAD三维模型的构建、CAD

8、三维模型STL格式化以及三维模型的切片处理等构造三维模型的主要方法：a应用计算机三维设计软件，根据产品的要求设计三维模型，b应用计算机三维设计软件，将已有产品的二维三视图转换为三维模型，c仿制产品时，应用反求设备和反求软件，得到产品的三维模型，d利用网络将用户设计好的三维模型直接传输到快速成形工作站在快速成型的前处理阶段为什么要把三维模型转化为STL文件格式？STL格式文件的规则和常见错误有哪些？由于产品上有一些不规则的自由曲面，为方便的获得曲面每部分的坐标信息，加工前必须对其进行近似处理，此近似处理的三维模型文件即为STL格式文件 规则： (1)共顶点规则（一点公共）。(2)取向规则(同矢量

9、方向)。(3)取值规则（坐标值为正）。(4)合法实体规则（布满无遗漏）。快速成形中工件前处理环节选择零件的成形方向应注意哪些问题？将STL格式文件所表达的三维模型加以旋转，然后再切片，可获得不同的成形方向。成形方向对工件的品质(尺寸精度、表面粗糙度、强度等)、材料消耗(成本)和制作时间都有很大的影响。快速成形中的主要切片形式有哪些？其中那种切片形式精度最高？为什么？a STL切片b 容错切片c适应性切片d直接适应性切片e直接切片。直接切片形式精度最高。因为a能减少快速成形的前处理时间b可避免STL格式文件的检查和纠错过程c可降低模型文件的规模d能直接采用RP数控系统的曲线插补功能，从而可提高工

10、件的表面质量e能提高制件的精度快速成形的后处理主要有哪些工序：a剥离b修补、打磨、抛光c表面涂覆快速成型技术中采用的数据文件: 三维CAD模型数据文件，比如IGES、DXF、VDA-FS等等； 三维面片格式文件，比如STL、CFL等； 层片格式文件，比如SLC、CLI以及HPGL等。快速成型主要工艺方法根据所使用的材料和建造技术的不同，目前应用比较广泛的方法有如下四种：光固化成型法（Stereolithography Apparatus，SLA）：采用光敏树脂材料通过 激光照射逐层固化而成型叠层实体制造法（Laminated Object Manufacturing，LOM）：采用纸材等薄层材

11、料通过逐层粘结和激光切割而成型选择性激光烧结法（Selective Laser Sintering，SLS）：采用粉状材料通过激光选择性烧结逐层固化而成型熔融沉积制造法（Fused Deposition Manufacturing，FDM）：采用熔融材料加热熔化挤压喷射冷却而成型快速成形表面涂覆：喷刷涂料；电化学沉积；无电化学沉积；物理蒸发沉积；电化学沉积和物理蒸发沉积的综合 快速成形精度包括软件和硬件两部分。软件部分指模型数据的处理精度；硬件部分指成型设备的各项精度。 成形件的精度：尺寸精度、形位精度、表面质量。STL文件部分：STL文件:是三维实体模型经过三角化处理之后得到的数据文件。它将

12、实体表面离散化为大量的三角形面片，依靠这些三角形面片来逼近理想的三维实体模型。精度不同，三角形网格的划分也不同。精度越高，网格的划分越细密，三角形面片形成的三维实体就越趋近于理想实体的形状。其格式有二进制格式与ASC格式两种（精度不能无限提高：受制于机器精度，结果文件过大）STL文件特点： 1、生成简单 2、数据文件广泛 3、具有简单的分层算法 4、模型易于分割缺点： 1、近似性 2、数据的冗余 3、信息缺乏 4、精度损失 5、错误和缺陷STL文件的精度：从CAD/CAM软件输出STL文件时，选取的精度指标和控制参数应该根据CAD模型的复杂程度以及快速原型精度要求的高低进行综合考虑。常见的ST

13、L文件错误（1）遗漏（2）退化面（3）模型错误（4）错误法矢面注：（点、边、面和构成的实体数量必须满足如下的欧拉公式：F-E+V=2-2H，其中，F（Face）、E(Edge)、V(Vertix)、H(Hole)分别指面数、边数、点数和实体中穿透的孔洞数。）（ 点共线。或者是，不共线的面在数据转换过程中形成了三点共线的面。 点重合。或者是，在数据转换运算时造成这种结果。）STL文件分割与拼接的意义：在实际快速原型制作过程中，如果所要制作的原型尺寸相对于快速成型系统台面尺寸过大或过小，就必须对STL模型进行剖切处理或者有必要进行拼接处理。分割基本算法的V分割过程有以下四个基本模块： 1) 分割过

14、程前置处理 2) 轮廓截面的形成3) 轮廓三角形网格化4）一个三角形转化为多个三角形几种RP技术比较：目前比较成熟的快速成型技术有哪几种？它们的成型原理上分别是什么？液态光固化聚合物选择性固化成形简称SLA，粉末材料选择性烧结成形简称SLS，薄型材料选择性切割成形简称LOM，丝状材料选择性熔覆成形简称FDMSLA原理：1利用计算机控制下的紫外激光，按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹逐点扫描，使被扫描区的光敏树脂薄层产生光聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面；2当一层固化完毕，移动升降台，在原先固化的树脂表面上再敷上一层新的液态树脂，刮刀刮去多余的树脂；3激光束对新一层树脂进行扫描固化，使新固化的

15、一层牢固地粘合在前一层上；4重复2、3步，至整个零件原型制造完毕。SLS原理： 1在先开始加工之前，先将充有氮气的工作室升温，温度保持在粉末的熔点之下；2成型时，送料筒上升，铺粉滚筒移动，先在工作台上铺一层粉末材料；3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，使粉末融化并相互黏结，继而形成一层固体轮廓，未经烧结的粉末仍留在原处，作为下一层粉末的支撑；4第一层烧结完成后，工作台下降一截面层的高度，再铺上一层粉末，进行下一层烧结，如此循环，直至完成整个三维模型FDM原理：加热喷头正在计算机的控制下，可根据界面轮廓的信息作XY平面运动和高度Z方向的运动丝状热塑性材料由供丝机构送

16、至喷头，并在喷头中加热至熔融态，然后被选择性涂覆在工作台上，快速冷却后形成界面轮廓。一层截面完成后，喷头上升一截面层的高度在进行下一层的涂覆，如此循环，最终形成三维产品。LOM原理:LOM快速成形系统由计算机原材料存储及送进机构、热粘压机构、激光切割系统、可升降工作台、数控系统、模型取出装置和机架等组成。计算机用于接受和存储工件的三维模型沿模型的成型方向截取一系列的截面轮廓信息发出控制指令原材料存储及送进机构将存于其中的原材料。热黏压机构将一层层成形材料粘合在一起。可升降工作台支撑正在成型的工件并在每层成形完毕之后，降低一个材料厚度以便送进、粘合和切割新的一层成形材料。数控系统执行计算机发出的

17、指令，使材料逐步送至工作台的上方，然后粘合、切割，最终形成三维工件。哪些成形方法需要支撑材料？为什么？SLA、FDM需要制作支撑，LOM、SLS不需要制作支撑。原因：在SLA成形过程中为了确保制件的可靠固定，同时减少制件的翘曲变形，必须设计并在加工中制作一些柱状或筋状的支撑结构；LOM：工件外框与截面轮廓间的多余材料在加工中起支撑作用，无需支撑；SLS：未烧结的松散粉末可以作为自然支撑，故不需要支撑材料。光固化快速成形（SLA）有那几种形式的支撑？ a.角板支撑b.投射特征边支撑c.单臂板支撑d.臂板结构支撑e.柱形支撑常用的快速成形技术所用的成形材料分别是什么？分别有什么要求？SLA：材料为

18、光固化树脂。要求：a.成形材料易于固化，且成形后具有一定的粘接强度b.成形材料的粘度不能太高，以保证加工层平整并减少液体流平时间c.成形材料本身的热影响区小，收缩应力小d.成形材料对光有一定的透过深度，以获得具有一定固化深度的曾片。SLS：材料为所有受热后能相互粘结的粉末材料或表面覆有热塑（固）性黏结剂的粉末。要求：a.具有良好的烧结成形性能，即无需特殊工艺即可快速精确地成形原理b.对直接用作功能零件或模具的原型，其力学性能和物理性能要满足使用要求c.当原型间接使用时，要有利于快速、方便的后续处理和加工工艺。LOM：薄层材料多为纸材，黏结剂一般多为热熔胶。对纸材要求：a.抗湿性b.良好的浸润性

19、c.收缩率小d.一定的抗拉强度e.剥离性能好f.易打磨g.稳定性好。对热熔胶的要求：a.良好的热熔冷固性b.在反复熔化-固化条件下，具有较好的物理化学稳定性c.熔融状态下与纸材具有良好的涂挂性与涂匀性d.与纸具有足够的粘结强度e.良好的废料分离性能FDM：材料为丝状热塑性材料。材料要求：a.黏度低b.熔融温度低c.黏结性要好d.收缩率对温度不能太敏感这四种快速成形技术的优缺点分别是什么？SLA优点：技术成熟应用广泛，成形速度快精度高，能量低。缺点：工艺复杂，需要支撑结构，材料种类有限，激光器寿命短原材料价格高。SLS优点：不需要支撑结构，材料利用率高，选用的材料的力学性能比较好，材料价格便宜，

20、无气味。缺点：能量高，表面粗糙，成形原型疏松多孔，对某些材料需要单独处理。LOM优点：对实心部分大的物体成形速度快，支撑结构自动的包含在层面制造中，低的内应力和扭曲，同一物体中可包含多种材料和颜色。缺点：能量高，对内部空腔中的支撑物需要清理，材料利用率低，废料剥离困难，可能发生翘曲FDM优点：成形速度快，材料利用率高，能量低，物体中可包含多种材料和颜色。缺点：表面光洁度低，粗糙。选用材料仅限于低熔点的材料。几种典型RP技术的特点及用途SLA光固化成型FDM熔融沉积成型SLS选择性激光烧结LOM分层实体制造优点（1）成型速度快，成型精度、表面质量高（2）适合做小件及精细件（1）成型材料种类多，成型件强度高，可直接制作ABS塑料（2）尺寸精度较高，表面质量好，易于装配（3）材料利用率高（4）操作环境干净、安全，可用于办公室环境（1）有直接金属型的概念，可直接得