第6章-快速成形技术

1、2快速成形技术的概念和原理快速成形技术的概念和原理 快速成形制造技术（Rapid Prototyping & Manufacturing）是20世纪80年代问世并迅速发展起来的一项崭新的制造技术，是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的技术的总称。快速原型（RP，Rapid Prototyping）是快速成形（即快速制造）大家族中最早出现并发展的一种技术。 快速原型工艺流程快速原型工艺流程 4 快速成形技术的原理图快速成形技术的原理图 5快速成形的基本过程 快速原型快速原型的软件系的软件系统统CAD造型软件：造型软件：分层处理软件：分层处理软件：成形控制软件：成形控制软件

2、：进行零件的三维设计进行零件的三维设计进行分层计算以获取层进行分层计算以获取层片信息片信息进行加工参数设定、生成进行加工参数设定、生成数控代码、控制实时加工数控代码、控制实时加工1产品的三维模型构造产品的三维模型构造n 根据产品的要求在根据产品的要求在CAD软件平台设计三维模型软件平台设计三维模型n 根据二维图样构建三维模型根据二维图样构建三维模型n 采用逆向工程技术构建三维模型采用逆向工程技术构建三维模型2三维模型的近似处理三维模型的近似处理n用一系列小三角平面来逼近模型上的自由曲面，每一个用一系列小三角平面来逼近模型上的自由曲面，每一个小三角形由三个顶点和一个法矢量来表示，三角形的大小三角

3、形由三个顶点和一个法矢量来表示，三角形的大小可以选择，从而得到不同的曲面近似精度。小可以选择，从而得到不同的曲面近似精度。n经近似处理的三维模型文件格式为经近似处理的三维模型文件格式为STL，典型的商品，典型的商品化化CAD系统都有系统都有STL文件输出的数据接口文件输出的数据接口STL输出的误差输出的误差在在Pro/E中输出中输出STL文件文件n由于快速原型是按一层层截面轮廓来进行成形，因此，加工由于快速原型是按一层层截面轮廓来进行成形，因此，加工前必须从三维模型上，沿成形的高度方向，每隔一定的间隔前必须从三维模型上，沿成形的高度方向，每隔一定的间隔进行分层切片处理，以获得截面的轮廓。进行分

4、层切片处理，以获得截面的轮廓。n分层间隔选取的范围为分层间隔选取的范围为0.05mm0.5mm，常用的是，常用的是0.1mm左右。间隔愈小，精度愈高，但成形时间愈长。左右。间隔愈小，精度愈高，但成形时间愈长。n各种快速原型系统都带有分层处理软件，能将各种快速原型系统都带有分层处理软件，能将CAD模型以片模型以片层方式来描述，这样，无论零件多么复杂，对于每一层来说，层方式来描述，这样，无论零件多么复杂，对于每一层来说，都是简单的平面。都是简单的平面。n成形控制软件根据所选的数控系统将分层处理软件生成的二成形控制软件根据所选的数控系统将分层处理软件生成的二维层片信息即轮廓与填充的路径生成维层片信息

5、即轮廓与填充的路径生成NC代码，与工艺紧密代码，与工艺紧密相连，是一个工艺规划过程。相连，是一个工艺规划过程。n快速原型扫描路径规划的主要内容包括刀具尺寸补偿和扫描快速原型扫描路径规划的主要内容包括刀具尺寸补偿和扫描路径选择，其核心算法包括二维轮廓偏置算法和填充网格生路径选择，其核心算法包括二维轮廓偏置算法和填充网格生成算法。算法的要求是合理性、完善性和鲁棒性，算法的好成算法。算法的要求是合理性、完善性和鲁棒性，算法的好坏直接影响数据处理效率，生成结果则直接决定成形加工效坏直接影响数据处理效率，生成结果则直接决定成形加工效率。率。三维三维CADCAD模型设计模型设计 在PC机或图形工作站上用三

6、维软件pro/Epro/E solidworks solidworksUGUGCATIACATIA 等设计零件的三维CAD模型。 CADCAD模型的近似处理模型的近似处理 用用STLSTL文件格式进行数据文件格式进行数据转换，将三维实体表面用一系转换，将三维实体表面用一系列相连的小三角形逼近，得到列相连的小三角形逼近，得到STLSTL格式的三维近似模型文件。格式的三维近似模型文件。典型的典型的 STL STL 文件文件 对对STLSTL文件切片处理文件切片处理 切片是将模型以片层的方式来描述，片层的厚度通常在50m500m之间；无论零件形状多么复杂，对每一层来说却是简单的平面矢量扫描组（如图）

7、，轮廓线代表了片层的边界。切片处理层层堆层层堆积原型原型件生成生成CLI文件文件生成生成NC指令指令STL文件文件表面处理强化表面处理强化工件剥离去支撑工件剥离去支撑对对STL文件进行处理文件进行处理CAD三维造型三维造型CAD造型软件造型软件前处理前处理监控软件监控软件制造原型制造原型后处理后处理数据处理工艺规划软件数据处理工艺规划软件原原型型制制作作流流程程图图快速成型的技术特点快速成型的技术特点 高度柔性高度柔性技术的高度集成技术的高度集成设计、制造一体化设计、制造一体化快速性快速性高度柔性高度柔性产品制造过程几乎与零件的复杂性无产品制造过程几乎与零件的复杂性无关关生产过程数字化，与 C

8、AD 模型具有直接的关联，零件可大可小，所见即所得，可随时修改，随时制造。 技术的高度集成技术的高度集成 RP技术是计算机、数控、激光、材料和机械等技术的综合集成。CAD技术通过计算机进行精确的离散运算和繁杂的数据转换，实现零件的曲面或实体造型，数控技术为高速精确的二维扫描提供必要的基础，这又是以精确高效堆积材料为前提的，激光器件和功率控制技术使材料的固化、烧结、切割成为现实。快速扫描的高分辨率喷头为材料精密堆积提供了技术保证。快速响应性快速响应性 快速原型零件制造从CAD设计到原型 (或零件 )的加工完毕，只需几个小时至几十个小时，复杂、较大的零部件也可能达到几百小时，但从总体上看，速度比传

9、统的成形方法要快得多。尤其适合于新产品的开发，RP技术已成为支持并行工程和快速反求设计及快速模具制造系统的重要技术之一。23快速成形技术的概念大约出现在20世纪70年代末，而实际上采用分层制造原理堆积三维实体的思维雏形最早可追溯到19世纪。自1986年第一台快速成形设备SLA -l出现至今，近30年来，世界上已有大约二十多种不同的成形方法和工艺，而且新方法和工艺不断地出现，各种方法均具有自身的特点和适用范围。比较成熟的典型工艺有光固化快速成形（SL）、激光选区烧结（SLS）、叠层实体制造（LOM）、熔融沉积制造（FDM）、三维打印快速成形（3DP）等。 24主要主要RP工艺获得专利的情况表工艺

10、获得专利的情况表 主要工艺分类主要工艺分类 SLA工艺工艺 LOMLOM工艺工艺 SLSSLS工艺工艺 FDMFDM工艺工艺 3DP3DP工艺工艺 工艺工艺特特点点及常用材料及常用材料266.2.1 6.2.1 光固化快速成形工艺基本原理光固化快速成形工艺基本原理光固化快速成形，又称为立体光刻、光成形等，是一种采用激光束逐点扫描液态光敏树脂使之固化的RP成形工艺，也称为SLA（Stereolithography）工艺。 。 基本工艺过程：在树脂槽中存储一定量的光敏树脂，由液面控制系统使液体上表面保持在固定的高度，紫外激光束在振镜控制下按预定路径在树脂表面上扫描。激光扫描之处的光敏树脂由液态转变

11、为固态，从而形成具有一定形状和强度的层片；扫描固化完一层后，未被照射的地方仍是液态树脂，然后升降台带动加工平台下降一个层厚的距离，通过涂覆机构使已固化表面重新充满树脂，然后进行下一层固化，新固化的一层黏结在前一层上，如此重复，直至固化完所有层片，这样层层叠加起来即可获得所需形状的三维实体。 27光固化成形的基本原理光固化成形的基本原理 CPS250B快速原型机快速原型机 SLA工艺原理工艺原理 n 液槽液槽 n 控制系统控制系统 n 紫外激光器紫外激光器l 氦氦-镉激光器：输出功率镉激光器：输出功率15mW50mW，波长，波长325nml氩激光器：输出功率氩激光器：输出功率100mW500mW

12、，波长，波长351nm365nmn 激光束扫描装置激光束扫描装置l 电流计驱动式的扫描镜方式电流计驱动式的扫描镜方式l X-Y绘图仪方式绘图仪方式l 主要由工控机、分层处理软件和控制软件等组成主要由工控机、分层处理软件和控制软件等组成 1. 模型及支撑设计模型及支撑设计n在成形中，未被激光束照射的部分材料仍为液态，它不能使制件在成形中，未被激光束照射的部分材料仍为液态，它不能使制件上的孤立和悬臂轮廓定位。因此，必须设计和制作支撑结构。上的孤立和悬臂轮廓定位。因此，必须设计和制作支撑结构。n工件底部也要加支撑，以使工件成形后顺利从工作台取下。工件底部也要加支撑，以使工件成形后顺利从工作台取下。n

13、成形完毕后应小成形完毕后应小心除去支撑，从心除去支撑，从而得到最终所需而得到最终所需的工件。的工件。2. 分层处理分层处理采用分层软件对采用分层软件对CAD模型的模型的STL格式文件进行分层处理，得到格式文件进行分层处理，得到每一层截面图形及其有关的网格矢量数据，用于控制激光束的扫描每一层截面图形及其有关的网格矢量数据，用于控制激光束的扫描轨迹。分层处理还包括层厚、建立模式、固化深度、扫描速度、网轨迹。分层处理还包括层厚、建立模式、固化深度、扫描速度、网格间距、线宽补偿值、收缩补偿因子的选择与确定。格间距、线宽补偿值、收缩补偿因子的选择与确定。3. 原型制作原型制作液态光敏树脂逐层固化而形成原

14、型件。液态光敏树脂逐层固化而形成原型件。4. 后处理后处理原型制作完毕，需进行剥离，以便去除废料和支撑结构，有原型制作完毕，需进行剥离，以便去除废料和支撑结构，有时还需进行后固化、修补、打磨、抛光、表面涂覆、表面强化处时还需进行后固化、修补、打磨、抛光、表面涂覆、表面强化处理等，这些工序统称为后处理。理等，这些工序统称为后处理。nSLA原型材料是液态光敏树脂，如环氧树脂、乙烯酸树原型材料是液态光敏树脂，如环氧树脂、乙烯酸树脂、丙烯酸树脂等。脂、丙烯酸树脂等。 n光敏树脂材料中主要包括齐聚物、反应性稀释剂、光引光敏树脂材料中主要包括齐聚物、反应性稀释剂、光引发剂。发剂。 n由于树脂固化过程中产生

15、收缩，不可避免地会使模型材由于树脂固化过程中产生收缩，不可避免地会使模型材料内部产生应力，引起模型变形。开发收缩系数小、固料内部产生应力，引起模型变形。开发收缩系数小、固化速度快或无需后固化、强度高的光敏树脂材料是其发化速度快或无需后固化、强度高的光敏树脂材料是其发展趋势。展趋势。 SLA工艺优点如下：工艺优点如下：n尺寸精度高，可达尺寸精度高，可达0.1mm，是，是RP技术中最高的；技术中最高的；n原型表面质量优良；原型表面质量优良；n可以制作结构复杂、细小的模型；可以制作结构复杂、细小的模型；n系统非常稳定，成形过程自动化程度高；系统非常稳定，成形过程自动化程度高；n可以直接制作面向熔模精

16、密铸造的具有中空结构的消失型。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。SLA工艺缺点：工艺缺点：n成形过程中伴随着材料的物理和化学变化，产生收缩，并成形过程中伴随着材料的物理和化学变化，产生收缩，并且会因材料内部的应力导致制件较易翘曲、变形；且会因材料内部的应力导致制件较易翘曲、变形；n需要支撑；需要支撑；n设备运转及维护成本高；设备运转及维护成本高；n需要二次固化；需要二次固化；n液态树脂固化后在性能上不如常用的工业塑料，一般较脆、液态树脂固化后在性能上不如常用的工业塑料，一般较脆、易断裂。易断裂。35光固化快速成形工艺作为最早商品化的快速成形工艺之一，其设备制造商遍布世界各地，

17、其中具有代表性的制造商如美国的3D Systems公司、日本的CMET公司、以色列的Cubital公司、中国的北京殷华快速成形与模具有限公司、华中科技大学等。36iPro 8000 iPro 9000 美国3D Systems公司的iPro系列光固化成形设备37利用利用SLA技术制造出的零件技术制造出的零件 38美国Chrysler 300C轿车的前悬挂系统的装配模型 SLA技术在汽车车身制造中也有相关应用。SLA技术可制造出所需比例的精密铸造模具，从而浇铸出一定比例的车身金属模型，利用此金属模型可进行风洞和碰撞等试验，从而完成对车身的最终评价，以决定其设计是否合理。 42激光选区烧结SLS（

18、Selected Laser Sintering）工艺，又称为选择性激光烧结，它是采用红外激光作为热源来烧结粉末材料，并以逐层堆积方式成形三维零件的一种快速成形技术。SLS工艺的基本思想是基于离散一堆积成形的制造方式，实现从三维CAD模型到实体原型零件的转变。 43第一步，在计算机上，实现零件模型的离散过程； 第二步，在SLS成形机上，实现零件的层面制造； 第三步，全部烧结完成后，要做一些后处理工作，如去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理，获得原型或零件。44SLS工艺原理示意图工艺原理示意图 SLSSLS工作原理图工作原理图1. 成形参数选择成形参数选择2. 原型制作原型制作n分层参数：零

19、件加工方向、分层参数：零件加工方向、分层厚度、扫描间距和扫描分层厚度、扫描间距和扫描方式。方式。n成形烧结参数：扫描速度、成形烧结参数：扫描速度、激光功率、预热温度、铺粉激光功率、预热温度、铺粉参数等。参数等。 3. 后处理后处理n刚刚成形的树脂原型密度和强度较低，需作强化处理，将液刚刚成形的树脂原型密度和强度较低，需作强化处理，将液体可固化树脂浸渗到烧结零件中，将其保温、固化，得到增体可固化树脂浸渗到烧结零件中，将其保温、固化，得到增强的零件；强的零件；n对于陶瓷原型，需将其放在加热炉中烧除粘接剂，烧结陶瓷对于陶瓷原型，需将其放在加热炉中烧除粘接剂，烧结陶瓷粉；粉；n当原型材料为金属与粘结剂

20、的混合粉时，成形需将制件置于当原型材料为金属与粘结剂的混合粉时，成形需将制件置于加热炉中，烧去其中的粘结剂，烧结金属粉，然后进行渗铜加热炉中，烧去其中的粘结剂，烧结金属粉，然后进行渗铜处理，以得到高密度的金属件。处理，以得到高密度的金属件。 nSLS工艺使用粉末材料，它来源较为广泛，原则上讲所有工艺使用粉末材料，它来源较为广泛，原则上讲所有受热能相互粘结的粉末材料或表面附有热固（塑）性粘结受热能相互粘结的粉末材料或表面附有热固（塑）性粘结剂的粉末都可用作剂的粉末都可用作SLS材料；材料；n用蜡可以制造精密铸造用蜡模，用热塑性塑料可以制造消用蜡可以制造精密铸造用蜡模，用热塑性塑料可以制造消失模，

21、用陶瓷可以制造铸造壳型、型芯和陶瓷构件，用金失模，用陶瓷可以制造铸造壳型、型芯和陶瓷构件，用金属可以制造金属结构件和模具。属可以制造金属结构件和模具。n目前目前SLS材料主要有塑料粉、蜡粉、金属粉、表面附有材料主要有塑料粉、蜡粉、金属粉、表面附有粘结剂的覆膜陶瓷粉、覆膜金属粉及覆膜砂等；粘结剂的覆膜陶瓷粉、覆膜金属粉及覆膜砂等；SLS工艺优点如下：工艺优点如下：n可以采用多种材料，特别是可以直接制造金属零件，这使可以采用多种材料，特别是可以直接制造金属零件，这使SLS工艺颇具吸引力；工艺颇具吸引力；n无需设计和制作支撑结构；无需设计和制作支撑结构；n制件具有较好的机械性能，可直接用作功能测试或

22、小批量制件具有较好的机械性能，可直接用作功能测试或小批量使用的产品；使用的产品；n材料利用率高，未烧结的粉末可以重复利用。材料价格便材料利用率高，未烧结的粉末可以重复利用。材料价格便宜、成本低。宜、成本低。SLS工艺缺点：工艺缺点：n成形速度较慢；成形速度较慢；n成形精度和表面质量稍差，因此在成形要求精细结构和成形精度和表面质量稍差，因此在成形要求精细结构和清晰轮廓的制件时不及清晰轮廓的制件时不及SLA工艺处理；工艺处理；n成形过程能量消耗高。成形过程能量消耗高。513D Systems公司的sPro系列快速成形机 52采用sPro系列设备制造的各类零件 53德国EOS公司EOSINT P80

23、0 54采用EOSINT P系列设备制造的成形产品 55 国内主要的SLS设备制造商主要有北京隆源自动成形系统有限公司和武汉滨湖机电技术产业有限公司。下图为北京隆源公司AFS-500设备 56采用隆源公司AFS-500设备制造的成形产品 57武汉滨湖机电公司生产的HPRS设备 58采用HPRS设备制造的成形产品 59 SLS技术在汽车技术中应用广泛。汽车灯具大多数的形状是不规则的，曲面复杂，模具制造难度很大。通过快速成形技术，可以很快得到精确的产品试样，用于产品外观设计验证和结构设计验证，发现设计缺陷，完善产品设计，为模具设计CAD和CAM提供了有利的参考。 60 利用利用SLS技术制造的汽车

24、前灯和汽车内饰件技术制造的汽车前灯和汽车内饰件采用采用SLS工艺小批量工艺小批量生产航空、航天、军生产航空、航天、军工等行业的产品，既工等行业的产品，既减少了投资，又赢得减少了投资，又赢得了时间。了时间。小批量战斗机控制手柄小批量战斗机控制手柄 采用采用SLS工艺制作的高尔夫球头模具及产品工艺制作的高尔夫球头模具及产品 66叠层实体制造LOM（Laminated Object Manufacturing）工艺是快速原型技术中具有代表性的技术之一。其系统原理下图所示，由CO2激光器及扫描机构、热压辊、升降台、送纸辊、收纸辊和控制计算机等组成。 6.2.3 叠层实体制造快速成形工艺叠层实体制造快速

25、成形工艺67叠层实体制造的系统原理图叠层实体制造的系统原理图 1. 制作基底制作基底2. 原型制作原型制作3. 去除余料去除余料4. 后处理后处理 余料去除以后，为提高原型表面状况和机械强度，保证其余料去除以后，为提高原型表面状况和机械强度，保证其尺寸稳定性、精度等方面的要求，需对原型进行后置处理，比尺寸稳定性、精度等方面的要求，需对原型进行后置处理，比如防水、防潮、加固和使其表面光滑等，通常采用的后置处理如防水、防潮、加固和使其表面光滑等，通常采用的后置处理工艺包括修补、打磨、抛光、表面涂覆等。工艺包括修补、打磨、抛光、表面涂覆等。 nLOM技术使用薄层材料，如纸、金属箔、塑料薄膜、陶瓷技术

26、使用薄层材料，如纸、金属箔、塑料薄膜、陶瓷膜等，除了可以制造模型外，还可以直接制造结构件或功膜等，除了可以制造模型外，还可以直接制造结构件或功能件。能件。n目前目前LOM成形材料多采用纸。纸材在激光切割过程中一直成形材料多采用纸。纸材在激光切割过程中一直保持固态，不发生状态变化，因此翘曲变形小。所成形的保持固态，不发生状态变化，因此翘曲变形小。所成形的制件经过表面涂覆处理后不吸水，有良好的稳定性且坚如制件经过表面涂覆处理后不吸水，有良好的稳定性且坚如硬木，表面光滑。硬木，表面光滑。nLOM材料涉及到三方面的问题：薄层材料、粘结剂和涂材料涉及到三方面的问题：薄层材料、粘结剂和涂布工艺。布工艺。L

27、OM工艺优点如下：工艺优点如下：n生产效率比其它生产效率比其它RP工艺高，非常适合于制作中、大型实工艺高，非常适合于制作中、大型实心原型件；心原型件；n无需设计和制作支撑结构；无需设计和制作支撑结构；n后处理工艺简单，成形后废料易于剥离，且不需后固化处后处理工艺简单，成形后废料易于剥离，且不需后固化处理；理；n原材料价格便宜，原型制作成本低；原材料价格便宜，原型制作成本低；n制件能承受高达制件能承受高达200的高温，有较高的硬度和较好的力的高温，有较高的硬度和较好的力学性能，可以进行各种切削加工。学性能，可以进行各种切削加工。LOM工艺缺点：工艺缺点：n工件（尤其是薄壁件）的抗拉强度和弹性不够

28、好；工件（尤其是薄壁件）的抗拉强度和弹性不够好；n工件易吸湿膨胀，因此成形后应尽快做表面防潮处理；工件易吸湿膨胀，因此成形后应尽快做表面防潮处理；n不能直接制作塑料工件；不能直接制作塑料工件；n工件表面有台阶，其高度等于材料厚度，因此，成形后工件表面有台阶，其高度等于材料厚度，因此，成形后需进行表面打磨。需进行表面打磨。73 美国Helisys公司的设备外形图 74采用采用LOM 2030 E制造的新型发动机部件模型制造的新型发动机部件模型75采用采用LOM 2030 E制造的连环等异形及复杂机构制造的连环等异形及复杂机构 76日本日本Kira公司的公司的PLT快速成形设备及零件快速成形设备及

29、零件 奥迪轿车刹车钳体精铸母模的奥迪轿车刹车钳体精铸母模的LOM原型原型 奥迪轿车刹车钳体精铸件奥迪轿车刹车钳体精铸件 n汽车工业中很多形状复杂的零汽车工业中很多形状复杂的零部件均由精铸直接制得，如何部件均由精铸直接制得，如何高精度、高效率、低成本地制高精度、高效率、低成本地制造这些精铸母模是关键。采用造这些精铸母模是关键。采用传统的木模工手工制作，对于传统的木模工手工制作，对于曲面形状复杂的母模，效率低、曲面形状复杂的母模，效率低、精度差；采用数控加工制作，精度差；采用数控加工制作，则成本太高。则成本太高。n采用采用LOM工艺制造汽车零部工艺制造汽车零部件精铸母模，生产效率高，尺件精铸母模，

30、生产效率高，尺寸精度高。寸精度高。汽车发动机排气管的精铸母模汽车发动机排气管的精铸母模79熔融沉积成形工艺FDM（Fused Depositon Modeling Technology），是一种利用喷嘴熔融、挤出丝状成形材料，并在控制系统的控制下，按一定扫描路径逐层堆积成形的一种快速成形工艺，其工艺原理图如下图所示。 80熔融沉积成形技术原理图熔融沉积成形技术原理图FDMFDM工作原理工作原理1. 喷头喷头2. 送丝机构送丝机构3. 运动机构运动机构n单喷头技术：零件和支撑采用同种材料，支撑去除麻烦；单喷头技术：零件和支撑采用同种材料，支撑去除麻烦；n双喷头技术：一个用来喷模型材料制造零件，另

31、一个用来喷双喷头技术：一个用来喷模型材料制造零件，另一个用来喷支撑材料做支撑，两种材料的特性不同，去除支撑容易。支撑材料做支撑，两种材料的特性不同，去除支撑容易。nX-Y轴的联动完成喷头对截面轮廓的平面扫描，轴的联动完成喷头对截面轮廓的平面扫描，Z轴则带动轴则带动工作台实现高度方向的进给。工作台实现高度方向的进给。 4. 控制系统：运动控制、温度控制控制系统：运动控制、温度控制 5 . 软件系统：分层处理软件、成形控制软件软件系统：分层处理软件、成形控制软件1. 三维模型设计及三维模型设计及STL文件输出文件输出2. 分层处理分层处理1）启动）启动Daphne2）确定加工方向及加工位置）确定加

32、工方向及加工位置3）添加基底）添加基底4）添加支撑）添加支撑5）分层计算）分层计算3. 原型制作原型制作1）开机后，成形材料及成形室预热零件）开机后，成形材料及成形室预热零件2）启动控制软件，读入分层后的加工模型）启动控制软件，读入分层后的加工模型 3）数控初始化）数控初始化4）挤出旧丝及出丝检测）挤出旧丝及出丝检测5）工作台对高）工作台对高6）加工参数设置）加工参数设置7）成形加工）成形加工3 原型后处理原型后处理n加工完毕，零件保温，之后用小铲子小心取出原型加工完毕，零件保温，之后用小铲子小心取出原型n小心去除支撑，用砂纸打磨台阶效应较明显处，用小刀处理多余小心去除支撑，用砂纸打磨台阶效应

33、较明显处，用小刀处理多余部分，用填补液处理台阶效应造成的缺陷，用上光液把原型表面部分，用填补液处理台阶效应造成的缺陷，用上光液把原型表面上光上光nFDM工艺需要有支撑，当支撑与原型材料相同时，手工去除支撑工艺需要有支撑，当支撑与原型材料相同时，手工去除支撑需要一定的技巧，复杂、细小特征处的支撑剥离效果较差，影响需要一定的技巧，复杂、细小特征处的支撑剥离效果较差，影响原型件的精度和表面质量原型件的精度和表面质量n采用双喷头和双材料技术，成形时，一个喷头用于挤喷模型材料，采用双喷头和双材料技术，成形时，一个喷头用于挤喷模型材料，一个喷头用于挤喷支撑材料，而支撑可以选择水溶材料、低于模一个喷头用于挤

34、喷支撑材料，而支撑可以选择水溶材料、低于模型材料熔点的热熔材料等。成形之后，支撑很容易去掉，留下光型材料熔点的热熔材料等。成形之后，支撑很容易去掉，留下光滑、清洁、精确的原型件，没有刮痕和擦伤，细小的特征会保留滑、清洁、精确的原型件，没有刮痕和擦伤，细小的特征会保留得完整无缺。得完整无缺。nFDM工艺中使用的材料是线材，分为成形材料和支撑材料。工艺中使用的材料是线材，分为成形材料和支撑材料。对于成形材料，要求其熔融温度低、粘度低、粘结性好、对于成形材料，要求其熔融温度低、粘度低、粘结性好、收缩率小；收缩率小；n目前使用的材料主要包括目前使用的材料主要包括ABS及医学专用的及医学专用的ABSi、

35、MABS、石蜡、聚烯烃树脂、尼龙、聚酰胺、低熔点金、石蜡、聚烯烃树脂、尼龙、聚酰胺、低熔点金属和陶瓷等；属和陶瓷等；n对支撑材料的要求是能够承受一定的高温、与成形材料对支撑材料的要求是能够承受一定的高温、与成形材料不浸润、具有水溶性或酸溶性、具有较低的熔融温度、不浸润、具有水溶性或酸溶性、具有较低的熔融温度、流动性好等。流动性好等。FDM工艺优点如下：工艺优点如下：n无需激光系统，设备结构简单、运行安全、操作维护简便，无需激光系统，设备结构简单、运行安全、操作维护简便，成本低，其设备成本为成本低，其设备成本为SLA设备的设备的1/5；n可以在办公室环境下使用；可以在办公室环境下使用；n原材料在

36、成形过程中无化学变化，制件翘曲变形小；原材料在成形过程中无化学变化，制件翘曲变形小；n当使用水溶性支撑材料时，支撑去除方便快捷，且效果极当使用水溶性支撑材料时，支撑去除方便快捷，且效果极好。好。FDM工艺缺点：工艺缺点：n成形精度较；成形精度较；n也需要对整个截面进行扫描，成形时间较长；也需要对整个截面进行扫描，成形时间较长；n沿沿Z轴方向，制件强度较弱。轴方向，制件强度较弱。指标指标SLALOMSLSFDM成形速度成形速度较快较快快快较慢较慢较慢较慢原型精度原型精度较高较高较高较高较低较低较低较低制造成本制造成本高高较低较低较低较低低低原型复杂程度原型复杂程度复杂复杂中等中等较复杂较复杂中等

37、中等零件大小零件大小中小件中小件大件大件中小件中小件中小件中小件四种工艺的对比四种工艺的对比98美国美国Stratasys公司公司Dimension设备外观设备外观99北京殷华激光快速成形及模具技术有限公司，是国内最早从事快速成形设备及工艺研究开发的单位。该公司研制的熔融沉积快速成形设备主要有MEM系列产品，下图为MEM350熔融挤出成形设备。 100韩国的起亚汽车的仪表板设计制造三维CAD造型图加工测试后处理、装配 101罗技罗技(Logitech)开发的蓝牙移动电话开发的蓝牙移动电话 102 Toro公司开发的排灌设备公司开发的排灌设备 使用使用FDM工艺制作医学模工艺制作医学模型，有助于

38、改善外科手术型，有助于改善外科手术方案，并有效地进行医学方案，并有效地进行医学诊断，大大减少手术前、诊断，大大减少手术前、中和后的时间和费用中和后的时间和费用采用采用FDM工艺制作的人工艺制作的人体骨骼模型体骨骼模型108 三维打印快速成形工艺（Three Dimension Printing，3DP）工艺是美国麻省理工大学E.M.Sachs教授等学者开发的一种快速成形工艺，并于1993年申请了3个专利。与选区激光烧结工艺一样，该工艺的成形材料也需要制备成粉末状，所不同的是，3DP是采用喷射黏结剂粘接粉末的方法来完成成形过程。 三维印刷三维印刷3DP3DP工艺工艺Three Dimension

39、 PrintingThree Dimension Printing 3DP工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉末上面（如图）。用粘接剂粘接的零件强度较低，还须后处理。先烧掉粘接剂，然后在高温下渗入金属，使零件致密化。提高强度。1113DP工艺流程图工艺流程图 3DP工作原理工作原理1133DP工艺最大的特点是采用了数字微滴喷射技术。数字微滴喷射技术是指在数字信号的控制下，采用一定的物理或者化学手段，使工作腔内的流体材料的一部分在短时间内脱离母体，成为一个（组）微滴（dr

40、oplets）或者一段连续丝线，以一定的响应率和速度从喷嘴流出，并以一定的形态沉积到工作台上的指定位置。 114 微滴喷射技术示意图微滴喷射技术示意图 115基于数字微滴喷射技术的基于数字微滴喷射技术的3DP3DP工艺具有如下特点工艺具有如下特点（1）成形效率高；（2）成本低，结构简单，易于小型化；（3）可适用的材料非常广泛。116Z Corp. .公司的公司的Z310Z Corp. .公司的公司的Z510117摩托罗拉的摩托罗拉的V70手机手机Z310快速成形的石膏模型快速成形的石膏模型118Z510快速成形制造鞋底模型快速成形制造鞋底模型 119轮廓成形工艺轮廓成形工艺 轮廓成形工艺CC（

41、Contour Craft）是由美国南加州大学Behrokh Khoshnevis等人开发的一种类似于熔融堆积成形的工艺，形成原型的层片为准三维。120三维绘图工艺简介三维绘图工艺简介三维绘图工艺（3D plotting）是由Sanders Prototype公司（后改名为Solidscape公司）开发的。与3DP工艺不同，三维绘图采用两个微滴喷射喷嘴分别喷射成形材料和支撑材料完成堆积成形（包括支撑结构），而不是喷射黏度很低的黏结剂。 三维绘图工艺原理三维绘图工艺原理 121激光快速制造技术是以激光为输出能量，利用CAD数字模型驱动高能量密度的激光束熔化、烧结、连接金属粉末或板材直接成形金属零

42、件或模具的一项快速制造技术。 激光快速制造技术主要有：激光熔覆快速制造、激光选区烧结快速制造、激光选区熔化快速制造、激光金属板材叠加快速制造和生坯带激光烧结快速制造。 122 激光熔覆快速制造技术，又称激光近形制造技术LENS(laser engineered net shaping)，激光熔覆（laser cladding）又称为激光包覆、激光涂覆，是利用一定功率密度的激光束照射被覆金属表层上的具有某种特殊性能的材料，使之完全熔化，而基体金属微熔，冷凝后在基材表面形成一个低稀释度的包覆层，从而达到使基材改性的目的。 123 激光熔覆快速制造技术在新型汽车制造、航天、航空、新型武器装备中的高性

43、能特种零件和民用工业中的高精尖零件的制造领域具有极好的应用前景，尤其是在常规方法很难加工的梯度功能材料、超硬材料和金属间化合物材料的零件快速制造以及大型模具的直接快速制造上。124（1）特种材料复杂形状金属零件直接制造；（2）含内流道和高热导率部位的模具；（3）模具快速制造、修复与翻新，表面强化与高性能涂层；（4）敏捷金属零件和梯度功能金属零件制造； （5）航空航天重要零件的局部制造与修复； （6）特种复杂金属零件制造； （7）医疗器械等。激光熔覆快速制造技术的应用领域：激光熔覆快速制造技术的应用领域：125 美国Optomec公司是LENS技术研究的代表企业，主要设备有LENS系列。下图为

44、Optomec公司LENSTM 850R System成形设备126航空用金属排气零件的加工航空用金属排气零件的加工 127LENS加工叶片加工叶片 LENS加工的壳体零件加工的壳体零件 128 Directed Light Fabrication，简称DLF，是另一种激光熔覆快速制造技术，成形原理和LENS基本相同。DLF技术由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory )与SyntheMet公司合作开发而成。下图为DLF加工设备以及用DLF设备加工的零件。129 （1）大型零件的毛坯制造 对于大型零件的毛坯制造，用直接金属制造可以节约昂贵的大型

45、模具开发成本，加快制造时间，而且成形的零件性能能够达到要求。这种制造一般不需要太高的成形精度，要留有足够的加工余量在后续处理中加工，以达到精确的零件尺寸。 （2）小型功能梯度复杂零件或多材料复杂零件的制造。 激光熔覆快速制造金属零件的发展方向：激光熔覆快速制造金属零件的发展方向：130 激光选区烧结快速制造技术是以金属零件的快速制造为主。 按所使用的材料来分，激光选区烧结快速制造技术主要有三类方法： 单一成分金属粉末的烧结； 金属粉末与有机粘结剂混合物的烧结； 不同熔点的金属粉末混合物的烧结。 按制作的零件是否需要后处理，激光选区烧结快速制造技术又可分为两种模式：间接激光选区烧结 直接激光选区

46、烧结。 131 德国EOS公司在金属粉末的激光选区烧结快速制造方面一直走在前列，它开发了激光烧结直接制作金属零件和模具的技术DMLS(direct metal laser sintering)和EOSINTM系列设备。下图为采用EOS激光粉末烧结快速成形系统制造的金属零件。 132 EOS还推出了用于金属成形的粉末材料Driectsteel H20, 其硬度可达42HRC，拉伸强度达1200 MPa。用Driectsteel H20材料制作的模具镶块用于塑料注射模，其寿命可达10万件。下图为采用EOSINT M250 XTEND快速成形系统制造的金属模具及零件。133 DTM公司于1994年推

47、出Rapid Steel制造技术，在SLS中烧结表面包覆树脂材料的铁粉，初次成形零件后，置入铜粉中再一起放入高温炉进行二次烧结制造出注塑模具，此模具在性能上相当于7075铝合金，可以注塑5万件。下图为美国NACCO公司利用DTM设备生产的手柄注塑模，材料为Rapid Steel 1.0。 1346.3.3 激光选区熔化快速制造技术激光选区熔化快速制造技术 以德国F&S/MCP及英国The University of Liverpool为代表的金属粉末激光选区熔化技术SLM(Selective Laser Melting)采用单一成分的金属粉末，其主要特点是金属粉末在激光辐照下，达到完全

48、熔化，而非局部熔结。 135SLM技术示意图加工的典型零件136 （1）超轻航空航天部件的快速制造在满足各种性能要求的前提下，与传统方法制造的零件相比，用SLM方法制造的零件的重量可以减轻90左右（如下图所示）。 137（2）刀具的快速制造用SLM方法可以快速制造具有随形冷却流道的刀具和模具，使其冷却效果更好，从而减少冷却时间，提高生产效率和产品质量。138 （3）微散热器的快速制造用SLM方法可以快速制造具有交叉流道的散热器，流道结构尺寸目前可以做到0.5 mm，表面粗糙度可以达到Ra = 8.5 m。139 （4）生物制造将SLM方法用于生物制造，具有下列优点：能够制造多孔生物构件；生物构

49、件的密度可以任意变化；构件体积孔隙度可以达到7595。下图为用SLM方法制造的多孔生物构件的SEM照片 。140 金属板材叠加制造技术是基于LOM工艺方法，直接采用金属片材，通过激光切割、焊接或粘接金属片材制造金属零件及模具。日本Tokyo Institute of Technology大学的T.Obikawa等人使用0.2 mm厚、两面涂了低熔点合金的钢板，通过焊接堆积制造金属模具。此外，还有人采用2.5 mm厚、两面涂了低熔点的材料的铝合金板，层层叠加成形。 141 CAM-LEM INC.公司开发了叠层工程材料计算机辅助制造技术CAM-LEM（Computer-Aided Manufacturing of Laminated Eng. Materials）。下图为 CAM-LEM制造设备CL-100及制造的金属模具。142此外，美国Michigan的Solidic Inc.公司也开发了一种直接金属制造工艺，他们用25mm宽，0.1mm厚的铝合金带材，根据分层堆积与CNC铣削的原理制造复杂的铝件(模)，制造速度可达574cm3/h，成形件尺寸为500mm900mm250mm，精度高达 0.075mm。 143 6.4.1 生物制造概述生物制造概述 一直以来，人们希望能够使用人工方法构建具有一定