机械设计第一章

1、快速设计及成型技术快速设计及成型技术第一章第一章 绪论绪论1.11.1简介简介快速成型（快速成型（Rapid PrototypingRapid Prototyping RPRP）技术）技术属于机械工程学科特种加工工艺的范围。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使用激光作为能源的快速成型技术(RPT)(RPT)还可还可以归入激光加工门类。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造技术，也是制造理论研究成果中具有代表性的成果之一。的成果之一。1.21.2快速成型技术的产生快

2、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，快速成型技术的产生具有鲜明的时代特征，其背景为：其背景为：科学技术整体、迅速的发展不仅促进了经济科学技术整体、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的繁荣和社会的进步，而且还丰富和发展了各门学科。门学科。一方面，不同学科之间的交叉融合迅速产生一方面，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、计算机辅结构科学；激光技术、新材料技术、计算机辅

3、助设计和制造集成了快速成型制造（助设计和制造集成了快速成型制造（RPTRPT）另一方面，经济的发展和社会的进步又另一方面，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；期待出现微型耳窝业；期待出现微型耳窝“种入聋耳内从而种入聋耳内从而产生听力产生听力”。这种聚合和期望可以称之为学科前沿。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。科学技术问题之间的界域。1.21.2快速成型技术的产生快

4、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开相关学科的发展，因此解决好技术集成的“接口接口”就就成为各项先进制造技术的研究内容。成为各项先进制造技术的研究内容。“接口接口”问题就是学科前沿的界域问题问题就是学科前沿的界域问题。RPTRPT将激光将激光技术、新材料技术、技术、新材料技术、CAD/CAMCAD/CAM集成起来，解决了激光技集成起来，解决了激光技术对新材料的作用，术对新材料的作用，CAD

5、CAD模型（模型（STLSTL文件格式）的切片处文件格式）的切片处理，以及满足理，以及满足“离散离散/ /堆积堆积”成型工艺要求的包括数控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技术、精密机械和光电子技术在内的一系列“接口接口”问问题，从而形成一项新的先进制造技术。反过来它的发展题，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。发展。RPTRPT符合上述学科前沿的特徽。符合上述学科前沿的特徽。1 1、从学科发展的特征看、从学科发展的特征看RPTRPT的产生背景的产生背景面向市

6、场的集成技术工程化要求是多品种、变批量和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，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，争中立于不败之地，在这种历史背景下，RPTRPT就应用而就应用而生了。生了。简言之，快速成型技术具有鲜明的时代特征。它于简言之，快速成型技术具有鲜明的时代特征。它于2020世纪世纪8080年代后期兴起，

7、起源于美国，很快发展到日年代后期兴起，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。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。属于局部制造理论范围内的研究成果。2 2、从全球市场经济的特征看、从全球市场经济的特征看RPTRPT的产生背景的产生背景1.3 1.3 关于对快速成型的命名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，常见有以下对这项新技术的命名，多年未能统一，常见有以下几种：几种：快速成型快速成型( (Rapid PrototypingRapid Prototyping) )任意成型任意成型( (Freeform

8、 FabricationFreeform Fabrication) )桌面制造桌面制造( (Desk-Top ManufacturingDesk-Top Manufacturing) )三维打印三维打印( (3D Printing3D Printing) )快速原型快速原型/ /零件制造零件制造( (RPMRPM) )快速工模具制造快速工模具制造( (RTMRTM) )快速铸造快速铸造( (RCRC) )我国已倾向于我国已倾向于“快速成型快速成型”（ Rapid Prototyping ）这个名称。常用这个名称。常用RPRP来代表快速成型，用来代表快速成型，用RPTRPT来表示快速来表示快速成

9、型技术，用成型技术，用RPSRPS用于表示快速成型系统。用于表示快速成型系统。1.3.1 1.3.1 快速成型技术定义快速成型技术定义简单说，快速成形技术简单说，快速成形技术是由是由CADCAD模型直接驱动，模型直接驱动，快速制造任意复杂形状快速制造任意复杂形状的三维物理实体的技术。的三维物理实体的技术。核心是由核心是由CADCAD模型直接模型直接驱动，其基本过程如图驱动，其基本过程如图1-11-1所示。所示。CAD建模建模分层、加工路径生成分层、加工路径生成 堆积制造堆积制造图图1-1快速成型过程示意图快速成型过程示意图v首先由首先由CADCAD软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体软件设

10、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；模型，即数字模型或称电子模型；v然后根据工艺要求，按照一定的规则将该模型离散为一然后根据工艺要求，按照一定的规则将该模型离散为一系列有序的单元，通常在系列有序的单元，通常在z z向将其按一定厚度进行离散向将其按一定厚度进行离散( (习惯称为分层或切片习惯称为分层或切片) )，把三维电子模型变成一系，把三维电子模型变成一系列的二维层片；列的二维层片；v再根据每个层片的轮廓信息，进行工艺规划，选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；择合适的加工参数，自动生成效控代码；v最后由成形机接受控制指令制

11、造一系列层片并自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，得到动将它们联接起来，得到个三维物理实体。个三维物理实体。v这种将一个物理实体复杂的三维加工离散成一系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。物理实体的形状和结构的复杂程度无关。1.3.2 1.3.2 快速成型五个步骤快速成型五个步骤1 1、CADCAD模型设计模型设计 主要是解决零件主要是解决零件的几何造型

12、，应有较强的实体造型的几何造型，应有较强的实体造型或曲面造型功能，并与后续的软件或曲面造型功能，并与后续的软件具有良好的数据接口。具有良好的数据接口。2 2、z z向离散化向离散化 分层过程它将分层过程它将CADCAD模型在模型在z z向上分成一系列具有一向上分成一系列具有一定厚度（定厚度（0.050.3mm0.050.3mm）的薄层。破）的薄层。破坏了零件在坏了零件在z z向的连续性，向的连续性，z z向上会向上会产生产生“台阶台阶”。从理论上讲，分层。从理论上讲，分层厚度合理，可满足零件的加工精度厚度合理，可满足零件的加工精度要求。要求。图图1-2 快速成型的五个步骤快速成型的五个步骤1.

13、3.2 1.3.2 快速成型五个步骤快速成型五个步骤3、层面信息处理层面信息处理 为控制成形机对层为控制成形机对层面的加工轨迹，必须把层面的几何形状面的加工轨迹，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。信息转换成控制成形机运动的数控代码。4、层面加工与粘接层面加工与粘接 成形机根据控制成形机根据控制指令进行二维扫描，同时进行层与层的指令进行二维扫描，同时进行层与层的粘接。粘接。5、层层堆积层层堆积 当一层制造完毕后，成当一层制造完毕后，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加工新的一层，如此反复进行直至整个原型加

14、工完成。对完成的原型进行后处原型加工完成。对完成的原型进行后处理，如深度固化、去除支撑、修磨、着理，如深度固化、去除支撑、修磨、着色等，使之达到要求。色等，使之达到要求。图图1-2 快速成型的五个步骤快速成型的五个步骤1.3.2 1.3.2 快速成型的特征快速成型的特征v快速成形技术在成形概念上以离散堆积成形为指导思想；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。在控制上以计算机和数控为基础，以最大柔性为目标。v计算机技术和数控技术高度发展的今天，才有可能产生快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。速成形技术。CAD

15、CAD技术实现了零件的曲面或实体造型，能够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。料的前提。v材料科学的发展则为快速成形技术奠定了坚实的基础，材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。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、目前快速成形技术中材料的转移形

16、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，一般为片，一般为2 25 5维层片，即侧壁为直壁的层片。目前也出现维层片，即侧壁为直壁的层片。目前也出现了由了由3 3维层片构成实体的工艺。维层片构成实体的工艺。快速成形技术的重要特征是快速成形技术的重要特征是：v1)1)高度柔性，成形过程无需专用工具或夹具。可以高度柔性，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；制造任意复杂形状的三维实体；v2)CAD2)CAD模型直接驱动，模型直接驱动，CADCADCAMCAM一体化，无需人员一体化，无需人员

17、干预或较少干预，是一种自动化的成形过程；干预或较少干预，是一种自动化的成形过程；v3)3)成形过程中信息过程和材料过程的一体化，适合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；的原型；v4)4)成形的快速性，适合现代激烈竞争的产品市场；成形的快速性，适合现代激烈竞争的产品市场；v5)5)技术的高度集成性，快速成形是计算机、数控、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。激光、新材料等技术的高度集成。思考题思考题v1.简述简述RP的工艺过程。的工艺过程。v2.RPT优点（或

18、内涵）是什么？优点（或内涵）是什么？v3.快速成型的定义和特征？快速成型的定义和特征？v4.简述快速成型的五个步骤。简述快速成型的五个步骤。第二章第二章 快速成型技术原理及其方法快速成型技术原理及其方法 2.1 2.1 快速成型技术的原理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。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，成形件几实体最终结构的书序与约束。成形顺序，成形件几何设

19、计以及何设计以及NCNC代码的生成等均属此范围。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。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现代成形理论内容主要包括：2.1.1 2.1.1 成形方式分类成形方式分类根据现代成形学的观点，从物质的组织方式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：上，可把成形方式分为以下四类：1.1.去除成形去除成形（Dislodge

20、 FormingDislodge Forming）2.2.堆积成形堆积成形（Stacking FormingStacking Forming）3.3.受迫成形受迫成形（Forced FormingForced Forming）4.4.生长成形生长成形（Growth FormingGrowth Forming）随着科学技术的发展和制造工艺的不断完善，未来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

21、、融合。种成形工艺不断交叉、融合。去除成形去除成形 去除成形是运用分离的方法，把一部分材料去除成形是运用分离的方法，把一部分材料（裕裕量材料量材料）有序的从基本体上分离出去而成形的办法。）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，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现代电火花加工、激光切割、打孔等也属于去除成形。形。去除成形最先实现了数字化控制，是目前主要的去除成形最先实现了数字化控制，是目前主要的成形方式。成形方式。堆积成形堆积成形 堆积成形是运用合并和连接的方法，把材料堆积成形是运用合并和连接的方

22、法，把材料（汽、液、固相）（汽、液、固相）有序的合并堆积起来的成形办有序的合并堆积起来的成形办法。法。 RPRP即属于堆积成形。它是在计算机控制下完即属于堆积成形。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成的，其最大的特点是不受成形零件复杂程度的限制。限制。从广义上讲，焊接也属于堆积成形的范畴。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 受迫成形是利用材料的可成形性（如塑性等）受迫成形是利用材料的可成形性（如塑性等）在特定外围约束在特定外围约束（边界约束或外力约束）（边界约束或外力约束）下的成形下的成形方法。方法。 传统的锻压、铸造和粉末冶金等均属于受迫成传统

23、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。于毛坯成形、特种材料成形等。生长成形生长成形 生长成形是利用材料的活性进行成形的方法。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，自然界中生物个体发育均属于生长成形，“克隆克隆”技术是产生在人为系统中的一种成形方式。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。的发展，这种成形方式将会得到很大发展。2.

24、1.2 2.1.2 快速成形技术的原理快速成形技术的原理笼统讲，笼统讲，RPRP属于堆积成形，严格讲，属于堆积成形，严格讲，RPRP应该属于离应该属于离散散/ /堆积成形。堆积成形。RPTRPT将将CADCAD、CAMCAM、CNCCNC、精密伺服驱动、光电子和新、精密伺服驱动、光电子和新型材料等先进技术集于一体，依据由型材料等先进技术集于一体，依据由CADCAD构成的产品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，三维模型，对其进行分层切片，得到各层界面的轮廓，利用各种利用各种RPRP工艺方法形成各截面，并逐步叠加成三维工艺方法形成各截面，并逐步叠加成三维产品。产品。它将一个复

25、杂的三维加工简化为一系列二维加工的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组合与传统加工成形方法形成鲜明的对照。参考图参考图2-1图图2-1 2-1 传统加工与快速成型传统加工与快速成型2.1.2.1 RP2.1.2.1 RP的工艺过程的工艺过程v1 1、三维模型的构造三维模型的构造v2 2、三维模型的近似处理三维模型的近似处理v3 3、三维模型的切片处理三维模型的切片处理v4 4、截面加工截面加工v5 5、截面叠加截面叠加v6 6、后处理后处理RPRP的工艺流程可以的工艺流程可以参考图参考图2.22.21、三维模型的构建、三维模型的构建 由于由于 RP

26、 RP 系统是由三维系统是由三维 CAD CAD 模型直接驱动，因模型直接驱动，因此此只接受计算机构造的产品三维模型（立体图），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。然后才能进行切片处理。该三维该三维CADCAD模型可以利用模型可以利用计算机辅助设计软件（如计算机辅助设计软件（如Pro/E , I-DEAS , Pro/E , I-DEAS , Solid Works , UG Solid Works , UG 等），根据产品要求设计三维等），根据产品要求设计三维模型。模型。或或将已有产品的二维图样进行转换而形成三维模将已有产品的二维图样进行转换而形成三维模型型 。或

27、对已有产品实体进行激光扫描、或对已有产品实体进行激光扫描、 CT CT 断层扫描，断层扫描，得到点云数据，（得到点云数据，（仿制产品仿制产品）然后利用反求工程的）然后利用反求工程的方法来构造三维模型。方法来构造三维模型。2、三维模型的近似处理、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。三顶点坐标和一个法向量来描述。三角形的大小是可以

28、选择的，从而得到不同的曲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面近似程度。经过上述近似处理的三维模型文件称为为STLSTL格式文件格式文件，它由一系列相连的空间三角形组，它由一系列相连的空间三角形组成。成。典型的典型的CADCAD软件都有转换和输出软件都有转换和输出STLSTL格式文件的接格式文件的接口，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。局部的修改。3、三维模型的切片处理、三维模型的切片处理由于由于RPRP工艺是按一层层截面轮廓来进行加工，因工艺是按一层层截面轮廓来进行加工，因此加工前

29、必须从三维模型上沿成形高度方向每隔一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。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，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。间隔的范围为精度越高，但成形时间越长。间隔的范围为0.05mm0.5mm0.05mm0.5mm，常用，常用0.1mm0.1mm，能得到相当光滑的成，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。厚度应与其相适应。各种成形系统都带有切片处理软件，

30、能自动提取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。模型的截面轮廓。4、截面加工、截面加工根据切片处理的截面轮廓，在计算机控制根据切片处理的截面轮廓，在计算机控制下，下，RPRP系统中的成形头系统中的成形头( (如激光扫描头或喷头如激光扫描头或喷头) )在在XYXY平面内自动按截面轮廓进行扫描，切割平面内自动按截面轮廓进行扫描，切割纸纸( (或固化液态树脂，烧结粉末材料，喷射粘或固化液态树脂，烧结粉末材料，喷射粘结剂和热熔材料结剂和热熔材料) )，得到一层层截面。，得到一层层截面。5、截面叠加、截面叠加每层截面成形之后，下一层材料被送至已每层截面成形之后，下一层材料被送至已成形

31、的层面上，然后进行后一层截面的成形，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。逐步叠合在一起，最终形成三维产品。6 6、后处理、后处理从成形机中取出成形件，进行打磨、涂挂。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，进一步提高其强度或者放进高温炉中烧结，进一步提高其强度( (如如3D-P3D-P工艺工艺) )。对于对于覆膜材料覆膜材料SLSSLS工艺，成形件工艺，成形件放入放入高温炉中烧高温炉中烧结是为了使粘结剂挥发掉，以便进行渗金属结是为了使粘结剂挥发掉，以便进行渗金属

32、( (如渗如渗铜铜) )处理。处理。图图2-2 快速成型过程快速成型过程2.1.2.2 RPT2.1.2.2 RPT的优点的优点RPTRPT采用离散堆积成形的原理，自动完成从电子模型采用离散堆积成形的原理，自动完成从电子模型(CAD(CAD模型模型) )到物理模型到物理模型( (原型和零件原型和零件) )的转换。的转换。RPTRPT具有高度的柔性。具有高度的柔性。无需任何专用工模具即可完成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。复杂的制造过程，快速制造工模具、原型或零件。RPTRPT实现了机械工程学科多年来追求的两大先进目标，实现了机械工程学科多年来追求的两大先进

33、目标，即即材料提取材料提取( (气、液、固相气、液、固相) )过程与制造过程一体化和设过程与制造过程一体化和设计计(CAD)(CAD)与制造与制造(CAM)(CAM)一体化。一体化。通过对一个通过对一个CADCAD模型的修改或重组就可获得一个新零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，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。具有突出的快速制造的优点。与反求工程与反求工程(Reverse EngineeringRE)(Reverse EngineeringRE)相结合，成相结合，成为快速开发新产品的有力工具。为快速开发

34、新产品的有力工具。2.22.2快速成型的主要工艺方法快速成型的主要工艺方法2.2.12.2.1立体印刷立体印刷( (光刻光刻) ) (Stereo Lithography ApparatusSLA)(Stereo Lithography ApparatusSLA) 此工艺方法也称液态光敏树脂选择性固化。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这是一种最早出现的RPTRPT，它的原理如图，它的原理如图2323所示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，可升降速固化。成形开始时，可升降工作台使其处于液面

35、下一个层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，使扫描区域的液廓进行扫描，使扫描区域的液态树脂固化，形成该层面的固态树脂固化，形成该层面的固化层。化层。然后工作台下降一层的高度，然后工作台下降一层的高度，其上覆盖另一层液态树脂，再其上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层的扫描固化，与此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，如此重复直到整在前一层上，如此重复直到整个产品完成。个产品完成。1、液面、液面 2、激光二维扫描图、激光二维扫描图 3、升降台

36、、升降台 4、零件、零件 5、零件支撑结构、零件支撑结构 6、液态光敏树脂、液态光敏树脂图图2-3 立体印刷立体印刷立体印刷（立体印刷（SLASLA）成型材料）成型材料 SLA SLA工艺的成型材科称为光固化树脂工艺的成型材科称为光固化树脂( (或称光敏或称光敏树脂树脂) )，光固化树脂材料中主要包括，光固化树脂材料中主要包括齐聚物、反应齐聚物、反应性稀释剂及光引发剂性稀释剂及光引发剂。根据引发剂的引发机理，光。根据引发剂的引发机理，光固化树脂可以分为三类：固化树脂可以分为三类：自由基光固化树脂；自由基光固化树脂；阳离子光固化树脂；阳离子光固化树脂；混杂型光固化树脂。混杂型光固化树脂。立体印刷

37、（立体印刷（SLASLA）成型材料）成型材料1 1自由基光固化树脂自由基光固化树脂 自由基齐聚物主要有三类：自由基齐聚物主要有三类：环氧树脂丙烯酸酯环氧树脂丙烯酸酯( (聚合快、终产品强度高但脆性较大、聚合快、终产品强度高但脆性较大、产品易泛黄产品易泛黄) )；聚酯丙烯酸酯聚酯丙烯酸酯( (流平好、固化好、性能可调节流平好、固化好、性能可调节) )；聚氨酯丙烯酸酯聚氨酯丙烯酸酯( (可赋予产品柔顺性与耐磨性，但聚合可赋予产品柔顺性与耐磨性，但聚合速度减慢速度减慢) )。 稀释剂包括多官能度单体与单官能度单体两类。此外，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、常

38、规的添加剂还有：阻聚剂、UVUV稳定剂、消泡剂、流平剂、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。有较长的存放时间。立体印刷（立体印刷（SLASLA）成型材料）成型材料2 2阳离子光固化树脂阳离子光固化树脂 阳离子光固化树脂的主要成分为环氧化合物。用于阳离子光固化树脂的主要成分为环氧化合物。用于SLSL工艺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。的阳离子型齐聚物和活性稀释剂，通

39、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：环氧树脂是最常用的阳离子型齐聚物，其优点如下： (1)(1)固化收缩小，预聚物环氧树脂的固化收缩率为固化收缩小，预聚物环氧树脂的固化收缩率为2 233，自，自由基光固化树脂的预聚物丙烯酸酷的固化收缩率为由基光固化树脂的预聚物丙烯酸酷的固化收缩率为5 577；(2)(2)产品精度高；产品精度高；(3)(3)阳离子聚合物是活性聚合，在光熄灭后可继续引发聚合；阳离子聚合物是活性聚合，在光熄灭后可继续引发聚合；(4)(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；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)(

40、5)粘度低；粘度低；(6)(6)生坯件强度高；生坯件强度高；(7)(7)产品可以直接用于注塑模具。产品可以直接用于注塑模具。3 3混杂型光固化树脂混杂型光固化树脂 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：化树脂，其优点主要有： (1)(1)环状聚合物进行阳离子开环聚合时，体积收缩很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

41、计成无收缩的聚合物。体系可以设计成无收缩的聚合物。 (2)(2)当系统中有碱性杂质时，阳离子聚合的诱导期较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。导期短而聚合速度稳定的聚合系统。 (3)(3)在光照消失后阳离子仍可引发聚合，故混杂体系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。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（立体印刷（SLASLA）成型材料）成型材料立体印刷（立体印刷（SLASLA）的的优缺

42、点优缺点优点：适合成形小件，能直接得到塑料产品，表优点：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面粗糙度质量较好，并且由于紫外激光波长短( (例如例如He-CdHe-Cd激光器，激光器，325nm)325nm)，可以得到很小的聚焦光，可以得到很小的聚焦光斑，从而得到较高的尺寸精度。斑，从而得到较高的尺寸精度。缺点：缺点：(1)(1)需要设计支撑（筋肋）结构，才能确保在成形过需要设计支撑（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；程中制件的每一个结构部分都能可靠定位；(2)(2)成形中有物相变化，翘曲变形较大，也可以通过成形中有物相变化

43、，翘曲变形较大，也可以通过支撑结构加以改善；支撑结构加以改善；(3)(3)原材料有污染，且使皮肤过敏。原材料有污染，且使皮肤过敏。立体印刷（立体印刷（SLASLA）的的优缺点总结优缺点总结展现细节：展现细节：基于基于SLA激光成型的特点和模仿完美细节的优点，激光成型的特点和模仿完美细节的优点，SLA成型成为概念成型成为概念模型、设计研究和真空注型原型件的理性之选。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加工不到的细节部分都

44、能加工出来，从而减轻了后处理的工作量。能加工出来，从而减轻了后处理的工作量。加工范围：加工范围：外观概念模型外观概念模型 /结构适配样板结构适配样板 /快速模具原型快速模具原型 /工艺品及玩具工艺品及玩具 使用价值：使用价值：整个整个SLA成型的过程无需进行费时的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工艺，可以快速地通

45、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。来审视未来产品的外形和功能。 标准精度：标准精度：紫外激光可按照零件的截面信息进行紫外激光可按照零件的截面信息进行0.1mm和和0.15mm的分层扫描，的分层扫描，加工精度较高，可确保工件的尺寸精度达到加工精度较高，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。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。的时间，更少的成本制造符合需求的模型样板。 2.1.2 2.1.2 分层实体制造分层实体制造（Laminated Object Manufacturing LOMLaminated Object Manufa

46、cturing LOM）也称薄形材料选择性切割。也称薄形材料选择性切割。它根据三维模型每一个截它根据三维模型每一个截面的轮廓线，在计算机的控面的轮廓线，在计算机的控制下，用制下，用C0C02 2激光束对薄形材激光束对薄形材料料( (如底面涂胶的纸如底面涂胶的纸) )进行切进行切割，逐步得到各层截面，并割，逐步得到各层截面，并粘结在一起，形成三维产品。粘结在一起，形成三维产品。如图如图2424所示。所示。图图2-4 分层实体制造分层实体制造LOMLOM工艺中的成型材料涉及到三个方面的问题：工艺中的成型材料涉及到三个方面的问题：v纸；纸；v热溶胶；热溶胶；v涂布工艺。涂布工艺。 纸材料的选取热溶胶

47、的配置及涂布工艺的研究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，同时要考虑均要从保证最终成型零件的质量出发，同时要考虑成本。成本。 LOMLOM成型材料成型材料1纸的性能纸的性能 (1)(1)抗湿性抗湿性 保证纸原料保证纸原料( (卷铀纸卷铀纸) )不会因时间长而吸水。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。纸的施胶度可用来表示纸张抗水能力的大小。 (2)(2)良好的浸润性良好的浸润性 保证良好的涂胶性能。保证良好的涂胶性能。 (3)(3)抗拉强度抗拉强度 保证在加工过程中不被拉断。保证在加工过程中不被拉断。 (4)(4)收缩率小收缩率小 保

48、证热压过程中不会因部分水分损失而保证热压过程中不会因部分水分损失而导致变形。导致变形。 (5) (5)剥离性能好剥离性能好 因剥离时，在纸张内部发生破坏，要因剥离时，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。求纸的垂直方向抗拉强度不是很大。 (6) (6)易打磨易打磨 表面光滑。表面光滑。 (7) (7)稳定性稳定性 成型零件可长时间保存。成型零件可长时间保存。LOMLOM成型材料成型材料2 2热熔胶和涂布工艺热熔胶和涂布工艺 LOMLOM成型材料为涂有热熔胶的薄层材料，层与层之间的粘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。结是靠热熔胶保证。EVAEVA型热

49、熔胶（型热熔胶（80%80%）, ,分层实体制造中采分层实体制造中采用用EVAEVA型热熔胶型热熔胶( (共聚物共聚物EVAEVA树脂、增粘刑、蜡类和抗氧剂树脂、增粘刑、蜡类和抗氧剂) )。EVAEVA树脂中醋酸乙烯的含量树脂中醋酸乙烯的含量(VA(VA含量含量) )增加，树脂的韧性、耐增加，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度也随之下降。可根据热熔胶的性能要求选

50、择适当的VAVA百分百分含量的含量的EVAEVA树脂做主体材料。熔体流动速率与分子结构和分子树脂做主体材料。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。就低。流动性好，有利于往被粘物表面扩散和渗透。LOMLOM成型材料成型材料为了增加对被粘物体的表面粘附性、胶接强度，为了增加对被粘物体的表面粘附性、胶接强度，EVA型型热熔胶配方中需加热熔胶配方中需加增粘剂增粘剂。随着增粘剂用量增加，流动性、。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。

51、但增粘剂扩散性变好，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，用量过多，胶层变厚，内聚强度下降。设计热熔胶配方时，选择选择增粘剂的软化点和增粘剂的软化点和EVA软化点最好同步软化点最好同步。这样配置的。这样配置的热熔胶熔化范围窄，性能好。热熔胶熔化范围窄，性能好。蜡类也是蜡类也是EVA型热熔胶配方中常用的材料。在配方中加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善热熔胶的流动性和润湿性，可防止热熔胶存放结

52、块及表面发粘，但用量过多，会使胶接强度下降。面发粘，但用量过多，会使胶接强度下降。LOMLOM成型材料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，一般加入长胶的使用寿命，一般加入052的抗氧剂。为的抗氧剂。为了降低成本，减少固化时的收缩率和过度渗透性。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。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

53、集纹式和颗粒式。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。中，但涂布设备比较贵。LOMLOM成型材料成型材料分层实体制造（分层实体制造（LOMLOM）的的优缺点优缺点扫描器件有的采用直线单元，适合于大扫描器件有的采用直线单元，适合于大件的加工件的加工( (如图如图2424所示所示) )，也可采用振镜，也可采用振镜扫描方式，成形中、小型零件。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，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。材料浪费大，且清除废料困难。2.1.3 选

54、择性激光烧结选择性激光烧结（Selected Laser SinteringSLS）使用使用C0C02 2激光器烧结粉末材料激光器烧结粉末材料( (如蜡粉、如蜡粉、P5P5粉、粉、ABSABS粉、尼龙粉、尼龙粉、覆膜陶瓷和金属粉等粉、覆膜陶瓷和金属粉等) )。成形时先在工作台上铺上一成形时先在工作台上铺上一层粉末材料，激光束在计算机层粉末材料，激光束在计算机的控制下，按照截面轮廓的信的控制下，按照截面轮廓的信息，对制件的实心部分所在的息，对制件的实心部分所在的粉末进行烷结。粉末进行烷结。一层完成后，工作台下降一一层完成后，工作台下降一个层厚，再进行后一层的铺粉个层厚，再进行后一层的铺粉烧结。如

55、此循环，最终形成三烧结。如此循环，最终形成三维产品。维产品。图图2-5 选择性烧结成形原理图选择性烧结成形原理图v用于用于SLSSLS工艺的材料是各类粉末，包括金属、陶瓷、石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，近年来更多地采用醋从及聚合物的粉末，近年来更多地采用复合粉末复合粉末。v间接间接SLSSLS用的复合粉末通常有两种混合形式：一种是粘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，制取具种则是把金属或陶瓷粉末放到粘接剂稀释液中，制取具有

56、粘接剂包覆的金属或陶瓷粉末。实验表明，这种粘接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。末好。v近年来开发的较为成熟的用于近年来开发的较为成熟的用于SLSSLS工艺的材料如石蜡、工艺的材料如石蜡、合成尼龙等。为了提高原型的强度。用于合成尼龙等。为了提高原型的强度。用于SLSSLS工艺材料的工艺材料的研究转向金属和陶瓷，这也正是研究转向金属和陶瓷，这也正是SLSSLS工艺优越于工艺优越于SLASLA、LOMLOM工艺的地方。工艺的地方。SLSSLS成型材料成型材料v美国美国B BF FGo

57、odrichGoodrich公司专门开发用于公司专门开发用于SLSSLS工艺的石工艺的石蜡粉末。蜡粉末。v近年来，金属粉末的制取越来越多地采用雾化法。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：主要有两种方式：离心雾化法和气体雾化法离心雾化法和气体雾化法。它们的。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，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。随后形成粉末颗粒。vSLSSLS工艺还可以采用其他粉末，比如聚碳酸酯粉末，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，其线当烧结环境温度控制在聚碳酸酯软化点附近

58、时，其线胀系数较小，进行激光烧结后，被烧结的聚碳酸酯材胀系数较小，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。料翘曲较小，具有很好的工艺性能。SLSSLS成型材料成型材料选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLS）的的优缺点优缺点v适合成形中、小型零件，能直接制造蜡模或塑料、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。陶瓷和金属产品。v制件的翘曲变形比制件的翘曲变形比SLASLA工艺小，但仍需对容易发生工艺小，但仍需对容易发生变形的地方设计支撑结构。变形的地方设计支撑结构。v对实心部分进行填充式扫描烧结，因此成形时间对实心部分进行填充式扫描烧结，因此成形时间较

59、长。较长。v可烧结覆膜陶瓷粉和覆膜金属粉，得到成形件后，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隙中渗入填充物( (如铜如铜) )。v它的最大优点在于适用材料很广，几乎所有的粉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。末都可以使用所以其应用范围也最广。2.1.4 熔化沉积成形熔化沉积成形（Fused Deposition ModelingFDM）也称丝状材料选择性熔覆。也称丝状材料选择性熔覆。三维喷头在计算机控制下，三维喷头在计算机控制下，根据截面轮廓的信

60、息，做根据截面轮廓的信息，做“XYZ“XYZ“运动。丝材运动。丝材( (如塑如塑料丝料丝) )由供丝机构送至喷头，由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热、熔化，然并在喷头中加热、熔化，然后被选择性地涂覆在工作台后被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层截上，快速冷却后形成一层截面。一层完成后，工作台下面。一层完成后，工作台下降一层厚，再进行后一层的降一层厚，再进行后一层的涂覆，如此循环，形成三维涂覆，如此循环，形成三维产品。产品。图图2-6选择性熔覆选择性熔覆原理图原理图材料是材料是FDM工艺的基础，工艺的基础，FDM工艺中使用的材料分为工艺中使用的材料分为成成型材料型材料和和支撑材料支撑材料