快速原形制造技术第三章

1、2022-2-22KMUST1第三章 快速成型制造的几种典型工艺王胜民王胜民2022-2-22KMUST23. 快速成型制造的几种典型工艺n立体印刷成型立体印刷成型n分层实体制造分层实体制造n熔融沉积制造熔融沉积制造n激光选域烧结激光选域烧结n三维打印成型三维打印成型n掩膜光刻掩膜光刻n其他快速成型技术其他快速成型技术n减式快速成型技术减式快速成型技术2022-2-22KMUST33.1 立体印刷成型 Stereolithography (SLA), the first Rapid Prototyping process, was developed by 3D Systems of Vale

2、ncia, California, USA, founded in 1986. 这种成型法是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成型方法。 1984 年立体印刷成型技术尚处于实验室研究阶段， 1988 年第一台可操作的制造系统商业化。 1989 年美国人Chryster首先在工程实践中应用这种技术，但直到 1992 年才引起足够重视。该技术的开拓者是美国 3D System 公司，它是全世界最大也是第一家 RP 制造商，产品市场占有率约为 30 % ，其生产的 SLA 系列产品独占鳌头，并形成垄断市场 。2022-2-22KMUST43.1.1 工艺原理 立体印刷成型（ SL

3、A - Stereolithagraphy Apparatus ) ，又称立体光刻、光固化等。其基本工艺原理是借助其基本工艺原理是借助 CAD 进进行所需要原型的三维几何造型，产生数据文件并处理成面行所需要原型的三维几何造型，产生数据文件并处理成面化的模型。将模型内外表面用小三角平面化离散化，得化的模型。将模型内外表面用小三角平面化离散化，得到到 STL ( Stereolitho - graphy ）文件格式。按等距离文件格式。按等距离或不等距离的处理方法剖切模型，形成从底部到顶部一系或不等距离的处理方法剖切模型，形成从底部到顶部一系列相互平行的水平截面片层，即通过计算机将面化模型剖列相互平

4、行的水平截面片层，即通过计算机将面化模型剖切成系列横截面。利用扫描线算法对每个截面片产生包括切成系列横截面。利用扫描线算法对每个截面片产生包括截面轮廓路径和内部扫描路径两方面的最佳路径。同时在截面轮廓路径和内部扫描路径两方面的最佳路径。同时在成型系统上对模型定位，设计支撑结构。成型系统上对模型定位，设计支撑结构。2022-2-22KMUST53.1.1 工艺原理 切片信息及生成的路径信息作为控制成型机的命令文切片信息及生成的路径信息作为控制成型机的命令文件（件（CLI文件），并编出各个层面的数控指令送入成型机。文件），并编出各个层面的数控指令送入成型机。分层越薄，生成的零件精度越高，采用不等厚

5、度分层的目分层越薄，生成的零件精度越高，采用不等厚度分层的目的在于加快成型速度。的在于加快成型速度。 激光束按数控指令扫描，使盛于容器内的液态光敏树激光束按数控指令扫描，使盛于容器内的液态光敏树脂逐层固化并粘接在一起。固化过程从工作平台上的第一脂逐层固化并粘接在一起。固化过程从工作平台上的第一层液体开始，当第一层固化后，工作平台沿层液体开始，当第一层固化后，工作平台沿Z轴方向下降轴方向下降一段距离（即分层厚度），使新一层液态树脂覆盖在已固一段距离（即分层厚度），使新一层液态树脂覆盖在已固化层上面，进行第二层固化。重复此过程至最后一层固化化层上面，进行第二层固化。重复此过程至最后一层固化完毕，便

6、生成了三维原型实体。完毕，便生成了三维原型实体。2022-2-22KMUST6 储 液 槽 中 盛 装 的 液 态 光 敏 树 脂 在 一 定 波 长储 液 槽 中 盛 装 的 液 态 光 敏 树 脂 在 一 定 波 长（如（如 325nm ）和强度的紫外激光照射下就会在一和强度的紫外激光照射下就会在一定区域内固化即形成固化点。成型开始时，工作平定区域内固化即形成固化点。成型开始时，工作平台处在液面下某一确定的深度，如台处在液面下某一确定的深度，如0.050.2mm。聚焦后的激光光斑在液面上按计算机的指令逐点扫聚焦后的激光光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描即逐点固化。当一层扫描完成后未被激光照

7、射的描即逐点固化。当一层扫描完成后未被激光照射的树脂仍然是液态的。然后升降架带动平台再下降一树脂仍然是液态的。然后升降架带动平台再下降一层高度刚刚成型的层面上面又布满一层树脂再进行层高度刚刚成型的层面上面又布满一层树脂再进行第二层扫描形成一个新的加工层并与已固化部分牢第二层扫描形成一个新的加工层并与已固化部分牢牢连接在一起。牢连接在一起。2022-2-22KMUST73.1.2 系统组成 通常立体印刷成型系统由通常立体印刷成型系统由激光器、激光器、X-Y 运动装置或激运动装置或激光偏转扫描器、光敏性液态聚合物、聚合物容器、控光偏转扫描器、光敏性液态聚合物、聚合物容器、控制软件和升降工作台制软件

8、和升降工作台等部分组成。等部分组成。2022-2-22KMUST83.1.2 系统组成图图32 系统组成系统组成2022-2-22KMUST93.1.2 系统组成n光学部分光学部分(optic system) 光学系统（光学系统（optic system）2022-2-22KMUST103.1.2 系统组成 紫外激光器紫外激光器 激光器大多是紫外光式。一种是传统的如氦镉（ He-Cd ）激光器，输出功率为1550mw，输出波长为 325nm。激光器的输出是连续的，寿命约为2000h。 另一种是固体激光器，输出功率可达500mW或更高，寿命可达5000h，且更换激光二极管后可继续使用，相对氦镉激

9、光器而言更换激光二极管的费用比更换气体激光管的费用要少得多。另外其形成的光斑模式好，有利于聚焦，但由于固体激光器的输出是脉冲的，为了在高速扫描时不出现断线现象必须尽量提高脉冲频率。2022-2-22KMUST11 光敏聚合物的固化速率与单位面积激光功率供给量直接相关。为使固化均匀，要求控制系统保证恒功率扫描。由于激光束斜射造成的激光点尺寸变化会极大地影响该点激光功率的分布即影响激光功率的单位供给量，为此需要一个微定位器控制的聚焦透镜进行变焦。 2022-2-22KMUST12 同时，需要调整扫描速度或激光功率，以补偿变焦引起的功率密度变化。反射镜偏转角一个很小的误差，也会造成扫描光点在液面上一

10、个较大的位移误差。因而扫描器应采用闭环控制。激光束的控制开关必须保证在非加工动作时遮断光束，此时快门的速度影响着扫描迹线的精度。需要测量激光的功率以确定每层的扫描速度，还需要掌握树脂的变形特点，以确定补偿参数。2022-2-22KMUST13 激光束扫描装置 数控的激光束扫描装置有两种形式。一种是检流计驱动式的扫描镜方式，最高扫描速度可达15m/s，它适合于制造尺寸较小的高精度原型件。另一种是X-Y 绘图仪方式，激光束在整个扫描过程中与树脂表面垂直，这种方式能获得高精度、大尺寸的样件。n树脂容器系统树脂容器系统(vat system of photosensitive resin) 树脂容器

11、容器由不锈钢制成，其尺寸大小取决于立体印刷成型系统设计的最大尺寸原型或零件（通常为20200L。 升降工作台 带有许多小孔洞的可升降工作台在步进电动机的驱动下能沿高度Z方向作往复运动。最小步距可达0.02mm以下，在 225mm 的工作范围内位置精度为0.05mm。 2022-2-22KMUST143.1.2 系统组成 重涂层装置 主要是使液态光敏树脂能迅速、均匀地覆盖在已固化层上面，保持每一层片厚度的一致性，从而提高原型的制造精度。由于光固化树脂的表面张力，薄层树脂的涂敷是一个比较困难的问题，表现为大平面涂不满、涂层不均和产生气泡。新近推出的成型机采用吸附式涂层（Recoating）机构（如

12、下图所示）2022-2-22KMUST153.1.2 系统组成 吸附式涂层机构正是利用了表面张力在刮板静止时树脂在表面张力的作用下，吸附槽中充满树脂。当刮板进行涂刮运动时，吸附槽中的树脂会涂到已固化的树脂表面，同时树脂会在槽中运动，从未固化部分吸附树脂并向已固化部分补充。设置适当的速度可使较大的区域得到涂敷。涂层机构中的前刃和后刃可以很好地消除树脂中产生的气泡。智能涂层技术根据每一层的面积决定涂层方式，面积较小的仅采用刮涂方式。面积超过设定值时采用浸没和刮涂相结合。2022-2-22KMUST163.1.2 系统组成n数控系统和控制软件数控系统和控制软件 数控系统和控制软件主要由数据处理计算机

13、、控制计算机以及 CAD 接口软件和控制软件组成。 数据处理计算机数据处理计算机主要是对 CAD 模型进行面化处理使之转化为STL格式，然后对模型定向切片。 控制计算机控制计算机主要用于X-Y扫描系统、 Z 方向工作平台上下运动和重涂层系统的控制。 2022-2-22KMUST17 CAD 接口软件接口软件的功能包括确定 CAD 数据模型的通信格式、接受 CAD 文件的曲面表示、设定过程参数等。 控制软件控制软件用于对激光器光束反射镜扫描驱动器、 X-Y 扫描系统、升降工作台和重涂层装置等的控制。 从从 CAD 摸型到快速成型制造系统的数据转换路摸型到快速成型制造系统的数据转换路径大多采用将摸

14、型转换为三角形表示的多面体，径大多采用将摸型转换为三角形表示的多面体，然后再分层的方法。然后再分层的方法。2022-2-22KMUST182022-2-22KMUST19成型设备成型设备3D Systems SLA 35002022-2-22KMUST20成型设备成型设备SLA-250/50光固化成形机光固化成形机 2022-2-22KMUST21SLA-250/50光固化成形机 SLA 250/50快速成形机使用He-Cd激光为固化光源，采取了精确定位和扫描速度规划技术、优化的支撑结构设计以及新近发展的ZEPHYR刮板敷料技术等，使得在充分保证制件精度和表面质量的同时，提高了制件速度。新型树

15、脂材料的应用，使得在制件的质感、材料稳定性方面都有了很大的提高。SLA工艺是目前公认的尺寸精度和表面质量最好的RPM工艺。 2022-2-22KMUST22 SLA 250/50型快速成形机，选用新型光敏树脂材料。制件具有良好的尺寸精度、表面质量和外观质感。特别适合于电子通讯产品、电子元器件、仪表外壳等精密件样品制作，以及要求透明质感零件样品制作以及快速制模用原型制作。SLA工艺典型应用如手提电话样品及快速制模用原型制作，电子接插件、工艺饰品、异形灯具等样品及原型制作。2022-2-22KMUST233.1.3 工艺过程 立体印刷成型工艺步骤包括模型设计，切片、数模型设计，切片、数据准备，生成

16、模型和后固化等据准备，生成模型和后固化等。在实际操作中，无论在哪一步发现问题，都可以终止操作，返回上一步骤重新进行。n模型设计模型设计 第一步是在三维 CAD 造型系统中完成原型的设计。所构造的三维 CAD 图形既可以是实体模型，也可以是表面模型，这些模型应具有完整的壁厚和内部描述功能。 第二步是把 CAD 存储的文件转换成立体印刷成型所要求的标准文件（ STL 文件）格式，并以此作为切片计算机的输入文件。 2022-2-22KMUST243.1.3 工艺过程n模型切片和数据准备模型切片和数据准备 将 STL 格式的文传送到SLA系统的数据处理计算机中。首先对STL模型文件进行检查和修复，并优

17、化选择制作方向，以便能方便地构造物体。 由于成型过程中存在着液体树脂固化成型时体积收缩而造成内应力，而且对模型中的悬垂部分与底面需要添加制作基础，这就需要合理的设计支撑，来保持原型在制作过程中的稳定比和精确定位，进而保证原型的成功制作。2022-2-22KMUST25v支撑设计方法常用的有两种，一是基于支撑设计方法常用的有两种，一是基于STL 模型直接设计支撑，模型直接设计支撑，输出支撑输出支撑 STL 文件与零件文件与零件 STL 模型合并后一起进行分层处理；模型合并后一起进行分层处理；另一种是在分层截面轮廓上设计支撑结构。支撑结构的设计需要另一种是在分层截面轮廓上设计支撑结构。支撑结构的设

18、计需要在计算机上单独生成。在计算机上单独生成。 利用分层软件选择参数，将模型分层，得到每一薄片层的平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。这一过程还包括切片层厚度的选择、建造模式、固化深度、扫描速度、网格间距、线宽补偿值和收缩补偿因子的选择。 2022-2-22KMUST263.1.3 工艺过程n三维实体建造三维实体建造 该阶段是指光敏树脂开始聚合、固化到一个原型该阶段是指光敏树脂开始聚合、固化到一个原型完成的生成过程。完成的生成过程。 SLA 成型过程：开始时，可升降工作台托板的上表面处于液面下一个截面层厚的高度（通常为0.1250.75mm ) ，该层液态光敏聚合物被激光

19、束扫描而发生聚合固化，并形成所需第一层固态截面轮廓厚度。2022-2-22KMUST27 工作台托板下降一层高度，液槽中的液态光敏聚合物流过已固化的截面轮廓层 ，刮刀按照设定的层高作往复运动，刮去多余的聚合物，再对新铺上的这一层液态聚合物进行扫描固化，形成第二层所需固态截面轮廓，新固化的一层能牢固地粘结在前一层上，如此重复直到整个制件成型完毕。 2022-2-22KMUST283.1.3 工艺过程n后固化及处理过程后固化及处理过程 从工作台上取出模型并进行清洗，之后进行检验及后处理。v原型中部分尚未完全固化的树脂，再次强紫外光照射，使之完全硬化。（清洗过程中去除多余的液态树脂，然后放在后固化装

20、置的转盘上进行完全固化，以满足所要求的机械性能）。v原型是逐层硬化的，层与层之间不可避免地会出现台阶，必须去除。v原型的支撑也必须除去并进行修整，对要求较高的原型还需进行喷砂处理。 2022-2-22KMUST293.1.3 工艺过程The Stereolithography (SLA) System overall arrangement：2022-2-22KMUST303.1.3 工艺过程2022-2-22KMUST313.1.3 工艺过程nUncured resin is removed and the model is post-cured to fully cure the resi

21、n. Because of the layered process, the model has a surface composed of stair steps. Sanding can remove the stair steps for a cosmetic finish. Model build orientation is important for stair stepping and build time. In general, orienting the long axis of the model vertically takes longer but has minim

22、al stair steps. Orienting the long axis horizontally shortens build time but magnifies the stair steps. For aesthetic purposes, the model can be primed and painted. 2022-2-22KMUST321. CAD Design2. CAD Transfer3. STL Verify4. Orient5. Supports6. Prepare7. Build8. Post Build2022-2-22KMUST33SolidWorksF

23、eature CAM2022-2-22KMUST342. CAD TransferTransfer ProcessStart in Feature CAM, export to solid works using parasolid file type, in SolidWorks, save file as an STL file type, finally open in 3D Lightyear! 2022-2-22KMUST353. STL Verify3D Lightyear verifies the STLs Integrity by checking and and making

24、 small repairs to the model.2022-2-22KMUST364. Orient2022-2-22KMUST375. Supports2022-2-22KMUST386. PrepareBy selecting the prepare button the modal is built layer by layer in 3D Lightyear. When this process is finished the modal will change to a tan color. Thus, ready to be built.2022-2-22KMUST397.

25、Build-load your build file-preview build-obtain estimated end time-clean platform in alcohol-insert platform into build envelope2022-2-22KMUST402022-2-22KMUST418. Post Build2022-2-22KMUST42Post curing- the part is 95% cured when extracted from the build platform- to cure the other 5% the part is pla

26、ced in an ultraviolet light oven called the Post Curing Apparatus or PCA- the part must remain in the oven for at least one hour if not longer 2022-2-22KMUST43Part finishing- depending on the final application of the part, finishing may include SandingBuffingPaintingPlatingBead blastingDying2022-2-2

27、2KMUST443.1.4 存在的问题 n价格和使用费用方面价格和使用费用方面 研究、开发费用高昂，阻碍了该技术的推广应用。研究、开发费用高昂，阻碍了该技术的推广应用。 如，国外一套成型系统的价格为3080万美元。激光器使用2000h后必须更换激光管，氦镉激光器2万美元，氖离子激光器4万美元。系统运行费用约70美元/h。国产同类型系统的价格为100万以上，系统运行费用约200元/ h以上。另外，进口光敏树脂的价格100200美元/kg。2022-2-22KMUST45n材料方面材料方面 液态光敏树脂固化后性能尚不如工业塑料，较脆，易断裂，不便进行切削加工，工作温度不能超过100。固化过程产生刺

28、激性气体，有污染，因此机器运行时成型腔室部分应密闭。另外，树脂的硬化机理尚不十分清楚，成型过程中，材料在光学、化学和机械等多种因素的相互作用下导制制件容易翘曲，尺寸稳定性不易保证。2022-2-22KMUST463.1.5 SLA的特征nSLA快速原型技术的优点快速原型技术的优点v系统工作稳定。系统一旦开始工作，构建零件的全过程完全自动运行，无需专人看管，直到整个工艺过程结束。v尺寸精度较高，可确保工件的尺寸精度在0.1mm以内。v表面质量较好，工件的最上层表面很光滑，侧面可能有台阶不平及不同层面间的曲面不平。v系统分辨率较高，因此能构建复杂结构的工件。2022-2-22KMUST473.1.

29、5 SLA的特征nSLA快速原型的技术缺点v随着时间推移，树脂会吸收空气中的水分，导致软薄部分的弯曲和卷翅。v氦-镉激光管的寿命仅2000小时，价格较昂贵。同时需对整个截面进行扫描固化，成型时间较长，因此制作成本相对较高。v可选择的材料种类有限，必须是光敏树脂。由这类树脂制成的工件在大多数情况下都不能进行耐久性和热性能试验，且光敏树脂对环境有污染，使皮肤过敏。v需要设计工件的支撑结构，以便确保在成型过程中制作的每一个结构部位都能可靠定位。2022-2-22KMUST483.1.5 SLA的特征 During fabrication, if extremities of the part bec

30、ome too weak, it may be necessary to use supports to prop up the model. The supports can be generated by the program that creates the slices, and the supports are only used for fabrication. The following three figures show why supports are necessary: 2022-2-22KMUST493.1.5 SLA的特征n应用应用 光敏树脂选择性固化快速原型技术

31、适合于制作中小型工件，能直接得到塑料产品。主要用于概念模型的原型制作，或用来做装配检验和工艺规划。它还能代替腊模制作浇铸模具，以及作为金属喷涂模、环氧树脂模和其他软模的母模，是目前较为成熟的快速原型工艺。2022-2-22KMUST50应用应用SLA成形工艺快速制造高精度的新产品样件成形工艺快速制造高精度的新产品样件2022-2-22KMUST512022-2-22KMUST522022-2-22KMUST532022-2-22KMUST543.2 分层实体制造 分层实体制造（Laminated Object Manufacturing，简称LOM）又称薄形材料选择性切割，是几种最成熟的快速成

32、型制造技术之一。分层实体制造方法和设备自1991年问世以来，得到迅速发展。目前世界上投入使用的设备，主要有Helisys公司的纸张叠层造型 LOM系列、新加坡 Kinergy 公司的ZIPPY 型薄形材料选择性切割成型机等。2022-2-22KMUST553.2.1 工艺原理分层制造工艺原理分层制造工艺原理如图3-3所示2022-2-22KMUST563.2.1 工艺原理 成型零件的 CAD 模型输入成型系统，再用系统中的切片软件对模型进行切片处理，从而得到产品在高度方向上一系列横截面的轮廓线。2022-2-22KMUST573.2.1 工艺原理 由系统控制微机指令，步进电动机带动主动辊芯转动

33、，使纸卷转动并在切割台面上自右向左移动预定的距离。同时，工作台升高至切割位置。之后热压装置中的热压辊自左向右滚动，对工作台上方的纸及涂敷于纸的下表面的热熔胶加热、加压，使纸粘于基底上。激光切割头依据分层截面轮廓线切割纸，并在余料上切出长方形边框，工作台连同被切出的轮廓层下降至一定高度后步进电动机驱动主动辊再次沿逆时针方向转动，直至完成最后一层轮廓粘合和切割。2022-2-22KMUST58 从工作台上取下被边框所包围的长方体，用小锤敲打使大部分由小网格构成的小立方块废料与制品分离，再用小刀从制品上提出残余的小立方块，得到三维原型制品。2022-2-22KMUST593.2.1 工艺原理n成型过

34、程成型过程vLayer fabrication starts with sheet being adhered to substrate with the heated roller.vThe laser then traces out the outline of the layer.vNon-part areas are cross-hatched to facilitate removal of waste material.vOnce the laser cutting is complete, the platform moves down and out of the way so

35、 that fresh sheet material can be rolled into position.vOnce new material is in position, the platform moves back up to one layer below its previous position.vThe process can now be repeated.2022-2-22KMUST603.2.1 工艺原理 The excess material supports overhangs and other weak areas of the part during fab

36、rication. The cross-hatching facilitates removal of the excess material. Once completed, the part has a wood-like texture composed of the paper layers. Moisture can be absorbed by the paper, which tends to expand and compromise the dimensional stability. Therefore, most models are sealed with a pain

37、t or lacquer to block moisture ingress. 2022-2-22KMUST613.2.2 系统组成General arrangement of a LOM2022-2-22KMUST623.2.2 系统组成 在此以新加坡Kinergy公司开发、生产的一种ZIPPY型薄形材料选择性切割成型机为例对 LOM 系统组成加以介绍。它由计算机、计算机、原材料存贮及送进机构、热粘压机构、激原材料存贮及送进机构、热粘压机构、激光切割系统、可升降工作台和数控系统、光切割系统、可升降工作台和数控系统、模型取出装置和机架模型取出装置和机架等组成。2022-2-22KMUST633

38、.2.2 系统组成n控制系统与控制软件控制系统与控制软件 数控系统基本的控制对象为材料送进（ R 轴）、热压辊移动（ H 轴）、扫描与切割（X 轴、 Y 轴）、工作台（Z轴）、温度控制、激光能量控制等。这是一个两级控制系统，由此产生了上、下位机。第一级的下位机负责完成运动轴开闭环控制及信息反馈。这里实时切片厚度参数由智能模板CPU完成，并且由两块智能化控制模块负责五轴伺服控制。第二级的上位机用于整个数控系统的集中管理，由工业控制计算机完成动态仿真、实时切片、键盘管理、信息处理、参数设置与显示，并向控制计算机发送切片数据及控制命令。在其计算机中配有如下控制软件：2022-2-22KMUST643

39、.2.2 系统组成vSTL 格式文件的纠错和修补软件格式文件的纠错和修补软件。它能标识读入 STL 格式文件中三角形的错误，并由操作者加以修改。v三维模型的切片软件三维模型的切片软件。它能对三维模型的 STL格式文件，沿成型的高度方向，每隔一定的间隔，自动提取截面的轮廓边界的信息。v激光切割速度与切割功率的自动匹配软件激光切割速度与切割功率的自动匹配软件。它能根据激光的瞬时切割速度自动调节激光的输出功率，以便在保证高切割质量的前提下，有较高的生产率，使得在快速切割直线时有足够的切割功率，能恰好切透一层材料，切割画弧时不会因切割功率过大而烧糊工件。2022-2-22KMUST653.2.2 系统

40、组成v激光光束宽度（即切口宽度）的自动补偿软件激光光束宽度（即切口宽度）的自动补偿软件。它能自动快速识别截面的内、外轮廓的边界，根据激光的光束宽度（0.10.2mm） ，控制切割头，相对理论内、外轮廓的边界，自动向内或向外偏移半个光束宽度（0.050.1mm） ，从而保证实际切得的轮廓边界与理论轮廓边界相重合。2022-2-22KMUST663.2.2 系统组成n材料处理系统材料处理系统 v原材料存储及送进机构原材料存储及送进机构 将存于其中的原材料（如底面有热熔胶和添加剂的纸），按照每层所需材料的送进量将材料准确送至工作台的上方，并保证材料始终处于张紧状态。并设有材料撕断报警器，当某种原因偶

41、然造成材料撕断时，停止送料直流电动机的转动及后续工作。2022-2-22KMUST673.2.2 系统组成v热粘压机构热粘压机构 将一层层材料粘接在一起。该机构由步进电动机、同步齿形带、发热板（或发热管）、热压板 或热压辊）、温控器及高度检测器等组成。 步进电动机经同步齿形带驱动热压板（或热压辊），使其能在工作台的上方作左右往复运动。 热压板上（或热压辊内），装有大功率发热元件（发热板或发热管）以便使热压板（或热压辊）快速升温。 温控器能检测热压板的温度并使其保持在设定值，温度设定值根据所采用材料的粘接温度而定。2022-2-22KMUST683.2.2 系统组成 高度检测器固定在热压板（或热

42、压辊）的支架上，它的测量分辨率为 2 m 。当热压板（或热压辊）对工作台上方的纸进行热压时，高度检测器能精确测量正在成型的制件的实际高度，并将此数据及时反馈至计算机，然后据此高度对产品的三维模型进行切片处理，得到与上述高度完全对应的截面轮廓，从而可以较好地保证成型件在高度方向的轮廓形状和尺寸精度。2022-2-22KMUST693.2.2 系统组成v激光切割系统激光切割系统 按照计算机提取的横截面轮廓线，逐一在工作台上方的材料上切割出轮廓线，并将无轮廓区切割成小方网格，这是为了在成型之后能剔除废料。网格的大小据被成型件的形状复杂程度选定，网格愈小，愈容易剔除废料，但花费的时间较长，否则反之。

43、该系统由CO2激光器、外光路、切割头、X-Y 工作台、驱动伺服电动机和排烟除尘装置等组成。 外光路外光路由 4 个反光镜和1个聚焦镜组成，它能保证焦距稳定，切割光斑的直径为0.10.2mm 。2022-2-22KMUST703.2.2 系统组成 配上激光切割速度与切割功率的自动匹配控制后，光束能恰好切透正在成型的一层材料，而不会损伤已成型的下一层截面轮廓。切割头切割头由 2 台伺服电动机驱动，能在X-Y 平面上作高速、精密扫描运动。 X-Y 工作台工作台由精密滚珠丝杠传动，用精密直线滚珠导轨导向，重复定位精度为 10pm 。 排烟除尘装置排烟除尘装置可以有效地净化并排出烟气。v可升降工作台可升

44、降工作台 由伺服电动机经精密滚珠丝杠驱动，用精密直线滚珠导轨导向，从而能在高度方向作快速、精密往复运动。能够支撑正在成型的工件，并在每层成型之后，降低一个材料厚度 通常为0.10.2mm ) ，以便送进、粘合和切割新的一层材料。2022-2-22KMUST71SSM800型LOM成型设备SSM800型型LOM成型设备成型设备2022-2-22KMUST72SSM800型型LOM成型设备成型设备nSSM800工艺流程图工艺流程图2022-2-22KMUST73SSM800型型LOM成型设备成型设备SSM800制造系统工艺过程制造系统工艺过程2022-2-22KMUST74成型设备武汉武汉产产HR

45、P系列系列LOM成型设备成型设备2022-2-22KMUST75HRP系列系列LOM成型设备的主要技术参数成型设备的主要技术参数2022-2-22KMUST76HRP系列系列LOM成型设备的主要特征成型设备的主要特征n系统特点：系统特点：vX-Y扫描单元采用交流伺服驱动和滚珠丝杆传动，升降工作台为4柱导向和双滚珠丝杆传动（专利），保证了系统的高精、高速和平稳传动；v无拉力叠层材料送进系统（专利），送进可靠，速度高，材料利用率高；v抽风排烟装置采用随动式吹风和强力抽排烟装置（专利），能及时充分地排出烟尘，防止烟尘污染；v采用国际著名的美国公司CO2激光器，稳定性好、可靠性高、模式好、寿命长、功率

46、稳定、切割质量好、并且可更换气体，具有较高的性能价格比，并配以全封闭恒温水循环冷却系统。2022-2-22KMUST77HRP系列系列LOM成型设备的主要特征成型设备的主要特征n软件特点： 功能强大的HRP2002软件，具有易于操作的友好图形用户界面，开放式的模块化结构，国际标准输入输出接口。vSTL文件识别及重新编码；v独有的容错及数据过滤切片技术，大幅提高工作效率；vSTL文件可视化，具有旋转、平移、縮放等图形变换功能；v原型制作实时动态仿真；v独有的变网格划分技术；v数据拟合，速度规划，速度预测，高速插补控制，任意组合曲线的高速、高精连续加工，此为本公司独有的技术；v激光能量随切割速度适

47、时控制，保证了切割深度和线度均匀，切割质量好；v激光光斑直径随内外轮廓自动补偿，提高了制件的精度； 2022-2-22KMUST78HRP系列系列LOM成型设备的主要特征成型设备的主要特征v系统故障诊断，故障自动停机。n系统应用：系统应用：v可直接制作纸质功能件，用作结构验证和功能测试。v成形速度快，精度较高，运行费用比较低。v经过技术创新，不仅可制作尺寸较大的制件，也可制作复杂薄壁件,工业应用面广；v可以直接制作翻砂用模型，替代传统木模。v可以用转移涂料技术制造铸造用金属模。v制作出来的原型件可快速翻制各种模具，如硅橡胶模、金属冷喷模、石膏模、合金模、电铸模、环氧树脂模和气化模等。2022-

48、2-22KMUST79应用应用LOM成形工艺快速制造铸造木模成形工艺快速制造铸造木模2022-2-22KMUST803.2.3 LOM的特征nLOM快速原型技术的优点快速原型技术的优点v由于只需要使激光束沿着物体的轮廓进行切割，无需扫描整个断面，所以这是一个高速的快速原型工艺。零件体积越大，效率越高。v加工后零件可以直接使用，无需进行后矫正。v无需设计和构建支撑结构。 v易于使用，无环境污染。 nLOM快速原型技术的缺点快速原型技术的缺点 v可实际应用的原材料种类较少，尽管可选用若干原材料，例如纸、塑料、陶土以及合成材料，但目前常用的只是纸，其他箔材尚在研制开发中。 v纸制零件很容易吸潮，必须

49、立即进行后处理、上漆。v难以构建精细形状的零件，即仅限于结构简单的零件。v由于难以（虽然并非不可能）去除里面的废料，该工艺不宜构建内部结构复杂的零件。当加工室的温度过高时常有火灾发生。2022-2-22KMUST813.3 熔融沉积制造 熔融沉积制造 FDM-Fused Deposition Modeling又称材料选择性溶覆、熔融挤出成模（MEM-Melted Extrusion Molding ）或简称熔积成型。研究这种工艺的主要有Stratasys 公司和Med Modeler公司并且这种技术以美国Stratasys公司开发的产品制造系统应用最为广泛。2022-2-22KMUST823.

50、3.1 工艺原理n工作原理 熔融沉积造型工艺原理如图3-6所示。 2022-2-22KMUST833.3.1 工艺原理 丝状成型材料和支撑材料由供丝机构送至各自对应的喷头，并在喷头中加热至熔融态，另外加热喷头在计算机的控制下按照相关截面轮廓的信息作X-Y平面运动，同时挤压并控制液体流量，使粘稠液体均匀地铺撒在断面层上。这样成型材料和支撑材料就被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成截面轮廓，一层成型完成后，喷头上升一截面层的高度再进行下一层的涂覆如此循环，最终形成三维产品。2022-2-22KMUST843.3.2 系统组成 以清华大学推出的 MEM250 为例，该制造系统主要包括硬件系统、软

51、件系统、供料系统硬件系统、软件系统、供料系统。硬件系统由两部分组成，一部分是以机械运动承载加工为主，另一部分以电气运动控制和温度控制为主。n机械系统机械系统 MEM250 机械系统包括运动、喷头、成型室、材料室、控制室和电源室等单元。其机械系统采用模块化设计，各个单元相互独立。如运动单元只完成扫描和升降动作，而且整机运动精度只决定于运动单元的精度，与其他单元无关。因此每个单元可以根据其功能需求采用不同的设计。运动单元和喷头单元对精度要求较高。电源室和控制室需要具有防止干扰和抗干扰功能，应采用屏蔽措施。2022-2-22KMUST853.3.2 系统组成 基于PC总线的运动控制卡能实现直线、圆弧

52、插补和多轴联动。PC总线的喷头控制卡用于完成喷头的出丝控制，具有超前和滞后动作补偿功能。喷头控制卡与运动控制卡能够协同工作，通过运动控制卡的协同信号控制喷头的启停和转向。 制造系统配备了三套独立的温度控制器，分别检测与控制成型喷嘴、支撑喷嘴和成型室的温度。n软件系统软件系统 软件系统包括几何建模和信息处理两部分。几何建模单元是由设计人员借助CAD 软件，如 Pro-E、AutoCAD 等构造产品的实体模型或由三维测量仪（ CT、MRI 等）获取的数据重构产品的实体模型。最后以 STL 格式输出原型的几何信息。 信息处理单元由 STL 文件处理、工艺处理、数控、图形显示等模块组成，分别完成 ST

53、L 文件错误数据检验与修复、层片文件生成、填充线计算、数控代码生成和对成型机的控制。2022-2-22KMUST863.3.2 系统组成n供料系统供料系统 MEM250 制造系统要求成型材料及支撑材料为直径 2mm的丝材，并且具有低的凝固收缩率、陡的粘度温度曲线和一定的强度、硬度、柔韧性。一般的塑料、蜡等热塑性材料经适当改性后都可以使用。目前已成功开发了多种颜色的精密铸造用蜡丝、 ABS 材料丝。2022-2-22KMUST87MEM-250熔融挤压成型设备nMEM-250-型熔型熔融挤压成型机融挤压成型机2022-2-22KMUST88MEM-250-型熔融挤压成型机nMEM-250型主要技

54、术指标型主要技术指标v最大零件尺寸为 250250250mmv原型件精度 0.15mmv扫描速度 0500 mm/secv成型室温度控制精度 1v原材料 用于失蜡制造的ABS、蜡和尼龙等nMEM-250型主要优点型主要优点 v该设备是我国唯一的、先进的、快速熔融沉积制造的商品化设备。v由于未采用激光，因此它的运行费用在所有的RP设备中是最低的。2022-2-22KMUST89MEM-250-型熔融挤压成型机v采用先进的喷嘴设计（包括丝质材料加热、挤出、输入和控制）。v性能可靠，稳定性好。v起停补偿和超前控制保证了熔化材料的堆积精度。v由于采用了先进的、独特的悬挂式装置，因而机床具有良好的吸振性

55、能，扫描精度也大大提高了。v该设备无噪音，对环境无污染。v功能强大、运行可靠、用户界面友好的第三代RP数据处理软件和RP控制软件。v优美的设备造型。2022-2-22KMUST90Stratasys - MaxumnMaxum: 600mmx500mmx600mmnwith Fuji Photo Film Company nlayers as thin as 0.005 inches (0.127mm).nWaterWorks support systemnFloating electromagnetic drive system position its two print-heads an

56、d builds parts as much as seven times faster than other FDM systems2022-2-22KMUST91Stratasys - TitannMaxum: 355mmx406mmx406mm (14”x16”x16”)nMultiple material system, ABS, Polycarbonate（聚碳酸酯） and Polyphenylsulphone（聚苯砜）2022-2-22KMUST92Fused Deposition Modeling (Stratasys Inc)FDM30002022-2-22KMUST93Ge

57、nisys2022-2-22KMUST94Fused Deposition Modeling (3D System) Thermojet 以多喷嘴打印头将以多喷嘴打印头将蜡材喷涂于成型台蜡材喷涂于成型台上成型，当喷涂成上成型，当喷涂成型时，包含型时，包含352352个个喷嘴排成线性矩阵喷嘴排成线性矩阵的打印头会喷涂于的打印头会喷涂于建构平台，每一个建构平台，每一个喷嘴依据输入的指喷嘴依据输入的指令由一电子讯号所令由一电子讯号所激活以喷涂小滴的激活以喷涂小滴的溶融材料建构工件。溶融材料建构工件。 2022-2-22KMUST95Fused Deposition Modeling (3D Syst

58、em) Thermojet2022-2-22KMUST96“Hyperbolic Hexagon II” (wood)Brent Collins2022-2-22KMUST97New Ways of Rapid PrototypingBased on Layered Manufacturing:nBuild the part in a layered fashion- typically from bottom up.nConceptually, like stacking many tailored pieces of cardboard on top of one another.nPar

59、t geometry needs to be sliced, and the geometry of each slice determined.nComputer controlled, fully automated.2022-2-22KMUST98Slices through “Minimal Trefoil”50%10%23%30%45%5%20%27%35%2%15%25%2022-2-22KMUST99“Heptoroid” ( from Sculpture Generator I )Cross-eye stereo pair2022-2-22KMUST100Profiled Sl

60、ice through the SculpturenOne thick slicethru “Heptoroid”from which Brent can cut boards and assemble a rough shape.Traces represent: top and bottom,as well as cuts at 1/4, 1/2, 3/4of one board.2022-2-22KMUST1013D Printing: Z CorporationThe Z402 3D PrintervSpeed: 1-2 vertical inches per hourvBuild V