快速成形与快速制模

1、快速成形与快速制模第一讲快速成形的历史发展21世纪是以知识经济和信息社会为特征的时代，制造业面临信息社会中瞬息万变的市场，对小批量多种产品要求的严峻挑战。在制造业日趋国际化的状况下，缩短产品开发周期和降低开发新产品投资风险，成为企业赖以生存的关键。快速成型技术在现代企业快速制造需求下应运而生。 快速成形技术（Rapid Prototyping,RP）是国际上20世纪八九十年代发展起来的一种新型的制造技术，也称为实体自由制作、桌面加工或叠层加工技术。它基于离散堆积增材制造的原理，根据零件的CAD模型直接成形复杂的零部件或模具，不需要任何工装，突破了传统去材法或成形法加工的限制。由于其在模型特别复

2、杂模型的制作上大大地缩短了时间，一系列快速成形方法、技术的发展在20世纪90年代被称作制造技术的“分水岭”。快速成形技术整合了计算机科学、CAD/CAM、数控技术计算机图形学、激光技术、新材料等诸多工程领域的先进成果，能自动、快速准确的将设计转化成一定功能的产品原型或直接制造零件，对缩短企业产品的开发周期、节约开发资金、提高企业的市场竞争力均具有重大意义。快速成形技术(Rapid Prototyping，RP)最早产生于20世纪70年代末到80年代初，是当今世界快速发展的技术之一。其在制造原理上采用了“增材制造”的加工思想，相比于传统的加工“去材制造”方法，在制造思想和实现方法上具有很大的区别

3、。快速成形技术的提出从历史上看，很早以前就有“增长”制造的原理。例如，建筑上用小块建筑材料堆积成高楼大厦，动物如燕子衔泥筑巢等都是增材制造的例子。1892年，J.E.Blanther在他的专利中曾建议用分层制造方法构成本维地形图。1902年，Carlo Baese在他的专利中提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理，这是现代第一种快速技术选择性光固化成形的初始设想。1940年，Perera提出了在硬纸板上切割轮廓线，然后将这些纸板黏结成三维地形图的专利。20世纪50年代后，出现了更多的快速成形相关的专利。这其中以怨报德一系列用轮廓片形居三维地形图的新方法等。1979年东京大学的中川威雄教授，利用分层

4、技术制造了金属冲裁模、成形模和注塑模。光刻技术的发展对现代RP技术的出现起到了催化作用，20世纪70年代末到80年代初，美国3M公司的Alan J.Hebert(1978年)、日本的小玉秀男（1980年）、美国UVP公司的Charles W.Hull(1982年)和是本的丸谷洋二（1983年），在不同地点各自独立地提出RP的概念，即利用连续层的先区固化产生三维实现。Charles W.Hull在UVP的继续支持下，完成了一个能自动建造零件的称为光固化成形设备（Stero Lithography Apparatus,SLA）的完整系统SLA1。1986年该系统获得专利，这是RP发展的一个里程碑。

5、同年Charles W.Hull和UVP的股东们一起建立了3D Systems公司。随后许多关于快速成形的概念和技术在3D Systems公司中逐渐发展成熟。与此同时，其他成形原理及相应的成形机也相继开发成功。1984年Michael Feygin提出了分层实体制造LOM（Laminated Object Manufacturing）方法，并于1985年组建Helisys公司，1990年前后开发了第一台商业机型LOM1015。自从20世纪80年代中期SLA成型技术的兴起到20世纪90年代后期，出现了十几种不同的快速成形技术，除前述几种外，典型的还有三维打印制造3DP（Three-Dimensi

6、onal Printing）、选择性激光烧结SLS(Selective laser sintering)、熔融沉积成形FDM(Fused deposition modeling)等。鉴于快速成形在技术上、制造思想上的突破和强大的发展前景，世界各国的研究机构和学者伞都给予了强烈的关注，并且与日剧增。快速成形的基本原理传统制造成形方式切削成形受迫成形车削加工铣削加工刨削加工磨削加工铸造锻造粉末冶金快速成形制造过程CAD模型Z向离散化（分层）层面信息处理层面制造与粘接层层堆积成形工件分解过程组合过程计算机中信息处理成形机中堆积制造快速成形制造流程图快速成形制造流程图快速成形的典型工艺 选择性光固化（

7、SLA） 叠层制造（LOM） 激光选区烧结（SLS) 熔融沉积（FDM） 喷墨印刷 。选择性光固化 光固化法是最早实现商品化、市场占有率最高的快速成型制造技术,以美国3DSysstem公司生产的SLA系列成型机为代表产品,其成型原理如图1所示。 采用光固化法使用的成型材料为液态光敏树脂。成型时,计算机控制紫外光束按零件的各分层截面信息在树脂表面进行逐点扫描,使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而硬化,形成零件的一个薄层。一层固化完毕后,工作台下移一个层厚的距离,然后在原先固化好的树脂表面敷上一层新的液态树脂,再进行扫描加工,新生成的固化层即牢固地粘结在前一层上,如此反复,直至整个原型零件制造完

8、毕。选择性层片粘接选择性层片粘接/ /叠层法叠层法 叠层法最早出现于1985年,其设备的主要制造商为美国的公司。叠层法成型原理如图2所示。 成型时,首先在基板上铺一层箔材(如箔纸),然后用一定功率的2激光器在计算机控制下按分层信息切出轮廓,同时将非零件部分按一定的网格形状切成碎片以便去除。加工完一层后,重新铺上一层箔材,用热辊碾压,使新铺的一层箔材在粘结剂作用下粘结在已成型体上,再用激光器切割该层的形状,如此反复,直至加工完毕。最后去除切碎的多余部分,即可得到完整的原型零件。 叠层法的优点是无需制作支撑,激光只作轮廓扫描,无需填充扫描,成型效率高,运行成本低,且在成型过程中无相变,残余应力小,

9、适于加工尺寸较大的零件;缺点是材料利用率低,表面质量相对较差激光选区烧结选择性粉末熔结粘接是：对于由粉末铺成选择性粉末熔结粘接是：对于由粉末铺成的有很好密实度和平整度的层面，有选择的有很好密实度和平整度的层面，有选择地直接或间接将粉末熔化或粘接，形成一地直接或间接将粉末熔化或粘接，形成一个层面铺粉压实。再熔结或粘接成另一个个层面铺粉压实。再熔结或粘接成另一个层面并与原层面熔结或粘接，如此层层叠层面并与原层面熔结或粘接，如此层层叠加为一个三维实体。所谓加为一个三维实体。所谓直接熔结直接熔结是将粉是将粉末直接熔化而连接；末直接熔化而连接；间接熔结间接熔结是指仅熔化是指仅熔化粉末表面的粘结涂层，以达

10、到互相粘结的粉末表面的粘结涂层，以达到互相粘结的目的。目的。粘接粘接则是指将粉末采用粘接剂粘接。则是指将粉末采用粘接剂粘接。4 4熔融沉积熔融沉积 熔融沉积是指将热熔性材料熔融沉积是指将热熔性材料(ABS、 尼龙或蜡尼龙或蜡)通过加热器熔化，挤压喷出并通过加热器熔化，挤压喷出并 堆积一个层面，然后将第二个层面用同堆积一个层面，然后将第二个层面用同 样的方法建造出来，并与前一个层面熔样的方法建造出来，并与前一个层面熔 结在一起。如此层层堆积而获得一个三结在一起。如此层层堆积而获得一个三 维实体。采用熔融挤压成形的维实体。采用熔融挤压成形的典型工艺典型工艺 为熔融沉积成形（为熔融沉积成形（FDM

11、Fused Deposition Modeling）。）。 5 5喷墨印刷喷墨印刷 喷墨印刷（喷墨印刷（InkJet Printing）是是 指将固体材料熔触，采用喷墨打印原理指将固体材料熔触，采用喷墨打印原理 将其有序地喷出，一个层面又一个层面将其有序地喷出，一个层面又一个层面 地堆积建造而形成一个三维实体地堆积建造而形成一个三维实体 。快速成形的优越性快速成形的优越性快速成形的一般过程具有以下特点1、高度柔性高度柔性：不借助任何工夹具，即可成型出具有一定精度与强度、满足一定性能的原型或零件，要改变零件只需修改CAD模型，特别适合于单件小批生产 2、高度集成化高度集成化：是工艺、信息技术、新

12、材料技术、控制技术等的高度集成，实现数据驱动自动成形。3、适宜成型复杂零件、适宜成型复杂零件：不论多复杂的零件，都分解为二维数据统一处理，因而无简单复杂之分，越复杂的零件越能显示出优越性；此外，特别适合于复杂型腔、复杂型面等传统方法难以制造甚至无法制造的零件加工4、快速性：快速性：从CAD设计到原型加工完成，往往只需数小时至数十小时的时间，比传统的方法快的多，对复杂的零件尤其如此。它与RT技术相结合，可以转化为金属或其它模具，进行批量生产。快速成形的研究进展及趋势国内外主要设备商 3DSystems Strasys Objet Z-Corp EOS 北京殷华、北京隆源、陕西恒通、武汉滨湖、上海联泰等http:/Personal 3D PrintersAffordable 3D Printing RapMan 3.1 3D Printer KitBFB-3000 3D PrinterObjet Geometries Ltd.FaturesColor: Monochrome (white)Resolution: 300 x 450 dpi Minimum Feature Size: 0.016 inches