快速成型工艺

快速成形技术

（RapidPrototyping--RP）快速成形的概念

三维物体切片层制造叠加快速成形的基本原理一种基于离散/堆积成形思想的新型成形技术，是将计算机设计产生的实体模型，由层层堆积的方式，以快速、自动化的流程制作出来。所有RP制造的本质：模型离散与层片叠加过程的统一。零件3D模型前处理

后处理

自由成形

激光扫描

CT扫描

STL格式文件

切片

原型

后处理

最终零件叠层制造

RP步骤3D软件STL文件3D模型快速成形的特点1、快速成形技术采用离散/堆积成形的原理，自动完成从电子模型（CAD）到物理模型（原型和零件）的转换。2、快速成形技术具有高度的柔性。3、快速成形技术实现了机械工程学科多年来追求的两大先进目标，即材料提取（气、液、固相）过程与制造过程一体化和设计(CAD)与制造(CAM)一体化。4、通过对一个CAD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，具有突出快速制造的优点。5、与反求工程（(ReverseEngineering)相结合，成为快速开发新产品的有力工具。快速成形技术的应用领域几种典型的RPM技术光敏树脂的选择性固化(StereoLithographyApparatus---SLA)薄型材料选择性切割(LaminatedObjectManufacturing---LOM)粉末材料选择性激光烧结(SelectiveLaserSintering---SLS)丝状材料选择性融覆(FusedDepositionModeling---ＦＤＭ)三维打印成形(ThreeDimensionalPrinting---3DP)激光工程化净成形(LaserEngineeredNetShaping---LENS)光敏树脂的选择性固化(SLA)原理：以光敏树脂为原料，采用计算机控制下的紫外激光以预定原型各分层截面的轮廓为轨迹逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应后固化，形成薄层截面，一层固化后，工作台上（或下）移，固化后的树脂表面形成新的液态树脂，再进行新一层的扫描、固化。StereoLithographyApparatus(SLA)SLASLA成形系统光学部分：紫外激光器（位置精度0.008mm，重复精度0.13mm）；激光束扫描装置（电流计驱动：尺寸小，精度高；X-Y绘图仪方式：高精度，大尺寸）树脂容器系统：树脂容器（不锈钢，树脂费用昂贵）；升降工作台（步距可小于0.02mm）；重复涂层装置（使树脂迅速、均匀覆盖在固化层上）数控系统和控制软件：核心是激光束扫描器后固化装置：强紫外光固化SLA设备机器最大尺寸:350×350×350mm零件精度:±0.1mm扫描速度:

0～1m/sec激光系统:45mW,HeCd,325nm材料:光敏材料西安交通大学SLA扫描方式扫描参数：固化深度；扫描间距；扫描方式：连续扫描(简单，但需要光开关，能量损失大，树脂收缩明显，翘曲增加)分片区域扫描(不用光开关，每个区域内存在连续扫描缺点)环形扫描(减少翘曲变形，收缩量小，无需光开光)三角剖分扫描(具有环形扫描的优点变形小，算法简单)扫描方式连续扫描(1)SLA设备昂贵，例如一种工作台面较小的SLA—250系统就高达30万美元以上，加之所采用的紫外激光管每支数万美元，而使用寿命仅1000多小时，运行费用很高，一般用户特别是国内企业难以承受；(2)造型用光敏树脂每公斤约l00美元左右，所加工制件成本高，同时光敏树脂还有一定毒性，需采取防污染措施；(3)分层固化过程中，处于液态树脂中的固化层因漂浮易错位，须设计支撑结构与原型制件一道固化，前期软件工作量大；(4)由于激光固化液态光敏树脂过程中，材料发生相变，不可避免地使聚合物收缩产生内部应力，从而引起制件翘曲和其它变形；(5)成形材料一般是丙烯酸脂或环氧树脂等热固性光敏树脂，不能反复加热熔化。3D系统公司是RPM设备开发的龙头，它最新推出SLA一500／40的制作速度比SLA—500／30快45％。SLA特点

在SLA的基础上又产生了以色列的Cubital

公司的Solider系统。该法成形每一层时要经过多个步骤。它也要用液态树脂成形。预先制好一系列的模板。模板可以重复利用。模板中的透明部分就是模型被切片后的截面形状。紫外光透过透明部分，使树脂固化。清除没有固化的部分，以蜡填充(蜡起支撑作用)。然后将二者铣成同一厚度，作为下一层的加工平台。如此叠加完毕后，原型嵌在蜡块中。熔掉蜡后剩下的就是原型。

SOLIDER系统特点适于制造大型的原型。用4kw的灯照射比激光要快得多。SOLIDER5600型成形机的加工尺寸为500mm×350mm×500mm。SLA改进技术

SLA改进技术SLA应用排气管微型零件鞋底SLA用于医学工程boneskullSLA特点精度较高技术成熟悬臂件需要支撑树脂存在收缩具有一定毒性薄型材料选择性切割(LOM)原理：将薄膜按照CAD分层模型所获数据，用激光束将单面涂有热融胶的薄膜切割成所需原型的内外轮廓，然后将新一层的薄膜叠加在上面，通过热压装置加热与下面已切割层粘合在一起，逐层切割、粘合，直至完成原型。LaminatedObjectManufacturing-LOMLOM成形系统组成激光切割系统箔带供给系统原材料存储与送进机构热压装置可升降工作台数控系统等LOM

LOM设备(ZIPPY-II)华中科技大学零件最大尺寸:1180mm×730mm×550mm零件精度:X,Y,Z±0.25mmLOM工作中2:分离LOM工作过程画交叉线1:LOM工作循环CAD设计LOM切片LOM成形的特点成本低无需支撑设计，软件工作量小造型速度快，可制作大型制件与木模具有相同水平的强度要考虑设备的安全性制件材料的耐候性、粘结强度与所选的基材与胶种密切相关；废料的分离较费时间，目前正从材料的配方、加工参数的合理选取和软件层面处理等多方面采取措施进行改进。粉末材料选择性激光烧结(SLS)原理：成形机按照计算机输出的原型分层轮廓，采用激光束在指定路径有选择地扫描并熔融工作台上薄且均匀铺层的材料粉末，一层扫描后，向上（下）移动工作台，控制完成新一层的烧结。SelectiveLaserSintering(SLS)

激光束激光发生器进给缸展铺粉末的辊子粉末工件Z工作台Z充满氮气的工作环境

工件SLS设备AFS-320MZ机器最大尺寸:320×320×435mm层厚:0.08～0.3mm扫描速度:

0～4m/sec激光:50W,CO2,10.6mＳＬＳ扫描方式

平行长边扫描：扫描次数少，相邻条扫描间隔较长，温度梯度减小，烧结件内应力降低平行短边扫描：反之分形路径扫描：薄层残余拉应力降低，烧结件强度提高SLS工作过程SLS工作过程SLS工作过程SLS应用SLS特点可采用多种材料制造工艺较简单尺寸精度较高,表面精度较低成本适中成形速度较慢SLS金属粉末烧结

单一成分粉末：先将粉末预热，再以激光束扫描、烧结，经热等静压处理，相对密度达到99.9%混合粉末（熔点不同）：使低熔点粉末熔化(青铜)，将高熔点粉末(镍)熔粘，再经液相烧结后处理，相对密度达到82%金属粉末与有机粘结剂粉末：熔化有机粘结剂(有机玻璃)将金属粉末粘结，再经高温后处理，去除有机粘结剂，提高强度和耐热强度，并增加内部组织和性能均匀性。

SLS烧结其他粉末陶瓷粉末的烧结塑料粉末烧结

标准的铸造蜡材，可用于失蜡铸造，制造金属原型、模具等；聚碳酸脂,尼龙,ABS等:标准的工业热塑性塑料，可建造功能模型及原型、坚固的铸芯(代替蜡材，用于RapidCasting快速铸造法来建造金属原型及模具)、复制用的母模，以及砂模铸造用的铸芯；其特点是坚固而耐热，积建速度快，能造出细微轮廓及薄壁SLS烧结件后处理粉末经过激光烧结后形成原型或零件坯体，需经后处理提高力学性能和热学性能由金属粉末烧结制件（greenpart）放入加热炉将结合剂烧尽，金属粒子烧结粘结（brownpart），具渗透功能炉内添加渗透剂金属，高温下变成液体，经过毛细管作用渗透至brownpart中，成为致密金属零件烧结件后处理方法：有高温烧结、热压烧结、热等静压、熔浸、浸渍SLS的其他应用直接制作铸造熔模：蜡粉，树脂粉，低熔点高分子树脂与蜡复合材料等翻制蜡模压型直接制作铸造型壳：采用反应性树脂包覆之陶瓷粉激光烧结成铸造型壳，经过一定后处理得到铸造用的型壳丝状材料选择性融覆原理：加热器将热塑性材料加热成液态，根据片层参数控制加热喷头沿模型断面层扫描，挤压并控制液体流量，使液体均匀铺撒在断面层上，快速冷却凝固并与上一层连接在一起，这样逐层叠加，形成原型。FusedDepositionModeling(FDM)FDM层成形方式FDM产生的横截面FDM的走丝不能交叉,否则会在层面上形成高点FDM设备MEM-250机器最大尺寸:250×250×250mm零件精度:～0.15mm扫描速度:

0～500mm/sec材料:蜡,ABS以及尼龙丝清华大学FDM系统组成机械系统（运动、喷头、成形室、材料室、控制室、电源室）控制系统软件系统供料系统FDMFDMFDM应用风扇壳臀骨FootboneFDM的应用特点尺寸一般较小强度较差，表面精度一般成形材料广泛,可以在丝状材料中添加如金属粉,陶瓷粉等,通过后处理得到不同材质部件成形速度快无环境污染,适合办公室使用三维打印原理：三维打印采用喷嘴（喷墨打印热气泡法和压电陶瓷振荡法）按照零件截面形状,将液体喷射基层上，或是使使部分粉末粘接在一起，形成截面轮廓；或是采用某种方式（如光照，凝固，化学反应等）使液滴固化。一层成形完成后，再进行下一层的成形，如此循环，最后经过后处理，形成原形制件。Threedimensionalprinting(3DP)开始铺一层粉喷射粘接剂降低打印平台最终零件重复去除三维打印过程简图三维打印原理不联通部分升降台悬臂部分支撑零件压电喷头材料微粒三维打印设备不同的三维打印设备粘接剂沉积并平整可粘接的粉末MIT的三维打印熔融的塑料BPM公司的BallisticParticleManufacturing不同的三维打印设备熔融的塑料熔融的蜡平面刀具熔融的塑料96个喷嘴的打印头Sander公司的ModelMaker3DSystem公司的Multi-JetModeling连续喷射(Continuousink-jet)液滴喷射机理压电式喷射热气泡喷射按需下落(DroponDemand)三维打印Z402System基本构造废粉收集粘接液回收供粉升降电机成形平台升降电机设备简单、成本低、体积小材料便宜，可选择多种不同性能和不同用途的材料工作过程中无污染成形速度快成形复杂几何尺寸的产品不需要支撑无需激光系统，运行费用低且可靠性高，安装、使用简单、维护保养方便3DP特点3DP用于艺术设计3DP应用牙齿手机3dp用于FEA3dp应用Pumpingstation3DMolecular三维打印成形的应用彩色模型直接快速模具

可控释放药片

陶瓷制件

颅骨模型

骨组织支架

3DP用于案例分析Side-speakPop-UpRotator测试FinalDesignEngineeringLENS---激光工程化净成形将选择性激光烧结和激光熔覆技术相结合，不需要浸渗、热等静压等复杂后处理工序即可快速获得致密度和强度均较高的金属零件LENSModel850-R工作头LENS成形实例铬镍铁合金引擎密封修复（美国军方）钛阀杆（用于自行车比赛）316SS薄壁壳体钛髋关节

涡轮叶片修复脊柱移植体-Ti内部结构牵引器原型股骨（中空）特殊形状锁骨-TiLENS成形实例带共形冷却管道的模具嵌件LatticeStructureProjectLENS成形实例LENS中空结构LENS成形实例LENS的优点材料极限强度(ksi)屈服强度(ksi)延伸率%1英寸LENS316不锈钢1157250316SS高温合金853550LENS铬镍铁合金6251358438铬镍铁合金625高温合金1215830LENS

Ti-6Al-4V17015511Ti-6Al-4V高温合金13012010特征

优势

单工步制作®生产准备周期段，成本低

添加法®减少材料浪费

显微结构改善

®强度和材料性能好

新型三维结构®增加设计的柔性

功能梯度材料®应用于特殊的多材料零件

热影响区域小

®零件修复时不会损坏零件RP的数据格式*.stl的表达方式表达一个球STL文件的处理将STL文件用切片程序切成多个薄层RP设备按照每个切片横截面成形CAD模型和STL文件CADModelSTLModel123Solid…facetnormal0.000.000.00outerloopvertex4.002.000.00vertex1.000.003.00vertex0.002.002.00endloopendfacet…endSolidXYZSTLFile切片的阶梯效应2millayer4millayer6millayer1millayerRPM的应用产品开发---汽车业产品开发-家电/通讯等吸尘器盖设计测试产品开发-航空航天GE/销售模型麦道Douglas/MD-90节流喷嘴Bell直升机/齿轮箱装配产品开发—日用产业（鞋业）AdidasSLA原型

硅胶模产品产品开发-医疗行业