材料成形装备及自动化 第3版 课件 第六章 快速成形装备及控制

材料成形及控制工程专业核心课程华中科技大学材料成形装备及自动化

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2目录第一章

绪

论（2学时）

第二章金属液态成形装备及自动化（10学时）

第三章

金属塑性成形装备及自动化（10学时）第四章

金属连接成形装备及自动化（10学时）第五章

高分子材料成形设备及自动化（2学时）

第六章

快速成形装备及控制（6学时）第七章

其它材料成形装备（4学时）第八章热处理工业炉及其控制（2学时）第九章材料加工中的环境保护装备（2学时）6.1概述6.2三维模型及数据处理6.3液态树脂光固化成形6.4激光选区烧结/熔化成形6.5熔丝沉积成形6.6微滴喷射成形6.7薄材叠层成形第六章

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36.1节目录§6.1.1增材制造技术概念§6.1.2增材制造技术发展历程§6.1.3增材制造技术特点§6.1.4增材制造的工艺种类、材料§6.1.5增材制造技术的发展趋势EAMP

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46.1.1增材制造技术概念制造技术分类减材制造切削加工等切削机床粉、液、丝等增材制造制造装备？？？？？？？？？等材制造铸造、锻造等锻造机等千年百年30年EAMP

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53D打印制造技术是增材制造技术的俗称。增材制造（AdditiveManufacturing，AM）技术是依据三维CAD设计数据，采用离散材料（液体、粉末、丝、片等）逐层累加原理制造实体零件的数字化制造技术。相对于传统的材料去除（如切削等）技术，增材制造是一种自下而上材料累加的制造工艺，在加工方式上有本质区别。学术界又称增量制造、增材制造、快速原型、快速制造。CAD模型堆积成形产品6.1.1增材制造技术概念EAMP

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66.1.2增材制造技术的发展历程蒸汽时代18世纪60年代——19世纪40年代蒸汽机的发明电气时代19世纪70年代——20世纪初电的发明信息化时代20世纪40年代——至今计算机、航空等本次新工业革命以数字化、智能化为主题，提升工业技术水平！EAMP

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7增材制造技术的核心思想最早起源于美国。早在1892年，美国一项专利提出利用分层制造法构成立体地形图。随着计算机技术、激光技术和新材料技术的发展，1987、1988、1989、1992、1993年，美国分别发明了光固化（SLA）、分层实体制造（LOM）、激光选区烧结（SLS）、熔融沉积制造（FDM）以及三维打印（3DP）五种经典增材制造工艺。1950-1980思想萌芽1980-1990工艺装备1990-2000快速原型制造2000-至今零部件制造阶段一阶段四阶段三阶段二6.1.2增材制造技术的发展历程EAMP

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81986年1993年1995年2005年2010年CharlesHull开发出第一台商用3D印打印机麻省理工学院获3D打印技术专利美国Zcorp公司从麻省理工学院获唯一授权，开始开发3D打印机市场上首台高清晰彩色3D打印机被美国研制成功世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世首台高清晰彩色3D打印机6.1.2增材制造技术的发展历程EAMP

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9巴黎时装周服装世界上最小3D打印机首例人体安装金属下颌骨3D打印足球鞋3D打印牙齿矫正3D打印机人造耳朵2011年2012年6.1.2增材制造技术的发展历程EAMP

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10当前，新一轮世界科技革命正在孕育，以增材制造技术（俗称3D打印）为重要代表的新工业革命初见端倪。增材制造技术与传统制造技术融合发展将对未来制造业产生重要影响。欧美发达国家密切关注这一最新动向，加紧战略部署，推动增材制造技术创新及产业化。6.1.2增材制造技术的发展历程EAMP

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11美国在国际金融危机爆发后，将发展3D打印技术作为重振制造业的第一个政府科技计划：

2011年，美国总统奥巴马宣布向3D打印产业支出5亿美元，以提升美国在制造业上的领先地位；2013年，奥巴马在国情咨文中表示，将建立一个包含15个制造创新中心的全国性网络，研究包括3D打印在内的各项新兴技术；美国有三家公司上市（ExOne、Stratasys和3DSystem公司）6.1.2增材制造技术的发展历程EAMP

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12欧盟国家认识到3D打印技术对工业乃至整个国家发展的重要作用及巨大潜力，纷纷加大支持力度：德国成立3D打印研究中心（DMRC）英国建成四个3D打印研究中心法国成立3D打印协会（AFPR）《经济学人》认为3D打印将推动第三次工业革命6.1.2增材制造技术的发展历程EAMP

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13中国从中央到地方都非常重视3D打印技术，将其作为一项战略技术！

习主席2013年7月习主席在武汉光谷考察时指出“3D打印技术很有前途，必须加快产业化”；科技部、工信部、工程院组织多次3D打印研讨会，近两年在国家863、国家科技支撑计划、04专项中立项；2014年，3D打印被广东省、湖北省、上海市、深圳市列入各级科技计划项目指南；北京、陕西、广东、湖北、湖南、江苏等地相继成立3D打印研发与工程中心。6.1.2增材制造技术的发展历程EAMP

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14北航LENS装备华科大SLS装备

西交大SLA装备

清华FDM装备我国3D打印技术主要依托于若干高校和研究单位，在国家项目资助下开展自主研制，形成了系列技术及装备。西安交通大学研发了光固化技术及装备清华大学研发了熔丝沉积技术及装备华中科技大学研发了选择性激光烧结技术及装备北京航空航天大学、西北工业大学研发了LENS技术及装备6.1.2增材制造技术的发展历程EAMP

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15颜永年1988年开始接触3D打印，中国3D打印第一人生物制造北京市重点实验室，熔融沉积技术、电子束融化技术、生物打印技术王华明2012年获“国家技术发明一等奖”，2015年评上工程院院士主要研究高性能金属构件激光增材制造，应用于航空航天领域卢秉恒中国3D打印领域第一位院士主要研究高分子材料光固化3D打印技术及装备史玉升建立粉末材料激光快速成形技术的学术体系及集成系统材料成形与模具技术国家重点实验室，快速成形技术与装备、三维测量技术等黄卫东1995年开始接触金属3D打印凝固技术国家重点实验室，研究金属材料激光成形直接制造技术6.1.2增材制造技术的发展历程EAMP

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16

北京航空航天大学已实现30余种激光成形结构件在军机、C919客机等多个型号上的装机验证和应用。6.1.2增材制造技术的发展历程EAMP

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17

华中科技大学研究成果在一汽、二汽、航空航天等重要企业中获得应用。东风汽车公司发动机缸盖砂芯609.91×230.90×143.46沈阳铸造所大型熔模847.92×185.46×229.90

6.1.2增材制造技术的发展历程EAMP

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186.1.3增材制造技术特点可将三维加工变为二维平面加工，大大降低制造复杂度原理上，计算机上设计出模型，都可以无需刀具、模具及复杂工艺条件下快速将“设计”变为“现实”制造过程与零件的结构复杂度无关，可实现“自由制造”如自由曲面叶片、复杂内流道、一些内部镂空的结构等。优点1：适合复杂结构的快速制造设计试验工艺准备制造缩短周期设计工艺准备制造EAMP

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19与传统工艺相比，灵活性具有优势；从设计到制造，中间环节少、工艺流程短，特别适合珠宝、人体器官、文艺创意等个性化定制；对小批量生产、产品定制之前进行验证性制造，可极大降低加工成本和周期。优点2：适合个性化定制6.1.3增材制造技术特点EAMP

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20相比于减材制造，提高了材料利用率，减少了废弃副产品；不需集中的、固定的制造车间，具有分布式生产的特点；能够在数小时内成形，使设计人员到开发人员从平面图到实体的飞跃；能够打印组装好了成品，降低组装成本。实现零件减重制造特殊优化结构6.1.3增材制造技术特点EAMP

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21缺点1：打印材料受到限制3D打印技术的局限主要体现在材料商，目前，主要是塑料、树脂、石膏、陶瓷、砂和金属等。要对已有的材料的工艺——结构——特性等关系进行深入研究，明确其优点和限制，还需开发新的测试工艺和方法，扩展可用材料的范围。缺点2：精度、质量较低3D打印固有原理及发展还不完善，打印精度（包括尺寸精度、形状精度和表面粗糙度）、物理性能（如强度、刚度、耐疲劳性）及化学性能等大多不能满足工程实际的使用要求，不能作为功能性零件。由于采用“分层制造、层层叠加”的原理，层与层之间的结合再紧密，也无法和传统模具整体浇铸而成的零件相媲美。6.1.3增材制造技术特点EAMP

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22缺点3：成本较高、工时较长用于打印材料研发难度大、用量不大等原因，导致制造成本较高、效率较低。主要用于新产品研发，不能取代传统制造业，在未来制造业发展中，“减材制造”仍是主流。缺点4：规模化生产不具备优势尚不具备取代传统制造业的条件，在大批量、规模化制造等方面，高效、低成本的传统减材制造法更胜一筹。目前尚且不具备直接生产像汽车这样复杂的混合材料产品。6.1.3增材制造技术特点EAMP

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236.1.4增材制造的工艺种类、材料工艺方法代表性公司材料用途SLA光固化成形3DSystems（美国）光敏聚合物模型制造、零部件直接制造3DP三维喷印成形Objet（以色列）3DSystems（美国）聚合物、砂、陶瓷、金属模型制造、零部件直接制造FDM熔融沉积成形Stratasys（美国）聚合物模型制造、零部件直接制造SLS/SLM/激光选择性EOS（德国）3DSystems（美国）聚合物、砂、陶瓷、金属模型制造、零部件直接制造LOM叠层实体Fabrisonic（美国）纸、金属、陶瓷模型制造、零部件直接制造EAMP

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246.1.5增材制造的发展趋势随着材料、工艺方法和成形装备的发展，3D制造已从快速原型和工艺辅助等间接制造向金属、陶瓷、复合材料等零部件直接制造转变。美国AeroMet公司使用激光成形技术制造的次承力结构件在F/A-18战斗机上实现了装机验证。EAMP

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253D打印制造技术在国内外的航空、航天、汽车、模具等行业的零部件中得到了广泛应用。3D打印制造的注塑模具温度分布合理，减少翘曲变形注塑周期减少42.5%，增加产能70%每年节省24,000欧元使用3D打印制造的熔模进行铸造获得的大型薄壁钛合金零部件6.1.5增材制造的发展趋势EAMP

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263D打印制造技术与生物技术融合，形成生物制造技术，被广泛用于牙齿、骨骼等“人体零部件”的修复或植入中。

3D打印义齿已用于人体，并有专用装备

3D打印口腔修复体，已得到临床应用

3D打印人体膝关节金属修复体，有专业服务公司

3D打印金属颅骨修复体，已获临床应用6.1.5增材制造的发展趋势EAMP

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27与电子制造技术交叉融合：3D打印技术与电子制造技术相融合，形成全印制电子制造技术，可以广泛应用于有机发光二极管、薄膜太阳能电池、无芯片RFID标签、柔性显示器等产品的打印制造过程中。电子电路多层柔性PCB无芯片RFID标签有机薄膜光伏器件有机发光显示OLED6.1.5增材制造的发展趋势EAMP

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28艺术、建筑、文化、工业设计等尼龙3D打印自行车中国龙艺术品马球--伦敦奥运礼品大雁塔发电站水库大坝模型阿尔卡特手机外壳6.1.5增材制造的发展趋势EAMP

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29创新性教育行业等6.1.5增材制造的发展趋势EAMP

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30让孩子独立操作3D打印过程，在学习中培养独立观察能力、空间思维能力、审美能力、自主设计能力、建模能力、实操3D打印机的能力，真正成为一名真正的小创客。6.1.5增材制造的发展趋势EAMP

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31思考与判断名词解释：增材制造、3D打印。简述增材制造的工艺原理及特点。简述增材制造的主要工艺种类。简述增材制造的技术发展趋势。EAMP

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326.1概述6.2三维模型及数据处理6.3液态树脂光固化成形6.4激光选区烧结/熔化成形6.5熔丝沉积成形6.6微滴喷射成形6.7薄材叠层成形第六章

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336.2节目录§6.2.1STL模型发展历史§6.2.2STL文件格式及拓扑优化§6.2.3STL模型切片§6.2.4填充算法§6.2.5支撑结构§6.2.6AMF文件格式§6.2.7其他数据格式EAMP

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346.2.1

STL模型发展历史STL（Stereolithography,光固化立体造型）是一种利用三角面片表达三维实体表面模型的文件格式，由美国3Dsystem公司于1988年制定，在工业界被广泛应用。目前，几乎所有的增材制造系统和大部分CAE系统都采用STL文件作为数据交换格式。大多CAD软件都可以导出STL文件格式，但不能对STL文件编辑处理。可编辑性差各系统采用自行开发的软件，对STL处理算法不同，使得数据处理中间文件无法共享。EAMP

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35STL模型实例EAMP

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366.2.2STL文件格式及拓扑优化STL文件描述的是一种空间封闭的、有界的、正则的、包含点、线、面几何信息，能够完整表达实体表面信息。二进制(Binary)文本（ASCII）两种格式模型名称三角面片数三个顶点坐标值每个三角形法矢量均包含二进制格式文件小，是文本格式的1/5，读入处理快文本格式阅读改动方便，信息表达直观EAMP

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37共顶点规则右手规则取值规则充满规则每相邻的两个三角形面片只能共用2个顶点三个顶点次序沿指向模型外部的法向量方向呈逆时针排列每个三角形面片顶点的坐标值必须为正值，不存在零和负值二维模型表面上必须布满三角形面片，不能有空缺6.2.2STL文件格式及拓扑优化EAMP

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38STL文件的数据量非常大。一个较复杂的实体模型一般有几万甚至几十万个三角形面片构成。保存着大量的重复顶点，产生冗余。在读取文件时必须去除冗余数据，建立各数据间的拓扑关系。其描述的特征形状：体body、面face、边edge、顶点point。体，可找到其所包含的所有面、边、顶点；面，可找到其三个邻面、三条边、三个顶点；边，可找到所属的两个面和包含的两个顶点；点，找到它所属的多个边和多个面。6.2.2STL文件格式及拓扑优化EAMP

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39Classbody#定义体类结构{public：Carray<Point*，Point*>m_arrPoint；#定义点数组Carray<Edge*，Edge*>m_arrEdge；#定义边数组Carray<Face**，Face*>m_arrFace；#定义面数组}；ClassFace#定义面结构}；publicCList<int，int>NearFaces；#定义最近的面数组intIncludePoints[3]；#定义包含的三个顶点的数组CList<int，int>IncludeEdge8；#定义包含的三个边的数组}；6.2.2STL文件格式及拓扑优化EAMP

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40ClassEdge#定义边结构{public：intIncludePoints[2]；#定义包含的两个端点intBelongFaces[2]；#定义所属的相邻的两个面信息…}；C1assNewPoint#定义点类结构{public：doublex，y，z；#定义坐标信息intPointIndex；#定义点的索引信息public：booloperator==(constNewPoint＆p)；#重载相等符号booloperator<(constNewPoint＆p)；#重载小于符号}；6.2.2STL文件格式及拓扑优化EAMP

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41STL文件的图形错误1、无效法矢2、重叠三角形6.2.2STL文件格式及拓扑优化EAMP

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42STL文件的图形错误3、裂缝5、非正则图形4、漏洞6.2.2STL文件格式及拓扑优化EAMP

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43STL文件图形错误实例（法矢错误和裂缝）裂缝法矢错误EAMP

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44STL文件图形错误实例（漏洞）EAMP

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45STL数据格式优缺点和改进格式1、其他文件格式：IGES、STEP、HPGL、CLI、SLC等；2、常用的三维设计软件：Pro/E、UG、CATIA、Solidworks等；3、快速成形领域常用的第三方三维软件：比利时Materialize公司MagicsRP4、历史原因、格式简单、通用性使STL文件格式成为快速成形领域的文件标准；5、尝试新的标准：与现有STL格式的“兼容性”；文件尺寸；平台无关，适应新的快速成形需求，比如彩色信息。EAMP

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466.2.3

STL模型切片分层切片是增材制造中对STL模型最主要的处理步骤之一。过程：判断某一高度方向上切平面与STL三角面片的位置关系，若相交求出交线段，所有交线段有序连接起来即可获得切片轮廓数据。但大部分面片可能不与切平面相交，遍历所有三角形面片造成大量无用计算时间，故需要对STL模型进行预处理，再进行分层切片。基于几何拓扑信息的分层切片基于三角形面片位置信息的分层切片基于STL网格模型几何连续性的分层切片EAMP

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47基于几何拓扑信息的分层切片基于STL网格模型几何连续性的分层切片基于三角形面片位置信息的分层切片①三角面片分层方向跨距越大，与之相交的切平面越多；②按Z轴分层，离初始位置越远，求得切片时机越靠后；6.2.3

STL模型切片EAMP

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486.2.3

STL模型切片EAMP

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496.2.3

STL模型切片EAMP

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506.2.3

STL模型切片EAMP

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516.2.4填充算法对STL模型分层得到的截面轮廓环进行填充是增材制造数据处理的关键！“线段式”扫描路径：方向平行路径、轮廓平行路径。方向平行路径（Z字路径）轮廓平行路径（等距环）EAMP

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52逐行扫描方式优点：沿短边方向扫描时，相邻两次扫描间隔时间短，温度衰减慢，相邻扫描路径温差小，前一次扫描相当于对后一次扫描粉末预热。降低了金属熔化时温度梯度、减小内应力、减小翘曲变形。缺点：扫描方式单一，单一方向上的每条扫描路径收缩方向相同，容易集中收缩应力；尺寸精度不一致，两方向收缩量不同；组织均匀性差，影响整体机械性。6.2.4填充算法EAMP

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53分区域偏置扫描方式优点：将多边形剖分成一个个凸多边形，扫描线更短，收缩变形更小；在扫描凸多边形的边界不扫描，在同一层内应力减小，变形减小；扫描线算法简单，易实现。在内外轮廓附近一定区域内偏置。偏置后的得到的新轮廓采取分区域算法，使分得的区域都是凸多边形，最后在分得的几个凸多边形分别进行偏置扫描填充。6.2.4填充算法EAMP

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54变扫描矢上分块变向扫描方式（棋盘扫描）避免了逐行扫描中路径方向单一、尺寸精度不一致的不利，保证每一区域都短边扫描但若以每一小方块为基本单元看，若切片形状细长容易出现X、Y方向单元数不一致。单元间没有任何应力和约束，在接缝处易出现裂纹把扫描区域预先划分若干小方块，尺寸大小相同。每个小方块单独熔化成形后，再转移至其他小方块扫描，直到所有小方块扫描完成。所有小方块扫描顺序一般非有序选取。6.2.4填充算法EAMP

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55分块扫描实例EAMP

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56螺旋扫描方式各向同性，大量降低翘曲变形，提高零件成形精度，无需频繁开关，成形效率高，机械性好。生成Voronoi图后，可在接近线性时间内生成首尾相连、不需多余环检查和求交处理的轮廓偏置线。对分区扫描方式的进一步优化；路径生成的关键是求得首尾相连无交叉重叠的轮廓偏置线（可通过直接偏置法、基于Voronoi图生成偏置线法）。6.2.4填充算法EAMP

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57环形扫描方式在任一个切矢量上，金属熔池引起的收缩内应力分散在圆弧路径方向上，减小该方向翘曲变形。与逐行扫描相比，在某一固定矢量方向距离最短，提高切片轮廓的精度。在切片轮廓区域内，给定的半径沿圆弧路径扫描，以固定角速度作圆周运动，且线速度不变，方向（圆周的切矢量）不断改变。环形扫描路径应力方向6.2.4填充算法EAMP

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58不同工艺加工路径方法LOM（薄材叠层）：由于采用激光切割的原理，主要生成模型的轮廓，以及可适合剥离多余部分的网格线。找出与Z平面相交的所有边，并设置未处理标志。SLS（选择性激光烧结）：采用激光扫描线熔化粉末，需要生成填充实体区域的栅格线。SLA（光固化成形）、FDM（熔丝成形）：除了要生成填充实体区域的栅格线外，还需要额外的支撑。3DP（喷印成形）：采用类似喷墨打印机喷头方式，所以输出为图形数据。EAMP

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59独立第三方RP软件：Magics比利时MaterialiseN.V.公司，是当今最具影响力的第三方RP软件；STL文件的显示、测量、编辑、纠错以及切片；布尔预算，包括模型的拼接、切割等；模型的镂空及三维偏执；为STL模型添加FDM、SLA等需要的支撑。不同工艺加工路径方法EAMP

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606.2.5支撑结构支撑结构包括3种：柱状支撑块状支撑网状支撑未成形的轮廓超出邻接已成形轮廓范围，将形成“悬空”结构。悬空结构区域下面没有支撑，离散材料堆积难以成形。针对悬空结构需要人为添加辅助工艺结构即支撑结构，以克服其难成形的问题。EAMP

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61柱状支撑主要用于SLM成形过程中；承接下一层粉末，保证粉末完全熔化，防止出现坍塌；抑制成形过程中由于受热及冷却产生应力收缩，保证制件的应力平衡；连接上方新成形部分，防止发生移动或翻转。6.2.5支撑结构EAMP

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62块体支撑FDM采用双喷头或单喷头形式，两者加工方式存在不同，但成形后必须手动去除支撑才得到零件，支撑的加工关系到零件的加工成败、加工时间、表面质量等；FDM中，挤出的丝受到喷嘴下端面和已堆积层的约束，同时在填充方向还受到已堆积丝的拉伸作用；挤出的丝是具有一定宽度的扁平形状。块状截面形状6.2.5支撑结构EAMP

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63网格支撑主要用于SLA成形中；要求：①能够将制件悬臂部位支撑起来；②支撑与制件共同构成的结构要易于液态树脂流出；③支撑尽可能少，易于去除；锯齿与实体是点接触，由于刮板运动，应设计一个嵌入深度，使得锯齿与实体线接触，利于加工。网格支撑结构6.2.5支撑结构EAMP

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64FDM（熔丝沉积成形）6.2.5支撑结构EAMP

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65SLA（光固化成形）6.2.5支撑结构EAMP

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666.2.6

AMF文件格式AMF（AdditiveManufacturingFile）格式基于XML语言文件格式，弥补了STL文件无法储存颜色的缺陷。一个AMF模型可以代表一个对象，或是一个结构中的多个对象。标准的AMF文件包含对象、材料、纹理、结构关系、元数据等5个顶级元素。一个完整的AMF需至少包含一个顶级元素。元素名称含义object定义模型的体积或者增材制造用到的材料体积material定义一种或多种增材制造用到的材料texture定义模型颜色或贴图纹理constellation定义模型的结构和结构关系metadata定义模型其他信息EAMP

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676.2.7其他数据格式OBJ文件格式不仅适用于主流3D软件模型间的互导，也可用于CAD系统。但缺少对任意属性和群组的扩充性，只能转换几何对象信息和纹理贴图信息。包含每个顶点的位置、每个纹理坐标顶点的UV位置、顶点法线、面定义。支持用几种不同插值的高阶曲面，如泰勒和B样条曲线。PLY文件格式PolygonFileFormat，用于储存立体扫描结构的三维数值，可储存颜色、透明度、表面法向量、材质坐标与资料可信度等信息，可对多边形的正反面设定不同的属性。EAMP

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68思考与判断什么是STL模型？分为哪两种格式？有什么优缺点？STL文件的拓扑关系？建立拓扑模型有何意义？STL文件有哪些错误类型？STL模型切片的目的是什么？主要算法有哪些？为什么对STL模型分层得到的截面进行填充？有哪些算法？支撑结构有哪些类型？各有什么特点？EAMP

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69华中科技大学材料学院材料成形及控制工程专业核心课程华中科技大学精品课及责任教授课程材料成形装备及自动化

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71目录第一章

绪

论（2学时）

第二章金属液态成形装备及自动化（10学时）

第三章

金属塑性成形装备及自动化（10学时）第四章

金属连接成形装备及自动化（10学时）第五章

高分子材料成形设备及自动化（2学时）

第六章

快速成形装备及控制（6学时）第七章

其它材料成形装备（4学时）第八章热处理工业炉及其控制（2学时）第九章材料加工中的环境保护装备（2学时）6.1概述6.2三维模型及数据处理6.3液态树脂光固化成形6.4激光选区烧结/熔化成形6.5熔丝沉积成形6.6微滴喷射成形6.7薄材叠层成形第六章

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726.3节目录§6.3.1光固化成形技术发展历史§6.3.2光固化成形工艺原理§6.3.3光固化成形系统及工艺§6.3.4光固化成形精度§6.3.5光固化成形设备§6.3.6光固化成形典型应用EAMP

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736.3.1光固化成形技术发展历史1984年美国Uvp公司Hull开发SLA（Stereo-LithographyApparatus,SLA）技术，1986年获得专利；创立世界第一家增材制造公司3DSystems，于1988年推出第一台商业SLA250；1990年德国EOS公司出售第一台SLA设备;2001年日本德岛大学研发出基于飞秒激光的SLA技术，实现微米级复杂三维增材制造；2011年奥地利维也纳技术大学研制最小的SLA机，仅有牛奶盒大小；2016年意大利solido3D公司开发手机LED屏幕DLP光固化打印机，精度0.042mm。国内：西安交大上世纪九十年代研发SLA技术；上海联泰科技有限公司生产销售SLA设备；近期出现一大批研发桌面级光固化（DLP）设备的微小企业。EAMP

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746.3.2光固化成形工艺原理光固化法Stereolithographyapparatus（SLA）

利用光能的化学和热作用使液态树脂材料固化，控制光能的形状逐层固化树脂，堆积成形出所需的三维实体零件。光照的方式图2.1三种曝光方式EAMP

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75采用掩模技术的光固化成形方式

光固化树脂是一种透明、粘性的光敏液体。当光照射到该液体上时，被照射的部分由于发生聚合反应而固化。图所示是将紫外光通过一个遮光掩模照射到树脂表面,使该树脂接受面曝光。6.3.2光固化成形工艺原理EAMP

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76采用激光束的光固化成形方式图所示的方式是用扫描头将激光束扫描到树脂表面使之曝光。液体树脂被照射部分发生固化，成形为所需形状的一层，然后用同样方式在该层面上再进行新一层截面轮廓的辐照、固化，依此类推，从而将一层层的截面轮廓逐步叠合在一起，最终形成三维原型。6.3.2光固化成形工艺原理EAMP

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77高能光束扫描方式

控制扫描头使高能光束（如紫外激光等）在树脂表面选择性曝光。“X-Y”平面运动方式系统光学器件少、成本低，且易于实现大幅面成形，但

成形速度较慢。振镜方式利用反射镜偏转实现光束的直线运动，速度快，但成本较第一种

方式贵，且扫描范围受限。图2.2扫描原理6.3.2光固化成形工艺原理EAMP

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78振镜扫描系统EAMP

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79光固化成形系统结构原理图1-反光镜2-光阑3-反光镜4-动态聚焦镜5-聚焦镜6-振镜7-激光束8-光固化树脂9-工作台10-涂敷板系统组成：激光器、光路系统、扫描照射系统、固化成形系统光源波长：325-355nm紫外光激光器：He-CO激光器、亚离子激光器、YAG激光器、YVO4激光器等辐照方式：XY扫描仪、振镜扫描（1）成形系统的组成及其工艺流程6.3.3光固化成形系统及工艺EAMP

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80

光固化成形过程EAMP

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81（2）成形过程光固化成形的全过程一般分为前处理、分层叠加成形、后处理三个主要步骤。（1）前处理：三维模型构造、成形方向选择、切片、生成支撑结构。（2）分层叠加成形：生成路径逐层叠加固化成形。（3）后处理：去除支撑结构、后固化、表面打磨。6.3.3光固化成形系统及工艺EAMP

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82（1）影响精度的因素

光固化成形过程中影响制件精度的最主要环节有：造型及工艺软件、成形过程及材料、后处理过程。影响最大的是液态光敏树脂的固化收缩，其次是层间的台阶效应。软件造成的误差1)数字模型近似误差

增材制造中通用STL格式的用无数三角面片逼近三维曲面的实体模型，造成曲面的近似误差。三角面片近似曲面过程6.3.4光固化成形精度EAMP

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83（1）影响精度的因素软件造成的误差2)分层切片误差成形前模型需要沿Z轴方向进行切片分层，由此曲面沿Z轴方向会形成台阶效应。降低分层的厚度可以减小台阶效应造成的误差，目前最小的分层厚度可达到0.025mm。3)扫描路径误差扫描设备很难设定扫描路线，一般用许多短线段来近似表示曲线，就会产生扫描误差。如果误差超过了容许范围，可以加入插补点使路径逼近曲线，减少扫描路径的近似误差。用短线段近似曲线6.3.4光固化成形精度EAMP

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84（1）影响精度的因素成形过程造成的误差1)激光束的影响激光器和振镜扫描头会出现零飘或增溢飘移现象，造成扫描坐标系统偏移；振镜扫描头结构本身造成原理性的扫描路径枕形误差，振镜扫描头安装误差造成的扫描误差；激光器功率不稳定，使被照射的树脂接受的曝光量不均匀。2)树脂固化收缩的影响光固化成形时，光敏树脂的固化收缩会使成形件发生变形，即在水平方向和垂直方向发生收缩变形。树脂固化成形过程发生翘曲变形6.3.4光固化成形精度EAMP

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85（1）影响精度的因素成形过程造成的误差3)形状多余增长在成形件形状的下部，树脂固化深度超量，使成形形状超出设计的轮廓。

解决方法有两种：一是采用软件检测数字模型下部的特征，并通过修改模型的数据对其有可能向下多余增长的部分，进行向上补偿；二是对于精度要求高的部分，可以在成形前将模型旋转一个角度，使该部分处于不会出现多余增长的垂直方向。成形件出现多余增长现象示意图6.3.4光固化成形精度EAMP

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86（2）衡量精度的标准光固化成形精度标准测试结构图1990年，北美光固化成形技术应用组织发明了一种可以检测增材制造整体精度的标准测试件，称之为user-part，如图所示。3DSystems公司借助该方法不断地应用于优化成形方法的研究、提高精度和加工性能。该标准特性：(1)在X、Y轴上的尺寸足够大，以至可以表述光固化成形机的承物台边缘和中间所有部分的精度；(2)具有大、中、小三种不同类型的数据；(3)用内、外两个尺寸来衡量线性补偿是否合适；(4)在Z轴方向的尺寸上很小，可减少测量时间；(5)很大程度上减少了材料的损耗；(6)各尺寸数据很容易用综合测量仪测量得到；(7)将平面、圆角、方孔、平面区域和截面厚度都表示了出来。6.3.4光固化成形精度EAMP

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87（3）标准测试件的测量光固化成形精度标准测试方式示意图测试翘曲量模型示意图user-part制件可能缺乏几何多样性，但应用该制件得到了相当多的基础数据，这些数据已经成为研究和进一步开发的公用标准。制件的中间部分被粘接在工作台上，目的是测试悬出端由于变形导致的与工作台之间距离的变化。6.3.4光固化成形精度EAMP

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88（4）提高精度的方法可以从四大方面提高制件的精度：（1）树脂材料：最好采用高强度、低粘度、小收缩率的树脂；（2）硬件方面：使用较细的激光束；（3）软件方面：优化扫描路径及分层方式；（4）制造工艺：协调优化材料、硬件、软件等以增强整个光固化系统的精度，采用合适的层厚、扫描方式等。6.3.4光固化成形精度EAMP

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896.3.5光固化成形设备光固化成形设备组成结构图

光固化成形系统设备包括激光及振镜系统，平台升降系统，储液箱及树脂处理系统，树脂铺展系统，控制系统。EAMP

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90光路系统EAMP

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91反射镜反射镜光阑激光器振镜扫描器聚焦镜液槽光敏树脂制件升降台光固化成形系统刮板涂敷系统EAMP

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93工作过程EAMP

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94工作台升起EAMP

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953Dsystem公司的光固化成形设备Vipersi2SLA3500SLA7000EAMP

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96华中科技大学开发的光固化设备EAMP

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976.3.6光固化成形典型应用目前SLA主要应用在新产品开发设计检验、市场预测、航空航天、汽车制造、电子电信、民用器具、玩具、工程测试（应力分析，风道等）、装配测试、模具制造、医学、生物制造工程、美学等方面。戒指工艺品光固化增材制造光固化技术制造模型辅助外科手术案例根据需求采用SLA技术打印出的戒指原模，产品的设计不受工艺水平限制，易实现小批量个性化生产，且更新速度加快。利用光敏树脂固化制造的连体婴儿头颅模型，复原其血管分布状况，为手术的进行起到了关键作用。EAMP

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98在通讯行业的应用EAMP

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99在电子行业的应用EAMP

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100在电子行业的应用EAMP

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101概念设计EAMP

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102电气产品EAMP

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103功能件、体育器材EAMP

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104模型EAMP

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105模型EAMP

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106模型EAMP

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1071.5mm模型EAMP

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108创伤治疗的应用EAMP

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109用于快速制模EAMP

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110直接制作注塑模具EAMP

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111思考与判断名词解释：光敏树脂、光固化。影响SLA成形零件精度的因素有哪些？归纳SLA设备的系统组成及其作用。SLA技术适合哪些领域应用？EAMP

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1126.1概述6.2三维模型及数据处理6.3液态树脂光固化成形6.4激光选区烧结/熔化成形6.5熔丝沉积成形6.6微滴喷射成形6.7薄材叠层成形第六章

快速成形装备及控制EAMP

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1136.4节目录§6.4.1激光选区烧结技术发展历史§6.4.2激光选区烧结工艺原理§6.4.3激光选区烧结系统组成及功能§6.4.4激光选区烧结成形设备§6.4.5激光选区烧结典型应用§6.4.6激光选区熔化技术发展历史§6.4.7激光选区熔化工艺原理§6.4.8激光选区熔化系统组成及功能§6.4.9激光选区熔化成形设备§6.4.10激光选区熔化典型应用EAMP

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1146.4.1激光选区烧结技术发展历史1986年美国Texas大学的研究生CarlDeckard发明SLS（SelectiveLaserSintering）技术，1986年研制出样机，并获得专利；1992年美国DTM公司推出Sinterstation2000系列商品化SLS成形机；1994年德国EOS公司推出了三个系列的SLS成形机，EOSINTP用于烧结热塑性塑料粉末；EOSINTM用于金属粉末的直接烧结；EOSINTS用于直接烧结树脂砂。1996年、1998年美国DTM公司推出了改进的SLS成形机Sinterstation2500和Sinterstation2500plus，同时开发出多种烧结材料。国内：1995年北京隆源公司研制成功第一台国产化激光增材制造设备；华中科技大学生产出了HRPS系列的SLS设备；还有南京航空航天大学、中北大学、湖南华曙高科等其他单位也在研究。EAMP

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1156.4.2激光选区烧结工艺原理激光选区烧结（selectivelasersintering，SLS）技术利用高能束激光逐层扫描粉末，将离散粉末烧结成体，实现复杂三维实体制造。SLS成形原理图1）设计建造零件CAD模型：三维建模或利用反求法获得零件信息；2）将模型转化为STL文件；3）将STL文件进行横截面切片（z方向）分割；4）激光根据零件截面信息逐层烧结粉末，分层制造零件；5）对零件进行清粉等处理。EAMP

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116铺粉振镜扫描头激光器扩束聚焦镜6.4.2激光选区烧结工艺原理EAMP

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117去掉未烧结的粉6.4.2激光选区烧结工艺原理EAMP

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118无定形聚合物的激光烧结结构模型①②②①烧结前的粉体

烧结后粉体间的融合与啮合

（①融合，②啮合）EAMP

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119实际烧结状况PC材料制件的SEM照片100μm烧结前的粉体

粉体烧结后EAMP

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120ABS材料的制件激光烧结功率为7.5W时的SEM照片（a）上表面（b）侧表面EAMP

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121烧结模型（a）良好的烧结模型(b)过度的烧结模型EAMP

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122扫描间距对成形的影响(a)扫描间距过大（b）扫描间距适中EAMP

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123（c）扫描间距过小扫描间距对成形的影响EAMP

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124(b)长边异侧(e)向内循环(f)向外循环(d)光栅扫描(c)短边方向(a)长边同侧扫描轨迹对成形的影响EAMP

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125渗入树脂或蜡渗入树脂处理EAMP

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126渗入树脂处理PC材料烧结件渗入树脂后的烧结件EAMP

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127ABS粉末材料烧结件渗入树脂后的烧结件渗入树脂处理EAMP

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128玻璃微球与PA1010粉末复合的烧结GB与PA复合粉末材料烧结件拉伸断口的SEM照片(a)×900(b)×2000EAMP

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129玻璃微球粉末复合的烧结件曲面烧结件弹性烧结件EAMP

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1306.4.3激光选区烧结系统组成及功能SLS的系统组成主要包括CO2激光器、振镜扫描系统、粉末传送系统、成形腔、气体保护系统和预热系统等。（1）CO2激光器SLS设备采用CO2激光器，波长为10600nm，激光束光斑直径为0.4mm，功率一般为50-100W。主要的工作物质由CO₂，N2，He三种气体组成。CO₂激光器的激发条件：放电管中，通常输入几十毫安或几百毫安的直流电流。（2）振镜扫描系统SLS振镜扫描系统与LOM激光振镜扫描系统类似，由X-Y光学扫描头，电子驱动放大器和光学反射镜片组成。电脑控制器提供的信号通过驱动放大电路驱动光学扫描头，从而在X-Y平面控制激光束的偏转。EAMP

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131（3）粉末传送系统SLS设备中，送粉通常采用两种方式，一种是粉缸送粉方式，即通过送粉缸的升降完成粉末的供给；另一种是上落粉方式，即将粉末置于机器上方的容器内，通过粉末的自由下落完成的粉末的供给。铺粉系统也有铺粉辊和刮刀两种方式。（4）成形腔激光进行粉末成形的封闭腔体，主要由工作缸和送粉缸等组成，缸体可以沿Z轴上下移动。两种不同的粉末传送系统成形腔结构图6.4.3激光选区烧结系统组成及功能EAMP

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132（5）气体保护系统在成形前通入成形腔内的惰性气体（一般为N2或Ar），可以减少成形材料的氧化降解，促进工作台面温度场的均匀性。（6）预热系统在SLS成形过程中，工作缸中的粉末通常要被预热系统加热到一定温度（聚合物的玻璃化温度）。该温度下材料烧结收缩率低，不宜变形；使烧结产生的收缩应力尽快松弛，从而减小翘曲变形。

预热温度过高粉末被烧结结块，粉末颗粒发生黏结、失去流动性，造成铺粉困难；预热温度过低容易发生翘曲变形。一般在玻璃化温度，熔点以下20度左右。预热系统一般在成型腔顶部按照红外辐射加热，包括加热管、非接触式温度检测系统以及温控系统等部件。6.4.3激光选区烧结系统组成及功能EAMP

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1336.4.4激光选区烧结成形设备国外：美国3DSystems公司

主要提供SPro系列SLS设备。采用了可移除制造模块和组合粉末收集系统，提高制造的可操作性和智能化程度。德国EOS公司设备包括P型和S型多系列SLS设备。其中，P型SLS设备主要用于成形尼龙等高性能塑料零件；新研发的P800型SLS设备，可提供超过200℃的稳定预热环境，能直接成形耐高温高强度PEEK塑料，成为世界上唯一可成形该类材料的SLS设备。国内：北京隆源自动成形系统有限公司，专门生产基于SLS设备。目前，最大成形空间达0.7m×0.7m。华中科技大学陆续推出SLS设备，在大尺寸SLS方面具有世界领先水平，最大成形台面接近两米。EAMP

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1346.4.4激光选区烧结成形设备EAMP

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135上落粉型快速成形机EAMP

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1366.4.4激光选区烧结成形设备EAMP

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137采用进口激光器采用国产激光器6.4.4激光选区烧结成形设备EAMP

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138超大范围工作场预热温度均匀四激光协同扫描、高精度拼接满幅面多点视觉测量自动校正实时划分多个激光器的工作区域为宁波伏尔肯科技股份技有限公司定制的大型陶瓷SLS装备-HKC17030

“四激光、四振镜、全球最大台面”陶瓷激光选区烧结增材制造装备KC17030，成形尺寸可达到1700×1700×600mm陶瓷SLS专用装备EAMP

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139HKC17030工作视频陶瓷SLS专用装备EAMP

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1406.4.5激光选区烧结典型应用SLS成形的砂型及其铸件铸造砂型（芯）成形SLS成形的熔模及其铸件2.铸造熔模的成形SLS技术可实现铸型（芯）的整体制造，不仅简化了分离模块的过程，铸件的精度也得到提高。SLS技术可快速制造几乎任意复杂形状铸件的熔模。EAMP

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141用覆膜砂直接烧结的砂模、型芯和浇铸的铸件。6.4.5激光选区烧结典型应用EAMP

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142砂芯快速成形EAMP

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143蜡件EAMP

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144蜡件EAMP

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145蜡件EAMP

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1463.高分子功能零件的成形SLS成形尼龙零件经后处理增强后处理的SLS功能零件用于SLS成形的材料主要是热塑性高分子及其复合材料。直接制造是指通过SLS成形的高分子制件具有较高的强度，可直接用作塑料功能件。典型晶态高分子包括尼龙-12、聚丙烯等。间接制造是指通过SLS成形的高分子制件强度较低，需要浸渗树脂等后处理工艺来提高其力学性能，从而用作强度要求不高的塑料功能件。非晶态高分子包括聚苯乙烯、聚碳酸酯等。6.4.5激光选区烧结典型应用EAMP

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147高分子粉末烧结塑料件EAMP

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148SLS制件EAMP

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149SLS制件EAMP

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1504.生物制造SLS技术制备PVA三维正交周期多孔结构四面体支架SLS技术可制备结构、力学性能可控的三维通孔组织支架及个性化的生物植入体，实现对孔隙率、孔型、孔径及外形结构的有效控制，适于对生物高分子进行烧结成形，制造个性化医用植入体和组织工程支架。

适用于SLS技术的生物高分子主要为合成高分子材料，包括左旋聚乳酸（PLLA)、聚己内酯（PCL)、聚醚醚酮（PEEK)、聚乙烯醇（PVA)等，并多与生物活性陶瓷材料，如羟基磷灰石（hydroxyapatite,HAp)）或β-磷酸三钙（β-tricalciumphosphate），以获得良好的生物活性。6.4.5激光选区烧结典型应用EAMP

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1516.4.6激光选区熔化技术发展历史1995年德国Fraunhofer激光技术研究所深入的探索了激光完全熔化金属粉末的成形;首次提出了SLM（SelectiveLaserMelting）技术；德国EOS公司制造了第一台设备；2000年光纤激光器成熟的制造并引入SLM设备中；2003年英国MCP集团管辖的德国MCP-HEK分公司Realizer推出SLM-50;世界上第一台应用光纤激光器的SLM设备;国内：华中科技大学、华南理工大学、西北工业大学和北京航空制造研究所等。EAMP

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1526.4.7激光选区熔化工艺原理激光选区熔化成形基本原理示意图EAMP

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1536.4.8激光选区熔化系统构成及功能成型腔：工作台、送铺粉机构、气体净化系统激光器：光纤激光（单模）、波长1060nm，激光光斑10-50微米，功率100-1000W光路传输系统：扩束镜、振镜、聚焦系统、保护镜控制系统、软件系统EAMP

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1546.4.9激光选区熔化成形设备电气控制EAMP

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155德国EOS公司M290型SLM设备，成形台面达到250mm华中科技大学自主开发的SLM设备，可实现磁场辅助成形6.4.9激光选区熔化成形设备EAMP

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156德国EOS公司M400型四激光SLM设备，成形台面达到300mm双激光SLM扫描成形中6.4.9激光选区熔化成形设备EAMP

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1576.4.10激光选区熔化典型应用（1）轻量化结构（2）

个性化植入体（3）

随形水道模具（4）

复杂整体结构（5）

免组装结构EAMP

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158（1）轻量化结构传统工艺制造多孔结构SLM制造CoCr合金多孔结构6.4.10激光选区熔化典型应用EAMP

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159（1）轻量化结构SLM制造的复杂空间多孔零件SLM成形多孔轻量化结构的材料主要有钛合金、不锈钢、钴铬合金及纯钛等，根据材料的不同，SLM的最优成形工艺也有所变化。6.4.10激光选区熔化典型应用EAMP

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