智能制造工艺原理与应用 课件 7-先进制造之增材制造2

增材制造技术非金属增材制造第二章立体光固化成形1薄材叠层制造2熔融沉积成形3介绍提纲激光选区烧结4三维喷印成形5立体光固化成形1薄材叠层制造2熔融沉积成形3介绍提纲激光选区烧结4三维喷印成形5

立体光固化成形（SLA）于20世纪80年代由美国查尔斯.赫尔发明51.1发展历史西安交通大学开始研发SLA技术20世纪80年代美国查尔斯.赫尔发明SLA20世纪90年代1986年世界首家增材制造公司3DSystem成立2016年基于LED屏幕的DLP光固化打印机Formlabs出现61.2成形原理SLA技术主要逐层固化，堆积成形出三维实体零件零部件成形构建三维模型树脂材料涂布加工平台升降激光扫描固化SLA技术成形原理1.3工艺过程7工艺包括前处理、逐层叠加成形、后处理前处理(构建模型)逐层叠加成形后处理层间设置三维模型构建与分层切片逐层固化光敏树脂材料成形去支撑、抛光、打磨等后处理1.4成形设备

设备的主要组成8平台升降系统储存箱及树脂处理系统激光和振镜系统控制系统树脂罐打印平台XY扫描振镜激光源激光聚焦透镜树脂铺展装置升降台液态树脂1.5成形材料9SLA技术打印材料主要是光敏树脂分类典型特点标准树脂AccuraClearVue,

StandardResin成本低、脆弱易断裂透明树脂ClearResin，VisiJetCrystal透明性高，相对脆弱弹性树脂ElasticResin，TangoBlack高柔韧性，但弹性有限温度耐受树脂HighTempResin,SomosPerFORM高热稳定性，较脆弱生物相容性树脂DentalSGResin，MED610符合生物相容性标准，强度和耐久性较低铸造模型树脂CastableResin，QuickCast高精度和表面光滑，不适用功能性零件颜色树脂ColorBaseResin色彩多样，性能较低StandardResinMED610ColorBaseResin尺寸精度、表面质量高材料利用率高(接近100%)自动化程度高材料类别广泛，环境友好可制作复杂结构零件1.6工艺特点优点ADVANTAGE10缺点DISADVANTAGE一般需要支撑光敏树脂强度刚度耐热性有限需要二次固化设备和成形材料成本高昂1.7典型应用11SLA技术广泛应用于工业设计、生物医药、模具制造、日常生活等领域制作建筑模型肺脏模型1.7典型应用12复杂模具制作精美工艺品制造模具制造、日常生活用品1.7典型应用13精美首饰制作打印的服饰、鞋子模具制造、日常生活用品立体光固化成形1薄材叠层制造2熔融沉积成形3介绍提纲激光选区烧结4三维喷印成形5薄材层叠制造(LOM)最早由美国人Paul于1976年提出152.1发展历史1976年1987年20世纪90年代近年来美国人Paul设想出LOM雏形MichaelFeygin发明LOM技术Helisys公司推出商业化LOM多种材料组合打印激光按规划路径逐层切割材料，叠加粘接成形零部件162.2成形原理表面处理构建三维模型材料预处理切割层次粘合层次切除多余材料2.3工艺过程17

工艺包括前处理、逐层叠加成形、后处理三个步骤前处理(构建模型)逐层叠加成形后处理层间设置三维模型构建与分层切片激光分割，叠层粘合成形去支撑、表面光滑处理、热处理等后处理2.4成形设备

设备组成18激光源透镜扫描振镜部件热压滚轴成形材料供给轴升降台收料轴成形区域激光系统热压叠层系统材料供给系统平台升降系统控制系统2.5成形材料19主要包括薄片材料和热熔性粘接剂金属箔纸张陶瓷膜聚酯类热熔胶薄片材料热熔性粘接剂纸片材乙烯-醋酸乙烯酯共聚物型热熔胶金属片材聚酯类热熔胶陶瓷片材尼龙类热熔胶或其混合物塑料薄膜复合材料片材2.6工艺特点优点ADVANTAGE20缺点DISADVANTAGE材料价格便宜，成本低成形效率高可制造尺寸相对较大的零件无需辅助支撑制件沿叠层方向的强度较低后处理工艺繁琐，原型易吸湿膨胀制造体积较大的零件时，容易发生翘曲变形等工艺缺陷2.7典型应用21

主要用于造型设计，模具快速制造、工艺品制作等造型设计工艺展品2.7典型应用22复杂结构造型人物、沙盘、三维地图等工艺品

造型设计评估，模具快速制造、工艺品制作立体光固化成形1薄材叠层制造2熔融沉积成形3介绍提纲激光选区烧结4三维喷印成形5

熔融沉积成形(FDM)由美国Stratasys公司于1988年发明243.1发展历史1988年美国学者ScottCrump提出FDMFDM打印关键技术专利过期，商业化快速发展中国首次太空FDM3D打印美国Stratasys公司推出首台FDM机器1992年2009年2020年FDM-16503.2成形原理25FDM按规划路径将丝状材料加热熔化，逐层叠加成形零部件成形构建三维模型加热融合丝材材料挤出固化平台规划移动

工艺包括前处理、逐层叠加成形和后处理三部分263.3工艺过程前处理(构建模型)逐层叠加成形后处理三维模型构建与分层切片丝材熔化、逐层挤出叠加成形去除支撑、表面处理等后处理3.4成形设备FDM设备主要组成运动单元挤出喷嘴供料系统加热系统控制系统27丝材线轴丝材喷头运动喷头运动方向加工平台运动液化器挤出喷嘴沉积材料成形部件打印丝材和支撑丝材3.5成形材料

热塑性材料一般皆可作为FDM成形材料成形材料支撑材料黏度低熔点高于主体材料熔点熔融温度低与成形材料不反应浸润粘结性好流动性好收缩率小较低的熔融温度公差±0.05mm粘接性适中，便于剥离强度柔韧性好具有水溶性或酸溶性吸湿性适中ABSPCPEEK2828先进塑料工程塑料标准塑料打印温度、性能、成本3.6工艺特点优点ADVANTAGE29缺点DISADVANTAGE系统构造原理操作简单设备操作简单、便于维护成形过程环境友好原材料选择范围较广后处理工艺简单对材料性质有一定要求难以成形复杂结构需要设计制作支撑结构制件性能呈现各向异性成形精度和效率偏低3.7典型应用30FDM应用非常广泛工艺品模具制作3.7典型应用31FDM应用非常广泛FDM打印心脏模型电器元器件框架3.7典型应用32FDM应用非常广泛教学模型制作娱乐玩具3.7典型应用33FDM应用非常广泛多种材料打印不同领域制品立体光固化成形1薄材叠层制造2熔融沉积成形3介绍提纲激光选区烧结4三维喷印成形5激光选区烧结(SLS)最早由美国学者Carl于1989年提出354.1发展历史1986年美国学者CarlDeckard提出SLS美国DTM公司推出商业化SLS机器中国开始研究SLS技术Texas大学推出首台SLS机器1988年1994年2018年EOS推出LaserProFusion技术，大幅提高打印效率4.2成形原理36

高能激光按规划路径扫描粉末材料，逐层熔化成形零部件成形构建三维模型粉末材料铺展激光熔化粉末SLS工艺过程分为前处理、逐层烧结和后处理374.3工艺过程前处理(构建模型)逐层烧结成形后处理三维模型构建与分层切片铺展粉末、激光烧结成形去支撑、热处理、表面处理等后处理4.4成形设备设备的主要组成38激光发生器振镜扫描系统粉末铺展系统预热系统成形舱控制系统激光发生器振镜扫描系统粉末床粉末铺展辊轮成形舱可控环境粉末回收舱粉末供给舱预热系统4.5成形材料39

材料范围广泛类型材料分类特点高分子聚合物粉末尼龙(聚酰胺,PA)强度、柔韧性和耐腐蚀性好热塑性聚氨酯(TPU)高柔韧性和弹性聚醚酮酮(PEKK)机械、热和化学性能好金属粉末铝出色强度重量比钛高强度、低密度和优异耐腐蚀性不锈钢多功能坚固材料合金聚合多种材料优异性能陶瓷粉末氧化铝(Al2O3)卓越硬度、耐磨性和绝缘性能氧化锆(ZrO2)高强度、断裂韧性以及耐磨性和耐腐蚀性碳化硅(SiC)优异的热性能和机械性能尼龙粉末铝粉碳化硅粉末4.6优缺点优点ADVANTAGE40缺点DISADVANTAGE成形材料广泛结构支撑用量少材料利用率高材料价格便宜，成本低制件表面较为粗糙烧结过程易产生异味辅助工艺复杂(需要预热等)成形过程中易产生翘曲等成形件致密度难以保证4.7典型应用41SLS主要应用于航空航天、医疗、工业制造、消费品等领域叶片打印EDF涡轮打印4.7典型应用42

应用于航空航天、医疗保健、工业制造、消费品等领域汽车轴承盖火箭模型4.7典型应用43

应用于航空航天、医疗保健、工业制造、消费品等领域颅骨修复发动机零部件4.7典型应用44

应用于航空航天、医疗保健、工业制造、消费品等领域服饰打印模具制造4.7典型应用45

应用于航空航天、医疗保健、工业制造、消费品等领域各种打印尼龙制品日常用品(手提包)立体光固化成形1薄材叠层制造2熔融沉积成形3介绍提纲激光选区烧结4三维喷印成形5三维喷印成形(3DP)于1989年由麻省理工大学(MIT)提出475.1发展历史1989年MIT学者Emanuel提出3DP技术3D打印技术兴起，打印精度和分辨率大幅提升ZCorporation公司推出3DP打印机1997年2012年2017年GEAdditive公司公布基于3DP的金属打印机原型机5.2成形原理48

粉末材料铺展，喷射粘接剂逐层“印刷”零部件成形构建三维模型粉末材料铺展加热固化粘结剂喷射3DP工艺过程分为前处理、逐层喷射打印和后处理495.3工艺过程前处理(构建模型)逐层喷射成形后处理三维模型构建与分层切片，选择粘接方式以及配比铺展粉末、逐层喷射粘接剂打印成形去除多余粉末、热处理等后处理5.4成形设备3DP设备主要组成50加工平台粉末供给系统粉末铺展系统粘接剂喷射装置粉末固化装置控制系统可移动加工平台加工舱打印粉末粘接剂喷头铺粉轮毂未打印粉末(支撑作用)固化装置粉末料斗5.5成形材料51粉末状材料均可，选择范围广泛类型分类特点金属铝出色强度重量比钛高强度、低密度和优异耐腐蚀性不锈钢多功能坚固材料合金聚合多种材料优异性能陶瓷氧化铝卓越硬度、耐磨性和绝缘性能氧化锆高强度、断裂韧性以及耐磨性和耐腐蚀性碳化硅优异的热性能和机械性能沙粒硅砂粒径小、化学性质稳定、吸水性强合成砂粒径分布均匀、颗粒尺寸可调、高表面积钛合金制件氧化铝制件合成砂制件5.6优缺点优点ADVANTAGE52缺点DISADVANTAGE设备结构简单，成本低可用材成形材料类型广泛不需要支撑结构，效率高趋向于小型化、桌面化发展可实现彩色成形