第8章快速成型技术PPT.ppt

1、快速原型技术，第8章，第1节。快速成型技术概述，根据加工后原材料体积的变化，制造业中各种零件的制造过程可分为：耗散成形，这是制造业中最重要的零件成形方法。强制成形可分为实体成形法(锻造、冲压和剪切、挤压、拉伸等)。)、液体成型法(铸造)和半液体成型法(注射成型)。添加剂成型是20世纪80年代初一个全新的制造概念。通过添加材料来满足零件设计的要求，这种新的零件生产工艺是快速成型的主要手段。1.1。零件成形方法的分类，1。快速成型技术概述。快速成型技术是20世纪80年代末90年代初发展起来的一种高科技制造技术，是由三维计算机辅助设计模型直接驱动快速制造任意复杂形状的三维实体的总称。它集成了计算机辅

2、助设计技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。由于它将复杂的三维制造转化为一系列2D制造的叠加，几乎可以生成任何复杂的零件，而无需使用模具和工具，大大提高了生产效率和制造灵活性。1.1。快速原型技术的概念，1。快速原型技术概述。与传统的制造方法不同，快速成型是从零件的计算机辅助设计几何模型开始，通过软件分层离散和数控成形系统，利用激光束或其他方法将材料层层叠加形成实体零件。它与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模具等制造方法相结合，已成为制造现代模型、模具和零件的有力手段，广泛应用于航空航天、汽车、机械、电子、电器、医药、建筑、玩具、工艺品等诸多领域。1.

3、1。快速原型技术的概念，1。快速成型技术概述，快速成型的过程一般包括以下步骤：(1)产品三维建模，(2)三维模型的近似处理，(3)三维模型的分层切片和生产加工路径，(4)成形加工，(5)成形零件的后加工，1.2。快速原型技术流程，1。快速成型技术概述(1)高度柔性和自由形式的快速成型技术直接从“电子模型”制造零件，离散化三维实体，并可以形成任何复杂的零件。制造过程与零件的几何形状无关，在设计和加工上有很大的灵活性(适用性)，可以制造任何复杂的形状和结构，或由不同材料制成的零件。1.2。快速成型技术的特点，1。快速成型技术概述(2)高度集成技术快速成型技术是计算机技术、数控技术、材料科学技术、激

4、光技术和机械加工技术的综合集成。它采用离散叠加法，以计算机和数控技术为基础，追求最大的灵活性。1.2。快速成型技术的特点，1。快速成型技术概述(3)快速产品开发快速成型技术基于高技术集成，从CAD设计到成型加工只需几个小时到几十个小时，大大缩短了产品设计开发周期，降低了新产品的开发成本和风险。特别适合小批量、复杂新产品的开发，充分体现了其“快”的优势。1.2。快速成型技术的特点，1。快速原型技术概述，(4)材料的广泛使用。理论上，快速成型技术适用于无限的材料，金属和非金属都可以使用。随着这一技术的发展，各种金属、树脂、塑料、纸张、石蜡、陶瓷等材料在快速成型技术领域得到了很好的应用。1.2。快速

5、成型技术的特点。快速原型技术。根据不同的成型原理，快速成型技术可分为两类：1、2.1。快速原型技术。快速原型技术，2.2.1。立体光刻技术是目前最成熟、应用最广泛的快速成型技术之一，2.2。立体平版印刷术，2。快速原型技术，2.2.1。SL技术原理该技术以液态光敏树脂为原料，由计算机控制紫外激光器根据预定部位的每一层截面的轮廓轨迹逐点扫描液态树脂，使扫描区域的树脂薄层发生光聚合(固化)反应，从而形成该部位的薄截面。在一个扫描区域中完成液态光敏树脂的固化层之后，工作台下降一层厚度，从而在固化树脂的表面上涂覆一层新的液态树脂，然后重复扫描和固化，并且新的固化层牢固地粘附到一层上，并且重复这一过程直

6、到整个部件的固化成型完成。2.2。立体平版印刷术，2。快速原型制作过程，2.2.2。SL工艺SL成型工艺一般包括四个工序，如下图2.2所示。立体平版印刷术(SL)、制造数据采集、层制备、层固化和堆叠、后处理、计算机辅助设计模具分散、重涂、激光束扫描液体表面、支架移除和清洁等。光敏树脂应具有以下特点：粘度低、固化速度快、固化收缩小、湿强度高、溶胀小、毒性小。立体平版印刷术，2。快速原型技术，2.2.3。SL模塑材料2)材料类型(根据反应机理)自由基光固化树脂固化速度快，生产周期短，但固化收缩严重。易氧聚合的阳离子光固化树脂固化收缩小，不易氧聚合，但固化速度慢，工作效率低。混合光固化树脂，2.2。

7、立体平版印刷术，2。快速原型技术，2.2.4。SL成型技术具有精度高的优点，一般尺寸精度可控制在0.01毫米；良好的表面质量；原料利用率接近100%；能制造形状特别复杂精细的零件；设备市场份额非常高。缺点是需要设计支持；可选择的材料类型有限；零件容易翘曲变形；材料很贵。该工艺适用于制造复杂的中小型零件。2.2。立体平版印刷术，2。快速原型技术，2.3.1。选择性激光烧结又称选择性激光烧结和粉末材料的选择性烧结。SLS成型机的主要结构是一个成型气缸，带有两个活塞机构，一个用于粉末供应，另一个用于成型，如图所示。2.3。选择性激光烧结。快速原型技术，2.3.1。在开始加工之前，充满氮气的工作腔被加

8、热并保持在粉末的熔点以下。在成型过程中，进料缸上升，粉末撒布辊移动。首先，将一层粉末材料铺在工作平台上，然后由计算机控制激光束，根据截面轮廓将粉末烧结到固体部分所在的位置，使粉末熔化，然后形成一层固体轮廓。第一层烧结完成后，工作台下降到截面层的高度，在工作台上铺一层粉末，烧结下一层，重复上述循环，形成三维原型零件。最后，冷却5-10小时后，可以从粉末筒中取出零件。2.3。选择性激光烧结，2.3.2。SLS成型材料目前，SLS材料主要包括以下几种类型：聚合物粉末材料、金属粉末材料、陶瓷粉末材料、覆膜砂粉末材料，2.3。选择性激光烧结。快速原型技术，2.3.4。选择性激光烧结快速成型系统一般由主机

9、主机组成：主要由成型筒、废料桶、撒粉辊装置、送料筒、激光器、振镜动态聚焦扫描系统、加热装置、机体和机壳等组成。计算机控制系统：主要由计算机、应用软件、传感检测单元和驱动单元组成。冷却器：由可调恒温水冷却器和外部管道组成，用于冷却激光，提高激光能量的稳定性。2.3。选择性激光烧结。快速原型技术，2.3.5。SLS技术具有原型零件力学性能好、强度高的优点；那儿有缺点是工件表面粗糙，需要后处理；成型速度慢；制造成本高。它特别适用于通过烧结不同成分的金属粉末和后处理如渗铜来制造功能测试部件。它也可以用来直接制造金属型腔的模具。蜡粉直接烧结适用于中小型复杂零件的熔模铸造生产。2.3。选择性激光烧结。快速

10、原型技术，2.4.1。美国学者斯科特克伦普博士于1988年成功开发了FDM过程原理熔融沉积成型(FDM)，也称为丝状材料的选择性涂覆和熔融挤出成型，美国斯特拉斯公司引进了商用机器。2.4。熔融沉积制造工艺(FDM)，2。快速原型制作过程，2.4.1。FDM进程的原则。FDM工艺利用热塑性材料的热熔性和粘附性，在计算机的控制下一层一层地形成。如图所示，在计算机的控制下，加热嘴可以根据截面轮廓信息在X-Y平面和高度Z方向移动。丝状热塑性材料(如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和MABS塑料丝、蜡丝、聚烯烃树脂、尼龙丝、聚酰胺丝)由丝供应机构送到喷嘴，在喷嘴中加热至熔融状态，然后选择性地涂覆在工作台上，

11、并快速冷却以形成横截面轮廓。完成一层横截面后，喷嘴上升到一层横截面的高度，然后涂覆下一层。最终形成三维产品。2.4。熔融沉积制造工艺(FDM)，2。快速原型制作过程，2.4.2。FDM模塑材料FDM工艺要求熔融温度低、粘度低、附着力好、收缩率小。影响材料挤出过程的主要因素是粘度。该材料粘度低、流动性好、阻力低，有利于材料的顺利挤出。材料流动性差，需要很大的送丝压力才能挤出，这将增加喷嘴的启停响应时间，从而影响成型精度。FDM工艺中使用的材料是丝状热塑性材料，通常用作低熔点材料，如石蜡、塑料和尼龙，以及电线或线材，如低熔点金属和陶瓷。在保险丝中，主要材料是ABS、人造橡胶、铸造蜡和聚酯热塑性塑料

12、。目前，FDM使用的材料主要是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物长丝(ABS P400)、甲基丙酸酯-丙烯腈-丁二烯-苯乙烯聚合物长丝(ABSi P500，医用)、消失模铸造蜡长丝(ICW06蜡)和塑料长丝(弹性体E20)。2.4。熔融沉积制造工艺(FDM)，2。快速原型制作过程，2.4.3。FDM工艺特点熔融沉积制造工艺作为一种非激光快速成型制造系统，具有以下优点：成型材料范围广。FDM工艺的喷嘴直径一般为0.11毫米，所以一般采用热塑性材料，如塑料、蜡、尼龙、橡胶等。经过适当的修改后，可用于熔融沉积工艺。设备成本和加工成本低。熔融沉积成型技术用液化器代替激光，与使用激光的其他工艺相比，大大降低了

13、制造成本。易于使用和维护。成型过程对环境无污染。FDM工艺中使用的材料一般都是无毒无味的热塑性材料，因此不会污染周围环境。设备运行时的噪音也很小。2.4。熔融沉积制造工艺(FDM)，2。快速原型制作过程，2.4.3。FDM工艺特点基于以上优势，FDM工艺得到了广泛应用和迅速发展。然而，FDM技术也有一些问题：它只适用于形成中小型塑料零件；成形件表面有明显的条纹，质量不如SL成形件，沿成形轴线垂直方向的强度较弱，因此有必要设计制造支撑结构；整个截面需要扫描和涂层，成型时间长。因此，可以同时使用多个热喷嘴进行涂覆，从而提高成形效率。2.4。熔融沉积制造技术(FDM)，2。快速原型技术，2.5.1。

14、叠层物体制造(LOM)，也称为叠层实体制造或薄的选择性切割，2.5。分层实体制造过程(LOM)，2。快速原型制作过程，2.5.1。LOM工艺原理LOM工艺使用薄片材料，如纸和塑料薄膜。片材的表面预先涂有一层热熔粘合剂。在加工过程中，热压辊对材料进行热压，使其与下方成形的工件结合。用CO2激光在新粘结层上切出零件的截面轮廓和工件的外框，并在截面轮廓和外框之间的多余区域切出上下对齐的网格；激光切割完成后，工作台带动成型工件下降并与带材(料带)分离；送料机构转动接收轴和送料轴，带动料带移动，将新的一层移至加工区；工作台上升到加工平面；热压辊热压，工件层数增加一层，高度增加一个材料厚度；然后在新图层上

15、切割剖面轮廓。重复这一过程，直到零件的所有部分都被切割和粘合，最后不需要的材料被剥离，以获得三维实体零件。2.5。分层实体制造过程(LOM)，2。快速原型制作过程，2.5.2。LOM成型材料LOM材料一般由板材和热熔胶组成。板材可分为纸片、金属片、陶瓷片、塑料薄膜和复合片。板材性能：防潮性(确保原料长时间不吸水，这可以用纸张的施胶度来表示)；良好的润湿性(确保良好的胶合性能)；抗拉强度(确保加工过程中不断裂)；收缩率小(可表示为膨胀率，以确保热压过程中不会因部分水分损失而变形)；剥离性能好、表面光滑、稳定性好的热熔胶分为乙烯-醋酸乙烯共聚物热熔胶、聚酯热熔胶、尼龙热熔胶或它们的混合物。热熔胶要

16、求具备以下性能：良好的热熔和冷固化性能(室温固化)；它的物理和化学性质在反复的“熔化-固化”条件下是稳定的；它具有良好的涂层和涂层均匀性，板材处于熔融状态；足够的粘合强度；良好的废物分离性能。2.5。分层实体制造过程(LOM)，2。快速原型制作过程，2.5.3。LOM工艺特点与其他快速成型工艺相比，LOM方法具有以下优点：精度高(0.15毫米)。当薄材料被选择性地切割和成形时，在原材料中只有非常薄的胶层改变状态，即从固态变为熔融状态，而主要基材保持固态，因此翘曲变形小并且没有内应力。在分层实体制造中，激光束只需根据分层信息提供的截面轮廓切割线条，无需扫描整个截面，也无需设计和制造支持，因此制造效率高，成本低。结构件可承受高达200的温度，具有较高的硬度和较好的力学性能，并可进行各种切削加工。2.5。分层实体制造过程(LOM)，2。快速原型制作过程，2.5.3。LOM工艺的特点及其缺点是：由于材料的织构，加工出的原型零件的拉伸性能和弹性不高；易吸潮膨胀，需要防潮处理；薄壁零件和薄壁柱状零件的废料很难剥离；工件表面有台