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1、快速原型制造技术 -第2讲 快速原型基本工艺,制造科学与工程学院 梅筱琴,第2讲 快速原型制造工艺,本讲主要内容： 快速原型主要的制造工艺 基本工艺过程 加工对象-材料 工艺特点 主要的工艺方法 学习提示： 每一种工艺方法的加工对象-材料都有着自己的特点，即材料技术促成了不同的RP工艺的发展,快速原型的主要工艺方法,20世纪80年代以来，比较成熟的RP工艺有20余种，其中应用最广泛的有： 光固化成型/立体印刷（Stereo Lithography Apparatus-SLA） 叠/分层实体制造（Laminated Object Manufacturing-LOM） 激光选择性烧结（Select
2、ed Laser Sintering-SLS） 熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling-FDM） 三维打印（Three-Dimensional Printing-3D-P）,一、光固化成型工艺/立体印刷-SLA,SLA -Stereo Lithography Apparatus或Stereo Lithography（简称SL） 1986年Charles W. Hull发明并获美国专利，1988年美国3D Systems公司推出商品化样机SLA-1，是世界上第一台快速原型机 SLA是最早出现,研究最多，且技术上最为成熟的RPT，最高精度已能达到0.05mm,目前研究SL
3、A技术的公司,3D Systems公司、EOS公司、F&S公司、CMET公司、D-MEC公司等 美国3D Systems公司推出SLA-3500，SLA-5000使用半导体激励的固体激光器，扫描速度可达到5m/s，成形层厚最小可达0.05mm。 SLA-7000机型扫描速度达9.52m/s，成形层厚最小可达0.025mm，精度比SLA-5000提高了1倍 采用了一种称为Zephyer Recoating System的新技术，该技术是在每一成形层上，用一种真空吸附式刮板在该层上涂一层0.050.1mm的待固化树脂，使成形时间平均缩短了20% 国内，西安交通大学、清华大学等,1.SLA成型原理,
4、1.SLA成型原理,SLA成型原理,2.SLA的工艺流程,SLA成型实例,3.SLA的系统结构,液态光敏树脂 在一定波长（=325/355nm）和功率（P=3040mW）的光源照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也从液态转变成固态 紫外光敏树脂 可见光敏树脂,4.SLA的成型材料,SLA工艺对光敏树脂的要求,粘度低 便于树脂在短时间内流平，减少加工时间，提高制作精度 光敏性高 即所吸收波长的范围窄 扫描速度越高，零件加工所需的时间越短。要求光敏树脂在光束扫描到液面时立刻固化，而当光束离开后聚合反应又必须立即停止，否则会影响精度 光源寿命有限，光敏性差则会延长固化时间，增加制作成本,
5、SLA工艺对光敏树脂的要求,固化收缩率小 光敏树脂在由液态转化为固态的过程中会产生内应力收缩 导致原型件在制作过程中的变形、翘曲、开裂等，成型件的精度降低，机械性能下降 是SLA制件精度最主要的影响因素 机械性能良好 一定的硬度、强度等以满足使用的需要,SLA工艺对光敏树脂的要求,溶胀小 湿态成型件在液态树脂中的溶胀会造成零件尺寸偏大 储存稳定性好 不发生缓慢聚合反应 不发生因其中组分挥发而导致粘度增大 不被氧化而变色 毒性小 成本低 目前进口材料约1200元/公斤,液态光敏树脂的组成 与油墨和紫外光固化涂料组成相似 由预聚物(齐聚物)、光引发剂、反应性稀释剂、交联固化剂、光敏增感剂、热稳定剂
6、、流平剂、抗氧剂等组成 液态光敏树脂分类（根据光引发剂的引发机理） 自由基光固化树脂 阳离子光固化树脂 混杂型光固化树脂,5.SLA主要的成型材料,自由基光固化树脂,包括： 环氧树脂-丙烯酸脂 聚合速度快、强度高、脆性较大、产品易泛黄 聚脂丙烯酸脂 流平性好、固化性好、性能可调节 聚氨脂丙烯酸脂 聚合速度较慢、产品柔韧性与耐磨性好 优点： 固化速度高、粘度低、韧性好、成本低 缺点： 固化时，由于表面氧的干扰作用，成型零件精度较低；树脂固化时收缩大，成型零件翘曲变形大；反应固化率(固化程度)较环氧系的低，需二次固化；反应后应力变形大。,阳离子光固化树脂,主要成份为环氧化合物。环氧树脂是最常用的阳
7、离子型齐聚物，其优点如下： 固化收缩小（2%3%）；产品精度高 阳离子聚合物是活性聚合，在光源熄灭后可继续引发聚合 生坯件强度高；产品可以直接用于注塑模具 氧气对自由基聚合有阻聚作用，而对阳离子树脂则无影响 缺点： 粘度较高，需添加相当量的活性单体或低粘度的预聚物才能达到满意的加工粘度； 阳离子聚合通常要求在低温、无水情况下进行，条件比自由基聚合苛刻。,混杂型光固化树脂,主要包括： 丙烯酸系列 乙烯基醚系列 环氧系列 与前两种树脂相比，具有下列优点 聚合时体积收缩很小甚至产生膨胀，可以设计成无收缩的聚合物 可以提供诱导期短而聚合速度稳定的聚合系统 能克服光照消失后自由基迅速失活而使聚合终结的缺
8、点,6.SLA工艺的主要特点,成型方法简单，自动化程度高，能直接生产塑料件 表面粗糙度较低，尺寸精度较高 可以制作结构十分复杂的、比较精细的原型，尤其是内部结构复杂的原型 成型过程中有物理、化学以及相的变化，制件较易翘曲、变形，需要支撑结构 成型速度较低，需要对制件进行二次固化，以提高制件的尺寸稳定性和使用性能 成本高（树脂和激光器价格昂贵） 原材料有气味和毒性，对环境有污染，且需避光保存,7.支撑结构,在RP成型过程中，因为成型原理的原因，不能使制件在某一截面上突然出现的孤立轮廓或悬臂轮廓定位。 为此，设计一些细柱、十字、网格或肋状结构，从工作平台生长至孤立轮廓或悬臂轮廓出现的片层，以便对其
9、进行可靠定位，同时有助于减少片层之间的翘曲变形。,基础支撑 人工支撑,基础支撑 网格 人工支撑 柱状,肋状 单墙,十字形 腹板形,未添加支撑的模型,人工添加支撑,添加支撑的模型,8.SLA的激光扫描方式-ACESTM,ACESTM STARWEAVETM QuickCastTM,ACESTM 1.该方法以平行线方式扫描，3D System CO.最早采用 2.间距相等，树脂受累积光照强度相等，成型精度较高 3.固化完全，成型效率较低 4.适于收缩率小的环氧树脂,8.SLA的激光扫描方式-STARWEAVETM,该方法以栅格方式扫描固化原型内部的树脂。 栅格是每隔一层成型时在每半个间距中产生的，
10、且栅格线不能相交。栅格的末端不接触实体的边缘，以减少实体的整体变形。 原型的尺寸稳定性较高，适于聚合收缩率较高的丙烯酸树脂，同时由于扫描时间较短，也适于环氧树脂材料。,8.SL的激光扫描方式- QuickCastTM,该方法先固化每一片层的外轮廓，再以正方形或等边三角形方式扫描填充实体内部。适于中空的原型件。 正方形或等边三角形在垂直方向上以一定的距离平移，以便排出多余树脂。三角形的平移应确保每个三角形面的顶点位于前一层三角形质心的上方，而正方形则按间距的一半距离进行偏移。 由于正方形的内角比三角形大，树脂的月形液面更小，便于排出多余的树脂。 该方法生成的原型具有较大的表面，且树脂具有良好的吸
11、湿性，为避免因吸湿而产生变形，原型应尽快移到可以控制湿度的地方。,9.后处理,10.光固化树脂的收缩,光固化树脂收缩引起的制件变形,10.光固化树脂的收缩,两种常见结构的翘曲变形,10.光固化树脂的收缩,零件固化成型过程中层片翘曲变形,10.光固化树脂的收缩,原因 固化收缩相变 体收缩率约10 线收缩率约3 热胀冷缩 二次固化收缩 约占总收缩量的25 40,甲基丙烯酸甲酯的聚合反应 （以具有三甲基硅基的烯酮二缩合物为引发剂）,11.SL的应用,替代熔模铸造的蜡型,制作样品手板模型,医学美容、康复、诊断、手术规划等,验证模型,3D System iPro SLA Center系列,11.SL的应
12、用,制造硅胶模 真空注型机,二、分（叠）层实体制造-LOM,Laminated Object Manufacturing-LOM 由Michael Feygin 于1986年研制成功，1991年美国Helisys 公司推出商品化机器 LOM工艺原理 采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等，在材料表面事先涂覆上一层热熔胶，加工时用CO2激光器或刀具在计算机控制下进行切割，然后通过热压辊热压，使当前层与下面已成型的工件粘接，从而堆积成型,研究LOM工艺的公司,美国Helisys公司（已破产）、日本Kira公司、瑞典Sparx公司、新加坡Kinergy精技公司；国内有华中理工大学、清华大学等 LOM工艺材料
13、受材料（纸）限制，性能难以有突破性的提高，已逐渐走入没落，大部分厂家已经或准备放弃该工艺,分层实体制造,学术关注度（19942006）,用户关注度（2005.82006.12）,1.LOM工艺原理,1.LOM工艺原理,LOM成型原理,LOM成型实例,片层轮廓及网格废料,2.LOM成型材料,薄材，如纸、塑料薄膜 涉及三个方面的问题： 纸 热熔胶 涂布工艺,LOM工艺对纸的性能要求,抗拉强度 保证在加工过程中不被拉断 浸润性 保证良好的涂胶性能 抗湿性 不易吸水 收缩率小 不因水份损失而变形 易打磨 表面光滑 稳定性 零件可长期保存 易剥离 垂直方向抗拉强度不是很大,LOM工艺对热熔胶的性能要求,
14、热熔胶的主要成份 EVA树脂+增粘剂+蜡+抗氧化剂等 热熔胶的性能指标 熔融粘度、流动性、收缩性、粘接强度、浸润性、热分解温度等,热熔胶的涂布工艺,均匀式涂布 采用狭缝式刮板，设备简单 非均匀式涂布 有条纹式和颗粒式，可减少应力集中，设备比较贵,热熔胶的涂布工艺,LOM工艺后处理中的表面涂覆,表面涂覆的作用 提高强度； 提高耐热性； 改进抗湿性； 延长原型的寿命； 易于表面打磨等处理，提高制件表面质量和尺寸精度。,表面涂覆基本工艺,（1）打磨原型表面； （2）按比例配制环氧树脂，并均已混合； （3）在原型上涂刷一层混制好的涂覆材料； （4）再次涂覆，并长时间固化； （5）用砂纸打磨硬化的原型表
15、面，注意确保原型尺寸在公差范围之内； （6）表面抛光。,3.LOM工艺的特点,LOM原型件强度类似硬木，可承受200左右的高温，具有较好的机械强度和稳定性，可承受切削加工 经过适当的表面处理，如喷涂清漆、高分子材料或金属后，可作为各类间接快速制模工艺的母模，或直接制作用于注塑用的纸基模具 适合大、中型结构简单的零件加工 难以清除内腔的废料，不宜制作内部结构复杂的零件 零件的精度较高（ 0.15mm） 在加工中，主要成型材料没有相变；网格废料起到了支撑作用，故翘曲变形小 工件表面有明显的台阶纹，成型后要进行打磨；且纸制零件很容易吸潮，必须立即进行后处理、上漆 原材料种类较少 尽管可选用若干原材料
16、，例如纸、塑料、陶土以及合成材料，但实际应用的只有纸 材料浪费大，且清除废料困难,4. LOM工艺的应用,制作样品手板模型,作铸造模样,4. LOM工艺的应用,薄板金属成型与拼接,真空成型,4. LOM工艺的应用,砂型铸造,Foundry Castings,三、选择性激光烧结-SLS,Selective Laser Sintering 由美国德州Austin 分校C.R.Dechard 于1989年研制成功，后被美国DTM公司商品化，推出商品化机器 SLS工艺原理 SLS工艺是利用粉末材料（金属或非金属粉末）在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成形,1.SLS工艺原理,1.SLS工艺
17、原理,SLS工艺演示,SLS成型实例,“球化”现象,粉末熔化后，液体质点对固体金属粉末的作用力远比松散的固体金属粉末之间的作用力大，结果导致金属粉末被液体质点粘结形成较大的球体，激光功率越大，球的直径也越大,烧结机理模型,“球化”现象的解决办法,多元系液相烧结 （1）使用具有不同化学性质的粉末混合料，该混合料的液相来自低熔点组元的熔化或者低熔共晶物的形成。如：聚合物包裹的金属粉末或陶瓷粉末 （2）将预合金化的粉末加热到固相线温度和液相线温度之间的温度，进行超固相线温度烧结。如：金属粉末、塑料颗粒,铺粉与铺粉密度,铺粉时，铺粉辊筒一边向前平移，一边自转。粉末在辊筒压力的作用下，克服粉末颗粒间微弱
18、的吸附力(结合力及摩擦力)互相滚动或滑动而变得致密。 因此，在铺粉厚度、铺粉辊筒平移及自转速度不变的情况下，粉末颗粒的大小及形状是影响铺粉密度的重要因素。,2.SLS的材料,粉末或颗粒 蜡粉、聚苯乙烯（PS)、工程塑料（ABS）、聚碳酸酯（PC)、尼龙（PA)、金属粉末、覆膜砂、覆膜陶瓷粉等 近年来更多的采用复合粉末，粉粒直径为50125m SLS工艺最大的优点 选材较为广泛，如尼龙、蜡、ABS、树脂裹覆砂（覆膜砂）、聚碳酸脂（Poly Carbonates）、金属和陶瓷粉末等都可以作为烧结对象,SLS对材料性能的基本要求,成型材料应具有： 良好的热塑（固）性、一定的导热性和足够的粘接强度 良
19、好的烧结性能，即无需特殊工艺即可快速、精确地成型原型 对直接应用的零件 机械性能和物理性能要满足使用要求 对间接使用的原型 要求有利于快速、方便的后续处理,3.SLS工艺的特点,材料适应面广 不仅能制造塑料制件，还能制造蜡模、陶瓷和金属零件；能直接制造制件 成型精度一般 制件翘曲变形相对较小，对于容易发生变形的地方应设计有支撑结构 适合中小零件的生产 实心零件成型时间较长 与铸造工艺的关系极为密切 烧结的陶瓷型可作为铸造之型壳、型芯，蜡型可做蜡模，热塑性材料烧结的模型可做消失模,4.SLS工艺的应用与发展,4.SLS工艺的应用与发展,直接金属激光选区烧结（DMLS） 激光选区熔化（SLM） 激
20、光近净成形（LENS） 电子束选区熔化（EBM） 电子束自由制造（EBF3） 高熔点材料等离子熔射,直接制造金属零件,高能束流快速制造技术,直接金属激光选区烧结-材料,聚合物包裹的金属粉末（如DTM） 烧结成的零件强度低,干燥脱湿后,需要放入高温炉膛内进行烧结、渗铜,最后生成表面密实的零件 由含有不同熔点不同收缩率的金属化合物组成的金属粉末（如EOS） 可直接烧结成致密的零件,不需要后处理,而且不需要功率特别大的激光器,研究和生产SLS设备的企业,国外 3D Systems是主流的SLS设备制造商 德国EOS公司的EOSINT系列设备 法国Phenix Systems公司的Phenix 900
21、 国内 北京隆源自动成型系统公司 武汉滨湖机电公司 华北工业大学和中山同普精密机械公司,高能束流快速制造技术,DMLS技术（Direct Metal Laser-Sintering）,高能束流快速制造技术,DMLS技术（Direct Metal Laser-Sintering） 德国EOS公司的EOSINT M270 采用掺Yb光纤激光器 光斑直径100m，激光波长1.06 m 设备最大加工体积：250mm250mm215mm 加工层厚：20 100 m 加工速度：2 20mm/s。 成型材料： 不锈钢材料、 钴铬钼合金MP1、钴铬钼合金SP1、马氏体钢、 钛合金、纯钛、超级合金IN718和铝
22、合金,激光选区熔化(SLM),Selective Laser Melting 将激光烧结术与激光熔覆技术结合起来,利用纯金属或合金粉末末直接制造出具有冶金结合致密性接近100%、具有较高尺寸精度（0.1mm）和较好表面质量（Ra1030m）的金属零件,激光选区熔化SLM工艺的应用,手机面板注塑模具,对SLM成型316L不锈钢试件进行拉伸实验，其抗拉强度可达636Mpa，延伸率15%20%。试件硬度值HV 250275。,高能束流快速制造技术,电子束选区熔化 瑞典Arcam A B 公司的S12,一个成功的RP设备制造商，同时也是一个优秀的材料制造商,四、熔化沉积成形-FDM,Fused Dep
23、osition Modeling -FDM 由美国学者Dr.Scott Crump 于1988年研制成功。并由美国Stratasys 公司于1993年推出商品化的设备，FDM1600、 FDM1650、 FDM8000、Quantum等 FDM成型原理 FDM工艺采用热塑性材料，如ABS、蜡、尼龙等，一般以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化后，从小孔挤出堆积成形,1.FDM原理,FDM工艺原理,FDM成型实例,2.FDM的材料,FDM工艺要求材料具有以下特点 粘度低 流动性好，阻力小，有助于材料顺利挤出 熔融温度低 有利于提高喷头的寿命和整个机械系统的寿命 粘结性好 保证层与层间的结合强度，从而
24、保证零件成型后的强度 收缩率小 利于防止零件翘曲、开裂,3.FDM工艺的特点,不使用激光，使用、维护简单，成本低 用蜡成形的零件原型可直接用于失蜡铸造 用ABS工程塑料制造的原型具有较高强度，在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用 制件精度较低翘曲变形 FDM工艺一般在80120C进行，材料的收缩必然会引起尺寸误差，同时会产生热应力 需要设计支撑结构 FDM工艺适合成型小塑料件 填充式扫描，成型时间较长 可采用多个热喷头同时进行涂覆，提高成型效率,适于三维打印机的特点,成型速度较快 FDM工艺可通过减小原型密实程度的方法提高成型速度 塑料丝材，清洁，更换容易 与使用粉末和液态材料的3DP工艺
25、相比，丝材更清洁，易于更换、保存，不会在设备中或附近形成污染 后处理简单 无需二次固化；支撑剥离仅需要几分钟到一刻钟 不使用激光，维护简单，成本低 价格是成型工艺是否适于3DP的一个重要因素,4.FDM工艺的应用,Automotive-Filter Maker Tests PPSF Prototype on V8 Engine-Parker Hannifin emissions filter,4.FDM工艺的应用,Design rendering of Kia Spectra dashboard.,The CMM scan showed the ABS Prototype was within
26、 tolerance.,4.FDM工艺的应用,研究和制造FDM设备的企业,国外 美国Stratasys公司 国内 北京殷华激光快速成形及模具技术有限公司 上海富奇凡机电科技有限公司 由于这种工艺具有的显著优点，该工艺发展极为迅速，目前FDM系统在全球已安装快速成形系统中的份额大约为30,五、3DP-高速多彩的RPT,Three-Dimensional Printing -3DP 三维印刷(3DP)工艺是美国麻省理工学院Emanual Sachs等人研制的。E.M.Sachs于1989年申请了3DP专利，该专利是非成形材料微滴喷射成形范畴的核心专利之一。 3DP工艺原理 3DP工艺与SLS工艺类
27、似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接剂粘接的零件强度较低，还须后处理。,1.3DP工艺原理,2.3DP工艺过程,每一层粉末粘结完毕后，成型缸下降一个距离（等于层厚：0.0130.1mm）,供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实 喷头在计算机控制下，按下一层的成形数据有选择地喷射粘结剂建造该片层，铺粉辊铺粉时将多余的粉末收集回供粉缸 如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维实体的粘结。未被喷射粘结剂的地方为干粉，在成形过程中起支撑作用
28、，成形结束后，比较容易去除,3.3DP的特点,该工艺的特点是成形速度快，成形材料价格低，适合做桌面型的快速成形设备。并且可以在粘结剂中添加颜料，可以制作彩色原型，这是该工艺最具竞争力的特点之一，有限元分析模型和多部件装配体非常适合用该工艺制造。缺点是成形件的强度较低，只能做概念型使用，而不能做功能性试验 3DP专利先后授权给了一些公司，主要的五家公司是：美国Z Corporation、以色列Object、美国Therics Inc.、美国 ProMetal和美国Soligen公司，这些公司根据原始专利开发了许多3DP的产品。其中，美国Z Corporation公司在世界上的影响与日俱增，设备销售总数已达千余台，2003年系统销量已达到世界第二,几种常见RPT特点比较,快速成型设备,SSM-800分层实体制造快速成形设备,SLA-700，3D Systems,HiQ-SLS，3D Systems,FDM 900mc,以色列Object 3D 300C，3DP工艺 采用刀切塑料薄膜，不加热仅用粘结剂粘结层片，因而变形非常小。机器重量仅为31kg,SSM-1600成形设备,MEM-300-II熔融挤压快速成形设备,M-RPMS-IV多功能快速成形机,