快速成型技术 Rapid Prototyping一、RP技术概述 1、RP技术的发展历史快速成型(Rapid Prototyping,简称RP，或为Rapid Technology (RT) 是20世纪80年代后期发展起来的, 是由 CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体 的技术总称。1986年美国3D Systems公司率先推出了称为 Stereolithography Apparatus （简称SLA）的激光快速成 型制造系统，引起工业界的广泛兴趣并且RP得到了异乎 寻常的迅猛发展。目前美国在RP领域处于主导地位，德国、以色列、日 本也处于国际领先水平。2、RP技术原理和成型过程传统加工：去材法、变形法。RP加工：材料累加法。计算机科学CAD/ CAM数控技术激光技术新材料RP自动、快速、准确 制品RP技术基本原理：离散堆积（叠加） 三维模型构建： Pro/E、UG、 SolidWorks、 激光扫描、 CT断层扫描等 三维模型的近 似处理:三角形 平面来逼近原 来的模型 （STL文件） 三维模型的切 片处理：加工 方向（Z方向） 进行分层成型加工：成型 头（激光头或 喷头）按各截面 轮廓信息扫描后处理：打磨、 抛光、涂挂、 烧结等间隔一 般取 0.05m- 0.5mm ，常用 0.1mm RP成型过程图各层固化粘结： 树脂或塑料的链 式反应固化、无 化学反应的熔融 粘结固化和用粘 结剂将片体粘结 的方法。 3、RP技术的特点和影响新产品开发的一般过程：设计试制试验征求用户意见市场推销生产修改定型RP：设计、 成型， 时间，成本模具：制模、 试模、修模， 时间，成本RP Prozesskette(产品开发链) 1. 3D-CAD-Volumenmodell 2. Triangulation: alle Oberflchen durch Dreiecke annhren 3. Schnittstelle: STL(Standard Transfer Language)-Format 4. Slice-Prozess 5. BauprozessRP技术的主要特点：（1）可以制造任意复杂的三维几何实体 （2）快速性 :几个小时到几十个小时就可制造出零件 （3）高度柔性：无需任何专用夹具或工具 （4）产品结构与性能的及时快速优化 （5）进行小批量生产 （6）RP技术有利于环保二、RP技术加工方法和设备 目前RP技术的快速成型工艺方法有十多种。现简要介 绍四种比较成熟且常用的四种成型方法：光固化成型（ SLA）、分层实体制造（LOM）、选择域激光粉末烧结 成型（SLS）、熔融沉积成型（FDM）。1、SLA光固化法是第一个投入商业应用的RP技术,它以美国 3D Systems公司生产的SLA系列成型机为代表。SLA技术 是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的，这种液态材料 在一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应 ，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。 SLA工作原理SLA工作原理图SLA优点：(1)原材料的利用率将近100% ；(2)尺寸精度高( 0. 1 mm)；(3)表面质量优良；(4)可以制作结构十分复杂的模型。 SLA缺点：(1)成型过程中伴随着物理和化学变化，所以制件较易弯曲 ，需要支撑，如图5；(2)可使用的材料种类较少；(3)液态树脂具有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止 提前发生聚合反应，选择时有局限性。SLA成型中加入支撑示意图2、LOM（ Laminated Object Modelling）LOM工艺由美国Helisys于1986年研制成功。LOM工 艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆 上一层热熔胶。其主要零部件有：工作平台、CO2激光器 、加热辊、供料与收料辊等。LOM原理图热压辊热压片材激光器切割出 零件截面轮廓 和工件外框工作台下降滚筒转动工作台上升多余网格部分的去除薄壳件 头盖骨 LOM 2030 H机器外观LOM优点：（1）成型效率高，LOM工艺只需在片材上切割出零件截 面的轮廓，而不用扫描整个截面，因此成型厚壁零件的速 度较快，易于制造大型零件；（2）无翘曲变形，工艺过程中不存在材料相变，因此没有 热应力、膨胀和收缩不易引起翘曲变形；（3）无需加支撑，工件外框与截面轮廓之间的多余材料在 加工中起到了支撑作用，所以LOM工艺无需加支撑。 LOM缺点：材料浪费严重，表面质量差。3、SLS (Selective Lase Sintering)SLS工艺最初由美国德克萨斯大学奥斯汀分校 (UIIiversity of Texas at Austin)的Carl Deckard于1989年在 其硕士论文中提出，后由Texas大学组建的DTM公司于 1992年推出了该工艺的商业化生产设备Sinterstation。该工艺实用高功率的激光加热，把粉末熔化在一起形 成零件，SLS工艺的重要吸引力是可用于多种热塑性塑料 的成型,如尼龙、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯类、聚苯乙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯等。SLS工作原理：铺粉激光器扫描SLS工作原理图SLS方法中的工艺参数对粉末的熔融有很大影响，如激光功率、光斑大小、扫描速度、扫描间距、单层厚度、 粉床温度等都会影响烧结件的性能。激光功率较低时,烧结件的拉伸强度和冲击强度均随激光功率的增加而增加。激光功率过大时引起粉末的氧化 降解,从而降低了烧结件的强度。 扫描速度决定了激光束对粉末的加热时间,在激光功 率相同的情况下,扫描速度越低,激光对粉末的加热时间越 长,传输的热量多,粉末熔化较好,烧结件的强度高。但过低 的扫描速度导致粉末表面的温度过高,不仅不能提高烧结件 的强度,还会影响成型速度。单层层厚指铺粉厚度,即工作缸下降一层的高度。对于 某一制品,采用较大的单层厚度,所需制造的总层数少,制造时间短。但由于激光在粉末中的透射强度随厚度的增加而 急剧下降,单层厚度过大,会导致层与层之间黏结不好,甚至 出现分层,严重影响成型件的强度。SLS的优点是无需支撑,成型的零件机械性能好,强度 高。缺点是粉末比较松散,烧结后精度不高,尤其是Z轴方向的精度难以控制。4、FDM(Fused Deposition Modelling)FDM工艺由美国工程师ScottCrump于1988年研制成 功。FDM的材料一般是热塑性材料，以丝状供料。材料 在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运 动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的 材料凝结。加热丝状材料喷头扫描并喷 出半流动状材料材料固化FDM原理图喷头是实现FDM工艺的关键部件，喷头结构设计和控 制方法是否合理，直接关系到成型过程能否顺利进行，并 影响成型的质量 ，另一方面为了提高生产效率可以采用多 喷头，美国3D公司推出的Actua2100,其喷头数多达96个。在成型有支撑制件时单喷头和双喷头的比较：成型材料支撑材料单喷头双喷头密实疏松水溶性或低 熔点材料溶于水或加热剥离目前，FDM系统采用柱塞式喷头（左图）和螺杆式挤 出喷头（右图）。 柱塞式喷头螺杆式喷头FDM的优点： (1)由于热融挤压头系统构造原理和操作简单，维护成本低， 系统运行安全； (2)原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小； (3)原材料利用率高，且材料寿命长。 FDM的缺点： (1)成型件的表面有较明显的条纹； (2)沿成型轴垂直方向的强度比较弱； (3)需要设计与制作支撑结构，如下图。FDM快出成型支撑结构图三、快速成型技术的应用快速成型技术的最初应用主要集中在产品开发中的设 计评价、 功能试验上。 设计人员根据快速成型得到的试 件原型对产品的设计方案进行试验分析、 性能评价 ,借此 缩短产品的开发周期、 降低设计费用。经过十几来的发展 ,快速成型技术早已突破了其最初意义上的 “原型” 概念 ,向 着快速零件、 快速工具等方向发展。目前RP技术已得到了工业界的普遍关注, 尤其在家用 电器、汽车、玩具、轻工业产品、建筑模型、医疗器械及 人造器官模型、航天器、军事装备、考古、工业制造、雕 刻、电影制作以及从事CAD 的部门都得到了良好的应用. 其用途主要体现在以下6个方面。1、新产品研制开发阶段的试验验证 2、新产品投放市场前的调研和宣传 3、基于快速成型技术的快速制模（RT）技术由于RP方法对使用材料的限制，并不能够完全替代最 终的产品。在新产品功能检验、投放市场试运行和准确获 得用户使用后的反馈信息等方面，仍需要由实际材料制造 的产品。因此， 需要利用RP原型作母模来翻制模具， 这 便产生了基于RP的快速模具制造技术（RT）。RP+RT技术提供了一条从模具的CAD模型直接制造 模具的新概念和方法。它将模具的概念设计和加工工艺集 成在一个CADCAM系统内，并行工程的应用，为信息 流的畅通流动创造了良好的条件。 RT方法的分类：按功能用途可分为：塑料模、铸(型)模、冲压模、锻 造模及石墨电极研磨母模。按制模材料可分为简易模(也称作软模、经济模或非 钢制模)和钢制硬模。根据不同的制模工艺方法，快速模具可分直接快速模 具和间接快速模具。直接快速模具，亦即快速成型模具，以快速成型件直 接作为成形模具。间接快速模具，亦即型腔复制模具，以 快速成型件为母模，通过型腔复制制作模具，包括硅橡胶 复制、金属冷喷涂、精密铸造、树脂材料型腔复制等。目前，基于RP的RT的方法多为间接制模法，依据材 质不同，间接制模法生产出来的模具一般分为软质模具和 硬质模具两大类。软质模具制造方法主要有树脂浇注法、金属喷涂法、 电镀法、硅橡胶浇铸法等。 （1）硅橡胶浇注法制作过程为：原型的 表面处 理涂刷脱模 剂，固定 原型并放 置型框 硅橡胶计 量、真空 脱泡后进 行混合 浇注硅橡 胶混合体 硅橡胶固 化后，刀 剖开模， 取出原型 以艺术品宝塔为原型制作硅橡胶模的过程：宝 塔 的 三 维 模 型 模型分层处理 宝 塔 实 物 模 型制作 型框 并固 定原 型 硅 橡 胶 的 浇 注硅 橡 胶 的 固 化拆 除 型 框原 型 去 除修 模（2）树脂浇注法硅橡胶模具仅适用于制品数量较少的生产，若制品数量较大时，可用快速原型翻制环氧树脂模具。该方法是将 液态的环氧树脂与有机或无机材料复合作为基体材料，以 原型为母模浇注模具的一种制模方法。其工艺过程为： 采用技术制作原型；将原型进行表面处理并涂刷脱模剂 ；设计制作模框；选择和设计分型面；浇注树脂； 开模并取出原型。用树脂浇注法快速制作模具，工艺简单、成本低廉。树脂型模具传热性能好、强度高且型面不需加工，适用于 注塑模、薄板拉伸模、吸塑模及聚氨酯发泡成形模等。（3）金属喷涂法金属喷涂法是以原型作基体样模，将低熔点金属或合金喷涂到样模表面上形成金属薄壳，然后背衬充填复合材 料而制作模具的方法。金属喷涂法工艺简单、周期短，型腔及其表面精细花纹可一次同时成形。模具耐磨性能好、尺寸精度高。制作 过程中要注意的是解决好涂层与原型表面的贴合和脱离问 题。（4）电成形制模法电成形制模法又称电铸制模法。其原理和制造过程与 金属喷涂法比较类似，又称电铸制模法。它是采用电化学 原理，通过电解液使金属沉积在原型表面，然后背衬其他 充填材料来制作模具的方法。电成形法制作的模具复制性好且尺寸精度高，适合于 精度要求较高、形态均匀一致和形状、花纹不规则的型腔 模具，如人物造型模具、儿童玩具和鞋模等。软质模具的寿命一般为50-5000件，对于上万件乃至 几十万件的产品，仍然需要传统的钢质模具，硬质模具指 的就是钢质模具，利用RP成型制作钢质模具的主要方法 有熔模铸造法、电火花加工法、陶瓷型精密铸造法等。三维模型的近似处理三维模型的切片处理