,第9章 快速成型技术简介,9.1 快速成型技术 9.2 快速成型工艺 9.3 快速成型技术的应用,快速成型技术(RapidPrototyping，RP)又称快速原型制造技术，是20世纪80年代末发展起来的一种先进制造技术，它突破了传统的制造方法，直接根据CAD模型，不使用机械加工设备就可快速制造形状复杂的零件的方法。该方法综合了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等，是先进制造技术的重要组成部分。,9.1 快速成型技术,9.1.1 快速成型技术的原理 快速成型技术的成型工艺均基于离散-叠加原理来实现快速加工原型或零件。首先，由三维CAD软件设计零件的三维实体模型，然后，根据工艺要求，按照一定的规则将模型离散为一系列有序单元，通常对其进行切片分层，得到离散的多层平面，将三维模型变成一系列二维层片，并把各平面的数据信息传给成型系统的工作部件，用激光束或其他方法控制成型材料按照一定规律，精确、迅速地层层堆积黏结起来，形成三维的原型，最后经后处理成为零件。,具体工作原理如图9-1所示，激光扫描器在计算机控制下按加工零件各分解层面的形状对成型材料有选择性地扫描，从而形成一层片，再进行下一层的扫描，新层黏结在前一层上，直至整个零件制造完成。,图9-1 快速成型技术的工作原理 (a)三维模型；(b)二维截面；(c)激光扫描；(d)叠加三维制件,零件是点、线、面集合的空间实体，快速成型过程就是将体-面-线离散与点-线-面叠加的过程。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。,9.1.2 快速成型技术的分类及特点 快速成型工艺的种类很多，可按照材料的不同进行分类，快速成型材料包括液态材料、离散颗粒和实体薄片。液态材料的快速成型方法有液态树脂固化成型和熔融材料凝结成型，而液态树脂固化又包括逐点固化和逐面固化；熔融材料凝结成型又包括逐点凝结和逐面凝结。离散颗粒材料快速成型方法包括激光熔融颗粒成型和黏结剂黏结颗粒成型两种方法。实体薄片材料快速成型方法有薄片黏结堆积成型和采用光堆积成型两种。,按成型方法快速成型可分为基于激光或其他光源的成型技术和基于喷射的成型技术两大类。前者包括光固化快速成型、叠层制造成型、选择性激光烧结成型等方法；后者包括熔融堆积成型工艺、三维印刷成型等。 快速成型方法与其他传统方法相比较，具有以下特点： (1)快速成型技术具有高度柔性，它属于非接触式加工，不使用刀具、夹具等专用工具，在计算机控制下制造出任意复杂形状的零件，从而摆脱了传统加工方法的局限性。 (2)快速成型技术方便地实现了设计制造一体化，通过离散分层模型工艺，将CAD、CAM技术和制造技术有效地结合在一起。,(3)快速成型技术与传统制造方法相比，不需要传统的刀具或工装等生产准备工作，任何复杂零件的加工均可在一台设备上完成，因此，很大程度上缩短了产品的开发周期，降低了开发成本。 (4)成型过程中无震动、噪声和废料。,9.2.1 光固化成型工艺(SLA) 光固化成型又称为光敏液相固化法、立体光刻、光造型等，是世界上第一种快速成型技术，,9.2 快速成型工艺,图9-2 光固化成型过程,它使用的成型材料是对某特种光束敏感的树脂。其基本原理为：在液槽内盛有液态的光敏树脂，激光束或紫外光光点在液面上按计算机切片软件所得到的轮廓轨迹，对液态光敏树脂进行扫描固化，形成连续的固化点，从而构成模样的一个薄截面轮廓。一个层面扫描完成后，进行下一层扫描，新固化的层黏结在前一层上，直至完成整个三维零件，如图9-2所示。 这种方法精度高，成型速度较快，扫描质量好，但设备价格昂贵，需要支撑装置，树脂收缩会引起精度下降，并且光固化树脂有一定毒性。,光固化快速成型技术适合于制作中小型工件，能直接得到树脂或类似工程塑料的产品，主要用于概念模型的原型制作，或用来完成简单装配检验和工艺规划。,9.2.2 叠层制造成型工艺() 叠层制造成型又称为分层实体制造，它采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。其成型工艺如图9-3所示。片材表面事先涂一层热熔胶，并卷套在纸辊上，并跨过支承辊缠绕到收纸辊上。将需进行快速成型产品的三维图形输入计算机的成型系统，用切片软件进行切片处理，得到沿产品高度方向上的一系列横截面轮廓线。步进电机带动收纸棍转动，使纸卷沿图中箭头方向移动一定距离。工作台上升与纸卷接触，热压辊滚压纸面，加热纸背面的热熔胶，并使这一层纸与前一层纸黏合。,CO2激光器发射的激光束跟踪零件的二维截面轮廓数据，进行切割，并将轮廓外的废纸余料切割出方形小格，以便成型过程完成后易于剥离余料。每切割完一个截面，工作台连同被切出的轮廓层自动下降至一定高度，然后步进电机再次驱动收纸辊将纸移到第二个需要切割的截面，重复循环工作，直至形成由一层层横截面黏叠的立体纸样。然后剥离废纸小方块，即可得到性能类似硬木或塑料的模样产品。,图9-3 叠层制造成型工艺,这种方法只需切割片材上的截面轮廓，不用扫描整个截面，成型速度快，适于制造大型零件，成型时不需支撑装置。但零件精度不如光固化工艺高，设备复杂，成本较高，并且成型材料性能较差，因此，此法在快速成型中的地位日益降低。,9.2.3 选择性激光烧结成型工艺() 选择性激光烧结成型工艺是在一个充满氮气的惰性气体加工室中利用粉末状材料成型的，所采用的材料较广泛，包括尼龙、蜡、ABS塑料、树脂、聚碳酸酯、金属及陶瓷粉末等。其工艺如图9-4所示。先将一层很薄的可熔粉末沉淀到圆柱形容器底板上，根据CAD数据控制CO2激光束的运动轨迹，对可熔粉末材料进行扫描熔化，并调整激光束的强度将粉末烧结。当激光在模样几何形状所确定的区域内移动时，,就能将粉末烧结，从而生成模样的截面形状，并与下面已成型的部分黏结在一起。每层烧结都是在先制成的那层顶部进行，一层截面烧结完成以后，铺上新的一层材料粉末，选择性地烧结下层截面。未烧结的粉末在制完模样后，可用刷子或压缩空气去除。,图9-4 选择性激光烧结成型技术工艺,这种方法可选材料很广泛，特别是能直接制造金属零件，而且不需支撑装置。此工艺通常与铸造工艺紧密结合，如烧结的陶瓷型可作为铸造的型壳、型芯，蜡型可作蜡模，热塑性材料烧结的模型可作消失模。,9.2.4 熔融堆积成型工艺(FDM) 熔融堆积成型工艺采用热塑性材料，即蜡、ABS塑料、聚碳酸酯、尼龙等，并以丝状供料。其工艺如图9-5所示。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，并将熔化的材料挤压出非常细的热熔塑料丝，材料迅速固化，并与周围的材料黏结，并逐步堆积形成由切片软件给出的二维切片薄层。同理，制造模样从底层开始，一层一层进行，由于热塑性树脂或蜡冷却很快，这样形成了一个由二维薄层轮廓堆积并黏结成的立体模样。,图9-5 熔融堆积成型工艺,这种方法不用激光而用电能，使用维修方便，成本较低，使用的成型材料广泛，一般为无毒无味的热塑性材料，没有污染，如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC、工程塑料PPSF以及没有产生毒气和化学污染的危险，适合于产品设计的概念建模以及产品的形状及功能测试，并且适合制作大型零件，因此得到快速发展。但是喷头为机械运动，速度有一定的限制。,9.2.5 三维印刷成型工艺(3DP) 三维印刷采用粉末材料，如陶瓷粉末、金属粉末，但不是经过烧结连接的，而是通过喷头用黏结剂将零件的截面“印刷”在材料粉末上。其成型工艺如图9-6所示。将粉末由储料桶送出，再以滚筒将送出的粉末在加工平台上铺上一层很薄的原料，喷嘴按计算机模型切片后给出的轮廓喷出黏结剂，黏着粉末。完成一层，加工平台自动下降，储料桶上升，刮刀将粉末推平，再喷黏结剂，循环直到完成零件形状。未被喷射黏结剂的粉末，在成型过程中起支撑作用，在成型结束之后去除。,图9-6 三维印刷成型工艺,这种方法操作简单，成型速度快，材料便宜，并且可以在黏结剂中加入彩色颜料，制作彩色原型。但是成型件的强度较低，一般只作概念型使用，不能做功能性试验，而且工件表面粗糙，需经后处理加以改善。 以上五种快速成型方式都是目前普遍使用的工艺，但事实上，在快速成型技术出现至今的20年里，还有其他的一些成型工艺，如逐层固化法(SGC)、发泡造形装置及发泡分层技术、多材料复合成型方法等。,9.2.6 快速成型工艺的比较 光固化快速成型工艺使用的是遇到光照射便固化的液体材料，称为光敏树脂。当扫描器在计算机的控制下扫描光敏树脂液面时，扫描到的区域就发生聚合反应和固化，这样层层加工即完成了原型的制造。光固化快速成型工艺所用的激光波长有限，这种工艺成型的零件有较高的精度且表面光洁。但其缺点是可用材料的范围较窄，材料成本较高，激光器价格昂贵，从而导致零件制作成本较高。,叠层制造成型工艺的层面信息通过每一层的轮廓来表示，激光扫描器的动作由这些轮廓信息控制，它采用的材料是具有厚度信息的片材。这种方法只需加工轮廓信息，因此可以达到很高的加工速度。缺点是材料范围很窄，每层厚度不可调整，每层轮廓被激光切割后会留下燃烧的灰烬，且燃烧时有较大的烟雾。 选择性激光烧结成型工艺使用固体粉末材料，该材料在激光的照射下，吸收能量，发生熔融固化，从而完成每层信息的成型。这种工艺材料适用范围很广，特别是在金属和陶瓷材料的成型方面有独特的优点。缺点是所成型的零件精度和表面粗糙度较差。,熔融堆积成型工艺不采用激光作能源，而是用电能加热塑料丝，使其在挤出喷头前达到熔融状态，喷头在计算机的控制下将熔融的塑料丝喷涂到工作平台上，从而完成各个零件的加工过程。这种方法的能量传输和材料传输均不同于前面的三种工艺，系统成本较低。缺点是由于喷头的运动是机械运动，速度有一定限制，因而加工时间稍长；成型材料适用范围不广；喷头孔径不可能很小，因此原型的成型精度较低。 三维印刷工艺是一种简单的快速成型技术，操作简单，速度高，适合办公室环境使用。缺点是工件表面顺滑度受制于粉末的大小，因此工件表面粗糙，须用后处理加以改善；原型件结构较松散，强度较低。,由于快速成型技术能够缩短产品开发周期、提高生产效率、改善产品质量、优化产品设计，因此得到了极大重视，并在汽车、机械、航空航天、电子电器、医学、建筑、工业设计等领域有着广泛的应用。,9.3 快速成型技术的应用,1新产品的开发 快速成型技术的主要应用就是开发新产品，也就是产品的概念原型与功能原型的制造。目前，快速成型技术已参与产品开发的几乎所有环节，其主要作用表现在以下几个方面。 1)为决策层提供决策直观性 一个新产品的开发总是从外形设计开始的，外观是否美观实用往往决定了该产品是否能够被市场接受，传统的做法是根据设计师的思想，先制作出效果图及手工模型，经决策层评审后再进行后续设计。,但由于二维效果图的表达效果受到很大限制，决策过程中不够直观，手工制作模型费时长，精度又差，手工模型与设计师的意图存在着较大的差异，这一问题一直不能得到较好的解决。快速成型技术能够迅速地将设计师的设计思想变成三维的实体模型，与手工制作相比，不仅节省了大量的时间，而且精确地体现了设计师的设计理念，为决策层产品评审的决策工作提供了直接准确的模型，减少了决策工作中的不正确因素。,2)减少人为缺陷，提高设计质量 在产品的开发设计过程中，由于设计手段和其他方面的限制，每一个设计都会存在着一些人为的设计缺陷，如果不能及早发现，就会影响接下来的工作，造成不必要的损失，甚至会导致整个设计的失败。因此，及早地发现并改正设计缺陷变得十分重要，使用快速成型技术可以将这种人为的影响减少到最低限度。快速成型技术由于成型时间短，精确度高，可以在设计的同时制造高精度的模型，使设计师能够在设计阶段对产品的整机或局部进行装配和综合评价，从而发现设计上的缺陷与不合理因素，不断地改进设计。快速成型技术的应用可把产品的设计缺陷消灭在设计阶段，最终提高产品整体的设计质量。,3)缩短设计周期，加快开发进度 快速成型技术的应用，可