快速成型制造技术.ppt

第八章 快速成型制造技术 Rapid Prototyping Manufacturing Technique,一、快速原型技术简介,快速成型(Rapid Prototyping) 是由三维CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的总称它集成了CAD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1.快速成型的原理“快速成型制造技术”是靠逐层融接增加材料来生成零件的，是一种“材料迭加”的方法，快速成型技术采用离散/堆积成型原理，根据三维CAD模型，对于不同的工艺要求，按一定厚度进行分层，将三维数字模型变成厚度很薄的二维平面模型再将数据进行一定的处理，加入加工参数，在数控系统控制下以平面加工方式连续加工出每个薄层，并使之粘结而成形1.快速成型的原理,1. 分层切片 2. 截面加工 三维 二维 3. 截面叠加 二维 三维,,,2. 快速成型的工艺过程 （1）三维模型的构造按图纸或设计意图在三维CAD设计软件中设计出该零件的CAD实体文件一般快速成型支持的文件输出格式为STL模型，即对实体曲面做近似的所谓面型化处理，是用平面三角形面片近似模型表面。

2. 快速成型的工艺过程 （2）三维模型的离散处理（切片处理）在选定了制作(堆积)方向后，通过专用的分层程序将三维实体模型进行一维离散，即沿制作方向分层切片处理，获取每一薄层片截面轮廓及实体信息分层的厚度就是成型时堆积的单层厚度切片层的厚度直接影响零件的表面粗糙度和整个零件的型面精度，每一层面的轮廓信息都是由一系列交点顺序连成的折线段构成2. 快速成型的工艺过程（3）成型制作把分层处理后的数据信息传至设备控制机，选用具体的成型工艺，在计算机的控制下，逐层加工，然后反复叠加，最终形成三维产品4）后处理根据具体的工艺，采用适当的后处理方法，改善样品性能3.快速原形技术的特点 （1）自由成型制造自由成型制造的含义有两个方面：一是指无需要使用工模具而制作原型或零件，由此可以大大缩短新产品的试制周期，并节省工模具费用；二是指不受形状复杂程度的限制，能够制作任何形状与结构、不同材料复合的原形或零件3.快速原形技术的特点 （2）制造效率快从CAD数模或实体反求获得的数据到制成原形，一般仅需要数小时或十几小时，速度比传统成型加工方法快的多3）由CAD模型直接驱动无论哪种快速成型制造工艺，都是通过CAD数字模型直接或者间接地驱动快速成型设备系统进行制造的。

决定了快速成型的制造快速和自由成型的特征3.快速原形技术的特点 （4）技术高度集成新材料、激光应用技术、精密伺候驱动技术、计算机技术以及数控技术等的高度集成，共同支撑了快速成型技术的实现5）经济效益高快速成型技术制造原型或零件，无须工模具，也与成型或零件的复杂程度无关，其原型或零件本身制作过程的成本显著降低此外，由于快速成型在设计可视化、外观评估、装配及功能检验以及快速模具母模的功用，能够显著缩短产品的开发试制周期，也带来了显著的时间效益3.快速原形技术的特点 （6）精度不如传统加工数据模型分层处理时不可避免的一些数据丢失外加分层制造必然产生台阶误差，堆积成形的相变和凝固过程产生的内应力也会引起翘曲变形，这从根本上决定了RP造型的精度极限二、RP 工艺方法简介,,二、RP 工艺方法简介,1.光固化法Stereo Lithography Apparatus——SLA,立体光固化成型法原理图,以液态光敏树脂为原材料，在计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓轨迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合(固化)反应，从而形成零件的一个薄层截面完成一个扫描区域的液态光敏树脂固化层后，工作台下降一个层厚，使固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂然后重复扫描、固化，新固化的一层牢固地粘接在一层上，如此反复直至完成整个零件的固化成型。

二、RP 工艺方法简介,1.光固化法Stereo Lithography Apparatus——SLA,立体光固化成型法原理图,SLA工艺的优点是精度较高，一般尺寸精度可控制在0.01mm;表面质量好;原材料利用率接近100%;能制造形状特别复杂、精细的零件;设备市场占有率很高缺点是需要设计支撑;可以选择的材料种类有限;制件容易发生翘曲变形;材料价格较昂贵该工艺适合比较复杂的中小型零件的制作SLA 的成型过程动画,激光快速成型机,2.选择性激光烧结Selected Laser Sintering——SLS,选择性激光烧结法(SLS)是在工作台上均匀铺上一层很薄的非金属(或金属)粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层截面轮廓逐点地进行扫描、烧结，使粉末固化成截面形状完成一个层面后工作台下降一个层厚，滚动铺粉机构在已烧结的表面再铺上一层粉末进行下一层烧结未烧结的粉末保留在原位置起支撑作用，这个过程重复进行直至完成整个零件的扫描、烧结，去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理后便获得需要的零件选择性激光烧结法原理图,2.选择性激光烧结Selected Laser Sintering——SLS,SLS工艺的优点：1）原型件机械性能好，强度高;无须设计和构建支撑;2）可选材料种类多且利用率高(100%)。

缺点是制件表面粗糙，疏松多孔，需要进行后处理;制造成本高选择性激光烧结法原理图,,SLS 成型过程动画,3.熔融沉积成型Fused Deposition Modeling——FDM,通过将丝状材料如热塑性塑料、蜡或金属的熔丝从加热的喷嘴挤出，按照零件每一层的预定轨迹，以固定的速率进行熔体沉积每完成一层，工作台下降一个层厚进行迭加沉积新的一层，如此反复最终实现零件的沉积成型FDM工艺的关键是保持半流动成型材料的温度刚好在熔点之上(比熔点高1℃左右)其每一层片的厚度由挤出丝的的直径决定，通常是0.25~0.50mm3.熔融沉积成型Fused Deposition Modeling——FDM,FDM的优点是材料利用率高;材料成本低;可选材料种类多;工艺简洁缺点是精度低;复杂构件不易制造，悬臂件需加支撑;表面质量差该工艺适合于产品的概念建模及形状和功能测试，中等复杂程度的中小原型，不适合制造大型零件FDM 成型过程动画,美国Stratasys 公司的专利技术（FDM），将CAD文档转化为3D模型这项技术可选用无毒的ABS、聚碳酸酯及其他材料构建成坚实耐用、功能完善的原型4.分层实体制造Laminated Object Manufacturing——LOM,LOM工艺是将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起，位于上方的激光切割器按照CAD分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓，然后新的一层纸再叠加在上面，通过热压装置和下面已切割层粘合在一起，激光束再次切割，如此反复逐层切割、粘合、切割……直至整个模型制作完成。

4.分层实体制造Laminated Object Manufacturing——LOM,LOM工艺优点是无需设计和构建支撑;只需切割轮廓，无需填充扫描;制件的内应力和翘曲变形小;制造成本低缺点是材料利用率低，种类有限;表面质量差;内部废料不易去除，后处理难度大该工艺适合于制作大中型、形状简单的实体类原型件，特别适用于直接制作砂型铸造模LOM 的成型过程动画,5.三维印刷法 (3DP,Three Dimensional Printing ),三维印刷法是利用喷墨打印头逐点喷射粘合剂来粘结粉末材料的方法制造原型该技术制造致密的陶瓷部件具有较大的难度，但在制造多孔的陶瓷部件（如金属陶瓷复合材多孔坯体或陶瓷模具等）方面具有较大的优越性三维印刷法原理图,典型快速成型工艺比较,三、SCPS350紫外光快速成型机,该技术以光敏树脂为原料，采用固体激光器，将激光束沿预定原形各分层截面的轮廓逐点扫描，使得被扫描的薄层树脂产生反应固化，形成一个薄层截面当一层树脂固化后，工作台向下移动一个层面的距离，使得固化后的树脂表面又有一层新的液态树脂，以便激光束再进行新一层树脂的扫描与固化新固化的树脂牢牢地粘合在前一层已经固化的树脂上。

一层一层反复进行，制出所需零件三、SCPS350紫外光快速成型机,1. SCPS350紫外光快速成型机基本原理及制作过程(1)基本原理 借助CAD进行被加工工件的三维实体造型，产生数据文件并处理成面化的模型将模型内外表面用小三角形平面片离散化，用三个顶点和一个外向的法向量表述按等距离或不等距离的处理方法剖切模型，形成一系列相互平行的水平截面片层利用扫描线算法计算产生最佳扫描路径水平截面片层和扫描路径即为控制成型机的命令文件(STL文件) 紫外光快速成型机的工作原理,三、SCPS350紫外光快速成型机,1. SCPS350紫外光快速成型机基本原理及制作过程(1)基本原理 光敏树脂快速成型中激光束按照数控指令扫描，工作平台容器内液态光敏树脂逐层固化并粘结在一起从最底层开始，逐层固化，生成三维原形实体工作台每次下降高度即为分层厚度，分层越薄，加工出的零件的精度越高图4-8 紫外光快速成型机的工作原理,变速箱,摩托车发动机,鞋底,照相机,各种产品和零件,车灯,核磁共振仪零件,。