5快速原形制造技術(shù)資料

1、5 快速原形制造技術(shù)5.1 概述5.1.1 引言制造業(yè)是一個(gè)國(guó)家的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)， 為人了社會(huì)創(chuàng)造了大量的物質(zhì)財(cái)富。 從 20世 紀(jì)60 年代開(kāi)始， 全球制造業(yè)幾乎每隔 10年就經(jīng)歷一場(chǎng)制造戰(zhàn)略的變遷。 制造業(yè)的發(fā)展 戰(zhàn)略從 60年代“如何做得更多” （強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模 ）、70年代“如何做得更便宜” （強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本 ）、80年代“如何做得更好” （強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的質(zhì)量 ）發(fā)展到 90年代的 “如何做得更快” （強(qiáng)調(diào)市場(chǎng)響應(yīng)速度 ）。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速普及和 CAD/CAM 技術(shù) 的廣泛應(yīng)用，制造領(lǐng)域產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，生產(chǎn)周期以及更新周期越來(lái)越短。同時(shí)，全 球市場(chǎng)環(huán)境也發(fā)生了巨大變化：一方面表

2、現(xiàn)為消費(fèi)者需求日益主體化、個(gè)性化和多樣 化；另一方面則是產(chǎn)品制造商們都著眼于全球市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)。面對(duì)市場(chǎng)，不但要迅 速地設(shè)計(jì)出符合人們消費(fèi)需求的產(chǎn)品，而且還必須快速地生產(chǎn)制造出來(lái)，搶占市場(chǎng)。 因此，面對(duì)一個(gè)迅速變化且無(wú)法預(yù)料的買方市場(chǎng)，以往傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)模式對(duì)市場(chǎng) 的響應(yīng)就顯得越來(lái)越遲緩與被動(dòng)。 快速響應(yīng)市場(chǎng)需求， 已成為制造業(yè)發(fā)展的重要走向。 為此，近年來(lái)工業(yè)化國(guó)家一直在不遺余力地開(kāi)發(fā)先進(jìn)的制造技術(shù)以提高制造工業(yè)的發(fā) 展水平。計(jì)算機(jī)、微電子、信息、自動(dòng)化、新材料和現(xiàn)代化企業(yè)管理技術(shù)的發(fā)展日新 月異。產(chǎn)生了一批新的制造技術(shù)和制造模式。 制造工程與科學(xué)取得了前所未有的成就。快速原形（也稱快速成

3、形）技術(shù)（Rapid Prototyping , RP）就是在這種背景下逐步形 成并得以發(fā)展的。該技術(shù)借助計(jì)算機(jī)、激光、精密傳動(dòng)和數(shù)控等現(xiàn)代手段，將計(jì)算機(jī) 輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）集成于一體，根據(jù)在計(jì)算機(jī)上構(gòu)造的三維模 型，以逐層累積的建造方式在很短時(shí)間內(nèi)直接制造產(chǎn)品樣品，無(wú)需傳統(tǒng)的機(jī)械加工機(jī) 床和模具。該項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)立了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的新模式，使設(shè)計(jì)師以前所未有的直觀方式體會(huì) 設(shè)計(jì)的感覺(jué)，感性而迅速地驗(yàn)證和檢查所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和外形，從而使設(shè)計(jì)工作進(jìn) 入了一種全新的境界，改善了設(shè)計(jì)過(guò)程中的人機(jī)交流，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期，加快 了產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度， 降低了企業(yè)投資新產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)， 加

4、強(qiáng)了企業(yè)引導(dǎo)消費(fèi)的力度。快速原形技術(shù)制作的模型或樣品可用于新產(chǎn)品的評(píng)價(jià)和裝配檢驗(yàn)以及性能評(píng)估 等，也可用于制造硅橡膠模具的母模和熔模鑄造模具的消失型等，從而批量地生產(chǎn)塑 料件及金屬零件。 用這種方法制造樣品較傳統(tǒng)方法的顯著優(yōu)點(diǎn)是， 制造周期大大縮短。 由幾周、幾個(gè)月縮短為若干個(gè)小時(shí)，成本大大降低。而以RP原形作母模來(lái)翻制模具的快速模具制造技術(shù) （Rapid Tooling, RT），進(jìn)一 步發(fā)揮了快速原形制造技術(shù)的優(yōu)越性， 可在短期內(nèi)迅速推出滿足用戶需求的一定批量 的產(chǎn)品，大幅度降低了新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)研制的成本和投資風(fēng)險(xiǎn)，縮短了新產(chǎn)品研制和投放 市場(chǎng)的周期，在小批量、多品種、改型快的現(xiàn)代制造模式下具

5、有強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。5.1.2快速原形技術(shù)發(fā)展歷史早在1892年，J.E. Bianther在他的專利中曾建議用層疊的方法來(lái)制作地圖模型。 該方法提出將地圖的輪廓線壓印在一系列的蠟片上，并沿輪廓線切割蠟片，然后堆疊 系列蠟片產(chǎn)生三維地貌圖。1940年, Perera提出相似的方法，即沿輪廓線切割硬紙板， 然后堆疊這些紙板，形成三維地貌圖。1964年，Zang進(jìn)一步細(xì)化了該方法，建議用透明的紙板，且每一塊均帶有詳細(xì)的地貌形態(tài)標(biāo)記。1972年，Matsubara提出在上述方法中使用光固化材料，光敏聚合樹(shù)脂涂到耐火顆粒上，這些耐火顆粒然后被填充到 疊層，加熱形成與疊層對(duì)應(yīng)的板層，光線有選擇地投射或掃描

6、到這個(gè)板層，將規(guī)定的 部分硬化，沒(méi)有照射或硬化的部分被某種溶劑溶化，用這種方法形成的薄板層隨后不 斷地堆積在一起形成模型。1976年P(guān).L. DiMatteo明確提出這種堆積技術(shù)能夠用來(lái)制造普通機(jī)械加工設(shè)備難以加工的曲面，如螺旋槳、三維凸輪等。在具體實(shí)踐中，通過(guò)銑 床加工成形沿高度標(biāo)識(shí)的金屬層片，然后通過(guò)黏結(jié)成疊層狀，采用螺栓或帶錐度的銷圖5-1由DiMatteo制作的型腔模層疊層模型第一臺(tái)商業(yè)化的快速原形機(jī)出現(xiàn)于1987年11月在美國(guó)底特律舉辦的制造自動(dòng)化展覽會(huì)上，由美國(guó)3D System公司推出。我國(guó)第一臺(tái)快速成形機(jī)于1993年誕生在清 華大學(xué)?？焖僭渭夹g(shù)的出現(xiàn)雖然僅有十幾年的時(shí)間，但卻

7、得到了工業(yè)界的迅速重視 與應(yīng)用。美國(guó)在RP系統(tǒng)(設(shè)備)研制、生產(chǎn)、銷售方面占全球主導(dǎo)地位，生產(chǎn)RP設(shè)備系統(tǒng)的公司主要有3D System，Sanders，Helisys等，歐洲和日本等國(guó)家也不甘落 后，紛紛進(jìn)行RP技術(shù)、設(shè)備研制等方面的研究。目前國(guó)內(nèi)從事該項(xiàng)研究的單位主要 有華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、南京航天航空大學(xué)、浙江大學(xué)、香港理 工大學(xué)、中科院、陜西恒通智能機(jī)器有限公司、北京隆源公司、上海聯(lián)泰公司等?？焖俪尚渭夹g(shù)已發(fā)展了近20年，RP概念正在逐步擴(kuò)大和完善。目前RP技術(shù)的工 藝方法已有十余種。根據(jù)使用的材料和建造技術(shù)的不同，目前應(yīng)用比較廣泛的方法有 采用光敏樹(shù)脂材料通過(guò)激光照

8、射逐層固化的光固化方法(stereolithography 即paratus, SLA )、采用紙張等薄層材料通過(guò)逐層粘接和激光切割的疊層實(shí)體制造法(laminated object manufacturing, LOM )常用粉狀材料通過(guò)激光選擇性燒結(jié)逐層固 化的選擇性激光燒結(jié)法(selective laser sintering, SLS )、和熔融材料加熱融化擠壓 噴射冷卻成形的熔融沉積制造法(fused deposition ma nu facturi ng, FDM )等。各種快速原形制造工藝的基本原理都是基于離散的增長(zhǎng)方式成形原形或制品。快速原形技術(shù)從廣義上講可以分為材料累積和材料

9、去除兩大類。但是，目前人們談及的 快速原形制造方法通常指的是材料累積式的成形方法。累積式快速原形制造方法的分類通常是依據(jù)所使用的材料及構(gòu)建技術(shù)，其分類如圖5-2所示。薄層材熱熔膠粘接薄材(LOM)材料(-累3材料去除DM 液態(tài)快速成型=氣態(tài)激光燒結(jié) 熔化材料(SLS,GPD粘接劑粘接粉粒(3DP,SF,TSF)粉末粒熔融 材料 固化光照 粘接薄材(SFP)電鑄成型(ES)液態(tài) 樹(shù)脂 固化氣相沉積技術(shù)逐點(diǎn)固化(BPM,FDM,3DW，SL)逐層固化(SDM)圖5-2快速原形工藝方法的分類目前的快速原形制造技術(shù)還只能制造出少數(shù)幾種材料的模型，如：光敏樹(shù)脂、粘 性聚合物、石蠟、特殊的金屬或陶瓷粉末等

10、。這些材料在密度和性能上與所要求的金 屬材料零件差距較大，需要用它們作模型經(jīng)過(guò)二次鑄造才能生產(chǎn)出最終要求的金屬原 形。因此，目前在大力發(fā)展各種比較成熟的現(xiàn)有快速成形技術(shù)的同時(shí)，積極開(kāi)展能夠 柔性地快速直接制造出金屬零件的激光加工技術(shù)。5.2快速成形技術(shù)原理及特點(diǎn)RPM技術(shù)世紀(jì)CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、機(jī)械工程、電子技術(shù)和激光等技 術(shù)于一體的綜合技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)從零件設(shè)計(jì)到三維實(shí)體原形制造的一體化系統(tǒng)技術(shù)，它 采用軟件離散一材料堆積的原理實(shí)現(xiàn)零件的成形過(guò)程，其原理如圖5-3所示。圖5-3快速原型制造作業(yè)過(guò)程(1) 零件CAD數(shù)據(jù)模型的建立設(shè)計(jì)人員可以應(yīng)用各種三維CAD造型系統(tǒng)，包括MDT、So

11、lidworks、Solidedge、UG U、Pro/E、Ideas 等進(jìn)行三維實(shí)體造型，將設(shè) 計(jì)人員所構(gòu)思的零件概念模型轉(zhuǎn)換為三維 CAD數(shù)據(jù)模型。也可通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、激 光掃描儀、核磁共振圖像、實(shí)體影像等方法對(duì)三維實(shí)體進(jìn)行反求，獲取三維數(shù)據(jù)，以 此建立實(shí)體的CAD模型。(2) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換文件的生成由三維造型系統(tǒng)將零件CAD數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換成一種可被快速成形系統(tǒng)所能接受的數(shù)據(jù)文件，如STL、IGES等格式文件。目前，絕大多數(shù)快速 成形系統(tǒng)采用STL格式文件，因STL文件易于進(jìn)行分層切片處理。所謂 STL格式文件 即為對(duì)三維實(shí)體內(nèi)外表面進(jìn)行離散化所形成的三角形文件， 所有CAD造型系統(tǒng)均具有 對(duì)

12、三維實(shí)體輸出STL文件的功能。(3) 分層切片 分層切片處理是將三維實(shí)體沿給定的方向切成一個(gè)個(gè)二維薄片的 過(guò)程，薄片的厚度可根據(jù)快速成形系統(tǒng)制造精度在 o. 05mm-o . 5mm之間選擇。(4) 快速堆積成形 快速成形系統(tǒng)根據(jù)切片的輪廓和厚度要求， 用片材、絲材、液 體或粉末材料制成所要求的薄片， 通過(guò)一片片的堆積， 最終完成三維形體原形的制備。隨著RPM技術(shù)的發(fā)展，其原理也呈現(xiàn)多樣化，有自由添加、去除、添加和去除相 結(jié)合等多種形式。目前，快速成形概念已延伸為包括一切由CAD直接驅(qū)動(dòng)的原形成形 技術(shù)，其主要技術(shù)特征為成形的快捷性?？焖僭渭夹g(shù)的出現(xiàn)，開(kāi)辟了不用刀具、模具制作原形和各類零部件

13、的新途徑， 也改變了傳統(tǒng)的機(jī)械加工去除式的加工方式，而采用逐層累積式的加工方式，帶來(lái)了 制造方式的變革。從理論上講，添加成形方式可以制造任意復(fù)雜形狀的零部件，材料 利用率可達(dá) 100。因此，快速原形制造技術(shù)被認(rèn)為是近 20年來(lái)制造領(lǐng)域的一次重大 突破，其對(duì)制造業(yè)的影響可與 20世紀(jì)5060年代的數(shù)控技術(shù)相比。和其他先進(jìn)制造技術(shù)相比，快速原形技術(shù)具有如下特點(diǎn)。(1) 自由成形制造自由成形制造也是快速原形技術(shù)的另外一個(gè)用語(yǔ)。 作為快速原形技術(shù)的特點(diǎn)之一的自由成形制造的含義有兩個(gè)方面： 一是指無(wú)需使用工模具而制 作原形或零件，由此可以大大縮短新產(chǎn)品的試制周期，并節(jié)省工模具費(fèi)用；二是指不 受形狀復(fù)雜程

14、度的限制， 能夠制作任意復(fù)雜形狀與結(jié)構(gòu)、 不同材料復(fù)合的原形或零件。(2) 制造過(guò)程快速?gòu)腃AD數(shù)?；?qū)嶓w反求獲得的數(shù)據(jù)到制成原形，一般僅需要數(shù)小時(shí)或十幾小時(shí)，速度比傳統(tǒng)成形加工方法快得多。該項(xiàng)技術(shù)在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中改善 了設(shè)計(jì)過(guò)程的人機(jī)交流，縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)周期。以快速原形為母模的快速模具 技術(shù)，能夠在幾天內(nèi)制作出所需材料的實(shí)際產(chǎn)品，而通過(guò)傳統(tǒng)的鋼制模具制作產(chǎn)品， 至少需要幾個(gè)月的時(shí)間。該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，大大降低了新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本和企業(yè)研制 新產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，快速原形技術(shù)也更加便于遠(yuǎn)程制造服務(wù)，能使有限的資源得 到充分的利用，用戶的需求也可以得到最快的響應(yīng)。(3) 添加式和數(shù)字化

15、驅(qū)動(dòng)成形方式無(wú)論哪種快速原形制造工藝， 其材料都是通過(guò)逐點(diǎn)、逐層以添加的方式累積成形的。 無(wú)論哪種快速原形制造工藝， 也都是通過(guò) CAD 數(shù)字模型直接或者間接地驅(qū)動(dòng)快速原形設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行原形制造的。 這種通過(guò)材料添加 來(lái)制造原形的加工方式是快速原形技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式的顯著特征。 這種 由CAD數(shù)字模型直接或者間接地驅(qū)動(dòng)快速原形設(shè)備系統(tǒng)的原形制作過(guò)程也決定了快 速原形的制造快速和自由成形的特征。(4) 技術(shù)高度集成當(dāng)落后的計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃 (Computer Aided ProcessPlanning，CAPP) 一直無(wú)法實(shí)現(xiàn)CAD與CAM一體化的時(shí)候，快速原形技術(shù)的出現(xiàn)較 好的填補(bǔ)了

16、 CAD與CAM之間的縫隙。新材料、激光應(yīng)用技術(shù)、精密伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、計(jì) 算機(jī)技術(shù)以及數(shù)控技術(shù)等的高度集成，共同支撐了快速原形技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。(5) 突出的經(jīng)濟(jì)效益快速原形技術(shù)制造原形或零件， 無(wú)需工模具， 也與原形或零件的復(fù)雜程度無(wú)關(guān)，與傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法相比，其原形或零件本身制作過(guò)程的成 本顯著降低。此外，由于快速原形在設(shè)計(jì)可視化、外觀評(píng)估、裝配及功能檢驗(yàn)以及快 速模具母模的功用， 能夠顯著縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與試制周期， 也帶來(lái)了顯著的時(shí)間效益。 也正是因?yàn)榭焖僭渭夹g(shù)具有突出的經(jīng)濟(jì)效益，才使得該項(xiàng)技術(shù)經(jīng)出現(xiàn)，便得到了 制造業(yè)的高度重視和迅速而廣泛的應(yīng)用。(6) 廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域除了制造原形外，該項(xiàng)技

17、術(shù)也特別適合于新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、單件及小批量零件制造、不規(guī)則或復(fù)雜形狀零件制造、模具設(shè)計(jì)與制造、產(chǎn)品設(shè)計(jì)的 外觀評(píng)估和裝配檢驗(yàn)、快速反求與復(fù)制，也適合于難加工材料的制造等。這項(xiàng)技術(shù)不 僅在制造業(yè)具有廣泛的應(yīng)用，而且在材料科學(xué)與工程、醫(yī)學(xué)、文化藝術(shù)以及建筑工程 等領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域應(yīng)用快速原形技術(shù)，能顯著地縮短產(chǎn)品投放市場(chǎng)的周期， 降低成本，提高質(zhì)量，增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力一般而言，產(chǎn)品投放市場(chǎng)的周期由設(shè)計(jì) (初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì) ) 、試制、試驗(yàn)、征求用戶意見(jiàn)、修改定型、正式生產(chǎn)和市場(chǎng)推 銷等環(huán)節(jié)所需的時(shí)間組成。 由于采用快速原形技術(shù)之后， 從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最初階段開(kāi)始， 設(shè)計(jì)者、

18、制造者、推銷者和用戶都能拿到實(shí)實(shí)在在的樣品(甚至小批量試制的產(chǎn)品 )，因而可以及早地、充分地進(jìn)行評(píng)價(jià)、測(cè)試及反復(fù)修改，并且能對(duì)制造工藝過(guò)程及其所 需的工具，模具和夾具的設(shè)計(jì)進(jìn)行校核，甚至用相應(yīng)的快速模具制造方法做出模具， 因此可以大大減少失誤和不必要的返工，從而能以最快的速度，最低的成本和最好的 品質(zhì)將產(chǎn)品投入市場(chǎng)。具體而言，設(shè)計(jì)者、制造者、推銷者和用戶都能受益。5.3 幾種常用的快速成形技術(shù)快速成形技術(shù)及其系統(tǒng)有許多不同的形式和原理，但每種快速成形設(shè)備及其操作 原理都是基于逐層制造(逐層增加或逐層去除)的過(guò)程。所謂逐層增加法是隨著制作 過(guò)程的進(jìn)行，形成一層新的材料，同時(shí)將形成的材料層附著在前

19、一層上。而逐層去除 法則是在一開(kāi)始便將整層首先粘在上一層上，然后切除多余的非零件部分。目前快速 成形技術(shù)典型工藝有：立體光造型 (Stereolithography Apparatus) 、分層實(shí)體制造 (Laminated Object Manufacturing) 、選區(qū)激光燒結(jié) (Selective Laser Sintering) 、熔融 沉積成形 (Fused Deposition Modeling) 和三維印刷 (Three Dimensional Printing) 等。5.3.1 立體光造型( SLA )立體光造型也稱立體光刻，簡(jiǎn)稱 SL,是由美國(guó)的C. Hall于1983年研

20、制成功的， 1984年獲得美國(guó)專利。1988年美國(guó)的3D System公司推出了世界上第一臺(tái)RP商品化 樣機(jī)SLA-1。SLA系列成形機(jī)占據(jù)著RP設(shè)備市場(chǎng)的較大份額。立體光造型是通過(guò)一定波長(zhǎng)(325nm或355nm)的紫外激光照射液態(tài)光敏樹(shù)脂使其 固化。液態(tài)的光敏樹(shù)脂是一種高分子聚合物，通過(guò)吸收激光中的光子引發(fā)聚合反應(yīng)，使單體聚合成為大分子，隨著分子之間的距離縮短，分子間剪切強(qiáng)度增強(qiáng)，液體變?yōu)?固體。因此，樹(shù)脂受到激光照射后的單元固化形狀與照射形式、光強(qiáng)分布、材料特性 都有關(guān)系，而最終零件的精度還決定于堆積的方式和堆積順序。如圖5-4所示，液缸中盛滿液態(tài)光敏樹(shù) 脂，偏轉(zhuǎn)鏡可以任意轉(zhuǎn)動(dòng)角度，激光

21、器發(fā)出 的激光束在可控制轉(zhuǎn)向的偏轉(zhuǎn)鏡作用下， 在 液態(tài)樹(shù)脂表面上掃描。掃描的軌跡及光線的 有無(wú)都是由計(jì)算機(jī)控制的。光束照射到的地 方，液體就固化。未被照射的地方仍是液態(tài) 樹(shù)脂，當(dāng)液態(tài)光敏樹(shù)脂在工作臺(tái)上固化一層 后，升降臺(tái)帶動(dòng)工作臺(tái)沿Z方向下移一個(gè)工 作距離，在已成形的表面上又布滿一層樹(shù) 脂，然后在先固化的一層上再固化新的一 層，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如 此反復(fù)進(jìn)行，最終完成立體零件的制造。從立體光造型的工作原理可以看出：零件整體的面型精度取決于每一層的制造精 度及堆積的精度。立體光造型也可以采用燈光代替激光，采用燈光的立體造型的光束是通過(guò)漏光板 上設(shè)置的光孔使液態(tài)樹(shù)脂感光固化，當(dāng)一層

22、固化后，工作臺(tái)沿Z方向下降一個(gè)工作距離，然后交換新的漏光板，在先固化的一層上再固化新的一層，重復(fù)多次便制造出一 個(gè)立體零件。燈光立體造型雖然設(shè)備成本低，但制造效率和立體零件的精度及表面粗 糙度都較差。SLA是目前應(yīng)用最廣泛、研究最深入、零件精度（可達(dá) 0.1mm ）和表面質(zhì)量比較 高而且穩(wěn)定的RP工藝。但這種方法也有自身的局限性，如：需要支撐、樹(shù)脂收縮導(dǎo) 致精度下降、樹(shù)脂材料的機(jī)械性能有限、光敏樹(shù)脂具有一定的毒性等。5.3.2積層造型積層造型也稱分層實(shí)體制造（LOM），由美國(guó)Helisys公司的Michael Feygin于1986 年研制成功的。積層造型法是先把制作零件從圖紙上分層，然后分層

23、制造，最后聯(lián)接成形。一般來(lái)說(shuō)，快速原形積層法制作零件的過(guò)程都是從零件的CAD開(kāi)始的。利用CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)行三維幾何造型，產(chǎn)生數(shù)據(jù)文件，然后將其內(nèi)外表面用小三角平面離散化。每個(gè) 平面由其三個(gè)頂點(diǎn)和一個(gè)指向體外的法向量描述，得到的數(shù)據(jù)便是目前所有快速原形系統(tǒng)普遍采用的默認(rèn)為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 STL （Stereo-lithography，立體光刻）格式。在零件 離散化前需在CAD系統(tǒng)上對(duì)零件模型定位。同時(shí)設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)，接著用CAM軟件對(duì)離 散化的零件模型用數(shù)學(xué)方法分層，形成一系列平行的水平截面。最后對(duì)每個(gè)截面利用掃描線算法產(chǎn)生制作的最佳路徑，包括截面的輪廓路徑和內(nèi)部的掃描路徑。切片信息 及生成的路徑

24、信息存儲(chǔ)在 SLI (Stereo Lithography In terface)文件中。SLI文件是控制成形機(jī)的命令文件。這些指令控制成形機(jī)固化或黏結(jié)材料。LOM工藝采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等，事先在片材的一面涂覆上一層熱熔 膠。工作原理如圖5-5所示。加工時(shí)，熱壓輥熱壓片材，使之與下面已成形的工件黏 結(jié)；用CO2激光器按計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)所給出的信息指令，在剛黏結(jié)的新層上切割出零 件截面輪廓和工件外框, 格；激光切割完成后， 工作臺(tái)帶動(dòng)已成形的工 件下降一個(gè)距離，與帶 狀片材分離；供料機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)動(dòng)收料軸和供料軸， 帶動(dòng)料帶移動(dòng)，使新層 移到加工區(qū)域；工作臺(tái) 上升到加工平面；熱壓 輥熱壓，工件

25、的層數(shù)增 加一層，高度增加一個(gè) 料厚；再在新層上切割 截面輪廓。如此反復(fù)進(jìn) 行，逐層粘切，直至所并在截面輪廓與外框之間多余的區(qū)域內(nèi)切割出上下對(duì)齊的網(wǎng)iu r.fifii收料箒控制計(jì)算機(jī)圖5-5積層造型工作原理示意圖有截面黏結(jié)、切割完，最終得到積層制造的實(shí)體零件。目前這種方法已可做812.8mmX 558.8mm X 508mm的工件，采用25W、40W、50W的激光器，原料片層最小為 0.0127mm，精度可達(dá) 0.23mm。LOM與其它快速成形工藝的差別主要在于掃描路徑的區(qū)別，一是填充區(qū)域不同，二是填充方式的不同。即SLA、SLS掃描的是模型實(shí)體內(nèi)部區(qū)域，LOM掃描的是實(shí)體外部區(qū)域。SLA、

26、SLS、FDM等掃描方式一般是單向；LOM 一般為雙向切割。LOM 工藝過(guò)程實(shí)質(zhì)是實(shí)體內(nèi)部間斷加熱黏結(jié)，外部切割去除。LOM工藝只需在片材上切割出零件截面的輪廓，而不用掃描整個(gè)截面。因此成形后壁零件的速度較快，易于制造大型零件。工藝過(guò)程中不存在材料的相變，因此，不 易引起翹曲變形，零件的精度較高(公差小于0.15mm )。工件外框與截面輪廓之間多 余材料在加工中起到了支撐作用， 所以LOM工藝無(wú)需加支撐。但是在實(shí)際制造中由于 加工時(shí)間、材料性能和制造工藝等因素的影響，片材層厚不可能無(wú)限小，現(xiàn)有的成形 工藝中，層厚最小為0.05mm。因此用柱體單元近似表達(dá)光滑曲面是分層制造的基本 特點(diǎn)，這一特點(diǎn)

27、決定了分層中不可避免的存在幾何失真。而幾何失真性與分層制造的 方法、工藝、設(shè)備無(wú)關(guān)，純粹是由數(shù)學(xué)上的近似處理引起的。因此，合理地選取分層 方向，對(duì)提高制造精度有重要作用。533選區(qū)激光燒結(jié)選區(qū)激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering）簡(jiǎn)稱SLS。該工藝由美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C.R. Dechard于1989年研制成功。該方法被美國(guó)DTM公司商品化。如圖5-6所示，成形系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)由激光器、聚焦鏡、光學(xué)掃描器、鋪粉滾輪和活塞 缸組成。一般采用50100W的CO2或YAG激光器為能量源，通過(guò)紅外激光束使塑料、 蠟、陶瓷和金屬或它們復(fù)合物的粉體燒結(jié)形成實(shí)體零件。成形過(guò)程

28、開(kāi)始，鋪粉滾輪將圖5-6 SLS成型原理示意圖粉末原料均勻地鋪在燒結(jié)成形工作臺(tái)上。激 光束在計(jì)算機(jī)的控制下通過(guò)掃描器以一定 的速度和能量密度在選定區(qū)域進(jìn)行掃描。激 光束的關(guān)與開(kāi)和待成形零件層信息相關(guān)。激 光束掃過(guò)之后，粉末燒結(jié)成一定厚度的實(shí)體 片層，未掃過(guò)的地方仍然是原來(lái)的粉末，可 回收再利用。這樣零件的第一層就制造出來(lái) 了。這時(shí)，成形活塞下移一個(gè)工作距離，這 個(gè)距離與設(shè)計(jì)零件的切片厚度一致，供料器 滾筒將新的微粒推向工作臺(tái)，然后開(kāi)始下一 個(gè)循環(huán)，新形成的片層與下面已成形的部分 連結(jié)在一起。掃描器的掃描運(yùn)動(dòng)和升降活塞 的升降運(yùn)動(dòng)都是由計(jì)算機(jī)根據(jù)零件的 CAD 模型分層切片數(shù)據(jù)進(jìn)行控制的。如此反

29、復(fù)，目前國(guó)內(nèi)的設(shè)備已能夠制造定位精度土 0.1mm。整個(gè)零件制作完畢。這樣一個(gè)三維實(shí)體就制造出來(lái)了300mm x 400mm 的工件。燒結(jié)層厚 0.10.25mmSLS工藝與鑄造工藝的關(guān)系極為密切，如燒結(jié)的陶瓷可以作為鑄造的型殼、型芯, 蠟型可做蠟?zāi)＃瑹崴苄圆牧蠠Y(jié)的模型可做消失模。SLS工藝的特點(diǎn)是材料適應(yīng)面廣，不僅能制造塑料零件，還能制造陶瓷、蠟等材 料的零件。特別是可以制造金屬零件，使得 SLS工藝頗具吸引力。此外，SLS成形過(guò) 程中，粉體本身作為成形實(shí)體的支撐，因此不必制造工藝支架，可以成形幾乎任意形 狀的實(shí)體模型，特別適合制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件。5.3.4熔融沉積成形（FDM ）熔融沉積

30、成形（FDM ）工藝由美國(guó)Dr. Scott Crump于1988年研制成功，并由美 國(guó)Stratasys公司推出多種商品化產(chǎn)品。FDM的材料一般是熱塑性塑料，如蠟、ABS、尼龍等，以絲狀供料。加工時(shí)，材 料在噴頭內(nèi)被加熱熔化。數(shù)控噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔化的材 料擠出；材料迅速凝固，并與周圍的材料凝結(jié)，隨后工作臺(tái)下降一個(gè)層厚高度，接著 擠噴第2層，如此反復(fù)，直至工件成形（如圖5-7所示）。目前國(guó)內(nèi)設(shè)備能加工260mmx 60mm x 60mm 的工件，層厚度為 0.050.8mm，層寬為 0.32mm，模型精度土 0.2mm。FDM工藝不用激光器件， 因此設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低。

31、用蠟 成形的零件原形，可以直接用 于熔模鑄造。用ABS制造的原 形因具有較高強(qiáng)度而在產(chǎn)品設(shè) 計(jì)、測(cè)試與評(píng)估等方面得到廣 泛應(yīng)用。由于以FDM工藝為 代表的熔融材料堆積成形工藝 具有一些顯著優(yōu)點(diǎn)，該類工藝 發(fā)展極為迅速。工作石 向運(yùn)動(dòng)圖5-7熔融沉積成形示意圖5.3.5三維印刷工藝（3DP）三維印刷（Three Dimensional Printing, 3DP）工藝是1989年美國(guó)麻省理工學(xué)院圖5-8 3DP工藝原理寒并成石IE. Manual Sachs 等人研制的，并申請(qǐng)了專利。3DP工藝與SLS工藝類似，采用粉 末材料成型，如陶瓷粉末、金屬粉末。所不同的是材料粉末不是通過(guò)燒結(jié)連接起來(lái)的，

32、 而是通過(guò)噴頭用黏結(jié)劑（如硅膠）將零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用黏結(jié)劑粘 接的零件強(qiáng)度較低，還須后處理。先燒掉黏結(jié)劑，然后在高溫下滲入金屬，使零件致 密化，提高強(qiáng)度。圖5-8所示為3DP工藝原理，具體工藝過(guò)程如下：上一層粘接完畢后，成形缸 下降一個(gè)距離（等于層厚：0.0130.1mm），供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被鋪粉輥推到成形缸，鋪平并被壓實(shí)。噴頭在計(jì)算機(jī)控制下，按下一建造截面的成形數(shù) 據(jù)有選擇地噴射黏結(jié)劑建造層面。鋪粉輥鋪粉時(shí)多余的粉末被集粉裝置收集。如此周 而復(fù)始地送粉、鋪粉和噴射黏結(jié)劑，最終完成一個(gè)三維粉體的粘接。未被噴射黏結(jié)劑 的地方為干粉，在成形過(guò)程中起支撐作用，且成

33、形結(jié)束后，比較容易去除。該工藝的特點(diǎn)是成形速度快，成形材料價(jià)格低，非常適合做桌面型的快速成形設(shè)備。并且，可以在黏結(jié)劑中添加顏料，可以制作彩色原形，如圖5-9所示。這是該工藝最具競(jìng)爭(zhēng)力的特點(diǎn)之一，有限元分析模型和多部件裝配體非常適合用該工藝制 造。缺點(diǎn)是成形件的強(qiáng)度較低，只能做概念型使用，而不能做功能性試驗(yàn)。圖5-9 3DP工藝制造的彩色原形5.4快速成形技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域由以上各種工藝的原理可以看出，快速成形技術(shù)有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即先將產(chǎn)品 零件作分層處理，然后再一層層地疊加。這一特點(diǎn)，決定了快速成形技術(shù)有以下特點(diǎn)。 可以加工出任意形狀的產(chǎn)品零部件；可以加工多種材料，以得到不同的機(jī)械性能和熱

34、特性的工件； 不需要制造專用的模具、夾具；不需要專門設(shè)計(jì)圖紙；不需要編制工藝文件； 非常適合于計(jì)算機(jī)集成制造；速度快，傳統(tǒng)法失蠟鑄造生產(chǎn)四缸發(fā)動(dòng)機(jī)鋁質(zhì)缸體，需要 10個(gè)月到1年時(shí)間, 用快速成形機(jī)制造失蠟熔模，缸體生產(chǎn)周期縮短到 5星期。成本幾乎與零件的復(fù)雜程度和生產(chǎn)批量無(wú)關(guān)，因此快速成形制造技術(shù)適合于 小批量零部件，尤其是一些獨(dú)特的零部件。由于快速成形技術(shù)的特點(diǎn)，它一經(jīng)出現(xiàn)就得到了廣泛應(yīng)用。目前已廣泛應(yīng)用于汽 車、機(jī)械、電子、電器、航空航天、醫(yī)學(xué)、建筑、玩具、工藝品等許多領(lǐng)域?？焖僭沃圃斓牡谝活愑猛臼亲钤鐟?yīng)用于機(jī)械零件或產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)效果的直觀 物理效果實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橹皇怯脕?lái)審查最終產(chǎn)品的造型、結(jié)構(gòu)和裝配關(guān)系等目的。因此， 造型材料要求較低?？焖僭蔚牡诙愑猛臼侵圃煊糜谠煨偷哪Ｐ腿缣沾尚途T模、熔模鑄造模、冷噴模和電鑄模等。第三類用途則為最終產(chǎn)品