項目九 快速原型制造技術講解

武器裝備制造學院李鵬湖南國防工業(yè)職業(yè)技術學院HUNAN

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機械制造工藝基礎快速原型制造技術

本節(jié)要點快速原型制造的工作原理、工藝過程方法：立體印刷SLA、選擇性激光燒結(jié)SLS、分層實體制造LOM、熔融沉積成形FDM快速原型制造技術

RapidPrototypingManufacturing

2024/7/82一、RPM技術的產(chǎn)生

進入20世紀后期，市場環(huán)境發(fā)生了巨大的變化。一方面表現(xiàn)為消費者需求日趨主體化、個性化和多樣化；另一方面則是產(chǎn)品制造商們都著眼于全球市場的激烈競爭。面對市場，產(chǎn)品制造商們不但要很快地設計出符合人們消費需求的產(chǎn)品，而且必須很快地生產(chǎn)制造出來，搶占市場。與此同時，計算機、微電子、信息、自動化、新材料、和現(xiàn)代企業(yè)管理技術的發(fā)展日新月異，制造工程與科學取得了前所未有的成就?？焖俪尚图夹g就是在這種背景下逐步形成并得到飛速的發(fā)展。2024/7/831988年，世界上第一臺快速成型機誕生于美國。

傳統(tǒng)方法中制造產(chǎn)品原型需要幾周或幾個月以及高昂的費用，而快速成型技術的發(fā)展，使得產(chǎn)品設計、制造的周期大大縮短，可以在沒有任何刀具、模具及工裝夾具的情況下，快速直接地實現(xiàn)產(chǎn)品（或零件）的單件生產(chǎn)，從而給制造業(yè)帶來了根本性的變化。我國92年進入RPM領域；清華大學、西安交通大學、華中科技大學、北京隆源等單位在RMP設備、材料和軟件方面先后完成了開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化過程；我國RPM許多關鍵技術達到或領先國際先進水平。2024/7/84

二、RPM技術原理屬于離散/堆積成形。通過離散獲得堆積的路徑、順序和方式，通過堆積材料疊加起來形成三維實體。構(gòu)造三維模型，分層切片，截面輪廓

①激光束選擇性切割一層層的紙；

②固化一層層的固化樹脂；

③燒結(jié)一層層的粉末材料；

④選擇性噴射一層層的熱熔材料。各截面疊加堆積。RPS分層切片STL文件CAD模型三維數(shù)字化儀等CAD造型系統(tǒng)2024/7/85CAD建模分層層面信息處理層面加工與層層堆積后處理根據(jù)每層輪廓信息，進行工藝規(guī)劃，選擇加工參數(shù)，自動生成數(shù)控代碼清理零件表面，去除輔助支撐結(jié)構(gòu)由CAD軟件設計出所需零件的計算機三維曲面或?qū)嶓w模型將三維模型沿一定方向（通常為Z向）離散成一系列有序的二維層片（習慣稱為分層）成形機制造一系列層片并自動將它們聯(lián)接起來，得到三維物理實體三、RPM工藝過程2024/7/861.立體印刷法－StereoLithographyApparatusSLA又稱立體光刻、光固化立體造型、激光印刷

SLA工藝于1984年獲美國專利，1988年美國3DSystem公司推出的商品化樣機SLA—1，是世界上第一臺快速原型技術成形機。目前，SLA各型成形機占據(jù)著RP設備市場的較大份額。

四、典型RPM成形方法

2024/7/87立體印刷的基本原理

基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理。將激光聚集到液態(tài)光固化材料（如光固化樹脂）表面逐點掃描，令其有規(guī)律地固化，由點到線到面，完成一個層面的建造。而后升降移動一個層片厚度的距離，重新覆蓋一層液態(tài)材料，進行第二層掃描，再建造一個層面，第二層就牢固地粘貼到第一層上，由此層層迭加成為一個三維實體。2024/7/88立體印刷(SLA)的特點

鼠標外殼激

光樹脂原型照相機激光樹脂原型SLA方法是目前快速成形技術領域中研究得最多的方法，也是技術上最為成熟的方法。特點：

SLA工藝成形的零件精度較高，能達到0.1mm；產(chǎn)品透明美觀，可直接做力學實驗。需要支撐、樹脂收縮導致精度下降、光固化樹脂價格昂貴，有一定的毒性；且產(chǎn)品不能溶解，不利于環(huán)保。2024/7/89

選擇性激光燒結(jié)工藝由美國德克薩斯大學于1989年研制成功，已被美國DTM公司商品化，推出SLSModel125成形機。

我國的北京隆源自動成形系統(tǒng)有限公司也分別推出了各自的SLS工藝成形機。2.選擇性激光燒結(jié)法（SelectiveLaserSintering，簡稱SLS）2024/7/810選擇性激光燒結(jié)的基本原理SLS工藝是利用粉末狀材料成形的。先在工作臺上鋪上一層有很好密實度和平整度的粉末，用高強度的CO2激光器在上面掃描出零件截面，有選擇地將粉末熔化或粘接，形成一個層面，利用滾子鋪粉壓實，再熔結(jié)或粘接成另一個層面并與原層面熔結(jié)或粘接，如此層層疊加為一個三維實體。2024/7/811選擇性激光燒結(jié)（SLS）的產(chǎn)品特點1.材料適應面廣，不僅能制造塑料零件，還能制造陶瓷、蠟等材料的零件。特別是可以制造出能直接使用的金屬零件。

2.SLS工藝不需加支撐，因為沒有燒結(jié)的粉末起到了支撐的作用。

3.精度不高。表面粗糙度不好，不宜做薄壁件。2024/7/812

LOM工藝由美國Helisys公司于1986年研制成功。這種方法的代表是美國Helisys公司的LOM-1050和LOM-2030成形機。3.分層實體制作成形法LaminatedObjectManufacturing，簡稱LOM2024/7/813分層實體制作的基本原理

切割出工藝邊框和原型的邊緣輪廓線，而后將不屬于原型的材料切割成網(wǎng)格狀。片材表面事先涂覆上一層熱熔膠。通過升降平臺的移動和箔材的送給,并利用熱壓輥輾壓將后鋪的箔材與先前的層片粘接在一起，再切割出新的層片。這樣層層迭加后得到下一個塊狀物，最后將不屬于原型的材料小塊剝除，就獲得所需的三維實體。

2024/7/814分層實體制作的特點

LOM可制作一些激光立體固化成形法難以制作的大型零件和厚壁樣件，且制作成本低廉、速度高。

（1）使用膠紙作為成型材料；

（2）低成本：原材料易于獲得

（3）大尺寸：由于無須進行化學反應，所以成型件尺寸可以制得很大；

（4）紙張上有交叉格，便于成型后去除模型周邊的廢料；

（5）成型后的模型需密封保存以免吸潮；

（6）模型有類木紋的紋理；

（7）由于適應面較窄，漸趨淘汰。2024/7/815

4.熔融堆積成形法（FusedDepositionModeling，簡稱FDM）

熔融沉積成形工藝于1988年研制成功，后由美國Stratasys公司推出商品化的3DModeler1000和FDM1600等規(guī)格的系列產(chǎn)品。最新產(chǎn)品是制造大型ABS原型的FDM8000、Quantum等型號的產(chǎn)品。2024/7/816熔融沉積成形的基本原理

將熱熔性材料（ABS、尼龍或蠟）通過噴頭加熱器熔化；噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出；材料迅速凝固冷卻后，與周圍的材料凝結(jié)形成一個層面；然后將第二個層面用同樣的方法建造出來，并與前一個層面熔結(jié)在一起，如此層層堆積而獲得一個三維實體。（不需激光系統(tǒng)）2024/7/817熔融沉積成形(FDM)的產(chǎn)品特點FDM工藝不用激光器件，因此使用、維護簡單，成本較低。適合做薄壁件。污染小，材料可以回收。

聚酯、ABS、人造橡膠、熔模鑄造用蠟。用ABS制造的原型因具有較高強度而在產(chǎn)品設計、測試與評估等方面得到廣泛應用。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，該類工藝發(fā)展極為迅速。2024/7/818FDM3000快速成形機廠家：美國stratasys公司加工范圍：249x249x400層厚:0.1778，0.25402024/7/819

它與NC機床的主要區(qū)別在于高度柔性五、RPM技術的特點2024/7/820CAD模型直接驅(qū)動，設計制造高度一體化；

成形過程無需專用夾具或工具；無需人員干預或較少干預，是一種自動化的成形過程；成形全過程的快速性，適合現(xiàn)代激烈的產(chǎn)品市場。高度柔性，可以制造任意復雜形狀的三維實體；

而RP技術具有最高的柔性，對于任何尺寸不超過成形范圍的零件，無需任何專用工具就可以快速方便的制造出它的模型(原型)。從制造模型的角度，RP具有NC機床無法比擬的優(yōu)點，即快速方便、高度柔性。2024/7/821

制造原型所用的材料不限，各種金屬和非金屬材料均可使用；2024/7/822SLA

立體印刷FDM

熔融沉積成形SLS

選擇性激光燒結(jié)LOM

分層實體制造優(yōu)點(1)成形速度極快，成形精度、表面質(zhì)量高；

(2)適合做小件及精細件。(1)成形材料種類較多，成形樣件強度好，能直接制作ABS塑料；

(2)尺寸精度較高，表面質(zhì)量較好，易于裝配；

(3)材料利用率高；

(4)操作環(huán)境干凈、安全可在辦公室環(huán)境下進行。(1)有直接金屬型的概念，可直接得到塑料、蠟或金屬件；

(2)材料利用率高；造型速度較快。(1)成形精度較高；

(2)只須對輪廓線進行切割，制作效率高，適合做大件及實體件；

(3)制成的樣件有類似木質(zhì)制品的硬度，可進行一定的切削加工。缺點(1)成形后要進一步固化處理；

(2)光敏樹脂固化后較脆，易斷裂，可加工性不好；

(3)工作溫度不能超過100℃，成形件易吸濕膨脹，抗腐蝕能力不強。(1)成形時間較長；

(2)做小件和精細件時精度不如SLA。(1)成形件強度和表面質(zhì)量較差，精度低。

(2)在后處理中難于保證制件尺寸精度，后處理工藝復雜，樣件變型大，無法裝配。(1)不適宜做薄壁原型；

(2)表面比較粗糙，工件表面有明顯的臺階紋，成型后要進行打磨；

(3)易吸濕膨脹，成形后要盡快表面防潮處理；

(4)工件強度差，缺少彈性。2024/7/823SLA

立體印刷FDM

熔融沉積成形SLS

選擇性激光燒結(jié)LOM

分層實體制造設備購置費用高昂低廉高昂中等維護和日常使用費用

激光器有損耗，光敏樹脂價格昂貴，運行費用很高。無激光器損耗，材料的利用率高，原材料便宜，運行費用極低。激光器有損耗，材料利用率高，原材料便宜，運行費用居中。激光器有損耗，材料利用率很低，運行費用較高。發(fā)展趨勢穩(wěn)步發(fā)展飛速發(fā)展穩(wěn)步發(fā)展?jié)u趨淘汰應用領域復雜、高精度、藝術用途的精細件塑料件外形和機構(gòu)設計鑄造件設計實心體大件2024/7/824無人值守：

LOM和SLS使用的CO2激光器是依靠熱量對成形材料進行切割和融化的，因此在機構(gòu)發(fā)生機械故障時（如：傳動失靈，激光器無法自動關閉等），有發(fā)生火災的可能，因此工作時必需有專人值守。

SLA的紫外光激光器是利用光敏樹脂對紫外光敏感凝固的特性進行成形，不產(chǎn)生高熱；

FDM的熱壓噴頭溫度遠低于成形材料的燃點；因此SLA和FDM在安全性方面可實現(xiàn)無人值守。

辦公環(huán)境下使用：

LOM和SLS使用時產(chǎn)生煙塵，SLA、LOM和SLS使用激光，具有危險性，因此在嚴格意義上說SLA、LOM和SLS均不適合在辦公室內(nèi)使用。

2024/7/825

世界上第一臺快速成型機于自1988年誕生于美國。在這一領域，美國一直處于領先地位，各種新工藝大都在美國最先出現(xiàn)，研究、開發(fā)的工藝種類也最多，其次在歐洲、日本發(fā)展也很快。國內(nèi)最早開始RP領域研究的是清華大學，清華大學機械工程系于1989年開始涉足，經(jīng)過幾年的努力，在快速成型工藝研究、成型設備開發(fā)、數(shù)據(jù)處理及控制軟件、新材料的研發(fā)等方面都做了大量卓有成效的工作，趕上了世界發(fā)展的步伐，并有很多獨創(chuàng)性的創(chuàng)新。六、RPM技術的研究和應用2024/7/826

目前國際上RP技術應用較好的有美國、日本、新加坡等國家。

RP技術主要有兩種應用模式，一種是大型制造企業(yè)，如美國通用、福特汽車、波音公司以及國內(nèi)上汽公司、上菱公司、德爾