快速成型实验-指导书

1、实验目的

1）掌握快速成形的基本理论； 2）了解快速成形工艺方法种类及特点； 3）掌握快速成形设备操作方法。 2、快速成型技术的原理及应用

快速成型属于离散／堆积成型。它从成型原理上提出一个全新的思维模式三维模型，即将计算机上制作的零件三维模型，进行网格化处理并存储，对其进行分层处理，得到各层截面的二维轮廓信息，按照这些轮廓信息自动生成加工路径，由成型头在控制系统的控制下，选择性地固化或切割一层层的成型材料，形成各个截面轮廓薄片，并逐步顺序叠加成三维坯件，然后进行坯件的后处理，形成零件。

目前RP技术的发展水平而言，在国内主要是应用于新产品（包括产品的更新换代）开发的设计验证和模拟样品的试制上，即完成从产品的概念设计（或改型设计）--造型设计--结构设计--基本功能评估--模拟样件试制这段开发过程。对某些以塑料结构为主的产品还可以进行小批量试制，或进行一些物理方面的功能测试、装配验证、实际外观效果审视，甚至将产品小批量组装先行投放市场，达到投石问路的目的。快速成型的应用主要体现在以下几个方面：（1）新产品开发过程中的设计验证与功能验证。RP技术可快速地将产品设计的CAD模型转换成物理实物模型，这样可以方便地验证设计人员的设计思想和产品结构的合理性、可装配性、美观性，发现设计中的问题可及时修改。如果用传统方法，需要完成绘图、工艺设计、工装模具制造等多个环节，周期长、费用高。如果不进行设计验证而直接投产，则一旦存在设计失误，将会造成极大的损失。 （2）可制造性、可装配性检验和供货询价、市场宣传，对有限空间的复杂系统，如汽车、卫星、导弹的可制造性和可装配性用RP方法进行检验和设计，将大大降低此类系统的设计制造难度。对于难以确定的复杂零件，可以用RP，技术进行试生产以确定最佳的合理的工艺。此外，RP原型还是产品从设计到商品化各个环节中进行交流的有效手段。比如为客户提供产品样件，进行市场宣传等，快速成型技术已成为并行工程和敏捷制造的一种技术途径。（3）单件、小批量和特殊复杂零件的直接生产。对于高分子材料的零部件，可用高强度的工程塑料直接快速成型，满足使用要求;对于复杂金属零件，可通过快速铸造或直接金属件成型获得。该项应用对航空、航天及国防工业有特殊意义。（4）快速模具制造。通过各种转换技术将RP原型转换成各种快速模具，如低熔点合金模、硅胶模、金属冷喷模、陶瓷模等，进行中小批量零件的生产，满足产品更新换代快、批量越来越小的发展趋势。快速成型应用的领域几乎包括了制造领域的各个行业，在医疗、人体工程、文物保护等行业也得到了越来越广泛的应用。

快速成型技术在各行业中的应用：

汽车、摩托车：外形及内饰件的设计、改型、装配试验，发动机、汽缸头试制。 家电：各种家电产品的外形与结构设计，装配试验与功能验证，市场宣传，模具制造。

通讯产品：产品外形与结构设计，装配试验，功能验证，模具制造。

航空、航天：特殊零件的直接制造，叶轮、涡轮、叶片的试制，发动机的试制、装配试验。 轻工业：各种产品的设计、验证、装配，市场宣传，玩具、鞋类模具的快速制造。

医疗：医疗器械的设计、试产、试用，CT扫描信息的实物化，手术模拟，人体骨关节的配制。 国防：各种武器零部件的设计、装配、试制，特殊零件的直接制作，遥感信息的模型制作 。 总之，快速成型技术的发展是近20年来制造领域的突破性进展，它不仅在制造原理上与传统方法迥然不同，更重要的是在目前产业策略以市场响应速度为第一的状况下，RP技术可以缩短产品开发周期，降低开发成本，提高企业的竞争力。

3、快速成型的工艺过程

具体如下：

1）产品三维模型的构建。由于 RP 系统是由三维 CAD 模型直接驱动，因此首先要构建所加工工件的三维CAD 模型。该三维CAD模型可以利用计算机辅助设计软件（如Pro/E、I-DEAS 、Solid Works、UG 等）直接构建，也可以将已有产品的二维图样进行转换而形成三维模型，或对产品实体进行激光扫描、 CT 断层扫描，得到点云数据，然后利用反求工程的方法来构造三维模型；

2）三维模型的近似处理。由于产品往往有一些不规则的自由曲面，加工前要对模型进行近似处理，以方便后续的数据处理工作。由于STL格式文件格式简单、实用，目前已经成为快速成形领域的准标准接口文件。它是用一系列的小三角形平面来逼近原来的模型，每个小三角形用 3 个顶点坐标和一个法向量来描述，三角形的大小可以根据精度要求进行选择。STL 文件有二进制码和 ASCll 码两种输出形式，二进制码输出形式所占的空间比 ASCII 码输出形式的文件所占用的空间小得多，但ASCII码输出形式可以阅读和检查。典型的CAD 软件都带有转换和输出 STL 格式文件的功能；

3）三维模型的切片处理。根据被加工模型的特征选择合适的加工方向，在成型高度方向上用一系列一定间隔的平面切割近似后的模型，以便提取截面的轮廓信息。间隔一般取0.05mm~0.5mm， 常用 0.1mm 。间隔越小，成型精度越高，但成型时间也越长，效率就越低，反之则精度低，但效率高；

4）成型加工。根据切片处理的截面轮廓，在计算机控制下，相应的成型头（激光头或喷头）按各截面轮廓信息做扫描运动，在工作台上一层一层地堆积材料，然后将各层相粘结，最终得到原型产品；

5）成型零件的后处理。从成型系统里取出成型件，进行打磨、抛光、涂挂，或放在高温炉中进行后

烧结，进一步提高其强度。 4、快速成型技术的分类

快速成形技术根据成型方法可分为两类：基于激光及其他光源的成形技术（Laser Technology），例如：光固化成形（SLA ）、分层实造（LOM）、选域激光粉末烧结（SLS）、形状沉积成形（SDM）等；基于喷射的成型技术（Jetting Technoloy），例如：熔融沉积成形（FDM）、三维印刷（ 3DP ）、多相喷射沉积（ MJD ）。下面对其中比较成熟的工艺作简单的介绍。

1）

SLA（Stereolithogrphy Apparatus）工艺

SLA 工艺也称光造型或立体光刻，由Charles Hul 于 1984 年获美国专利。

1988 年美国 3D System公司推出商品化样机SLA-I，这是世界上第一台快速成形机。SLA 各种成型机占据着 RP 设备市场的较大份额。

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：液槽中盛满液态光固化树脂，激光束在偏转镜作用下，能在液态表面上扫描，扫描的轨迹及光线的有无均由计算机控制，光点打到的地方，液体就固化。成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度。聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。

SLA 方法是目前快速成型技术领域中研究得最多的方法，也是技术上最为成熟的方法。 SLA 工艺成形的零件精度较高，加工精度一般可达到 0.1 mm ，原材料利用率近 100 ％。但这种方法也有自身的局限性，如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂有一定的毒性等。

下图为SLA工艺方法加工的零件：

2）LOM（Laminated Object Manufacturing，LOM）工艺

LOM工艺称叠层实造或分层实造，由美国Helisys公司的Michael Feygin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。加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成型的工件粘接。用CO2激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格。激光切割完成后，工作台带动已成型的工件下降，与带状片材分离。供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域。工作台上升到加工平面，热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚。再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完。最后，去除切碎的多余部分，得到分层制造的实体零件。

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。工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲变形。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。缺点是材料浪费严重，表面质量差。

下图为用LOM工艺方法加工的模型：

3）SLS（Selective Laser Sintering）工艺

SLS工艺称为选域激光烧结，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于 19 年研制成功。 SLS工艺是利用粉末状材料成型的。将材料粉末铺洒在已成型零件的上表面，并刮平，用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面，材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成型的部分连接。当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，有选择地烧结下层截面。

烧结完成后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理得到零件。

SLS工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、蜡等材料的零件，特别是可以制造金属零件。这使SLS工艺颇具吸引力。SLS工艺无需加支撑，因为没有烧结的粉末起到了支撑的作用。

下图为用SLS工艺方法加工的模型：

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4）3DP (Three Dimension Printing）工艺

三维印刷工艺（3DP）是美国麻省理工学院E-manual Sachs等人研制的。已被美国的Soligen公司以DSPC（Direct Shell Production Casting）名义商品化，用以制造铸造用的陶瓷壳体和型芯。

3DP 工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成型，如陶瓷粉末、金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连结起来的，而是通过喷头用粘结剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉来上面。用粘结剂粘接的零件强度较低，还须后处理。先烧掉粘结剂，然后在高温下渗入金属，使零件致密化，提高强度。

5）FDM （Fused Depostion Modeling）工艺

熔融沉积制造（ FDM ）工艺由美国学者Scott Crump于 1988 年研制成功。 FDM 的材料一般是热塑性材料，如蜡、 ABS 、尼龙等。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。

下图为用FDM工艺方法加工的模型：

几种常见RP特点比较： SLA 大截面较慢 小截面较慢 LOM 大截面较快 小截面较快 SLS 大截面较慢 小截面较快 FDM 大截面较慢 简单 几乎无费料 高 较复杂 较高 较复杂 低 成形速度 小截面较快 较复杂 较高 制件后处理 材料利用率

5、熔融挤压工艺原理

熔融挤出成型(FDM)工艺的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、PC、尼龙等，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，材料迅速固化，并与周围的材料粘结。每一个层片都是在上一层上堆积而成，上一层对 当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当 形状发生较大的变化时，上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用，这就需要设 计一些辅助结构－“支撑”，对后续层提供定位和支撑，以保证成形过程的顺利实现。

图7－1 熔融挤压工艺原理

6、打印模型

准备打印应包括如下几个步骤：

1． 启动软件，载入三维模型（如果模型已经处理成二维模型，则可省略本步骤）。 将模型用“变形”，“自动排放”等命令放置到合适的位置。（三维图形和二维图 形窗口显示了三维打印机/快速成型系统的工作台面）。用户应根据需要放置到 合理的位置。

2． 分层处理，根据三维打印机/快速成型系统安装的喷头大小和实际需要，选择合 适的参数集，对三维模型进行分层处理，并保存为CLI 文件。

3． 载入 CLI 模型，如成型位置有变动，则可以在二维图形窗口内将其移动到适宜 的位置。注意：打印模型将输出所有已载入的二维模型，并非选中的

层片模型。

4． 打开三维打印机/快速成型系统的电源。如果刚开机，则需要对系统进行初始化， 选择命令“文件>三维打印机>初始化”。 如果系统刚完成前一个模型，或者刚 修复好错误，则需要恢复就绪状态，选择命令“文件>三维打印机>恢复就绪状 态”

5． 如有必要，可以先打开温控系统，温控系统可以通过系统面板或本软件的调试 对话框打开，减少等待系统升温的时间。

打开三维打印机/快速成型系统，进行完打印准备工作后，即可开始打印。打印分为以下 步骤。

1． 调整并测量高度。升高工作台到靠近喷头的高度。注意，升高工作台时应小心注意， 防止工作台升高过快，撞击喷头，发生意外。为保证高度测量准确，可以先将喷头 移动到成型位置附近。

2． 工作台一般要升高到距离喷头 1~5 毫米的高度，然后测量工作台到喷头距离，记录 下来。

3． 开始打印，选择命令“文件>三维打印>打印模型”，系统弹出“三维打印”对话框， 用户可以选择要输出的层数，即“层片范围”中的开始层和结束层，系统默认从第 一层到最后一层。其他参数为预留选项，暂时没有使用。

4． 然后系统弹出工作台高度对话框，输入前面测量的工作台到喷头距离。

5． 系统自动开始打印。