快速成型技术概述.ppt

第五章 快速成型技术 快速成型（快速原型）制造技术（RP&M）就是借助计算机、激光、精密传动和数控等现代手段，将计算机辅助设计（CAD)和计算机辅助制造(CAM）集成于一体，根据在计算机上构造的三维模型，能在很短时间内直接制造产品样品，无须传统的机械加工机床和模具。一、快速成型技术的早期发展 在1892年，Blanther在他的美国专利中曾建议用叠层的方法来制作地图模型。1940年，Perera提出相似的方法，即沿轮廓线切割硬纸板，然后堆叠，使这些纸板形成三维地貌图。1964年，Zang进一步细化了该方法，建议用透明的纸板，每一块均带有详细的地貌形态标记。1972年，Matsubara使用光固化材料，光线有选择地投射或扫射到这个板层，将规定的部分硬化，没有扫描或没有一硬化的部分被某种溶剂溶化。一、快速成型技术的早期发展1976年，DiMatteo在具体实践中，通过铣床加工成形沿高度标识的金属层片，然后粘接成叠层状，采用螺栓和带锥度的销钉一进行连接加固，制作了型腔模。1979年，日本东京大学Nakagawa教授开始用薄板技术制造出实体的模具，如落料模、成型模和注射模等。1981年Hideo Kodama首先提出了一套功能感光聚合物快速成型系统。二、快速成型技术的分类及优越性 RP&M技术按照所使用的材料不同和零件的建造技术不同可分为多种工艺，其中包括：光固化技术光固化技术（SLA）选择性激光烧结技术选择性激光烧结技术（SLS）层状物体制造技术层状物体制造技术（LOM）熔融沉积制造技术熔融沉积制造技术（FDM）二、快速成型技术的分类及优越性采用快速成型技术之后，可以及早地、充分地进行评价、测试及反复修改，并且能对制造工艺过程及其所需的工具、模具和夹具的设计进行校核，甚至用相应的快速模具制造方法做出模具，可以大大减少失误和不必要的返工，具体而言，以下几方面都能受益。（1）设计者受益）设计者受益（2）制造者受益）制造者受益（3）推销者受益）推销者受益（4）用户受益）用户受益 三、光固化成型工艺 1、光固化成型基本原理、光固化成型基本原理：液槽中盛满液态光敏树脂，氦一镉激光器或氩离子激光器发出的紫外激光束在控制系统的控制下按零件的各分层截面信息在光敏树脂表面进行逐点扫描，被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。一层固化完毕后，工作台下移一个层厚的距离，以使在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，然后刮板将粘度较人的树脂液面刮平，进行下层的扫描加工,新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复直至整个零件制造完毕，得到一个三维实体原型。当实体原型完成后，首先将实体取出，并将多余的树脂排净。三、光固化成型工艺2、光固化成型技术的特点、光固化成型技术的特点光固化成型技术制作的原型可以达到机磨加工的表面效果，是一种被大量实践证明的极为有效的高精度快速加工技术，其具体优点如下：(1)成型过程自动化程度高。(2)尺寸精度高。(3)表面质量优良。(4)可以制作结构十分复杂的模型。(5)可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失型。三、光固化成型工艺和其他几种快速成型方法相比，该方一法也存在着许多缺点。主要有：(1)成型过程中伴随着物理和化学变化，所以制件较易弯曲，需要支撑，否则会引起制件变形。(2)设备运转及维护成本较高。(3)可使用的材料种类较少。目前可用的材料主要为感光性液态树脂材料。(4)液态树脂具有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止提前发生聚合反应。(5)需要二次固化。(6)液态树脂固化后的性能尚不如常用的工业塑料，一般较脆、易断裂，不便进行机加工。四、叠层实体制造工艺 1、叠层实体制造工艺的基本原理、叠层实体制造工艺的基本原理 四、叠层实体制造工艺2.叠层实体制造技术的特点叠层实体制造技术的特点其主要特点如下：(1)原型精度高。(2)制件能承受高达200 的温度，有较高的硬度和较好的力学性能，可进行各种切削加工。(3)无须后固化处理。(4)无须设计和制作支撑结构。(5)废料易剥离。(6)可制作尺寸大的制件。(7)原材料价格便宜，原型制作成本低。四、叠层实体制造工艺 (8)设备采用了高质量的元器件，有完善的安全、保护装置，因而能长时间连续运行，可靠性高，寿命长。(9)操作方便。但是，LOM 成型技术也有不足之处：(1)不能直接制作塑料上件。(2)工件（特别是薄壁件）的抗拉强度和弹性不够好。(3)工件易吸湿膨胀，因此，成型后应尽快进行表面防潮处理。(4)工件表面有台阶纹，其高度等于材料的厚度（通常为0.lmm 左右）,因此，成型后需进行表面打磨。四、叠层实体制造工艺3.叠层实体制造工艺过程叠层实体制造工艺过程 (1)叠层实体制造工艺的前处理过程 (2)叠层实体制造工艺的分层叠加过程 (3)叠层实体制造工艺的后处理过程 4.叠层实体原型制作误差分析叠层实体原型制作误差分析 (1)CAD 模型前处理造成的误差 (2)设备精度误差 (3)成型过程中的误差 (4)成型之后环境变化引起的误差 (5)工件后处理不当造成的误差 四、叠层实体制造工艺5.叠层实体制造工艺后置处理中的表面涂覆叠层实体制造工艺后置处理中的表面涂覆LOM 原型经过余料去除后，为了提高原型的性能和便于表面打磨，经常需要对原型进行表面涂覆处理，表面涂覆的好处有：(1)提高强度。(2)提高耐热性。(3)改进抗湿性。(4)延长原型的寿命。(5)易于表面打磨等处理。(6)经涂覆处理后，原型可更好地用于装配和功能检 验。四、叠层实体制造工艺表面涂覆的具体工艺过程如下：(1)将剥离后的原型表面用砂纸轻轻打一磨。(2)按规定比例配制环氧树脂，并混合均匀。(3)在原型上涂刷一薄层混合后的材料，因材料的粘度较低，材料会很容易浸入纸基的原型中。(4)再次涂覆同样配合比的环氧树脂材料以填充表面的沟痕并长时间固化。(5)对表面已经涂覆了坚硬的环氧树脂材料的原型再次用砂纸进行打磨，打磨之前和打磨过程中应注意测量原型的尺一寸，以确保原型尺寸在要求的公差范围之内。(6)对原型表面进行抛光，喷涂，以增加表面的外观效果，五、熔融沉积快速成型工艺 1.熔融沉积工艺的基本原理熔融沉积工艺的基本原理五、熔融沉积快速成型工艺熔融沉积又叫熔丝沉积，它是将丝状的热熔性材料加热熔化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。喷头可沿着X 轴方向移动，而工作台则沿Y轴方向移动。如果热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而成型部分的温度稍低于固化温度，就能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体造型。喷头的前端有电阻丝式加热器，在其作用下，丝材被加热熔融，然后通过出口，涂覆至工作台上，并在冷却后形成界面轮廓。五、熔融沉积快速成型工艺2.熔融沉积工艺的特点熔融沉积工艺的特点 熔融沉积快速成型工艺之所以被广泛应用，是因为它具有其他成型方法所不具有的许多优点。具体如下：(1)由于采用了热融挤压头的专利技术，使整个系统构造原理和操作简单，维护成本低，系统运行安全。(2)成型速度快。(3)用蜡成型的零件原型，可以直接用于熔模铸造。(4)可以成型任意复杂程度的零件。(5)原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小。(6)原材料利用率高，且材料寿命长。(7)支撑去除简单，无需化学清洗，分离容易。五、熔融沉积快速成型工艺当然，FDM 成型工艺与其他快速成型工艺相比，也存在着许多缺点，主要如下：(1)成型件的表面有较明显的条纹。(2)沿成型轴垂直方向的强度比较弱。(3)需要设计与制作支撑结构。(4)需要对整个截面进行扫描涂覆，成型时间较长。(5)原材料价格昂贵。五、熔融沉积快速成型工艺3.熔融沉积成型材料熔融沉积成型材料FDM 技术的关键在于热融喷头，喷头温度的控制要求使材料挤出时既保持一定的形状又有良好的粘结性能。除了热熔喷头以外，成型材料的相关特性也是FDM 工艺应用过程中的关键。(1)材料的粘度。(2)材料熔融温度。(3)粘结性。(4)收缩率。五、熔融沉积快速成型工艺FDM 工艺对支撑材料的要求是能够承受一定的高温、与成型材料不浸润、具有水溶性或者酸溶性、具有较低的熔融温度、流动性要特别好等，具体说明如下：(1)能承受一定高温。(2)与成型材料不浸润，便于后处理。(3)具有水溶性或者酸溶性。(4)具有较低的熔融温度。(5)流动性要好。六、选择性激光烧结工艺1.选择性激光烧结工艺的基本原理选择性激光烧结工艺的基本原理 采用铺粉辊将一层粉末材料平铺在己成形零件的上表面。加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉层上扫描，使粉末的温度升至熔化点，进行烧结并与下面已成形的部分实现粘接。当一层截面烧结完后，工作台下降一个层的厚度，铺料辊又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的烧结，直至完成整个模型。在成型过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂部分起着支撑作用。六、选择性激光烧结工艺六、选择性激光烧结工艺2.选择性激光烧结工艺的特点选择性激光烧结工艺的特点选择性激光烧结工艺和其他快速成型工艺相比，其最大的独特性是能够直接制作金属制品，同时该工艺还具有如下一些优点：(1)可采用多种材料。(2)制造工艺比较简单。(3)高精度。(4)材料利用率高，价格便宜，成本低。(5)无需支撑结构。六、选择性激光烧结工艺3.选择性激光烧结工艺的成型材料选择性激光烧结工艺的成型材料 SLS 工艺材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、石蜡等材料的零件，特别是可以直接制造金属零件，这使SLS 工艺颇具吸引力。用于SLS 工艺的材料是各类粉末，包括金属、陶瓷、石蜡以及聚合物的粉末。如尼龙粉、覆裹尼龙的玻璃粉、聚碳酸脂粉、聚酞胺粉、蜡粉、金属粉（成型后常须进行再烧结及渗铜处理）、覆裹热凝树脂的细沙、覆蜡陶瓷粉和复蜡金属粉等。近年来更多的采用复合材料。本章小结RP 这一制造业中具有重要意义的制造模式从产生到现在，发展十分迅速。与过去相比，RP 在成型工艺、RP 软件、设备尺寸、成型材料、工程应用等方面都有了很大的发展和提高。这些发展和变化对RP 的未来具有重要影响。