快速成形技术.pptx

第十二章 快速成形技术特点：可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件。产品设计进行快速评估、修改及功能试验，大大缩短了产品的研制周期。快速工装模具制造、快速精铸技术则可实现零件的快速制造。增材加工法 综合了机械工程、CAD、数控技术、激光技术和材料科学技术。第十二章 快速成形技术代表性的工艺和种类：20多种，众多的快速成形工艺中，具有代表性的工艺是：光敏树脂液相固化成形 选择性粉末烧结成形 薄片分层叠加成形 熔丝堆积成形 等4种。第十二章 快速成形技术 第一节光敏树脂液相固化成形 第二节 选择性激光粉末烧结成形 第三节 薄片分层叠加成形第四节 熔丝堆积成形 第一节光敏树脂液相固化成形 光敏树脂液相固化成形(SLStereolithography)又称光固化立体造型或立体光刻。产生和发展：由Charles Hul发明并于1984年获美国专利。1988年美国3D系统公司推出商品化的世界上第一台快速原型成形机。SL方法是目前RP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。目前，SLA系列成形机占据着RP设备市场较大的份额。第一节光敏树脂液相固化成形 光敏树脂液相固化成形SL工艺原理 SL工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。液态材料在一定波长(=325nm)和功率(P=30mW)的紫外激光的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。加工：零件分层(层高约0.1mm)分层固化整个零件固化完三维实体原型 分层固化：液态光敏树脂激光束扫描液体固化（逐点扫描逐点固化）一层液态树脂固化完下一层液态树脂逐点扫描逐点固化固化完第一节光敏树脂液相固化成形 第一节光敏树脂液相固化成形 特点和成形材料 特点：精度较高、表面质量好 精度能达到或小于0.1mm 原材料利用率将近100 能制造形状特别复杂(如空心零件)、特别精细(如 首饰、工艺品等)的零件 制作出来的原型件，可快速翻制各种模具。第一节光敏树脂液相固化成形 成形材料：SL工艺的成形材料称为光固化树脂(或称光敏树脂)主要包括：齐聚物 反应性稀释剂 光引发剂 根据引发剂的引发机理，光固化树脂可以分为三类：自由基光固化树脂 阳离子光固化树脂 混杂型光固化树脂 第一节光敏树脂液相固化成形SL光敏树脂液相固化成形设备和应用 设备组成：Z轴升降工作台 X、Y工作台 光学系统 控制系统 光敏树脂 华中科技大学清华大学西安交通大学第一节光敏树脂液相固化成形第一节光敏树脂液相固化成形第一节光敏树脂液相固化成形应用：直接制作各种树脂功能件，用作结构验证和功能测试；可制作比较精细和复杂的零件；可制造出有透明效果的制件；制作出来的原型件可快速翻制各种模具。硅橡胶模、金属冷喷模、陶瓷模、合金模、电铸模、环氧树 脂模和气化模。第二节 选择性激光粉末烧结成形选择性激光粉末烧结成形(SLSSelected Laser Sintering)工艺又称为选区激光烧结。产生和发展：1989年由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的CRDechard研制成 功。已被美国DTM公司商品化。选择性激光粉末烧结成形SLS工艺原理 SLS工艺是利用粉末材料(金属粉末或非金属粉末)在激光照射下烧 结的原理，在计算机控制下层层堆积成形。第二节 选择性激光粉末烧结成形 在工作台上均匀铺上一层很薄(0.10.2mm)的粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结完后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理便获得零件。C02激光器 第二节 选择性激光粉末烧结成形 特点和成形材料 SLS工艺的特点 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。SLS工艺无需加支撑。没有被烧结的粉末起到了支撑的作用。可以烧结制造空心、多层 缕空的复杂零件。SLS烧结成形用的材料 蜡粉及高分子塑料粉 金属或陶瓷粉进行粘接或烧结 任何受热粘结的粉末都有被用作SLS原材料的可能性，原则上包括了塑料、陶瓷、金属粉末及它们的复合粉。第二节 选择性激光粉末烧结成形第二节 选择性激光粉末烧结成形金属粉末制取的主要两种雾化方式：离心雾化法 气体雾化法 雾化方法的原理：使金属熔融，高速将金属液滴甩出并急冷，随后形成粉末颗粒。为了提高原型的强度，用于SLS工艺材料的研究转向金属和陶瓷，这正是SLS工艺优越于SL、LOM工艺之处。SLS工艺还可以采用其他粉末，比如聚碳酸酯粉末，当烧结环境温度控制在聚碳酸酯软化点附近时，其线胀系数较小，进行激光烧结后，被烧结的聚碳酸酯材料翘曲较小，具有很好的工艺性能。第二节 选择性激光粉末烧结成形SLS选择性激光粉末烧结成形设备和应用设备 组成：机械结构 机架、工作平台、铺粉机构、两个活塞缸、集料箱、加热灯 和通风除尘装置。光路系统 激光器、反射镜、扩束聚焦系统、扫描器、光束合成器、指 示光源。控制系统 HRPS型系列激光粉末烧结系统：华中科技大学 AFS一300型激光快速成形机：清华大学第二节 选择性激光粉末烧结成形第二节 选择性激光粉末烧结成形第二节 选择性激光粉末烧结成形第二节 选择性激光粉末烧结成形应用：直接制作各种高分子粉末材料的功能件，用作结构验证和功能 测试，并可用于装配样机。制件可直接作精密铸造用的蜡模和砂型、型芯，制作出来的原型 件可快速翻制各种模具。硅橡胶模、金属冷喷模、陶瓷模、合金模、电铸模、环氧树脂 模和气化模等。第三节 薄片分层叠加成形 薄片分层叠加成形(LOMLaminated Object Manufacturing)工艺又称叠层实体制造分层实体制造纸片叠层法（因为常用纸作原料）产生和发展：1986年由美国Helisys公司研制成功，并推出商品化的机器薄片分层叠加成形LOM工艺原理 LOM工艺采用薄片材料（如纸、塑料薄膜等）作为成形材料，片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，用CO2激光器(或刀)在计算机控制下按照CAD分层模型轨迹切割片材，然后通过热压辊热压，使当前层与下面已成形的工件层粘接，从而堆积成型。第三节 薄片分层叠加成形 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，工作台带动已成形的工件下降，与带状片材(料带)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切割、粘接完，得到三维的实体零件。第三节 薄片分层叠加成形 特点和成形材料 特点：易于制造大型、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。零件的精度较高(015mm)。无需加支撑。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。成形材料纸张较便宜，运行成本和设备投资较低。第三节 薄片分层叠加成形 成形材料：成卷的纸（常用）纸的一面事先涂覆一层热熔胶。1)对纸材的要求是应具有：抗湿性 稳定性 涂胶浸润性 抗拉强度2)对热熔胶的要求：应保证层与层之间的粘结强度。常用EVA热熔胶：由EVA树脂、增粘剂、蜡类和抗氧剂等组成。塑料薄膜作为成形材料（偶尔）。第三节 薄片分层叠加成形LOM分层叠加成形设备和应用设备组成：激光系统走纸机构X、Y扫描机构Z轴升降机构加热辊 等组成。应用：制作汽车发动机曲轴、连杆、各类箱体、盖板等零部件的原形样件。第三节 薄片分层叠加成形 第四节 熔丝堆积成形 熔丝堆积成形(FDMFused Deposition Modeling)工艺由美国学者DrScott Crump于1988年研制成功，并由美国Stratasys公司推出商品化的机器。熔丝堆积成形FDM工艺原理 FDM工艺是利用热塑性材料的热熔性、粘结性，在计算机控制下层层 堆积成型。第四节 熔丝堆积成形 材料先抽成丝状，通过送丝机构送进喷头，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，层层堆积成型。第四节 熔丝堆积成形特点和成形材料 特点：使用、维护简单，成本较低。用蜡成形的零件原型，可以直接用于失蜡铸造。用ABS工程塑料制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测 试与评估等方面得到广泛应用。成形材料：成形材料 支撑材料 成形材料是FDM工艺的基础，FDM工艺中使用的材料除成形材料 外还有支撑材料。第四节 熔丝堆积成形成形材料常用ABS工程塑料丝作为成形材料。要求：熔融温度低(80-120)粘度低粘结性好收缩率小。1)粘度：影响材料挤出过程的主要因素是粘度。材料的粘度低、流动性好，阻力就小，有助于材料顺利的挤出。2)流动性：材料的流动性差，需要很大的送丝压力才能挤出，会增加喷头的启停响应时间，从而影响成形精度。第四节 熔丝堆积成形3)熔融温度：熔融温度低对FDM工艺的好处是多方面的。熔融温度低可以使材料在较低的温度下挤出，有利于提高喷头和整个机械系统的寿命；可以减少材料在挤出前后的温差，减少热应力，从而提高原型的精度。4)粘结性：粘结性主要影响零件的强度。FDM工艺是基于分层制造的一种工艺，层与层之间往往是零件强度最薄弱的地方，粘结性好坏决定了零件成型以后的强度。粘结性过低，有时在成形过程中由于热应力就会造成层与层之间的开裂。5)收缩率：收缩率在很多方面影响零件的成形精度。支撑材料 支撑材料是加工中采取的辅助手段，在加工完毕后必须去除，所以支撑材料 与成形材料的亲和性不能太好。第四节 熔丝堆积成形FDM熔丝堆积成形设备和应用 设备组成 应用 用于成形具有很复杂的内腔、孔等零件。几种常用的RP快速成形工艺优缺点比较