快速成型技術(shù).doc

1、快速成型 編輯 使用快速成型技術(shù)生成的精致模型 使用快速成型技術(shù)，不借助于模具而生成一個(gè)球體。 加工過程為 30 分鐘，本視頻精簡為 4 分鐘快速成型或快速成形英語：Rapid prototyping , RP是一種快速生成模型或者零件的制造技術(shù)。在電腦控制與管理下，依靠已有的 CAD 數(shù)據(jù)，采用材料精確堆積的方式，即由點(diǎn)堆 積成面，由面堆積成三維，最終生成實(shí)體1。依靠此技術(shù)可以生成非常復(fù)雜的實(shí)體，而且成型的過程中無需模具的輔助 2。目錄 隱藏 1 開展歷史2 技術(shù)原理2.1 工藝過程2.2 工藝技術(shù)2.2.1 光固化立體造型 SLA2.2.2 層片疊加制造 LOM2.2.3 選擇性激光燒結(jié)

2、SLS2.2.4 熔融沉積造型 FDM2.2.5 三維印刷工藝三維 P2.3 工藝與材料3 特點(diǎn)4 應(yīng)用5 參見6 相關(guān)文獻(xiàn)7 參考資料開展歷史 編輯 對(duì)于快速成型技術(shù)的研究始于 1970 年代，但是直到 1980年代末才逐漸出現(xiàn)了成熟的制造設(shè) 備3。美國3M公司的Alan J.Herbert 1982年、日本名古屋市工業(yè)研究所的小玉秀男1980年、美國UVP公司的Charles W. Hull 1984年、日本大阪工業(yè)技術(shù)研究所的丸谷洋二1984年，各自獨(dú)立地提出了快速成型的技術(shù)設(shè)想，實(shí)現(xiàn)的材料和方式有差異，但均以多層疊加 并固化來產(chǎn)生實(shí)體。在 1986 年， Charles W. Hull

3、 在美國獲得了光固化立體造型設(shè)備SLA的專利，標(biāo)志著快速成型技術(shù)即開始進(jìn)入實(shí)用階段 4，在設(shè)計(jì)領(lǐng)域及汽車工業(yè)上有廣泛應(yīng) 用。技術(shù)原理 編輯 快速成型過程示意圖使用SLA工藝1在電腦中創(chuàng)立的實(shí)體造型2實(shí)體造型中的一層 3.通過聚合反響生成的一層實(shí)體 4.平臺(tái) 5. 激光器快速成型設(shè)備開始生成模型圖中灰色局部 模型逐漸增厚模型完成 一個(gè)完成的模型 盡管快速成型有多種不同工藝技術(shù)， 但根本原理都和三維打印相同， 即將一定厚度的材料反 復(fù)打印在平臺(tái)上， 循環(huán)往復(fù)， 直到生成整個(gè)成型件。 按照不同的實(shí)現(xiàn)工藝， 材料可以是紙張、 塑料、金屬、陶瓷等各種材料。一個(gè)淺顯的事例為，盡管紙張看似是二維的，但是由于

4、具有 一定厚度，將紙張一層層疊加起來，就能組成三維實(shí)體。工藝過程 編輯 首先利用三維造型軟件創(chuàng)立三維實(shí)體造型， 再將設(shè)計(jì)出的實(shí)體造型通過快速成型設(shè)備的處理 軟件進(jìn)行離散與分層， 然后將處理過的數(shù)據(jù)輸入設(shè)備進(jìn)行制造， 最后還需要進(jìn)行一定的后處 理以得到最終的成品 5 。實(shí)體造型的構(gòu)建：使用快速成型技術(shù)的前提是擁有相應(yīng)模型的 CAD 數(shù)據(jù)，這可以利用電腦 輔助設(shè)計(jì)軟件如 Pro/E、SolidWorks 、Unigraphics、 AutoCAD 等創(chuàng)立，或者通過其他方式如激 光掃描、 電腦斷層掃描，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，也得創(chuàng)立相應(yīng)的三維實(shí)體造型。實(shí)體造型的離散處理： 由于實(shí)體造型往往有一些不規(guī)那么的

5、自由曲面， 加工前要對(duì)模型進(jìn)行近 似處理， 比方曲線是無法完全實(shí)現(xiàn)的， 實(shí)際制造時(shí)需要近似為極細(xì)小的直線段來模擬， 以方 便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作。由于STL格式文件格式簡單實(shí)用，目前已經(jīng)成為快速成型領(lǐng)域的最 常用的文件標(biāo)準(zhǔn)， 用以和設(shè)備進(jìn)行對(duì)接。 它將復(fù)雜的模型用一系列的微小三角形平面來近似 模擬，每個(gè)小三角形用 3 個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)和一個(gè)法矢量來描述，三角形的大小的選擇那么決定了 這種模擬的精度。實(shí)體造型的分層處理： 需要依據(jù)被加工模型的特征選擇適宜的加工方向， 比方應(yīng)當(dāng)將較大面 積的局部放在下方。 隨后成型高度方向上用一系列固定間隔的平面切割被離散過的模型，以便提取截面的輪廓信息。 間隔可以小至亞

6、毫米級(jí)， 間隔越小， 成型精度越高，但成型時(shí)間也 越長。成型加工：根據(jù)切片處理的截面輪廓，在電腦控制下，相應(yīng)的成型頭根據(jù)設(shè)備的不同，分 別為激光頭或噴頭等進(jìn)行掃描，在工作臺(tái)上一層一層地堆積材料，然后將各層粘結(jié)根據(jù) 工藝不同，有各自的物理或者化學(xué)過程 ，最終得到原型產(chǎn)品。成型零件的后處理： 對(duì)于實(shí)體中上大下小的局部， 一般會(huì)設(shè)計(jì)多余的局部去支撐， 把這些廢 料去除是必須的。另外還可能需要進(jìn)行打磨、 拋光、涂上油漆，或在高溫爐中燒結(jié)以提高強(qiáng) 度。工藝技術(shù) 編輯 目前已有十余種不同方法，如光固化立體造型SLA、層片疊加制造LOM、選擇性激光燒結(jié)SLS、熔融沉積造型FDM、掩模固化法SGC、三維印刷法

7、三維P、噴粒法BPM 等。其中SLA是使用最早和最廣泛的技術(shù)，約占全部快速成型設(shè)備的70%左右4。光固化立體造型 SLA 編輯自 1984 年的第一臺(tái)快速成形設(shè)備即采用了光固化立體造型的工藝， 現(xiàn)在的快速成型設(shè)備中， 以SLA的研究最為深入，運(yùn)用也最為廣泛。該技術(shù)以光敏樹脂的聚合反響為根底。在電腦控制下的紫外激光，沿著零件各分層截面輪廓，由點(diǎn)逐漸形成線， 最終形成對(duì)液態(tài)樹脂進(jìn)行逐點(diǎn)掃描， 使被掃描的樹脂薄層產(chǎn)生聚合反響，零件的一個(gè)薄層的固化截面， 而未被掃描到的樹脂保持原來的液態(tài)。 當(dāng)一層固化完畢， 升降 工作臺(tái)移動(dòng)一個(gè)層片厚度的距離，在上一層已經(jīng)固化的樹脂外表再覆蓋一層新的液態(tài)樹脂， 用以進(jìn)

8、行再一次的掃描固化。 新固化的一層牢固地粘合在前一層上， 如此循環(huán)往復(fù)， 直到整 個(gè)零件原型制造完畢。這種方法的特點(diǎn)是有較高的精度和較好的外表質(zhì)量， 能制造形狀特別復(fù)雜 如空心零件 和 特別精細(xì)如工藝品、首飾等的零件。層片疊加制造LOM編輯層片疊加制造工藝是將單面涂有熱溶膠 在被加熱狀態(tài)下可產(chǎn)生粘性 的箔材紙、 陶瓷箔、 金屬箔等通過熱輥加熱粘接在一起，位于上方的激光器按照CAD 分層模型所獲數(shù)據(jù)，用激光束將箔材切割成所制零件的內(nèi)外輪廓， 然后新的一層箔材再疊加在上面， 通過熱壓裝置 和下面已切割層粘合在一起， 激光束再次切割， 在每一層進(jìn)行切割和粘合的過程， 直至整個(gè) 零件模型制作完成。選擇

9、性激光燒結(jié) SLS 編輯 這種工藝也是以激光器為能量源，通過紅外激光束使塑料、蠟、陶瓷、金屬或其復(fù)合物的粉 末均勻地?zé)Y(jié)在加工平面上。在工作臺(tái)上均勻鋪上一層很薄亞毫米級(jí)的粉未作為原料， 激光束在電腦的控制下， 通過掃描器以一定的速度和能量密度按分層面的二維數(shù)據(jù)掃描。 經(jīng) 過激光束掃描后， 相應(yīng)位置的粉末就燒結(jié)成一定厚度的實(shí)體片層， 未掃描的地方仍然保持松 散的粉末狀。 這一層掃描完畢， 隨后需要對(duì)下一層進(jìn)行掃描。 先根據(jù)物體截層厚度而升降工 作臺(tái)，鋪粉滾筒再次將粉末鋪平， 可以開始新一層的掃描。 如此反復(fù)， 直至掃描完所有層面。 去掉多余粉末，并經(jīng)過打磨、烘干等適當(dāng)?shù)暮筇幚?，即可獲得零件。目前

10、應(yīng)用此工藝時(shí)，以 蠟粉末及塑料粉末作為原料較多，而用金屬粉或陶瓷粉進(jìn)行粘接或燒結(jié)的工藝尚未獲得實(shí) 用。熔融沉積造型 FDM 編輯1993 年美國 Stratasys 公司開發(fā)出了第一臺(tái)基于熔融沉積造型的設(shè)備。將CAD 模型分為一層層極薄的截面， 生成控制 FDM 噴嘴移動(dòng)軌跡的二維幾何信息。 FDM 加熱頭把熱熔性材料 ABS 樹脂、尼龍、蠟等加熱到臨界狀態(tài)，呈現(xiàn)半流體性質(zhì)，在電腦控制下，沿CAD 確定的二維幾何信息運(yùn)動(dòng)軌跡， 噴頭將半流動(dòng)狀態(tài)的材料擠壓出來， 凝固形成輪廓形狀的薄層。 當(dāng)一 層完畢后， 通過垂直升降系統(tǒng)降下新形成層， 進(jìn)行固化。 這樣層層堆積粘結(jié)，自下而上形成 一個(gè)零件的三維

11、實(shí)體。FDM 工藝的關(guān)鍵是保持材料的半流動(dòng)性。這些材料并沒有固定的熔點(diǎn)，需要精確控制其溫 度。三維印刷工藝三維 P 編輯 采用三維P技術(shù)的RepRap以聚乳酸為原料生成一個(gè)雙曲面三維印刷工藝，也稱為三維打印。1989年，美國麻省理工學(xué)院的 Emanuel M. Sachs和John S. Haggerty等在美國申請(qǐng)了三維印刷技術(shù)的專利，之后Emanuel M. Sachs和John S. Haggerty又屢次對(duì)該技術(shù)進(jìn)行完善，形成了今天的三維印刷快速成型工藝。通過這個(gè)工藝，在每一層粘結(jié)完畢后，成型缸下降一個(gè)距離等于層厚 ，供粉缸上升一段高度，推出多余粉末， 并被鋪粉輥推到成型缸， 鋪平并被

12、壓實(shí)。 噴頭在電腦控制下， 按照下一個(gè)截面的二維幾何信 息進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，有選擇地噴射粘結(jié)劑， 最終構(gòu)成層面。原理和打印機(jī)非常相似，即為三維打印 這一名稱的由來。 鋪粉輥鋪粉時(shí)多余的粉末被粉末收集裝置收集。 如此周而復(fù)始地送粉、 鋪 粉和噴射粘結(jié)劑，最終完成一個(gè)三維粉體的粘結(jié)，從而生產(chǎn)制品。三維P工藝與SLS工藝都是將粉末材料選擇性地粘結(jié)成為一個(gè)整體。其最大的不同之處在于三維 P工藝不用將粉末材料熔融，而是通過噴嘴本身會(huì)噴出粘合劑，將這些材料粘合在一起。工藝與材料 編輯 材料的不同， 是不同快速成型工藝間最大的區(qū)別之一。 材料工藝過程間有很強(qiáng)的聯(lián)系。 對(duì)于 LOM 工藝，其所選擇的材料應(yīng)該是在一定條

13、件下能夠互相展合的薄層材料，比方說涂有熱 熔膠的紙、陶瓷、塑料等。而 SLS所選材料的范圍非常廣泛，材料根本只要滿足能在激光作 用下進(jìn)行粘結(jié)的條件， 這種材料的粉末就可作為原料。 常用原料高分子粉末 具有熱塑性 、 鑄造用蠟?zāi)┓?、金屬粉末以及外表涂有熱熔膠的陶瓷粉末等。三維P適用的材料和 SLS基本相同。SLA選擇的材料和其它工藝都有所不同，大局部工藝的材料均只有物理變化，而SLA那么需要化學(xué)反響，因此SLA需要選擇對(duì)激光有較快的吸收和響應(yīng)速度，以此來保證固化速度。同時(shí)為了保證本錢的質(zhì)量，也有固化時(shí)收縮小等要求 6。工藝 材料三維印刷工藝三維Printing，三維P 塑料等Contour Cr

14、afting ， CC 混凝土Electron Beam Melting ， EBM 金屬熔融沉積造型Fused Deposition Modeling， FDMABS樹脂、聚碳酸酯層片疊加制造 Laminated Object Modelling ， LOM紙、塑料、 陶瓷、 鋁需要借助于熱熔膠Laser Engineered Net Shaping， LENS 金屬Laser Claddi ng 金屬M(fèi)ulti Jet Modeling ， MJM 熱塑性塑料等Polyamidguss 聚酰胺Selective Laser Melting ， SLM 金屬，塑料，陶瓷選擇性激光燒結(jié) Sel

15、ected Laser Sintering， SLS熱塑性塑料，金屬，陶瓷Space Puzzle Molding， SPM 塑料光固化立體造型 Stereolithography ， SLA液態(tài)熱固性聚合物，彈性體 ElastomerStreifenlichtscanning 各種材料特點(diǎn) 編輯可生成高復(fù)雜度的產(chǎn)品。 產(chǎn)品制造過程幾乎與零件的復(fù)雜程度無關(guān)， 相比傳統(tǒng)制造方式 如 鑄造，使用快速成型技術(shù)可以制作出外形極為復(fù)雜的產(chǎn)品，對(duì)于傳統(tǒng)工藝來說，一些特殊 的形狀無法完成 78 。便于修改，生產(chǎn)迅速。整個(gè)生產(chǎn)過程數(shù)字化，與 CAD 模型具有直接的關(guān)聯(lián)，可隨時(shí)修改數(shù) 據(jù)后進(jìn)行制造，尤其適用于產(chǎn)

16、品設(shè)計(jì)階段的模型制造 8。固定的制造本錢。 傳統(tǒng)的模型制作往往先需要模具， 需要消耗大量時(shí)間， 且模具的制造本錢 往往較高?？焖俪尚图夹g(shù)的單個(gè)成品制作本錢往往高于使用模具進(jìn)行批量生產(chǎn)的平均本錢， 但是無需模具的一次性投資， 對(duì)于只需要小規(guī)模生產(chǎn)的情況 比方在新產(chǎn)品開發(fā)中的設(shè)計(jì)模 型，使用快速成型技術(shù)可以降低本錢 4 。固定的的生產(chǎn)效率。 使用快速成型技術(shù)生產(chǎn)任何產(chǎn)品均使用雷同的材料堆積方式， 對(duì)某一特 定的產(chǎn)品的生產(chǎn)而言可能不是最優(yōu)的方式。 比方，生產(chǎn)時(shí)間會(huì)隨著產(chǎn)品體積的增大而迅速增 加9。應(yīng)用 編輯快速成型技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用 2000 年 9 美國在自動(dòng)成型技術(shù)的研究和使用上處于領(lǐng)先地位，

17、一些著名的高校如麻省理工學(xué)院、 得克 薩斯大學(xué)從政府和企業(yè)獲得了大量經(jīng)費(fèi)用以研究，諸多企業(yè)也紛紛將設(shè)備投入商用。此外， 日本、德國、英國等國的高校和企業(yè)也在不斷研究新的成型技術(shù)?，F(xiàn)已有 2500 多套快速成 型機(jī)分布在世界各地的不同領(lǐng)域 8 ，其中尤其廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè) 9。電影?機(jī)械公敵?中的奧迪 RSQ轎車使用快速成型技術(shù)制造一條限量版項(xiàng)鏈，以參加了玻璃纖維的尼龍作為原材料。使用三維P工藝制作的渦輪縮小模型 快速成型技術(shù)的主要應(yīng)用可分為：新產(chǎn)品開發(fā)過程中的驗(yàn)證。設(shè)計(jì)師手中的CAD 模型，可以通過快速成型技術(shù)轉(zhuǎn)換成物理實(shí)物模型，方便對(duì)設(shè)計(jì)和功能進(jìn)行驗(yàn)證，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。如果用傳統(tǒng)方法，需要經(jīng)過繪圖、工 藝設(shè)計(jì)、模具制造等多個(gè)環(huán)節(jié)， 花費(fèi)較多的時(shí)間和較高的本錢。對(duì)于一些復(fù)雜的系統(tǒng)， 其可 制造性和可裝配性用快速成型技術(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)和設(shè)計(jì)，可以此類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造難度大大降 低。對(duì)于暫時(shí)難以確定生產(chǎn)工藝的復(fù)雜零件，可以先行用快速成型技術(shù)進(jìn)行試生產(chǎn) 商業(yè)交流。通過快速成型設(shè)備制造的成品， 可以在產(chǎn)品商品化的過程中作為產(chǎn)品向客戶提供， 或者進(jìn)行市場宣傳等。 快速成型技術(shù)已成為并行工程和敏捷制造的一種技術(shù)途徑， 使用快速 成型技術(shù)制造的一些樣品經(jīng)常在展覽會(huì)上出現(xiàn)。小批量零件和特殊復(fù)雜零件的直接生產(chǎn)