快速成形技术讲稿课件

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1、快速成形技术,快速成形技术是由CAD模型直接驱动，快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术，它是通过逐层增加材料来制造零件的。,快速成形技术特点,简易性 快速性 高度柔性 技术的高度集成性 应用领域广泛,采用离散/堆积成形原理，将三维制造简化为二维过程的叠加,由CAD模型直接驱动产品制造。避免传统方法中毛坯制造、工艺规划、工装夹具设计、机械加工等过程,无需专用夹具或工具即可完成制造过程,是计算机、数控、激光、新材料等技术的高度集成。实现材料的提取与制造过程一体化、设计与制造的一体化,不仅在制造业具有广泛的应用，在材料科学与工程、医学、文化艺术及建筑工程等领域也有广阔的应用前景,快速成形技术的基本

2、过程,CAD建模 分层 层面信息处理 层面加工与粘接 后处理,根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代码,清理零件表面，去除辅助支撑结构,由CAD软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体模型,将三维模型沿一定方向（通常为Z向）离散成一系列有序的二维层片（习惯称为分层）,成形机制造一系列层片并自动将它们联接起来，得到三维物理实体,立体光刻成形,立体光刻成形，又称立体印刷、光固化成形等。其是目前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。 一、工艺原理 立体光刻成形工艺是利用液态光敏树脂的 光聚合原理工作的。这种液态材料在一定 波长和功率的紫外光的照射下能迅速发生

3、 光聚合反应，分子量急剧增大，材料状态 从液体转变成固态。,立体光刻成形,立体光刻成形,二、成型材料 1对材料的基本要求 光敏树脂是立体光刻成形工艺的基材，其性能对成形零件的质量具有决定性影响。光敏树脂应具有如下性能： （1）粘度低 低粘度树脂有利于成形中树脂较快流平。 （2）固化速度快 树脂的固化速度直接影响成形的效率，从而影响到 经济效益。 （3）固化收缩小，光敏树脂在固化过程中，经过一个从液态向固态转变的变化过程，这种变化常会引起树脂的线性收缩和体积收缩，导致零件的变形、翘曲、开裂等，影响成形零件的精度。低收缩性树脂有利于成形出高精度零件。降低树脂的收缩量是光敏树脂材料研制过程中的主要目

4、标。 （4）一次固化程度高 这样可以减少后固化收缩，从而减少后固化变 形。 （5）湿态强度高 较高的湿态强度可以保证后固化过程不产生变形、膨胀及层间剥离。 （6）溶胀小 湿态成形件在液态树脂中的溶胀会造成零件尺寸偏大。 （7）毒性小 这有利于操作者的健康和不造成环境污染。,立体光刻成形,2、材料种类 应用于立体光刻工艺的液态光敏树脂，有光敏环氧树脂、光敏乙烯醚、光敏环氧丙烯酸酯、光敏丙烯树脂等几种。光敏树脂通常由两部分组成，即光引发剂和树脂，其中树脂由预聚物、反应性稀释剂及少量助剂组成。根据光引发剂的引发机理不同，光固化树脂可以分为三类：自由基光固化树脂、阳离子光固化树脂和混杂型光固化树脂。

5、（1）自由基光固化树脂 自由基预聚物主要有三类：环氧树脂丙烯酸酯(聚合快、最终产品强度高但脆性较大、产品易泛黄)、聚酯丙烯酸酯(流平好、固化好、性能可调节)和聚氨酯丙烯酸酯(可赋予产品柔顺性与耐磨性，但聚合速度减慢)。稀释剂包括多官能度单体与单官能度单体两类。此外，常规的添加剂还有：阻聚剂、UV稳定剂、消泡剂、流平剂、光敏剂、染料、天然色素、填充剂及惰性稀释剂等。其中的阻聚剂特别重要，因为它可以保证液态树脂在容器中具有较长的存放时间。,立体光刻成形,（2）阳离子光固化树脂 阳离子光固化树脂的主要成分为环氧化合物。用于SL工艺的阳离子型预聚物和活性稀释剂，通常为环氧树脂和乙烯基醚。环氧树脂是最常

6、用的阳离子型预聚物，其优点如下: 固化收缩小。预聚物环氧树脂的固化收缩率为23，而自由基光固化树脂的预聚物丙烯酸脂的固化收缩率为57。 产品精度高。 阳离子聚合物是活性聚合，在光熄灭后可继续引发聚合。 氧气对自由基聚合有阻聚作用，而对阳离子树脂则无影响。 粘度低。 生坯件强度高。 产品可以直接用于注塑模具。 （3）混杂型光固化树脂 与自由基光固化树脂和阳离子光固化树脂相比，混杂型光固化树脂有许多优点，目前的趋势是使用混杂型光固化树脂。其优点主要有： 环状聚合物进行阳离子开环聚合时，体积收缩很小甚至产生膨胀，而自由基体系总有明显的收缩，混杂体系可以设计成无收缩的聚合物。 当系统中有碱性杂质时，阳

7、离子聚合的诱导期较长，而自由基聚合的诱导期较短，混杂体系可以提供诱导期短而聚合速度稳定的聚合系统。 在光照消失后阳离子仍可引发聚合，故混杂体系能克服光照消失后自由基迅速失活而使聚合终结的缺点。,立体光刻成形,3材料的收缩变形 树脂在固化过程中的体收缩率通常约为10，线收缩率约为3。从分子学角度讲，光敏树脂的固化过程是从短的小分子体向长链大分子聚合体转变的过程，其分子结构发生很大变化，因此，固化过程中的收缩是必然的。 树脂的收缩主要由两部分组成，一部分是固化收缩；另外一部分是当激光扫描到液体树脂表面时，由于温度变化引起的热胀冷缩。常用树脂的热膨胀系数为10-4左右，同时，温度升高的区域面积很小，

8、因此温度变化引起的收缩量极小，可以忽略不计。光固化树脂在光固化过程所产生的体积收缩对零件精度（包括形状精度和尺寸精度）的影响是不可忽视的。从高分子物理学方面来解释，产生这种体积收缩的一个重要原因是，处于液体状态的小分子之间为范德华作用力距离，而固体态的聚合物，其结构单元之间处于共价键距离，共价键距离远小于范德华力的距离，所以液态预聚物固化变成固态聚合物时，必然会导致零件的体积收缩。由上所述，无论从高分子物理还是从高分子化学角度分析，树脂收缩都是由于聚合反应时分子结构的变化而引起的，是一个内部过程。,立体光刻成形,二、工艺特点 立体光刻成形技术具有如下优点： 成形过程自动化程度高，速度快。SL系

9、统非常稳定，加工开始后，成形过程可以完全自动化，直至原型制作完成。 尺寸精度高。SL原型件的尺寸精度可以达到或小于0.1mm。 优良的表面质量。虽然在每层固化时侧面及曲面可能出现台阶，但上表面仍可得到玻璃状的效果。 可以制作结构十分复杂、尺寸比较精细的模型。尤其是对于内部结构复杂、一般切削刀具难以进入的模型，能轻松地一次成形。,立体光刻成形,立体光刻成形技术存在如下问题： 成形过程中伴随着物理和化学变化，制件较易弯曲。需要专门设计和制造支撑，否则会引起制件变形。大多数树脂固化时会产生收缩，影响精度，并产生残余应力和变形。 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。工作温度通常

10、不能超过100 。若被湿气侵蚀，还会导致工件膨胀，抗化学腐蚀的能力也不够好。 设备运转及维护成本较高。由于液态树脂材料和激光器的价格较高，并且为了使光学元件处于理想的工作状态，需要进行定期的调整和严格的空间环境，维护费用也比较高。 使用的材料种类较少。目前可用的材料主要为感光性的液态树脂材料，并且在大多数情况下，不能进行抗力和热量的测试。 液态树脂有一定的气味和毒性，并且需要避光保护，以防止提前发生聚合反应。 在很多情况下，经快速成形系统光固化后的原型树脂并未完全被激光固化，为提高模型的使用性能和尺寸稳定性，通常需要二次固化。,选区激光烧结,SLS工艺是利用粉末状材料成形的。先在工作台上铺上一

11、层有很好密实度和平整度的粉末，用高强度的CO2激光器在上面扫描出零件截面，有选择地将粉末熔化或粘接，形成一个层面，利用滚子铺粉压实，再熔结或粘接成另一个层面并与原层面熔结或粘接，如此层层叠加为一个三维实体。,选区激光烧结,1、粉末原料的烧结 （1）金属粉末的烧结 1）单一成分金属粉末（例如铁粉） 预热一定温度，激光扫描烧结，经过热等静压处理。零件相对密度达99.9% 2）金属混合粉末 预热一定温度，激光扫描，低熔点粉末先熔化，从而黏结难熔的金属粉 3）金属粉末与有机黏结剂粉末的混合体 激光扫描，有机黏结剂熔化，再将金属粉末黏结在一起 （2）陶瓷粉末的烧结 需要在粉末中加入黏结剂 （3）塑料粉末

12、的烧结 预热烧结。一般不必进行后续处理,选区激光烧结,2、烧结件的后处理 金属或陶瓷粉末（或混合体粉末）经过激光烧结只形成原型或零件的坯体，需要经过后处理以提高其力学和热学性能 （1）高温烧结 坯体内部孔隙减少，密度强度增加，其他性能也得到改善，但内部孔隙减少会导致体积收缩，影响尺寸精度 （2）热等静压 通过流体介质将高温和高压同时均匀地作用于坯体表面，消除其内部气孔，提高密度和强度，改善其他性能。可使制件非常致密但制件收缩较大 （3）熔浸 将坯体与另一种低熔点的液体金属接触或浸埋在液态金属内，让金属填充制件内部的孔隙，冷却后得到致密的零件。不产生收缩，得到的零件密度高，强度大，尺寸变化小 （

13、4）浸渍 将液态非金属物质浸入多孔的坯体的孔隙内。浸渍后坯体零件的干燥过程中，温度湿度气流对坯体的质量影响很大，控制不好，会导致坯体开裂，严重影响零件的质量。,选区激光烧结,3、工艺参数的影响 （1）激光能量与扫描速度 成形零件的致密度和强度随着激光输出能量的加大而增高，随着扫描速度的增大而变小，低的扫描速度和高的激光能量能达到较好的烧结结果。 （2）预热温度与铺粉层厚 粉末的预热能明显的改善成形制品的性能质量；薄的铺粉层能提高烧结的质量，改善制品的密度。,选区激光烧结,成形材料 粉末材料有良好的热塑（固）性和一定的导热性； 粉末经激光束烧结后要有足够的黏结强度； 粉末材料的粒度不宜过大，其粒

14、径一般要求小于0.05mm0.15mm，否则会降低成形件质量； 烧结材料还应有较窄的“软化-固化”温度范围，该温度范围较大时，制件的精度会受影响。 日前用于激光选区烧结的材料主要有以下几种 1)高分子粉末材料 2）金属粉末材料 3)陶瓷粉末材料 4）覆膜砂粉末材料,选区激光烧结,选区激光烧结成形系统 1、主机 激光烧结制作制件。 2、控制系统 对激光烧结过程进行环境的控制，确保激光烧结的顺利完成。 3、冷却系统 冷却激光器，提高激光能量的稳定性。,选区激光烧结,选区激光烧结工艺特点 1、可采用多种材料 原理是任何加热时黏度降低的粉末材料都可以 2、成本较低，制造工艺比较简单，适应面广 无需支撑，因为未被燃烧的粉末起到支撑作用。 3、高精度 4、成形速度较慢、 成形结构一般较疏松，多孔，表面质量不高，强度较低 选区激光烧结一般只适用于中小件的快速成形,