王昊快速原型制造技术

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1、0 目录摘 要,1 前 言,2 1 RP 的工作流程及主要方法 , 2 1.1 RP的工作流程 , 2 1.2 RP的主要工艺方法 , 3 2 SL A 技术 原理, 4 3 光固化成型技原理分析 , 5 3.1光固化成型材料, 5 3.2 早 起光 固 化成 型方 法 ,5 3.3目前光固化成型方法 , 5 3.4激光照射得到固化形状 , 5 3.4.1单一模式激光的光强度分布,5 3.4.2静止照射时的固化形状与移动照射时的固化形状, 6 3.5 总 体 成 型 过 程 ,6 4 SL S 技术 原理, 7 5 FDM技术原理 , 8 6 LOM 技术原理 , 8 7 结论,8 参考文献,

2、111 快速原型制造工作流程及其关键技术分析王昊摘要：快速原型制造技术（ Rapid Protoyping Manufacturing, RPM) 在20世纪80年代后期源于美国， 是最近 20年来世界制造技术领域的一次重大突破。 RPM 是机械工程、计算机技术、数控技术以及材料科学等技术的集成， 它能将已具数学几何模型的设计迅速、自动地物化为具有一定结构和功能的原型或零件。快速成型技术以其独特的特点和长处, 成为加速新产品开发及实现并行工程的有效技术, 具有广泛的应用领域和应用价值 , 发展十分迅猛 , 该技术的重要性已不容忽视。 快速成型技术问世以来， 已实现了相当大的市场，发展非常迅速。

3、人们对材料逐层添加法这种新的制造方法已逐步适应。该技术通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、 硅胶模等制造手段结合， 已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了广泛应用。 快速成型技术是基于离散/ 堆积的原理。 在计算机的控制下快速成型机的成型头选择性地固化一层层的液体材料(或选择性的切割一层层的纸、烧结一层层的粉末材料、 喷涂一层层的热熔性材料等 ) , 形成各个截面轮廓并逐步顺序叠加成三维工件实体。RP 技术的主要方法有 : 光固化立体造型 SLA 、分层物件制造、选择性激光烧结法、熔融沉积造型。关键字： 快速成型技术（ RP） ；激光技术；数字化技术

4、；模具2 前言快速原型制造技术即RPM技术获得零件的途径不同于传统的材料去除或材 料变形方法，而是在计算机控制下，基于离散/ 堆积原理采用不同方法堆积材料 最终完成零件的成形与制造的技术。从成形角度看， 零件可视为由点、 线或面的 叠加而成， 即从 CAD 模型中离散得到点、 面的几何信息， 再与成形工艺参数信息 结合，控制材料有规律、精确地由点到面，由面到体地堆积零件显然RP 是在零 件 CD模型的驱动下快速制造出任意复杂实体的技术，他不需要传统的多坐标数 控机床，刀具磨具， 一般只需要传统加工方法30%50%的工时和 20%35%的成本， 从而可以有效地缩短开发周期，提高竞争力。由于RP工

5、艺极大地依赖材料本身 的特性，所处理的材料手想要满足离散/ 堆积成形的特殊要求，又要能后期处理 和成形后有必要功能， 故多用于产品研发过程制造物理原件，也就是说是为了复 杂形状构建原型的成形方法出现的，故称为“快速原型制造”。1 快速成形技术（ RP ）的工作流程及主要方法1.1 RP 的工作流程图 1-1RP 工作流程图如图 1-1 所示，快速成型总体上大致可分为一下三个部分： 1.1.1 前处理：这个阶段除通过造型软件或反求工程构造三维CAD 模型外，通 常还需对三维模型进行近似处理。 常用的近似处理方法是用一系列的小三角形平 面来逼近自由曲面，生成所谓STL 格式文件。 1.1.2 在R

6、P 设备上快速成形。首先用配置在 RP 设备上的切片软件沿成形制件的 高度方向每隔一定距离（多为0.1mm ）从CAD 模型上依次截取平面轮廓信息，随 后RP 设备上的激光头或喷射头在数控装置的控制下按截面轮廓信息相对于X-Y 平面工作台运动， 进行选择性激光扫描 （实现固化、 切割或烧结） 或者进行选择3 性喷射（喷射热熔材料或粘结剂） ，以物理或化学方法逐层成形并相互粘结（每 成形一层工作台便下移一个切片厚度），这样一层层堆积便构成三维实体制件。 1.1.3 后处理。为改善制件的性能， 往往需要进行後处理， 比如在纸质制件的表 面涂覆一层金属、 陶瓷或高分子材料， 以提高制件表面的机械强度

7、、耐磨性和防 潮性等。 1.2 RP的主要工艺方法 RP技术的具体工艺种类较多（见下表1-1） 。根据其应用情况和商品化程度 及篇幅所限，这里选取四种典型的快速成型技术作一比较说明。表 1-1 RP 主要工艺方法对照表成型工艺设备名称原理简介特点SLA （光固化成型方法，又称树脂型 ）激光快速成型系统该技术将激光聚焦到液态光固化材料（如光固化树脂）表面、令其有规律地固化，由点到线到面完成一个层面的建造，而后升降平台移动一个层片厚度的距离，重新覆盖一层液态材料，再建造一个层面，由此层层叠加成为一个三维实体。激光快速成型系统：精度高、 表面质量好。设备价格贵，成形时间较长，激光管寿命2000 小时

8、左右，光敏树脂固化后较脆，易断裂， 可加工性不好，工 作 温 度 不 能 超 过100，会吸湿膨胀，抗腐蚀能力不强，且价格昂贵。计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液。SLS （激光烧结法，又称烧粉型）激光快速成型系统此技术采用激光对有很好密实度和平整度的粉末铺成的层面，有选择地直接或间接将粉末熔化或粘结，形成一个层面，铺粉压实，再熔结或粘结成另一层并与前一层熔接或粘结，如此层层叠加为一个三维实体。所谓直接熔结是将粉末直接熔化面连接；间接熔结是指仅熔化粉末表面的粘结涂层，以达到互相粘结的目的。成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉，用金属粉或陶瓷粉进行粘接或烧结的工艺还正在实验研究阶

9、段。机器昂贵、 制作的零件表面粗糙、成形件结构疏松多孔，表面粗糙。FDM （熔融挤压型方法，又称喷丝型）熔融挤压成型系统该技术是指将热熔性材料（ ABS 、 尼龙或蜡）通过加热器熔化，挤压FDM工艺的关键是持半流动成型材料刚好在熔点之上（通常控4 喷出并堆积一个层面，然后将第二个层面用同样的方法建造出来，并与第一个层面粘结在一起，如此层层堆积而获得一个三维实体。制在比熔点高1左右） 。利用等离子放电来加热丝状材料，溶化的材料熔积到工件逐渐成型。熔丝材料从喷头中挤压出来，凝固形成轮廓形状的薄层。能直接制作ABS塑料成形时间较长，要设置支撑， 后处理麻烦。LOM( 激光层压成型 ) 切纸成型系统该

10、技术采用激光或刀具对箔材进行切割。首先切割出工艺边框和原型的边缘轮廓线，而后将不属于原型的材料切割成网格状。通过升降平台的移动和箔材的送给可以切割出新的层片并将其与先前的层片粘结在一起。这样层层叠加后得到一个块状物，最后将不属于原型的材料小块剥除，就获得所需的三维实体。LOM工艺将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起，位于上方的激光器按照 CAD分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓，然后新的一层纸再叠加在上面，通过热压装置和下面已切割层粘合在一起，激光束再次切割，这样反复逐层切割一粘合一切割 ,直至整个零件模型制作完成。表面粗糙度较高，工件表面有明显的台阶纹，成型后要

11、进行打磨，后处理极为困难。2 SLA 技术原理光固化技术借助CAD 造型系统获得产品的三维模型, 将模型进行离散化，转 换成成千上万个薄层。 在液槽中盛满液态光敏树脂，控制一束紫外激光， 按计算机所确定的轨迹， 对液 态树脂选择性扫描，被扫描区域固化，构成一个薄截面。 然后升降机构带动工作台下降一层高度，其上覆盖另一层液态树脂， 以便进行第 二层扫描固化， 新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个原型件制 作完成。 （层厚一般为 0.070.4mm） 模型从树脂中取出后进行最终硬化处理，再打光、电镀、喷漆或着色即获得完成5 的原型件。其工艺原理如图21 所示。图 2-1 SLA 成型过

12、程3 光固化成型技术原理分析3.1 光固化成型材料 在光能的作用下会敏感地产生物理变化或化学反应的树脂一般称之为光敏 树脂。 在光能的作用下既不溶于溶剂， 又能从液体转变为固体的树脂称之为光固化 性树脂。 光 固 化 树 脂 是 一 种 由 光 聚合 性 预 聚 合 物 （ Pre-Polymer ） 或 齐 聚 物 （oligomer ） 、光聚合性单体 （monomer ）以及光聚合引发剂等为主要成分组成的 混合液体，主要成分有齐聚物（oligomer ） 、丙烯酸酯（ acrylate ）和环氧树脂 （epoxy）等种类。 3.2 早期光固化成型方法 利用光能的化学和热作用可使液态树脂材

13、料产生变化的原理，对液态树脂进 行有选择地固化， 就可以在不接触的情况下制造所需的三维实体原型。利用这种 光 固化 的技 术进 行逐 层成 形的方 法， 称之 为光 固 化成 形 法 。 国际 上 通 称 Stereolithography , 简称 SL。也有用 SLA表示光固化成形技术的。 3.3 目前光固化成型方法 是用扫描头将激光束扫描到树脂表面使之曝光。液体树脂被照射部分发生固 化，成形为所需形状的一层， 然后用同样方式在该层面上再进行新一层截面轮廓 的辐照、固化，依此类推， 从而将一层层的截面轮廓逐步叠合在一起，最终形成 三维原型。 3.4 激光照射得到固化形状6 3.4.1 单一

14、模式激光的光强度分布（下图3-1）图 3-1 单一模式光强分布图3.4.2 静止照射时的固化形状与移动照射时的形状（下图3-2）图 3-2 静止移动光照对比图7 3.5 总体成型过程 光固化技术借助 CAD造型系统获得产品的三维模型, 将模型进行离散化， 转换成成千上万个薄层。 在液槽中盛满液态光敏树脂，控制一束紫外激光，按计算机所确定的轨迹， 对液态树脂选择性扫描，被扫描区域固化，构成一个薄截面 然后升降机构带动工作台下降一层高度，其上覆盖另一层液态树脂，以便进 行第二层扫描固化，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个 原型件制作完成，层厚一般为0.070.4mm。 模型从树脂中取

15、出后进行最终硬化处理，再打光、电镀、喷漆或着色即 获得完成的原型件。原理见下图3-3 图 3-3 光固化成型过程4 SLS 技术原理SLS工艺的基本思想是基于离散堆积成型的制造方式，实现从三维 CAD 模 型到实体零件的转变。 粉末材料选择性烧结采用二氧化碳激光器对粉末材料（塑 料粉、陶瓷与粘结剂的混合粉、 金属与粘结剂的混合粉等）进行选择性烧结， 是 一种由离散点一层层对集成三维实体的工艺方法。 在开始加工之前，先将充有氮气的工作室升温，并保持在粉末的熔点以下。 成型时，送料筒上升， 铺粉滚筒移动， 先在工作平台上铺一层粉末材料，然后激 光束在计算机控制下按照截面轮廓对实心部分所在的粉末进行烧结，