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1、,1,第6章 快速成形,【实训目的与要求】 1）了解快速成型技术的基本原理和技术特点。 2）了解快速成型工作过程。 3）掌握熔融沉积成形或激光快速成型制造简单零件的基本操作技能。,2,章节目录,3,6.1 概述 4,6.2 快速成形基本原理 7,6.3 FDM工艺 9,6.4 SLS工艺 25,6.1 概述,快速成型技术（Rapid Prototyping，RP）又称三维打印技术 、增层制造技术、增材制造技术、逐层制造技术，它是由CAD 模型直接驱动的快速制造复杂形状的三维实体的技术总称。 简单的讲，快速成型制造技术可以在没有任何刀具、模具及工 装夹具的情况下，快速直接地实现零件的单件生产。
2、该技术突破了制造业的传统模式，特别适合于新产品的开发、 具有复杂结构的单件或少批量产品试制，以及快速模具制造等 方面。,4,6.1.1 快速成形加工的主要特点,1)可迅速制造出具有自由曲面和更为复杂形态的零件，无需设计制造专用夹具和刀具，从而大大降低了新产品的开发成本和开发周期。 2)可实现设计制造一体化和制造过程自动化。快速成型加工设备自动化程度高，无需过多的人工干预。 3)加工效率高，能快速制作出零件产品及模具，而且精度高、产品质量好。 4)快速成型加工节约资源，绿色环保。快速成型加工是非接触加工，无振动、噪声和切削废料。传统的切削加工噪声较大，加工时产生大量的切屑和边角料，造成资源的浪费
3、。,5,6.1.2 快速成形加工的分类,6,表6-1 常用快速成型方法及特点,6.2 快速成形基本原理,快速成型技术是一种逐层制造技术，采用离散、堆积成型原理。 首先建立所需零件的计算机三维曲面或实体模型；然后根据工艺要求，将其按一定厚度将模型进行分层，将原来的三维模型变成一系列有序的二维平面模型，即离散过程； 再将分层后的数据进行一定的处理，加入加工参数，产生数控代码；在微机控制下，数控系统以平面加工方式，有序地连续加工出每个薄层，并使它们自动粘接而成型，从而制造出所需产品的实物样件或成品，这就是材料的堆积过程。,7,图6-1 快速成型工作原理 a)CAD模型 b)模型切片 c)分层堆积制造
4、 d)成型件,6.2 快速成形基本原理,各种快速成型技术的基本原理相同，成型过程都包括CAD模型建立、生成STL文件格式、快速原型制作、模型分层切片和后置处理五个步骤：,8,图6-2 快速成型技术过程,产品CAD模型,生成STL文件格式,快速原型制造过程,产品后置处理,将模型分层切片,6.3 FDM工艺 6.3.1 FDM工艺方法,熔融沉积成形加工原理 如图6-3所示，成型材料和支撑材料都是热熔性丝材（ABS、尼 龙或蜡等），分别从各自的丝盘送入送丝机构，由送丝机构的 一对滚轮送入送丝管，通过加热器熔化，由计算机控制喷嘴挤 出熔融的丝材，并按照每一层上截面几何信息沉积成一薄层， 逐层地由下而上
5、制作出实体模型。在沉积过程中，喷嘴在水平 面内移动，同时半流动融丝被挤压出来，通过精确控制从挤压 头孔流出的材料数量和喷嘴的移动速度，当它和前一层相粘结 时很快就会固化。整个零件是在一个升降工作台上制作的，制 作完一层后工作台下降，为下一层制作留出层厚所需的空间。 FDM可以使用的材料 任何有热塑特性的材料均可作为其候选材料。,9,6.3.1 FDM工艺方法,10,图6-3 熔融沉积成形法原理图 1-成型材料丝盘 2-升降工作台 3-工件 4-喷嘴 5-支撑材料丝盘 6-丝材 7-送丝机构 8-加热单元 9-支撑材料,6.3.2 FDM系统组成,11,1.主机系统 由外壳、主框架、XY 扫描运
6、动系统（包括丝杠、导轨、伺服电机）、升降工作台系统（包括步进电机、丝杠、光杠、台架）、喷头、送丝机构、成型室（包括加热元件、测温传感器）组成。 2.电控系统 由运动控制系统和温度控制系统两部分组成。 1)计算机（PC）通过数控卡控制XYZ扫描运动系统，其中X和Y运动单元由伺服控制器、AC伺服驱动器、AC伺服电机和传动 导向机构四部分构成；Z向运动单元由步进控制器、直流步进驱动器、步进电机和传动导向机构四部分构成；喷头压力控制系统由步进电机及传动部件构成。喷头及送丝机构也通过数控卡进行控制 2)温控系统由加热器、温度传感器和智能温度控制表组成。,6.3.3 FDM工艺过程,1.数据准备 包括三维
7、模型设计、STL文件输出和选择成型方向、添加支撑结构。 2.原型制作 按操作程序进行FDM原型制作。 3.后处理 手工剥去支撑材料。 如果必要可打磨、喷漆、电镀、拋光等。,12,1.数据准备,2.原型制作,3.后处理,1.数据准备 (1)零件三维CAD造型 三维建模一般使用Pro/E、UG、 CATIA、SolidWorks、MDT等三维建模软件，这些软件可以通 过“另存为”或“导出到”之类的命令将三维实体模型转换 成三角形面片格式的STL文件。,13,图6-6 零件三维模型图 图6-7 零件STL模型,6.3.3 FDM工艺过程,(2)启动控制软件 启动Aurora软件载入需要成型的STL模
8、型文件。如果模型已经处理完毕，也可直接载入CLI模型，进入原型制作阶段。 第一次运行Aurora需要连接好三维打印机/快速成型系统和计算机，然后打开计算机和三维打印机/快速成型系统，启动软件，选择菜单“文件三维打印机连接”，系统自动和快速成型系统通讯。系统会自动读取系统参数，并保存到计算机中。 选择一个或多个STL文件后，系统开始读入STL模型，并在最下端的状态条显示已读入的面片数（Facet）和顶点（Vertex）。读入模型后，系统自动更新，显示STL模型。 可将若干个STL文件合并为一个模型STL文件，或是将一个模型STL文件分解为多个模型STL文件。后续的操作只对当前模型进行。当前模型会
9、以系统设定的特定颜色显示（该颜色在“查看彩”命令中设定）。,14,6.3.3 FDM工艺过程,如果载入的STL文件有缺陷（法向错误、裂缝、空洞、悬面 、重叠面和交叉面等），需要先进行修复，使用“校验并修复”命令。,15,6.3.3 FDM工艺过程,图6-8 Aurora软件界面,图6-9 载入多个STL模型,（3）选择成型方向、添加支撑结构 因物体外表形状及截面厚度的不同，加工出来的模型表面平滑度也不同，接近水平的曲面呈现较明显的阶梯状纹路，接近垂直的曲面的阶梯状断差较小，加工面较平滑。所以在加工前应针对工件形状特性，调整物体方位，以求得最佳外形。 由于工件是由薄层堆积起来的，成形方向一般设定
10、为Z轴，如图6-11所示，成形方向上的材料物性与其它方向相比会有较大的不同，在确定成形方向时也应加以考虑。,16,图6-11 成型方向,6.3.3 FDM工艺过程,选择成型方向有以下几个原则： 1）不同表面的成型质量不同，上表面好于下表面，水平面好于垂直面，垂直面好于斜面，水平方向精度好于垂直方向的精度。应使大部分平面（特别是大平面）水平的方向摆放，应选择重要的表面作为上表面。如果有较小直径（小于10 mm）的立柱、内孔等特征，尽量选择垂直方向成型。 2）不同表面的成型质量不同，水平方向的强度高于垂直方向的强度。如果需保证强度，选择强度要求高的方向为水平方向。 3）应减少支撑面积，降低支撑高度
11、，尽量避免出现水平投影面积小、高度高的支撑面，如图6-12所示。,17,6.3.3 FDM工艺过程,以上原则需根据模型情况灵活确定。例如，如竖直的立柱精度好，但细长的立柱在成型方向上的强度较差，故应根据需要综合考虑。必要时可将零件模型分割成几块进行加工，最后再粘接成整体。,18,图6-12 需要添加的支撑,支撑,支撑,支撑,6.3.3 FDM工艺过程,（4）分层 分层是三维打印/快速成型的第一步，在分层前，首先要检查三维模型并修正其错误，确定成型方向。 分层参数包括三个部分，分别为分层、路径和支撑。路径部分为快速原型系统制造原型部分的轮廓和填充处理参数，包括轮廓线宽、扫描次数、填充线宽、填充间
12、隔、填充角度、填充偏置、水平角度、表面层数等。 分层部分有四个参数：层片厚度、起始高度、终止高度和参数集。参数集包括了路径和支撑部分的大部分参数设定。选择合适的参数集后，一般不需要用户再修改参数值。,19,6.3.3 FDM工艺过程,20,支撑部分参数包括支撑角度、支撑线宽、支撑间隔、支撑的最小面积、支撑表面层数等。 选择菜单“模型分层”，启动分层命令。系统会自动生成一个CLI文件，并在分层处理完成后载入。 2.原形制作 1) 选择FDM成型材料，并装入送丝机构。 2) 对材料及成形室预热，以50 为升温梯度，将成型材料逐步升温至200 以上；以10 为升温梯度，将成型室温度逐步升温至55 。
13、 3）运行系统控制软件，读出CLI文件，并在台面上拖动模型 到合适的位置。,6.3.3 FDM工艺过程,4) 材料温度达到200 后，按下“喷丝”按钮，将喷头中老 化的丝材吐完，直至ABS丝光滑后开始挤丝。 5) 工作台水平校准，用控制面板上的软按钮移动喷头至工作 台的支承处，用量块通过调平螺母调节高度。 6) 工作台高度校准，点击调试命令，启动调试对话框，移动 喷头到适于观察的位置（一般在靠近系统正面的中间处），然后 升高工作台，使其接近喷头，在距离10mm左右处低速接近喷头 （1mm/s)，微调工作台与喷头之间的间隙大约为0.1mm，记录此时 工作台的高度。,21,6.3.3 FDM工艺过
14、程,22,7) 设定参数，需要设定的参数有：轮廓扫描速度、填充扫描速度、支撑扫描速度、跳转速度、轮廓扫描加速度、填充扫描加速度、支撑扫描加速度、跳转加速度、轮廓送丝速度、填充送丝速度、跳转送丝速度、层片厚度、开启延时、关闭延时、暂时延时、加热时间、冷却时间、总时间、送丝检测间隔、基底层数等，系统自动提供前次设定的参数。 8) 输入起始层和结束层的层数。 9) 单击操作键“Start”，系统开始自动制作原型系统，并开始统计造型时间。 3.后处理 手工剥去支撑材料。 如果必要可打磨、喷漆、电镀、拋光等。,6.3.3 FDM工艺过程,6.3.4 FDM工艺的特点,1)FDM工艺采用热塑性材料,如AB
15、S、蜡、尼龙等，一般以丝状供料。材料在喷嘴内被加热熔化后，从小孔挤出堆积成形。 2)FDM不用激光，使用、维护简单，成本低。用蜡成形的零件原型可直接用于失蜡铸造；用ABS工程塑料制造的原型则具有较高强度，在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。 3)FDM工艺的加工温度根据所用丝材的不同而有所不同,一般在80250，材料的收缩率必然会引起尺寸误差，同时会产生热应力，导致制件的翘曲变形，因此需要设计支撑结构。 4)由于是填充式扫描，因此FDM工艺成型时间较长，适合成型小塑料件,为克服这一缺点，可采用多个热喷头同时进行涂覆，提高成型效率。,23,6.3.5 FDM工艺的应用,FDM工艺已广泛应用
16、于汽车、机械、航空航天、家电、医学、玩具等原型或产品的制作。,24,6.4 SLS工艺 6.4.1 SLS工艺方法,25,图6-15 选择性激光烧结法原理图 1- CO2激光器 2-光学系统 3-扫描镜 4-未烧结的粉末 5-工件 6-工作台 7-粉末回收系统 8-铺粉辊 9-粉末送进系统,选择性激光烧结法是用CO2激光熔融烧结材料粉末的方式制作样件，如图6-15所示： 工作时，由粉末送进系统将粉末送到工作台面高度以上，由铺粉辊铺上一层新粉末，多余的粉末由粉末回收系统回收；由CO2激光器发出激光束，计算机控制扫描镜的角度，根据几何形体各层横截面的几何信息对材料粉末进行扫描，激光扫描处的粉末熔化并凝固在一起形成工件的一层。 然后，工作台下降一层的高度，再铺上一层粉进行激光扫描烧结，如此反复，直至制成所需工件。,6.4.2 SLS系统组成,26,1.计算机控制系统H
