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1、,第七章 快速成型技术,7.1 光敏树脂液相固化成型,成型原理,成型工艺,基本应用,成型特点,SLA工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理的。这种液态材料在波长325 nm和功率30 mW的紫外线照射下发生光聚合反应，分子量急剧增大从液态转变为固态。 在液槽3中盛满了光敏树脂4，氦-镉激光器或氩离子激光器1发出的紫外激光束，在控制系统的控制激光偏转镜下，按零件的各分层截面信息在光敏树脂表面进行逐层扫描，使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。一层固化完毕后，升降的工作台2下移一个层厚距离（约0.1 mm），以使原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，刮板将粘度较大的树脂
2、液面刮平，然后进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘接在前一层上，如此重复直至整个零件制造完毕，得到一个三维实体原型6。 当实体原型完成后，首先将实体取出，并将多余的树脂排净，去掉支撑后进行清洗，然后再将实体原型放在紫外激光下进行整体固化。刮板的作用是能将所需要的树脂十分均匀地涂覆在上一层上，可得到较好的精度，使产品表面更光滑。,优点： 1）成型过程自动化程度高。SLA系统非常稳定，加工开始后成型过程可以完全自动化，直至原型制造完成。 2）尺寸精度高。SLA原型制造的尺寸精度可以达到0.01 mm。 3）表面质量好。虽然在每层固化是侧面及曲面有可能出现台阶，但上表面仍可达到玻璃状效果。 4）可
3、制造结构复杂的模型。尤其对于内表面结构复杂，切削刀具难以达到的模型，也能一次成型。 5）制造原型可以一定程度的代替塑料制品。 6）可以直接直接制造面向熔模铸造具有中空型结构的熔模。,缺点： 1）成型过程中有物理和化学变化，所以制造出来的原模可能会产生变形，为此制造时需要支撑。 2）液态树脂固化后的性能还不如常用的工业塑料，一般比较脆，容易断裂，不适宜进行机械加工。另外在大多情况下，不能进行抗力和热的测试。 3）设备运转和维护成本高。液态树脂和激光器的价格高，光学元件需定期调整。 4）液体树脂有气味和毒性，并需要遮光保护，以防聚变，所以选择有局限。 5）有时需二次固化。在很多情况下，经快速成型系
4、统光固化后的原型树脂并未完全固化，为提高原型的使用性能，需经过二次固化。,光敏树脂液相固化成型特点,光敏树脂液相固化成型工艺,前处理,1）CAD三维造型。三维造型是CAD模型的最好表达，也是快速原型制作必须的原始数据。三维造型可以在UG、Pro/E、Catie等大型商业软件上进行。 2）数据转换。数据转换是对产品CAD模型的近似处理，主要是生成STL格式的数据文件。注意控制STL文件生成的精度。通用CAD软件都有STL数据输出。 3）确定摆放位置。摆放位置不但影响着制作时间和效率，更影响这后续支撑的施加以及原型制造的表面质量等。从缩短原型制作的时间来看，应选尺寸最小的方向作为叠层方向；为了提高
5、原型质量和提高关键尺寸和形状的精度，又需选尺寸最大的方向作为叠层方向；为减少支撑、节省材料、便于后处理，常倾斜摆放。 4）施加支撑。对于结构复杂的数据模型，支撑的施加是费时而精细的。比较先进的支撑类型为点支撑，即在支撑和需要支撑的模型面是点接触的。 5）切片分层。根据设备系统的分层厚度沿高度方向进行切片，生成RP系统需求的SLC格式的层片数据文件，提供给光固化快速原型制造系统进行原型制作。,光固化成型,后处理,光固化成型前需要启动光固化快速成型系统，使光敏树脂的温度达到预设的合理温度，激光器开启后也需要一段稳定时间。设备运行正常后开启原型制作控制软件，读入层片数据文件。一般的叠层制作控制软件都
6、有默认设置，根据每次原型制作的具体要求进行一些调整。另外要注意工作台网板与树脂液面位置的调整，确保支撑与工作台网板的稳固连接。一切准备就绪后，启动叠层制作，机器会全自动完成整个制作过程。控制CRT会显示激光器能源信息、激光扫描速度、原型几何尺寸、总叠层数、目前正在固化的叠层、工作台升降速度等有关信息。,光固化成型,后处理,1）原型制作完成后，工作台升出液面，停留5-10 min，以晾干原型表面和去除包裹在原型里面的多余树脂。 2）将原型和工作台网板一起斜放晾干，并将其浸入丙酮、酒精等，搅动并刷掉残留气泡，再将原型从网板上取下，进行清洗。 3）原型清洗完毕后，去除支撑结构。去除支撑时要注意不要刮
7、伤原型表面和精细结构。 4）再次清洗后置于紫外烘箱中进行整体固化，对于有些性能要求不高的原型也可以不进行二次固化。,光敏树脂液相固化成型的应用,光敏树脂液相固化成型的应用有很多方面，可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；可制造出透明效果的元件；制造出来的原型可快速翻制各种模具，如硅橡胶模、金属冷喷模、陶瓷模、合金模、电铸模、环氧树脂模和消失模等。 1）赛车行业：赛车的每个微小的改动都有可能显著提高车速，因此赛车也及其重视零部件的高效设计和一些塑料、橡胶或金属零件的快速制造。 2）航空领域：航空发动机上许多零件都是经过精密铸造来制造的，对于高精度的木模制造
8、，传统工艺的成本很高，且制作时间长，而用SLA工艺可以直接制造熔模铸造的母模，时间和成本可以得到显著降低。 3）电器行业：家用电器的外观设计要求越来越高，这使得电器产品外壳零部件的快速制作具有广泛的市场要求，而光固化原型的树脂品质是最适合于电器塑料外科的功能要求，因此光固化快速原型在电器制造业中有相当广泛的应用。 4）医疗领域：SLA工艺在医疗领域也有广泛的应用，包括人体器官的教学和交流模型、手术规划与演练模型、植入体、手术器械的开发等。,薄片分层叠加成型设备有计算机、原材料存储和送料机构、热粘压机构、激光切割系统、可升降工作台和数控系统等组成。其中计算机由于接受和存储工件的三维模型，沿模型的
9、高度方向取一系列的横截面轮廓线，发出控制指令。原材料存储及送料机构将存于其中的原材料逐步送到工作台上方。热粘压机构将一层层材料粘合在一起。激光切割系统安装计算机提供的横截面轮廓线，逐一在工作台上的材料切割出轮廓线，并将无轮廓区切割成小方格，以便成型后能剔除废料。可升降工作台支撑成型工件，并在每层成型之后，降低一个材料厚度（通常为0.1-0.2 mm）。以便送进、粘合和切断新的一层材料。数控系统执行计算机发出的指令，控制材料的送进，然后粘合、切割，最终形成三维工作原型。,7.2 薄片分层叠加成型,特点,应用,原理,工艺,薄片分层叠加成型的特点,缺点,优点,1）原型精度高。因为一是在制作过程中只有
10、一层胶会发生状态变化，引起的变形小；二是上胶工艺采用微粒吸附法，其翘曲变形小；三是三个坐标都有步进电机驱动，通过滚珠丝杆传动，导轨也采用滚动导轨；四是激光切割的切口宽度的自动补偿。这些是的最后加工精度可达0.1-0.2 mm（X,Y方向），0.2-0.3 mm（Z方向）。 2）制件能承受200的高温，有较好的硬度等力学性能，可进行各种切削加工。 3）无需固化处理，也无需设计支撑等。 4）材料便宜、成本低，制件尺寸大，废料容易处理。 5）设备操作方便，安全可靠，自动化程度高。,1）工件的抗拉强度差。 2）不能直接制作塑料工件。 3）工件吸湿容易膨胀，因此需要表面防潮处理。 4）工件表面有台阶纹，
11、其高度等于材料的厚度，因此成型后需要打磨。,薄片分层叠加成型工艺过程,前处理,1）CAD模型和STL文件。各种快速原型制造系统的原型制作过程都是在CAD模型的直接驱动下进行的，所以快速原型制作过程也称谓数字化成型。CAD模型相当于传统流程中的加工图纸，为原型制作过程提供数字信息。 目前国际上通用的造型软件UG、Pro/E、Catie、Climatro、Solid Edge、MDT等的模型文件输出格式有多种，一般都有STL数据格式。 2）切片处理。薄片分层叠加成型是在计算机造型技术、数控技术、激光技术、材料科学等基础上发展起来的，在薄片分层叠加成型制造系统中，除了激光快速成型设备硬件外，还需配备
12、将CAD数据模型、激光切割系统、机械传动系统和控制系统连接并协调起来的专用软件，即切片软件。由于薄片分层叠加成型是按一层层截面轮廓来进行加工的，因此，加工前必须在三维模型上用切片软件，在成型的高度方向每隔一定的间隔进行切片处理，以便提取截面的轮廓。间隔的大小要按生产率和加工精度来确定。一般为0.05-0.5 mm，常用的是0.1 mm。 叠层的厚度会产生累计误差，实际生产中经常根据时间测量结果对CAD的STL模型进行实时切片处理。,光固化成型,后处理,叠加成型工艺参数： 1）激光切割速度是影响薄片分层叠加成型的表面质量和加工效率的重要因素，可根据激光器型号规格进行选定； 2）加热辊的温度和压力
13、设置应该根据原型层面尺寸大小、纸张厚薄和环境温度来决定； 3）激光能量的大小影响切割纸材的厚度和切割速度，通常切割速度和激光能量成抛物线关系； 4）切碎网格尺寸影响余料去除和原型表面质量。 原型制造过程： 1）基底制作：由于叠层在制作过程中工作台要频繁升降，为实现原型和工作台之间的连续，需要制作基底，一般为3-5层。 2）原型制作：当所设参数设定之后，设备便根据给定的工艺参数自动完成原型所以叠层的制作过程。,叠片成型,后处理,1）余料处理：将成型过程产生的废料、支撑结构与工件分离。 2）后置处理：为使表面状况或机械强度等满足需要，保证其尺寸稳定性、精度等的要求，需如下后置处理：原型表面不够光滑
14、，其表面存在因分层引起的小台阶，以及因STL格式化造成的小缺陷；原型的薄壁和某些小特征结构强度刚度不够；原型的某些尺寸、形状不够精确；制件的耐温性、耐湿性、耐磨性、表面硬度不够满意；制件表面的颜色不符合产品要求等。通常采用修补、打磨、抛光、表面涂覆等。,薄片分层叠加成型的应用,薄片分层叠加成型设备由激光系统、走纸机构、扫描机构和Z轴升降机构、加热辊等组成。成型工艺由于其原料比较便宜，运行成本和投资低，所以常用来制作汽车发动机曲轴、连杆、各类箱体、盖板等零部件原型样件。 1）汽车车灯：随着汽车制造也的发展，车灯组件的设计要求在内部满足结构和装配要求，在外部要满足外观完美的要求。快速成型技术的出现
15、，较好的迎合了车灯结构与外观开放需求。 2）铸铁手柄：某些机床操作手柄为铸铁件，人工方式制作砂型铸造用的木模十分费时，且精度得不到保证。随着CAD技术的发展，具有复杂曲面形状的手柄设计可以直接在CAD软件平台上完成，借助快速成型技术，尤其是薄片分层叠加成型技术，可以直径由CAD磨削高精度地快速制作砂型铸造木模。 3）制鞋工业：鞋子的款式更新是保持鞋业竞争能力的重要手段，WWW（Wolverine World Wide）公司的设计师首先设计鞋底和鞋跟的模型图形，从不同的角度用各种材料产生三维光照模型显示，以尽早排除不好的装饰和设计，再通过薄片分层叠加成型技术制造实物模型来最后确定设计方案。,采用
16、铺粉辊将一层粉末平铺在已成型零件表面，并加热至低于该粉末烧结点的温度，控制系统控制激光束在粉层上扫描，使粉末熔化烧结,并与已成型的部分粘结。当一层烧结完后，工作台下降一个层厚，又铺上粉末，进行新一层的烧结，直至完成整个原模。SLS使用的是CO2激光器，原料为蜡、聚碳酸酯、尼龙、金属及其他。 当实体构建完成并在原型部分充分冷却后，粉末会上升到初始位置，将其拿出并放置到一个空的工作台，用刷子刷去表面的粉末，露出加工部分，其余残留的粉末可用压缩空气除去。,7.3 选择性激光粉末烧结成型,特点,应用,原理,工艺,选择性激光粉末烧结成型的特点,缺点,优点,1）可加工的材料种类多。这种方法可采用加热时粘度降低的任何粉末材料，通过材料或各类含粘结剂的涂层颗粒制造出任何造型。 2）制造工艺简单。可用多种材料，按采用的原料不同，可以直接生产复杂形状的原型、型腔模三维构建或部件及工具。例如，制造概念原型，可按照最终产品模型的概念原理、熔模铸造原型及其他少量母模生产、直接制造金属注塑模等。 3）高精度。依赖
