快速成型技术及应用讲解

第一章 快速成型原理及方法概要
１.２快速成形的主要工艺方法 1.2.6固基光敏液相法（Solid ground curling--SGC）
固基光敏液相法的工艺原理如图1-8所示。一层的成型过程由五步来 完成：添料；掩膜紫外光曝光；清除未固化的多余液体料；向空隙处填 充蜡料和磨平。掩膜的制造采用了离于成像技术，因此同一底片可以重 复使用。由于过程复杂，SGC成形机是所有成形机中最庞大的一种。
第一章 快速成型原理及方法概要
1.1成型方式分类
(3)受迫成形（Stacking Forming）受迫成型是利 用材料的可成形性（如塑性等）在特定外围约束（边 界约束或外力约束）下成形的方法．传统的锻压，铸 造和粉末冶金等均属于受迫成形．
(4)生长成形(Growth Forming)生长成形是利用材 料的活性进行成形的方法，自然界中生物个体发育均 属于生长成形，“克隆”技术是产生在人为系统中的 生长成形方式．随着活性材料，仿生学，生物化学， 生命科学的发展，这种成形方式将会得到很大发展．
第一章 快速成型原理及方法概要
1.3 RPT的现状和发展方向
2.国内RPT的现状 国内RPT的研究从20世纪90年代初开始，起步较早
，发展很快，具有代表性的有： 清华大学，主要从事基于LOM和FDM工艺的设备、工
艺和材料的研究，已经产业化。 华中理工大学，主要从事基于LOM工艺的设备、工
艺和材料的研究，进来也开展了对SLS的研究，已经产 业化。
和材料各方面都存在很大的发展空间。上述介绍的各种 RP工艺方法各具优缺点，加工对象和应用方向也各有侧 重，使用的材料也不同。因此如何扬长避短，进一步完 善和改进各种RP工艺，提高加工效率和质量，降低设备 制造成本和运行成本，研究开发更多适用材料，降低材 料成本，这是RPT到了产业化阶段参与激烈的市场竞争 必须要面临的问题。
笼统地讲,快速成型属于添加成型,严格地讲,快速成型 是离散/堆积成型.将计算机上制作的零件三维模型,进 行网格化处理并存储,对其进行分层处理,得到各层截面 的二维轮廓信息,按照这些轮廓信息生成加工路径,由成 型头在控制系统的控制下,选择性地固化或切割一层层 的成型材料,形成各个截面轮廓薄片,并逐渐顺序叠加成 三维坯件,然后进行坯件的后处理,形成零件,如图1-1所 示.
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1.1成型方式分类
根据现代成形学的观点,从物质的组织方式分为以 下四类:
(1)去除成形(Dislodge Forming).去除成型是利 用分离的方法,把一部分材料有序地从基体上分离出去 而成型的方法.
(2)堆积成形(Stacking Forming)．堆积成型是运 用合并与连接的方法，把材料（气．液．固相）有序 地合并堆积起来的成型方法．RP即属于堆积成型．堆 积成型是在计算机控制下完成的，其最大特点是不受 成型零件复杂程度的限制．从广义上讲，焊接也属堆 积成型范畴．
1.3 RPT的现状和发展方向
美国Drexel University、New Jersey理工学院、 斯坦福以及许多大学都在进行这方面的研究工作。
美国海军的David Taylor Research Centre以及 Aerospac Company Rohr Industries of San Diego 也参加到了这个领域中来。
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１.２快速成形的主要工艺方法
1.2.7热塑性材料选择性喷洒
下图是一种喷墨式的热塑性材料选择性喷洒快速成型系统的原理 图。它采用两个喷嘴，其中一个用于喷洒成形用热塑性材料，另一个 用于喷洒支撑成形件的蜡。这两个喷嘴能根据截面轮廓的信息，在计 算机的控制下做x-y平面运动，选择性地分别喷洒溶化的热塑性材料和 蜡，此两种材料在工作台基底上迅速冷却后形成固态截面层和支撑结 构。随后，用一刀具铣平它们的上表面，使其控制在预定的截面高度 ，每层截面成型之后，工作台下降一截面层的高度，再进行后一层的 喷洒，如此循环。
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１.２快速成形的主要工艺方法 1.2.4熔化沉积成形(Fused Deposition Model--FDM)
熔化沉积成形也称丝状材料选择性熔覆，其原理如图1-6所示．三维 喷头在计算机控制下，根据截面轮廓的信息，做x-y-z运动。丝材（如塑 料丝）由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热，熔化，然后被选择性地涂 覆在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层完成后，工作台下降一层 厚，再进行后一层的涂覆，如此循环形成三维产品。
1.国外RPT的现状 美国许多世界著名大学和研究机构投入了大量经 费和人力进行这方面的研究，具有代表性的有：
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1.3 RPT的现状和发展方向
美国MIT(Massachusetts Institute of Technology),是3D－P技术的发源地，包括金属型和陶 瓷型，后者已商业化。目前MIT在直接金属熔化沉积制 造中取得了相当的进展。
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１.２快速成形的主要工艺方法
1.2.3选择性激光烧结(Selected Laser Sintering--SLS) 粉末材料选择性激光烧结的原理如图1-5所示.使用CO2激光器烧结粉末材 料(如蜡粉,PS粉,ABS粉,尼龙粉,覆膜陶瓷和金属粉等).成形时先在工作 台上铺上一层粉末材料,激光束在计算机的控制下,按照截面轮廓的信息, 对制件的实心部分所在的粉末进行烧结.一层完成后,工作台下降一层厚, 再进行后一层的铺粉烧结.如此循环,最终形成三维产品.
加强RPT的应用研究，最大程度地拓宽其应用领域 。我国更应重视将RPT与反求工程相结合设计开发新产 品，符合中国国情。
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1.3 RPT的现状和发展方向
完善系统工艺，进一步提高成形速度和精度，降低 系统价格和运行成本，开发出满足工程要求的材料是 RPT发展的重点。另外，完善RP系统与CAD系统的接口 ，制定统一的数据交换标准也是一直研究的重点之一 。
直接使用金属材料和陶瓷成形产品结构件，这是全 世界RPT的发展方向，国外已经从事这方面的研究并
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1.3 RPT的现状和发展方向
取得重大成果。如美国DTM公司利用SLS工艺成形金属 件。一般可通过两种途径：一是使用高功率二氧化碳激 光直接烧结金属粉，逐层堆积成致密度高的结构件；二 是使用中低功率二氧化碳激光烧结覆膜金属粉成形，然 后通过高温烧结和渗金属处理获得致密度高的结构件。 国内如中北大学已利用SLS工艺间接成形小型结构件并 获得阶段成果。西工大在高功率激光直接烧结金属粉的 研究已取得重大进展。
美国Dayton University，从事包括SLA在内的多 种RPT工艺。
美国UT（Texas University at Austin），与DTM 公司合作，主要为SLS工艺。
美国Carnegie Mellon University，主要从事基 于RPT的微型机械研究和开发。
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浙江大学，主要对光敏树脂的成形性能进行了许多 研究。
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1.3 RPT的现状和发展方向
南京航空航天大学、北京隆源公司，主要从事基 于SLS工艺的设备、工艺和材料的研究，后者已经产业 化。
西安交通大学则在SLS设备、工艺和材料的研究方 面取得了很大进展，也已经产业化。
西北工业大学利用高功率激光器直接烧结金属粉， 成形结构零件取得了阶段性成果。
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１.２快速成形的主要工艺方法
1.2.1立体印刷(Stereo Lithography Apparatus--SLA)
此工艺方法也称液态光敏树脂选择性固化．这是一种最早出现的 RPT，它的原理如图1-3所示．液槽中盛满液态光敏树脂，它在紫外激光 束的照射下快速固化．成形开始时，可升降工作台使其处于液面下一层 厚的地方。聚焦后的紫外激光束在计算机的控制下按截面轮廓进行扫描 ，使扫描区域的液态树脂固化，形成该层面的固化层．然后工作台下降 一层的高度，其上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层的扫描固化，与 此同时新固化的一层牢固地黏结在前一层上，如此重复直到整个产品完 成．
英国Nottingham和苏格兰Dundee等许多大学和研 究机构在开展这方面的工作。
日本以东京大学为首，一批学术、研究单位也积 极开展了这方面的工作。
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德国、新加坡、以色列等国也在RPT方面投入力量 进行了卓有成效的研究。
国外各类RP设备和工艺的产业化情况如下表。
近年来在全国各地建立的RPT中心已经遍布北京、 太原、深圳、广州、天津、上海、西安、武汉、宁波 、重庆以及香港、台湾等地。一些大型企业配备了RPS ，服务于本企业的生产和新产品开发。目前，RPT在我 国的推广和发展呈现出大好势头。
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3. RPT的发展方向 由ห้องสมุดไป่ตู้RPT属于一种新的制造技术，因此在设备、工艺
快速成型技术及应用
中北大学学习略记
目录
快速成型及技术原理及方法概要 快速模具制造技术概要 快速成型技术的软件技术 中北大学在此方面的一些成果
第一章 快速成型原理及方法概要
快速成型（Rapid Prototyping--RP）技术属于机械工 程学科特种加工工艺的范围，用激光作为能源的快速成 型技术（RPT）还可以归入激光加工门类，它是一项多 学科交叉多技术集成的先进制造技术，也是制造理论研 究成果中具有代表性的成果之一．
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１.２快速成形的主要工艺方法
1.2.2分层实体制造(Laminated Object Manufacturing--LOM)
也称薄形材料选择性切割．它根据三维模型每一个截面的轮廓线．在计算 机的控制下，用CO2激光束对薄形材料(如底面涂胶的纸)进行切割，逐步 得到各层截面，并黏结在一起，形成三维产品，如图所示．这种方法适合 成形大．中型零件，翘曲变形小，成形时间较短，但尺寸精度不高，材料 浪费大，且清除废料困难．
第二章 快速模具制造技术概要
2.1快速模具制造技术的概念
第一章 快速成型原理及方法概要
１.２快速成形的主要工艺方法
1.2.5三维打印(Three-Dimensional Printing---3D-P)
三维打印也称粉末材料选择性粘结，如图1-7所示。喷头在计算机的控制 下，按照截面轮廓的信息，在铺好的一层粉末材料上，有选择性地喷射 粘结剂，使部分粉末粘结，形成截面层。一层完成后，工作台下降一个 层厚，铺粉，喷粘结剂，再进行后一层的粘结，如此循环形成三维产品 。粘结得到的制件要置于加热炉中，作进一步的固化或烧结，以提高粘 结强度。
第一章 快速成型原理及方法概要
１.２快速成形的主要工艺方法
1.2.8变长线扫描SLS RPT 1.2.9高功率激光二极管线阵能量源SLS RPT
第一章 快速成型原理及方法概要
1.3 RPT的现状和发展方向
RPT是当今世界上发展最迅速的先进制造技术之一， 在短短十几年的时间里，从只有一家公司的一台设备 （1988年第一台商业化成形机问世）发展到数百家机 构从事成形设备、工艺和相关材料的研究开发，成批 的加工中心面向社会承揽来图加工服务，更多的企业 利用RPT直接为生产和新产品开发服务。美国在这一领 域一直处于领先地位，而欧洲、日本和中国在RPT上也 取得了长足的进步。
中北大学（原华北工学院）对SLS的研究取得了重 大突破，研制成功线扫描SLS设备，提高了成形效率和 质量。该项成果具有自主知识产权，技术达国际先进水 平。
第一章 快速成型原理及方法概要
1.3 RPT的现状和发展方向
该校开发的点扫描SLS设备，具有光斑尺寸小（直径 0.3mm）、加工精度高等特点，技术达到国内领先水平 。同时自主开发的蜡粉、PS粉等成形材料性能也好于 国内同类产品，已获得较好的产业化成果。