第八章快速成形技術快速成形技術一、快速成型原理二、快速成型設備

三、成形方法及步驟

四、快速成型的應用五、HRP制件展示

快速成形技術

RapidPrototypingTechnology1.1基本原理

1.2重要特征

1.3技術特點

1.4工藝分類RP技術是借助計算機輔助設計或由實體逆向方法取得原型或零件幾何形狀，進而以此建立數字化模型，再利用計算機控制的機電集成制造系統，逐點、逐面地進行材料“三維堆積”成型，再經過必要的后處理，使其在外觀、強度和性能等方面達到設計要求，達到快速、準確地制造原型或實際零件之方法。一、快速成型原理1.1快速成形技術的基本原理對STL文件切片處理CAD模型的近似處理三維CAD模型設計逐層制造

快速成形技術的本質是用材料堆積原理制造三維實體零件。它是將復雜的三維實體模型“切”（Spice）成設定厚度的一系列片層，從而變為簡單的二維圖形，層層疊加而成。原型制作流程圖三維CAD模型設計

在PC機或圖形工作站上用三維軟件

pro/E

UG

CATIA

等設計零件的三維CAD模型。

CAD模型的近似處理

用STL文件格式進行數據轉換，將三維實體表面用一系列相連的小三角形逼近，得到STL格式的三維近似模型文件。典型的

STL文件

對STL文件切片處理

切片是將模型以片層的方式來描述，片層的厚度通常在50μm～500μm之間；無論零件形狀多么復雜，對每一層來說卻是簡單的平面矢量掃描組（如圖），輪廓線代表了片層的邊界。逐層制造

用快速成型機制作每一層，自下而上層層疊加就成為三維實體，成型過程如圖所示。層層堆積原型件生成CLI文件生成NC指令STL文件表面處理強化工件剝離去支撐對STL文件進行處理CAD三維造型CAD造型軟件前處理監控軟件制造原型后處理數據處理工藝規劃軟件原型制作流程圖1.2快速成形技術的重要特征

離散堆積制造

分層制造

材料添加制造

直接CAD制造

實體自由成形制造

即時制造離散堆積制造

“離散堆積制造”是現代成形學理論中在對成形技術發展進行總結的基礎上提出的，表明了模型信息處理過程的離散性，強調了成形物理過程的材料堆積性，體現了快速成形技術的基本成形原理，具有較強的概括性和適應性。

分層制造

(LM,LayeredManufacturing)

“分層制造”將復雜的三維加工分解成一系列二維層片的加工，著重強調層作為制造單元的特點，每層可采取低一維單元進行累加成高維單元進行加工得到。

材料添加制造

(MIM，MaterialIncreseManufacturing)

“材料添加制造”將材料單元采用一定方式堆積、疊加成形，有別于車削等基于材料去除原理的傳統加工工藝。

直接CAD制造

(DCM，DirectCADManufacturing)

“直接CAD制造”使計算機中的CAD模型通過接口軟件直接驅動快速成形設備，接口軟件完成CAD數據向設備數控指令的轉化和成形過程的工藝規劃，成形設備則完成零件的三維輸出，實現了設計與制造一體化.實體自由成形制造

(SFF，SolidFreeformFabrication)

“實體自由成形制造”表明快速成形技術無需專用的模具或夾具，零件的形狀和結構可不受任何約束。RP工藝是用逐層變化的截面來制造三維形體，在制造每一層片時都和前一層自動實現聯接，使制造成本完全與批量無關，既增加了成形工藝的柔性，又節省了制造工裝和專用工具的成本。

即時制造

(InstantManufacturing)

“即時制造”反映了該技術的快速響應性。由于無需針對特定零件制定工藝規程，無需專用夾具和工具，快速成形技術制造一個零件的全過程遠遠短于傳統工藝過程，使得快速成形技術尤其適合于新產品的開發。1.3快速成型的技術特點

高度柔性技術的高度集成設計、制造一體化快速性高度柔性

RP技術最特出的特點就是柔性好，在計算機管理和控制下使所制造的零件的信息過程和物理過程并行發生，把可重編程、重組、連續改變的生產裝備用信息方式集成到一個制造系統中，使制造成本完全與批量無關。技術的高度集成RP技術是計算機、數控、激光、材料和機械等技術的綜合集成。CAD技術通過計算機進行精確的離散運算和繁雜的數據轉換，實現零件的曲面或實體造型，數控技術為高速精確的二維掃描提供必要的基礎，這又是以精確高效堆積材料為前提的，激光器件和功率控制技術使材料的固化、燒結、切割成為現實。快速掃描的高分辨率噴頭為材料精密堆積提供了技術保證。設計、制造一體化

在傳統的CAD/CAM技術中，復雜的CAPP一直是實現設計、制造一體化過程中比較難以克服的一個障礙。而快速成形技術突破了成形思想的局限性，采用了離散

堆積的加工工藝，避開了傳統的工藝規劃制定，使CAD和CAM能夠很順利地結合在一起，實現了設計制造一體化。

快速響應性

快速原型零件制造從CAD設計到原型

(或零件

)的加工完畢，只需幾個小時至幾十個小時，復雜、較大的零部件也可能達到幾百小時，但從總體上看，速度比傳統的成形方法要快得多。尤其適合于新產品的開發，RP技術已成為支持并行工程和快速反求設計及快速模具制造系統的重要技術之一。1.4主要工藝分類

SLA工藝

LOM工藝

SLS工藝

FDM工藝

3DP工藝

BPM工藝

工藝特點及常用材料光造型SLA工藝

StereolithographyApparatus

SLA技術是基于液態光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態材料在一定波長和強度的紫外光(如λ=325nm)的照射下能迅速發生光聚合反應,分子量急劇增大,材料也就從液態轉變成固態。SLA工作原理圖。SLA工作原理

液槽中盛滿液態光固化樹脂，激光束在偏轉鏡作用下，能在液態表面上掃描，掃描的軌跡及光線的有無均由計算機控制，光點打到的地方，液體就固化。

成型開始時，工作平臺在液面下一個確定的深度，聚焦后的光斑在液面上按計算機的指令逐點掃描，即逐點固化。當一層掃描完成后，未被照射的地方仍是液態樹脂。然后升降臺帶動平臺下降一層高度，已成型的層面上又布滿一層樹脂，刮平器將粘度較大的樹脂液面刮平，然后再進行下二層的掃描，新固化的一層牢固地粘在前一層上，如此重復直到整個零件制造完畢,得到一個三維實體模型。SLA成型過程分層實體制造LOM工藝

LaminatedObjectManufacturing

LOM工藝采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一層熱熔膠。加工時，熱壓輥熱壓片材，使之與下面已成形的工件粘接；用CO2激光器在剛粘接的新層上切割出零件截面輪廓和工件外框，并在截面輪廓與外框之間多余的區域內切割出上下對齊的網格；激光切割完成后，工作臺帶動已成形的工件下降，與帶狀片材(料帶)分離。LOM工作原理

供料機構轉動收料軸和供料軸，帶動料帶移動，使新層移到加工區域，工作臺上升到加工平面，熱壓輥熱壓，工件的層數增加一層，高度增加一個料厚，再在新層上切割截面輪廓。如此反復直至零件的所有截面粘接、切割完，得到分層制造的實體零件。LOM工藝只須在片材上切割出零件截面的輪廓，而不用掃描整個截面。因此成形厚壁零件的速度較快，易于制造大型零件。工藝過程中不存在材料相變，因此不易引起翹曲變形，零件的精度較高，小于0.15mm。工件外框與截面輪廓之間的多余材料在加工中起到了支撐作用，所以LOM工藝無需加支撐。LOM特點選擇性燒結SLS工藝

SelectiveLaserSintering

SLS工藝是利用粉末狀材料成形的。將材料粉末鋪灑在已成形零件的上表面，并刮平；用高強度的CO2激光器在剛鋪的新層上掃描出零件截面；材料粉末在高強度的激光照射下被燒結在一起，得到零件的截面，并與下面已成形的部分連接；當一層截面燒結完后，鋪上新的一層材料粉末，選擇地燒結下層截面(如圖)。SLS工作原理圖二、實驗設備MEM-300HRPS-III二、實驗設備2.1『基本組成』

2.2『硬

件』

2.3『軟

件』

2.4『技術參數』

HRPS-III2.1基本組成

計算機控制系統

主機

激光器冷卻器計算機控制系統

由高可靠性計算機、性能可靠的各種控制模塊、電機驅動單元、各種傳感器組成，配以HRPS‘2002軟件。該軟件用于三維圖形數據處理，加工過程的實時控制及模擬。主機該主機由六個基本單元組成：可升降工作缸、落粉桶、鋪平粉輥裝置、聚焦掃描單元、加熱裝置、機身與機殼。它主要完成系統的加工傳動功能。激光器冷卻器

由可調恒溫水冷卻器及外管路組成，用于冷卻激光器，提高激光能量穩定性，保護激光器。2.2硬

件

振鏡式動態聚焦系統（最大掃描速度為

4m/s，激光定位精度小于50um）；

CO2激光器配以全封閉恒溫水循環冷卻系統；

送粉系統及排煙除塵系統；

全封閉式的工作腔。2.3軟

件

HRPS’2002軟件具有以下功能：

1、切片模塊：具有HRPS-STL(基于STL文件)和HRPS-PDSLice（基于直接切片文件，由用戶選用）兩種模塊；

2、數據處理：具有STL文件識別及重新編碼，容錯及數據過濾切片，STL文件可視化，原型制作實時動態仿真等功能；

3、工藝規劃：具有多種材料燒結工藝模塊（包括燒結參數、掃描方式和成型方向等）；

4、安全監控：設備和燒結過程故障自診斷，故障自動停機保護。2.4技術參數三、成形方法及步驟3.1

HRPS-III制造步驟（SLS工藝）

3.2

MEM-300制造步驟（FDM工藝）3.1三層空心小球的制作步驟

1）用pro/E軟件繪制三層空心小球的三維CAD模型，并輸出小球的STL格式文件；

2）快速成型機開機，輸入小球的STL文件。點開激光、振鏡和風扇。將粉桶內的粉末裝滿，來回運動鋪粉滾筒將粉層鋪平、鋪勻；

3)將粉末預熱，中缸溫度達到95度，左右兩缸溫度達到85度，預熱90分鐘；設置激光功率50%，掃描速度2000mm/s，單層厚度0.15，掃描間距0.2。4)點擊“多層制造”,燒結完成后將激光、振鏡、風扇關閉，并保持小球在成型艙內緩慢冷卻到室溫。后處理步驟1）小球完全冷卻后取出，用刷子和鼓風機將殘余粉末清除干凈；2）將小球放在干燥箱內干燥30分鐘，干燥箱溫度設為40度；3）配置環氧樹脂溶膠，具體配方為E-42環氧樹脂a克，二乙烯三胺a*(103.17/5)*0.42克，稀釋劑a*0.3克；4）將混合物攪拌均勻，用小刷子蘸取溶膠均勻的涂敷在小球上，保證小球被滲透，涂敷完全；5）將小球放在空氣中20分鐘，然后將小球放入干燥箱內30分鐘，干燥箱溫度設置為100度；6）從干燥箱內取出小球，在空氣中緩慢冷卻，結束。3.2熔融沉積制造FDM工藝

FusedDepostionModeling

FDM的材料一般是熱塑性材料，如蠟、ABS、尼龍等。以絲狀供料。材料在噴頭內被加熱熔化。噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出；材料迅速凝固，并與周圍的材料凝結(如圖)。3.2.1FDM工作原理

系統及運行成本：

FDM工藝無需其他快速成形系統中昂貴的關鍵部件－激光器，故MEM快速成形系統成本較低；成形材料相對其他快速成形系統價格低廉；MEM原型特有空隙結構，節約材料與成形時間。

后處理：原型后處理簡單，方便。工藝適用范圍：

FDM工藝適用于薄殼體零件及微小零件，如電器外殼、手機外殼、玩具等，都是現代社會比較實用流行的用品；而且原型強度比較好，近似于實際零件，可以作為概念型直接驗證設計。3.2.2

FDM特點3.2.3實驗設備(MEM-300)1）主要參數2)機械結構3）控制原理

MEM-300系統配置主機操作系統Windows98、2K、XP工藝MEM---熔融擠壓成形材料ABS掃描速度0-80mm/s成形空間350mm(長)×350mm(寬)×350mm(高)精度±0.2mm/100mm電源4KW,200-240VAC,50/60Hz主機尺寸900mm(長)×1200mm(寬)×1800mm(高)重量約500公斤1）主要參數MEM－300XY掃描系統

MEM-300Z向結構

2）機械結構

數控系統加熱及溫控系統噴頭及送絲機構XYZ掃描運動系統系統主框架3）控制原理

控制機構MEM系統運動近控制單元材料供給單元環境營造單元X軸定位Y軸定位Z軸定位環境加熱堆積頭材料預熱、送進材料加熱、擠出

MEM-350控制系統由兩部分組成：運動控制系統和溫度控制系統。在系統中，計算機（PC）通過數控卡控制XYZ掃描運動系統，噴頭及送絲機構也通過數控卡進行控制。

控制系統原理圖控制原理數控卡：采用美國Deltau公司PC104總線四軸運動控制卡－PMAC2。數控卡主要完成對XYZ軸電機，噴頭等的運動控制以及系統的檢測。運動系統：X和Y運動單元由伺服控制器、AC伺服驅動器、AC伺服電機和傳動導向機構四部分構成。Z向運動單元由步進控制器、直流步進驅動器、步進電機和傳動導向機構四部分構成。噴頭壓力控制系統由步進電機及傳動部件構成。溫控系統：溫控系統由加熱器，溫度傳感器和智能溫度控制表組成。溫度控制精度為±2℃。3.2.4

FDM實驗方法及步驟（一）數據準備（二）制造原型

1、成形準備工作

2、造型

（三）后處理（一）數據準備1、零件三維CAD造型，生成STL文件（使用Pro/E、UG、SolidWorks、AutoCAD2000軟件）2、選擇成型方向，添加支撐結構（使用Daphne數據處理軟件）3、參數設置（分層厚度0.15mm,偏置半徑0.2mm,填充間距0.5mm等）4、對STL文件進行分層處理，生成CLI文件（使用Daphne數據處理軟件）5、退出Daphne數據處理軟件系統二、制造原型

（1）打開電源、計算機。（2）材料及成形室預熱，以50℃為一升溫梯度，將成型材料逐步升溫至248℃；以10℃為一升溫梯度，將成型室溫度逐步升溫至55℃（3）運行Cark控制軟件，讀出CLI文件。對數控系統初始化。（4）擠絲,材料溫度到達248℃后，按下“噴絲”按鈕，將噴頭中老化的絲材吐完，直至ABS絲光滑。（5)工作臺水平校準用控制面板上的軟按鈕移動噴頭至工作臺的支承處，用調量塊通過調平螺母調節高度。（6）工作臺高度校準將噴頭移動到工作臺中部，上升工作臺，使之上表面接近噴嘴微調工作臺，使之間隙大約為0.1毫米，完成高度校準。成形準備工作造型（1）設定參數

（2）輸入起始層和結束層的層數。單擊“Start”，系統開始估算造型時間。接著系統開始掃描成型原型。（估算造型時間應放在底板對高前，以免噴頭烤到底板）（三）、后處理

后處理包括設備降溫、零件保溫、去除支撐、表面處理等步驟。（1）設備降溫原型制作完畢后，如不繼續造型。即可將系統關閉，為使系統充分冷卻，至少于10分鐘后再關閉散熱按鈕和總開關按鈕。（2）零件保溫

零件加工完畢，下降工作臺，將原型留在成形室內，薄壁零件保溫15~20分鐘大型零件20～30分鐘，過早取出零件會出現應力變形。（3）模型后處理用小鏟子小心取出原型。去除支撐，避免破壞零件。用砂紙打磨臺階效應比較明顯處。用小刀處理多余部分。用填補液處理臺階效應造成的缺陷。如需要可用少量丙酮溶液把原型表面上光

三維印刷3DP工藝

ThreeDimensionPrinting

3DP工藝與SLS工藝類似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金屬粉末。所不同的是材料粉末不是通過燒結連接起來的，而是通過噴頭用粘接劑（如硅膠）將零件的截面“印刷”在材料粉末上面（如圖）。用粘接劑粘接的零件強度較低，還須后處理。先燒掉粘接劑，然后在高溫下滲入金屬，使零件致密化。提高強度。3DP工作原理彈道微粒制造BPM工藝

BallisticParticleManufacturing

它用一個壓電噴射(頭)系統來沉積熔化了的熱塑性塑料的微小顆粒(如圖)。BPM的噴頭安裝在一個5軸的運動機構上，對于零件中懸臂部分，可以不加支撐。而“不聯通”的部分還要加支撐。

BPM工作原理典型的RP技術特點及常用材料四、快速成形技術的應用

用于新產品的設計與試制。產品設計中的實際裝配確認產品的性能分析與實驗快速制模及快速鑄造醫療中的快速成形技術三維復制RP在產品開發上的重要性CAID應用:

工業設計師在短時間內得到精確的原型與業者作造形研討機構設計應用:

進行干涉驗證，及提早發現設計錯誤以減少后面模具修改工作CAE功效:

快速模具技術以功能性材料制作功能性模具，以進行產品功能性測試與研討快速模具(RapidTooling)應用:

快速翻制暫用模具或永久模具，做少量生產或量產

RP在產品開發上的重要性

視覺效果(visualization)

設計人員能在短時間之內便能看到設計的雛型，可作為進一步研發的基石設計確認(verification):

可在短時間內即可完成原型的制作，使設計人員有充分的時間對于設計的產品做詳細的檢證復制于最佳化設計(iteration&optimization)

可一次制作多個元件，可使每個元件針對不同的設計要求同時進行測試的工作，以在最短時間內完成設計的最佳化直接生產(fabrication):

直接生產小型工具，或作為翻模工具快速原型的經濟效益

以縮短產品加工時間

增加使構想具體化能力

降低原型生產周期

降低設計錯誤的發生及所花費成本

增加在設計過程中了解產品機械特性的

能力RP技術在產品設計和制造中的作用觀感評價銷售模型功能測試CAD數據檢查裝配校核可制造性檢查（一）快速原型模型實例1轎車車燈模型實例2電話機外殼模型實例3皮鞋底（二）模具制造注射模具硅橡膠模樹脂型復合模沖壓模具消失模陶瓷型精鑄模

模具實例1手機外殼橡膠模

模具實例2拐頭樹脂型復合模模具實例3電子產品注射模（三）模型制造醫學模型藝術模型生物模型模型制作實例1CT掃描股骨模型模型制作實例2藝術模型工程應用實例概念模型視覺造型組裝驗證與最佳化功能測試小批量制造快速模具科學應用實例古生物學模型生物模型考古研究模型醫學應用實例人工骨頭制作手術規劃齒模制作義耳制作五、HRP制件展示