快速成型技术概述-天津大学研究生e-Learning平台.DOC

快速成型技术概述 芮 建 天津大学机械学院机械制造及其自动化专业2013级硕士生 摘要：介绍了快速成型技术的基本原理；对立体光固化( SLA)、熔融沉积( FDM)、选择性激光烧结( SLS)和分层实体制造( LOM) 这四种成型方法的工作原理和材料选择详细介绍；还介绍了快速成型的应用情况及其未来的发展方向。 关键词：快速成型 基本原理 应用 1 前言* 快速成型( Rapid Prototyping，RP) 技术是20世纪80年代后期发展起来的一种新型制造技术，集CAD/ CAM技术激光加工技术数控技术和新材料等技术领域的必威体育精装版成果于一体，被认为是近20年制造技术领域的一次重大突破，其对制造业的影响可与数控技术的出现相比。快速成型技术的巨大优点极其发展速度已经引起各国政府的高度重视，国内外众多科研机构和大学都在进行相关方面的研究。随着计算机技术的快速发展和三维CAD软件应用的不断推广，越来越多的产品基于三维CAD设计开发，使得快速成型技术的广泛应用成为可能。快速成型技术已经广泛应用于航空、汽车、医疗、电子家电、玩具、军事装备、工业造型( 雕刻)、建筑模型等领域。 2 快速成型技术的基本原理 快速成型是由三维转换成二维( 离散化)，再由二维累积到三维 ( 材料堆积) 的工作过程。相比于切削加工( 车铣刨磨) 的材料去除加工方法，和热成型加工( 铸造锻压) 的等量材料加工方法，快速成型是一种材料累加的加工成型方法。 快速成型的核心思想可概括为质量单元的形成和有序堆积的实现。从成型角度来看，零件可视为点或面的叠加，其主要成型过程可概括为以下四步： (1) 由CAD软件设计出零件的三维曲面或实体模型，也可通过逆向工程获取实物的三维信息，反求三维模型； ( 2) 对零件的CAD数据进行数据转换，将三维模型近似处理为STL格式文件，根据工艺要求，把STL格式的三维模型按一定厚度进行分层处理，得到零件的二维截面数据； ( 3) 根据每一层的截面数据，以特定的成型方法生成与该层截面形状一致的薄片，反复进行这一过程并逐层累加，直到完成整个零件； ( 4) 后处理，如去除支撑部分表面、抛光光固化成型的后固化等，快速成型技术体系如图1所示。 图1 快速成型技术体系 3 快速成型工艺方法 目前，发展较为成熟的快速成型工艺有立体光固化(SLA)、熔 融 沉 积(FDM)、选择性激光烧结(SLS) 以及分层实体制造(LOM)。本文对这四种快速成型工艺的工作原理做一简要概述。 3.1 立体光固化工作原理 树脂槽中注满成型用光敏树脂，激光器按给定的零件各分层截面的信息，对截面进行扫描，被扫描区域的光敏树脂发生光聚合反应而固化，一层固化完毕后，工作台下降，在涂覆机构( 刮板) 的配合下，在原先已固化的树脂表面上均匀地涂覆上一层新的液态树脂，激光束对新一层树脂进行扫描固化，使新固化的一层牢固地粘合在前一固化层上。 重复以上步骤，直至零件制作完毕。使工作台上升，取出工件进行清洗后固化以及表面光洁处理后即可，最终完成零件的制作对要求较高的模型还需进行喷砂处理。SLA工作原理及系统组成如图2所示。 图2 立体光固化工作原理 光固化成型原理要求其选用的材料具有较低的粘性和较小的固化收缩性，目前常用的树脂有丙烯酸树脂和环氧树脂。SLA复合材料是SLA材料研究热点之一。光固化树脂中加入纳米陶瓷粉末短纤维等，可改变材料强度耐热性能等。 3.2 熔融沉积工作原理 与立体光固化分层实体制造和选择性激光烧结三种成型方法相比，熔融沉积不依靠激光作为能量来源，而是一种将热塑性丝材经固态－液态－固态两次相变加工成型方法，丝材由供丝机构送进喷头，在喷头中加热至熔融态，熔融态材料从喷头中挤出，按计算机给出的二维截面信息，随加热喷头的运动，选择性进行涂覆一层完成后，喷头上升一个层高( 或工作台下降一个层高)，再进行下一层的涂覆。如此循环，最终形成三维零件。其成型原理如图3所示。由于层间连结强度较差，FDM法成型件的机械性能还有待提高。 图3 熔融沉积工作原理 FDM成型工艺所用材料为热塑性材料，按材料成型过程中的状态变化可分为丝材( ABS塑料丝尼龙丝等) 和熔融材料( 蜡塑料等)。 成型过程的液固相变要求FDM材料具有良好的化学稳定性、较小的收缩性和粘结强度制。作过程中使用两种材料：沉积实体部分的成型材料和沉积空腔或悬臂部分的支撑材料，可分别由两个喷头供给。 3.3 选择性激光烧结工作原理 在开始加工之前，先对成型室进行预热成型时，送料筒上升，铺粉滚筒移动，在工作平台上铺一层粉末材料，根据计算机给定的三维模型的截面信息，激光束选择性地烧结粉末材料，使粉末熔化并相互黏结，进而形成一层固体截面，未烧结的粉末可作为下一层的自然支撑，第一层烧结完成后，工作台下降一截面层高度，