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第二章快速成形技术第1页，本讲稿共36页第十二章 快速成形技术特点：可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件。产品设计进行快速评估、修改及功能试验，大大缩短了产品的研制周期。快速工装模具制造、快速精铸技术则可实现零件的快速制造。增材加工法 综合了机械工程、CAD、数控技术、激光技术和材料科学技术。第2页，本讲稿共36页第十二章 快速成形技术代表性的工艺和种类：20多种，众多的快速成形工艺中，具有代表性的工艺是：光敏树脂液相固化成形 选择性粉末烧结成形 薄片分层叠加成形 熔丝堆积成形 等4种。第3页，本讲稿共36页第十二章 快速成形技术 第一节光敏树脂液相固化成形 第二节 选择性激光粉末烧结成形 第三节 薄片分层叠加成形第四节 熔丝堆积成形 第4页，本讲稿共36页第一节光敏树脂液相固化成形 光敏树脂液相固化成形(SLStereolithography)又称光固化立体造型或立体光刻。产生和发展：由Charles Hul发明并于1984年获美国专利。1988年美国3D系统公司推出商品化的世界上第一台快速原型成形机。SL方法是目前RP技术领域中研究得最多的方法，也是技术上最为成熟的方法。目前，SLA系列成形机占据着RP设备市场较大的份额。第5页，本讲稿共36页第一节光敏树脂液相固化成形 光敏树脂液相固化成形SL工艺原理 SL工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。液态材料在一定波长(=325nm)和功率(P=30mW)的紫外激光的照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。加工：零件分层(层高约0.1mm)分层固化整个零件固化完三维实体原型 分层固化：液态光敏树脂激光束扫描液体固化（逐点扫描逐点固化）一层液态树脂固化完下一层液态树脂逐点扫描逐点固化固化完第6页，本讲稿共36页第一节光敏树脂液相固化成形 第7页，本讲稿共36页第一节光敏树脂液相固化成形 特点和成形材料 特点：精度较高、表面质量好 精度能达到或小于0.1mm 原材料利用率将近100 能制造形状特别复杂(如空心零件)、特别精细(如 首饰、工艺品等)的零件 制作出来的原型件，可快速翻制各种模具。第8页，本讲稿共36页第一节光敏树脂液相固化成形 成形材料：SL工艺的成形材料称为光固化树脂(或称光敏树脂)主要包括：齐聚物 反应性稀释剂 光引发剂 根据引发剂的引发机理，光固化树脂可以分为三类：自由基光固化树脂 阳离子光固化树脂 混杂型光固化树脂 第9页，本讲稿共36页第一节光敏树脂液相固化成形SL光敏树脂液相固化成形设备和应用 设备组成：Z轴升降工作台 X、Y工作台 光学系统 控制系统 光敏树脂 华中科技大学清华大学西安交通大学第10页，本讲稿共36页第一节光敏树脂液相固化成形第11页，本讲稿共36页第一节光敏树脂液相固化成形第12页，本讲稿共36页第一节光敏树脂液相固化成形应用：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；可制造出有透明效果的制件；制作出来的原型件可快速翻制各种模具。硅橡胶模、金属冷喷模、陶瓷模、合金模、电铸模、环氧树 脂模和气化模。第13页，本讲稿共36页第二节 选择性激光粉末烧结成形选择性激光粉末烧结成形(SLSSelected Laser Sintering)工艺又称为选区激光烧结。产生和发展：1989年由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的CRDechard研制成 功。已被美国DTM公司商品化。选择性激光粉末烧结成形SLS工艺原理 SLS工艺是利用粉末材料(金属粉末或非金属粉末)在激光照射下烧 结的原理，在计算机控制下层层堆积成形。第14页，本讲稿共36页第二节 选择性激光粉末烧结成形 在工作台上均匀铺上一层很薄(0.10.2mm)的粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结完后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理便获得零件。C02激光器 第15页，本讲稿共36页第二节 选择性激光粉末烧结成形 特点和成形材料 SLS工艺的特点 材料适应面广。不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、石蜡等材料的零件。特别是可以直接制造金属零件。SLS工艺无需加支撑。没有被烧结的粉末起到了支撑的作用。可以烧结制造空心、多层 缕空的复杂零件。SLS烧结成形用的材料 蜡粉及高分子塑料粉 金属或陶瓷粉进行粘接或烧结 任何受热粘结的粉末都有被用作SLS原材料的可能性，原则上包括了塑料、陶瓷、金属粉末及它们的复合粉。第16页，本讲稿共36页第二节 选择性激光粉末烧结成形第17页，本讲稿共36页第二节 选择性激光粉末烧结成形金属粉末制取的主要两种雾化方式：离心雾化法 气体雾化法 雾化方法的原理：使金属熔融，高速将金属液滴甩出并急冷，随后形成粉末颗粒。为了提高原型的强度，用于SLS工艺材料的研究转向金属和陶瓷，这正是SLS工艺优越于SL、LOM工艺之处。SLS工艺还可以采用其他粉末，比如聚碳酸酯粉末，当烧结环境温度控制在聚碳酸酯软化点附近时，其线胀系数较小，进行激光烧结后，被烧结的聚碳酸酯材料翘曲较小，具有很好的工艺性能。第18页，本讲稿共36页第二节 选择性激光粉末烧结成形SLS选择性激光粉末烧结成形设备和应用设备 组成：机械结构 机架、工作平台、铺粉机构、两个活塞缸、集料箱、加热灯 和通风除尘装置。光路系统 激光器、反射镜、扩束聚焦系统、扫描器、光束合成器、指 示光源。控制系统 HRPS型系列激光粉末烧结系统：华中科技大学 AFS一300型激光快速成形机：清华大学第19页，本讲稿共36页第二节 选择性激光粉末烧结成形第20页，本讲稿共36页第二节 选择性激光粉末烧结成形第21页，本讲稿共36页第二节 选择性激光粉末烧结成形第22页，本讲稿共36页第二节 选择性激光粉末烧结成形应用：直接制作各种高分子粉末材料的功能件，用作结构验证和功能 测试，并可用于装配样机。制件可直接作精密铸造用的蜡模和砂型、型芯，制作出来的原型 件可快速翻制各种模具。硅橡胶模、金属冷喷模、陶瓷模、合金模、电铸模、环氧树脂 模和气化模等。第23页，本讲稿共36页第三节 薄片分层叠加成形 薄片分层叠加成形(LOMLaminated Object Manufacturing)工艺又称叠层实体制造分层实体制造纸片叠层法（因为常用纸作原料）产生和发展：1986年由美国Helisys公司研制成功，并推出商品化的机器。薄片分层叠加成形LOM工艺原理 LOM工艺采用薄片材料（如纸、塑料薄膜等）作为成形材料，片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，用CO2激光器(或刀)在计算机控制下按照CAD分层模型轨迹切割片材，然后通过热压辊热压，使当前层与下面已成形的工件层粘接，从而堆积成型。第24页，本讲稿共36页第三节 薄片分层叠加成形 用CO2激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格；激光切割完成后，工作台带动已成形的工件下降，与带状片材(料带)分离；供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域；工作台上升到加工平面；热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚；再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面切割、粘接完，得到三维的实体零件。第25页，本讲稿共36页第三节 薄片分层叠加成形 特点和成形材料 特点：易于制造大型、实体零件。LOM工艺只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。零件的精度较高(015mm)。无需加支撑。工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用。成形材料纸张较便宜，运行成本和设备投资较低。第26页，本讲稿共36页第三节 薄片分层叠加成形 成形材料：成卷的纸（常用）纸的一面事先涂覆一层热熔胶。1)对纸材的要求是应具有：抗湿性 稳定性 涂胶浸润性 抗拉强度2)对热熔胶的要求：应保证层与层之间的粘结强度。常用EVA热熔胶：由EVA树脂、增粘剂、蜡类和抗氧剂等组成。塑料薄膜作为成形材料（偶尔）。第27页，本讲稿共36页第三节 薄片分层叠加成形LOM分层叠加成形设备和应用设备组成：激光系统走纸机构X、Y扫描机构Z轴升降机构加热辊 等组成。应用：制作汽车发动机曲轴、连杆、各类箱体、盖板等零部件的原形样件。第28页，本讲稿共36页第三节 薄片分层叠加成形 第29页，本讲稿共36页第四节 熔丝堆积成形 熔丝堆积成形(FDMFused Deposition Modeling)工艺由美国学者DrScott Crump于1988年研制成功，并由美国Stratasys公司推出商品化的机器。熔丝堆积成形FDM工艺原理 FDM工艺是利用热塑性材料的热熔性、粘结性，在计算机控制下层层 堆积成型。第30页，本讲稿共36页第四节 熔丝堆积成形 材料先抽成丝状，通过送丝机构送进喷头，在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结，层层堆积成型。第31页，本讲稿共36页第四节 熔丝堆积成形特点和成形材料 特点：使用、维护简单，成本较低。用蜡成形的零件原型，可以直接用于失蜡铸造。用ABS工程塑料制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测 试与评估等方面得到广泛应用。成形材料：成形材料 支撑材料 成形材料是FDM工艺的基础，FDM工艺中使用的材料除成形材料 外还有支撑材料。第32页，本讲稿共36页第四节 熔丝堆积成形成形材料常用ABS工程塑料丝作为成形材料。要求：熔融温度低(80-120)粘度低粘结性好收缩率小。1)粘度：影响材料挤出过程的主要因素是粘度。材料的粘度低、流动性好，阻力就小，有助于材料顺利的挤出。2)流动性：材料的流动性差，需要很大的送丝压力才能挤出，会增加喷头的启停响应时间，从而影响成形精度。第33页，本讲稿共36页第四节 熔丝堆积成形3)熔融温度：熔融温度低对FDM工艺的好处是多方面的。熔融温度低可以使材料在较低的温度下挤出，有利于提高喷头和整个机械系统的寿命；可以减少材料在挤出前后的温差，减少热应力，从而提高原型的精度。4)粘结性：粘结性主要影响零件的强度。FDM工艺是基于分层制造的一种工艺，层与层之间往往是零件强度最薄弱的地方，粘结性好坏决定了零件成型以后的强度。粘结性过低，有时在成形过程中由于热应力就会造成层与层之间的开裂。5)收缩率：收缩率在很多方面影响零件的成形精度。支撑材料 支撑材料是加工中采取的辅助手段，在加工完毕后必须去除，所以支撑材料 与成形材料的亲和性不能太好。第34页，本讲稿共36页第四节 熔丝堆积成形FDM熔丝堆积成形设备和应用 设备组成 应用 用于成形具有很复杂的内腔、孔等零件。第35页，本讲稿共36页几种常用的RP快速成形工艺优缺点比较 第36页，本讲稿共36页