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四大快速成型工艺和优缺点


四大快速成型工艺和优缺点 目前世界上的快速成型工艺主要有以下几种: 一、FDM –熔融堆积工艺 丝状材料选择性熔覆(Fused Deposition Modeling)快速原型工艺是一种不依靠激光作为成型能源、而将各 种丝材加热溶化的成型方法,简称 FDM。 丝状材料选择性熔覆的原理是,加热喷头在计算机的控制下,根据产品零件的截面轮廓信息,作 X-Y 平面 运动。热塑性丝状材料(

如直径为 1.78mm 的塑料丝)由供丝机构送至喷头,并在喷头中加热和溶化成半 液态,然后被挤压出来,有选择性的涂覆在工作台上,快速冷却后形成一层薄片轮廓。一层截面成型完成 后工作台下降一定高度,再进行下一层的熔覆,好像一层层"画出"截面轮廓,如此循环,最终形成三维产 品零件。 这种工艺方法同样有多种材料选用,如 ABS 塑料、浇铸用蜡、人造橡胶等。这种工艺干净,易于操作,不 产生垃圾,小型系统可用于办公环境,没有产生毒气和化学污染的危险。但仍需对整个截面进行扫描涂覆, 成型时间长。适合于产品设计的概念建模以及产品的形状及功能测试。由于甲基丙烯酸 ABS(MABS)材 料具有较好的化学稳定性,可采用伽马射线消毒,特别适用于医用。但成型精度相对较低,不适合于制作 结构过分复杂的零件。 FDM 快速成型技术的优点是: 1、 制造系统可用于办公环境,没有毒气或化学物质的危险。 2、 工艺干净、简单、易于材作且不产生垃圾。 3、 可快速构建瓶状或中空零件。 4、 原材料以卷轴丝的形式提供,易于搬运和快速更换。 5、可选用多种材料,如可染色的 ABS 和医用 ABS、浇铸用蜡和人造橡胶。 FDM 快速原型技术的缺点是: 1、 精度较低,难以构建结构复杂的零件。 2、 垂直方向强度小。 3、 速度较慢,不适合构建大型零件。

二、SLA –树脂光固化工艺 光敏树脂选择性固化是采用立体雕刻(Stereolithography)原理的一种工艺,简称 SLA,也是最早出现的、 技术最成熟和应用最广泛的快速成型技术。 在树脂液槽中盛满液态光敏树脂,它在紫外激光束的照射下会快速固化。成型过程开始时,可升降的工作 台处于液面下一个截面层厚的高度,聚焦后的激光束,在计算机的控制下,按照截面轮廓的要求,沿液面 进行扫描,使被扫描区域的树脂固化,从而得到该截面轮廓的塑料薄片。然后,工作台下降一层薄片的高 度,以固化的塑料薄片就被一层新的液态树脂所覆盖,以便进行第二层激光扫描固化,新固化的一层牢固

的粘结在前一层上,如此重复不已,直到整个产品成型完毕。最后升降台升出液体树脂表面,即可取出工 件,进行清洗和表面光洁处理。 光敏树脂选择性固化快速成型技术适合于制作中小形工件,能直接得到塑料产品。主要用于概念模型的原 型制作,或用来做装配检验和工艺规划。它还能代替腊模制作浇铸模具,以及作为金属喷涂模、环氧树脂 模和其他软模的母模,使目前较为成熟的快速原型工艺。 SLA 快速原型技术的优点是: 1、 系统工作稳定。系统一旦开始工作,构建零件的全过程完全自动运行,无需专人看管,直到整个工艺 过程结束。 2、 尺寸精度较高,可确保工件的尺寸精度在 0.1mm 以内。 3、 表面质量较好,工件的最上层表面很光滑,侧面可能有台阶不平及不同层面间的曲面不平。 4、 系统分辨率较高,因此能构建复杂结构的工件。 SLA 快速原型的技术缺点: 1、 随着时间推移,树脂会吸收空气中的水分,导致软薄部分的弯曲和卷翅。 2、 氦-镉激光管的寿命仅 3000 小时,价格较昂贵。同时需对整个截面进行扫描固化,成型时间较长,因 此制作成本相对较高。 3、 可选择的材料种类有限,必须是光敏树脂。由这类树脂制成的工件在大多数情况下都不能进行耐久性 和热性能试验,且光敏树脂对环境有污染,使皮肤过敏。 4、 需要设计工件的支撑结构,以便确保在成型过程中制作的每一个结构部位都能可靠定位。 5、光敏树脂的价格较高。

三、SLS –粉末激光烧结工艺 粉末材料选择性烧结(Selected Laser Sintering)是一种快速成型工艺,简称 SLS。粉末材料选择性烧结 采用二氧化碳激光器对粉末材料(塑料粉、陶瓷与粘结剂的混合粉、金属与粘结剂的混合粉等)进行选择 性烧结,是一种由离散点一层层堆积成三维实体的工艺方法。 在开始加工之前,先将充有氮气的工作室升温,并保持在粉末的熔点以下。成型时,送料筒上升,铺粉滚 筒移动,先在工作平台上铺一层粉末材料,然后激光束在计算机控制下按照截面轮廓对实心部分所在的粉 末进行烧结,使粉末溶化继而形成一层固体轮廓。第一层烧结完成后,工作台下降一截面层的高度,再铺 上一层粉末,进行下一层烧结,如此循环,形成三维的原型零件。最后经过 5-10 小时冷却,即可从粉末缸 中取出零件。未经烧结的粉末能承托正在烧结的工件,当烧结工序完成后,取出零件。 粉末材料选择性烧结工艺适合成型中小件,能直接得到塑料、陶瓷或金属零件,零件的翘曲变形比液态光 敏树脂选择性固化工艺要小。但这种工艺仍需对整个截面进行扫描和烧结,加上工作室需要升温和冷却, 成型时间较长。此外,由于受到粉末颗粒大小及激光点的限制,零件的表面一般呈多孔性。在烧结陶瓷、 金属与粘结剂的混合粉并得到原型零件后,须将它置于加热炉中,烧掉其中的粘结剂,并在孔隙中渗入填 充物,其后处理复杂。 粉末材料选择性烧结快速成型工艺适合于产品设计的可视化表现和制作功能测试零件。由于它可采用各种 不同成分的金属粉末进行烧结、进行渗铜等后处理,因而其制成的产品可具有与金属零件相近的机械性能, 故可用于制作 EDM 电极、直接制造金属模以及进行小批量零件生产。 SLS 快速成型技术的优点是:

1、 与其他工艺相比,能生产最硬的模具。 2、 可以采用多种原料,例如绝大多数工程用塑料、蜡、金属、陶瓷等。 3、 零件的构建时间短,可达到 1in/h 高度。 4、 无需对零件进行后矫正。 5、 无需设计和构造支撑。 选择性烧结的最大优点是可选用多种材料,适合不同的用途、所制作的原型产品具有较高的硬度,可进行 功能试验。 SLS 快速原型技术缺点是: 1、 在加工前,要花近 2 小时的时间将粉末加热到熔点以下,当零件构建之后,还要花 5-10 小时冷却, 然 后才能将零件从粉末缸中取出。 2、 表面的粗糙度受到粉末颗粒大小及激光点的限制。 3、 零件的表面一般是多孔性的,为了使表面光滑必须进行后处理。 4、 需要对加工室不断充氮气以确保烧结过程的安全性,加工的成本高。 5、 该工艺产生有毒气体,污染环境。

四、LOM –薄材叠层实体制造工艺 薄材叠层实体制作(Laminated Object Manufacturing)快速成型技术是薄片材料叠加工艺,简称 LOM。 薄材叠层实体制作是根据三维 CAD 模型每个截面的轮廓线,在计算机控制下,发出控制切割系统的指令, 使切割头作 X 和 Y 方向的移动。供料机构将涂有热溶胶的薄材(如涂覆纸、涂覆陶瓷箔、金属箔、塑料薄 材)一段段的送至工作台的上方。切割系统按照计算机提取的横截面轮廓用激光束或其他切割头对薄材沿 轮廓线将工作台上的打印材料割出轮廓线,然后,由热压机构将一层层打印材料压紧并粘合在一起。可升 降工作台支撑正在成型的工件,并在每层成型之后,降低一个打印材料层厚,以便送进、粘合和切割新的 一层打印材料。最后形成由许多小废料块包围的三维原型零件。然后取出,将多余的废料小块剔除,最终 获得三维产品。 叠层实体制作快速成型工艺适合制作大中小型原型件,翘曲无变形,尺寸精度较高,成型时间较短,使用 寿命长,制成件有良好的机械性能,适合于产品设计的概念建模验证和功能性测试零件。 LOM 快速原型技术的优点是: 1、 由于只需要使切割头沿着物体的轮廓进行切割,无需扫描整个断面,所以这是一个高速的快速原型工 艺。零件体积越大,效率越高。 2、 加工后零件可以直接使用,无需进行后矫正。 3、 无需设计和构建支撑结构。 4、 易于使用,无环境污染。 LOM 快速原型技术的缺点是: 1、 可实际应用的原材料种类较少,目前常用的只是纸和 PVC 塑料,其他薄材正在研制开发中。 2、 去除多余的废料相对比较繁琐,因此在打印前要设置好模型剥除切口。

快速成型技术的原理、工艺过程 成型技术是近 20 年来制造领域中一个革命性的技术突破,它不仅在制造原理上与传统方法迥然不同,更重 要的是当前新产品开发是以市场反应为第一晴雨表,产品竞争越来越激烈,应用 RP 技术就可以在不开模 具的前提下,迅速可以得到产品原型,快速响应市场。并且缩短产品开发周期,降低开发成本。 快速成型属于离散/堆积成型,它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,按照这些轮廓信息自动生成加工路径,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,并逐步顺序叠加成三维坯件.然 后进行坯件的后处理,形成零件。 快速成型的工艺过程具体如下: l )产品三维模型的构建。由于 RP 系统是由三维 CAD 模型直接驱动,因此首先要构建所加工工件的三 维 CAD 模型。该三维 CAD 模型可以利用计算机辅助设计软件(如 Pro/E , I-DEAS , Solid Works , UG 等)直接构建,也可以将已有产 品的二维图样进行转换而形成三维模型,或对产品实体进行激光扫描、三维反求、 CT 断层扫描,得到点 云数据,然后利用反求工程的方法来构造三维模型。 2 )三维模型的近似处理。由于产品往往有一些不规则的自由曲面,加工前要对模型进行近似处理,以方 便后续的数据处理工作。由于 STL 格式文件格式简单、实用,目前已经成为快速成型领域的准标准接口文 件。 它是用一系列的小三角形平面来逼近原来的模型, 每个小三角形用 3 个顶点坐标和一个法向量来描述, 三角形的大小可以根据精度要求进行选择。 STL 文件有二进制码和 ASCll 码两种输出形式, 二进制码输出形式所占的空间比 ASCII 码输出形式的文 件所占用的空间小得多, 但 ASCII 码输出形式可以阅读和检查。 很多 CAD 软件都带有转换和输出 STL 格 式文件的功能。 3 )三维模型的切片处理。根据被加工模型的特征选择合适的加工方向,在成型高度方向上用一系列一定 间隔的平面切割近似后的模型,以便提取截面的轮廓信息。间隔一般取 0.05mm~0.5mm, 常用 0.1mm 。 间隔越小,成型精度越高,但成型时间也越长,效率就越低,反之则精度低,但效率高。 4 )成型加工和模型精度。根据模型文件切片处理的截面轮廓,在计算机控制下,相应的成型头(激光头、 喷头或切割刀)按各截面轮廓信息做扫描运动,在工作台上一层一层地堆积材料,然后将各层相粘结,最 终得到原型产品。 5 )成型零件的后处理。不同的成型工艺,其后处理复杂与简单程度不同。有的成型工艺需要从成型系统 里取出成型件后,再次进行打磨、抛光和繁杂的二次固化以及去除支撑材料等,或放在高温炉中进行后烧 结,进一步提高其强度, 如 SLA。 有的成型工艺则只需要很简单的后处理, 无需打磨和二次固化 (如 LOM) 等。


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