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快速成型技术及其应用

电气信息工程学院
电气工程及其自动化06-1
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快速成型技术是20世纪80年代中后期发展起来的、观念全新的现代制造技术。这门崭新的技术不仅在成型方法上开辟了与传统方法截然不同的思路,而且为产品开发提供了一套新的流程,对传统制造业组织结构产生了冲击。快速成型技术是继数控技术之后制造业的又一次重大革命。
与传统的去除成形不同,快速成型技术是一种离散堆积的成形过程。这种加工过程可分为前期数据处理和物理实现,在离散过程中,将三维形体的CAD模型沿一定方向分解,得到一系列截面数据,再根据各自具体的工艺要求,获得控制成形头运动的轨迹;在堆积过程中,成形头在运动轨迹的控制下,加工出层片,并将层片与层片堆积!连接,重复上述2个过程,加工出零件
快速成型的特点(1)快速性通过STL格式文件,RPM系统几乎可以与所有的CAD造型系统无缝连接,从CAD模型到完成原型制作通常只需几小时到几十小时。(2)高度柔性快速成型系统是真正的数字化制造系统,它取消了工装夹具,系统不作任何改变和调整即可完成不同类型的零件的加工制作,特别适合新品开发或单件小批量生产。(3)与复杂程度无关性零件制造周期和制造成本与零件的形状和复杂度无关,而只与其净体积有关。(4)高度集成化用重复的三维扫描成型复杂的三维零件,避免了数控加工的复杂编程步骤。从而实现高度自动化和程序化。
选择性激光烧结(SLS)SLS法是采用滚筒将粉末铺撒成薄薄的一层,用红外板将粉末预热至稍低于熔点温度,然后用计算机控制激光束按原型或零件的截面形状扫描平台上的粉末.激光束扫描所到之处,粉末被烧结形成物理模型的组成部分.升降工作台一个层厚,用滚筒在已烧结层上再铺撒一层粉末,用激光束扫描烧结.依次重复逐层烧结直至形成完整原型.烧结粉末可以是塑料、金属!陶瓷、蜡粉及其复合物等。SLS法特点是可用材料多,制造工艺简单,高精度,低成本.
熔融沉积成型(FDM)FDM法采用热熔喷头,使半流动状态的材料按CAD分层数据控制的路径挤压并沉积在指定的位置凝固成型,逐层沉积凝固后形成物理原型.去除支撑!底托等即可得到原型零件.FDM法工作原理如图4所示.两个喷头中一个用于挤出成型材料,另一个用于挤出支撑材料.支撑的作用是支撑原型悬空部分,使原型不至于因自重而变形.RPM技术既可用于产品的概念设计!功能测试等方面,又可直接用于工件设计!模具设计和制造等领域.RPM技术在模具、家电、汽车、航空航天、医疗、建筑、工艺品制作以及玩具等行业得到了广泛的应用。
FDM
丝状材料选择性熔覆.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室，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大约0.127mm厚的薄片轮廓。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，可采用加码射线消毒，特别适用于医用。
FDM快速原型技术的优点是：
1、操作环境干净、安全可在办公室环境下进行。
2、工艺干净、简单、易于材作且不产生垃圾。
3、尺寸精度较高，表面质量较好，易于装配。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、材料利用率高。
6、可选用多种材料，如可染色的ABS和医用ABS、PC、PPSF等。
SLA
敏树脂选择性固化是采用立体雕刻原理的一种工艺，简称SLA，也是最早出现的、技术最成熟和应用最广泛的快速原型技术。
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，知道整个产品成型完毕。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原