1、第4章 3D打印技术打印技术4.2 3D打印过程打印过程4.1 3D打印技术的产生和发展打印技术的产生和发展4.3 3D打印技术打印技术简介简介 4.3.1 光固化成型技术（光固化成型技术（SLA） 4.3.2 选择性激光烧结技术（选择性激光烧结技术（SLS） 4.3.3 熔融沉积快速成型技术（熔融沉积快速成型技术（FDM） 4.3.4 薄材叠层制造成型技术（薄材叠层制造成型技术（LOM） 快速成型技术产生的背景快速成型技术产生的背景全球制造战略的变迁全球制造战略的变迁 全球制造业企业的整体发展战略已经从上世纪全球制造业企业的整体发展战略已经从上世纪60年代年代“如何做的更如何做的更多多”、7
2、0年代年代“如何做的更便宜如何做的更便宜”、80年代年代“如何做的更好如何做的更好”发展到发展到90年代的年代的“如何做的更快如何做的更快”。v 快速成型系统的组成快速成型系统的组成 快速成型系统是下面若干快速成型系统是下面若干先进技术集成的。先进技术集成的。（1 1）计算机辅助设计）计算机辅助设计(CAD)(CAD)（2 2）计算机辅助制造）计算机辅助制造(CAM)(CAM)（3 3）计算机数字控制）计算机数字控制(CNC)(CNC)（4 4）激光）激光（5 5）精密伺服驱动）精密伺服驱动（6 6）新材料）新材料 快速成型技术概念快速成型技术概念 快速成型（也称快速原型）制造技术(Rapid
3、 Prototyping & Manufacturing，RP&M 或 RP)，是由CAD数字模型驱动的通过特定材料采用逐层累积方式制作三维物理模型的先进制造技术。传统打印机传统打印机2D产品造型产品原型快速成型快速成型技术快速成型技术3D 与传统的实现上述用途的方法相比，其显著优势是：制造周期大大缩短（由几周、几个月缩短为若干个小时），成本大大降低。尤其是衍生出来的后续的基于快速原型的快速模具制造技术进一步发挥了快速成型制造技术的优越性，可在短期内迅速推出满足用户需求的一定批量的产品，大幅度降低了新产品开发研制的成本和投资风险，缩短了新产品研制和投放市场的周期，在小批量、多品种、改型快的现代
4、制造模式下具有强劲的发展势头。v 快速原型的优势快速原型的优势v 快速原型的用途快速原型的用途 快速成型技术制作的原型（模型）可用于新产品的外观评估、装配检验及功能检验等，作为样件可直接替代机加工或者其他成形工艺制造的单件或小批量的产品，也可用于硅橡胶模具的母模或熔模铸造的消失型等，从而批量地翻制塑料及金属零件。v 快速成型系统的开发商（国外）快速成型系统的开发商（国外） 美国在RP&M系统(设备)研制、生产、销售方面占全球主导地位，生产RP&M设备系统的公司主要有： 3D Systems 3D Systems公司公司(光固化快速成型设备) Stratasys Stratasys公司公司(熔融
5、沉积快速成型设备) HelisysHelisys公司公司(叠层实体快速成型设备) DTM DTM公司公司（粉末激光烧结快速成型设备） 欧洲和日本等国家也不甘落后，纷纷进行RP&M技术、设备研制等方面的研究工作，如德国的德国的EOSEOS公司公司、以色列的以色列的CubitalCubital公司公司以及日本的日本的CMETCMET公司公司等。v 快速成型技术研究及系统开发（国内）快速成型技术研究及系统开发（国内） 我国从上世纪90年代初由清华大学、华中科技大学、西安交通大学等高校及其他科研院所在国家及地方政府资金支持下启动快速成型技术的研究工作。几所高校及部分研究机构在早期的快速成型设备及相应的
6、材料开发中各有侧重，于90年代中后期陆续推出各自具有代表性的快速成型设备。应用较多的为：陕西恒通智能机器有限公司（西安交通大学）陕西恒通智能机器有限公司（西安交通大学）：光固化快速成型设备（SLA）武汉滨湖机电有限公司（华中科技大学）武汉滨湖机电有限公司（华中科技大学）：叠层实体快速成型设备（LOM）、粉末激光烧结快速成型设备（SLS）等北京隆源自动成型系统有限公司北京隆源自动成型系统有限公司：粉末激光烧结快速成型设备（SLS）上海联泰科技有限公司上海联泰科技有限公司：光固化快速成型设备（SLA）清华大学清华大学：叠层实体快速成型设备、熔融沉积快速成型设备 此外，香港大学、香港中文大学、香港科
7、技大学、香港理工大学、南京航空航天大学、浙江大学、中北大学等也开展了有关设备、材料和工艺的研究；香港快速原型科技中心、深圳生产力促进中心、天津生产力促进中心等为普及和推广快速成型技术进行了卓有成效的工作。v 快速成型过程快速成型过程快速成型技术的快速成型技术的制造方式是基制造方式是基于离散堆积原理的累加式成型于离散堆积原理的累加式成型，从成型原理上提出了一种全新从成型原理上提出了一种全新的思维模式，即将计算机上设的思维模式，即将计算机上设计的零件三维模型，通过特定计的零件三维模型，通过特定的数据格式存储转换并由专用的数据格式存储转换并由专用软件对其进行分层处理，得到软件对其进行分层处理，得到各
8、层截面的二维轮廓信息，按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照这些轮廓信息自动生成加工路径，在控制系统的控制下，路径，在控制系统的控制下，选择性地固化光敏树脂或烧结选择性地固化光敏树脂或烧结粉状材料或切割一层层的成型粉状材料或切割一层层的成型材料，形成各个截面轮廓薄片，材料，形成各个截面轮廓薄片，并逐步顺序叠加成三维实体，并逐步顺序叠加成三维实体，然后进行实体的后处理，形成然后进行实体的后处理，形成原型或零件，如图所示。原型或零件，如图所示。快速成型离散和叠加过程快速成型离散和叠加过程v 快速成型主要工艺方法快速成型主要工艺方法根据所使用的材料和建造技术的不同，目前应用比较广泛
9、的方法有如下四种：根据所使用的材料和建造技术的不同，目前应用比较广泛的方法有如下四种：光固化成型法光固化成型法（Stereolithography Apparatus，SLA） 采用光敏树脂材料通过采用光敏树脂材料通过 激光照射逐层固化而成型激光照射逐层固化而成型叠层实体制造法叠层实体制造法（Laminated Object Manufacturing，LOM） 采用纸材等薄层材料通过逐层粘结和激光切割而成型采用纸材等薄层材料通过逐层粘结和激光切割而成型选择性激光烧结法选择性激光烧结法（Selective Laser Sintering，SLS） 采用粉状材料通过激光选择性烧结逐层固化而成型采
10、用粉状材料通过激光选择性烧结逐层固化而成型熔融沉积制造法熔融沉积制造法（Fused Deposition Manufacturing，FDM） 采用熔融材料加热熔化挤压喷射冷却而成型采用熔融材料加热熔化挤压喷射冷却而成型v 快速成型工艺方法分类快速成型工艺方法分类快速原型技术从快速原型技术从广义广义上上讲可以讲可以分成两类分成两类：材料累积材料累积和和材料去除材料去除。但目前人们谈及的快但目前人们谈及的快速成型制造方法通常速成型制造方法通常指的是累积式的成型指的是累积式的成型方法，而累积式的快方法，而累积式的快速原型制造方法通常速原型制造方法通常是依据原型使用的材是依据原型使用的材料及其构建技
11、术进行料及其构建技术进行分类的，如右图所示。分类的，如右图所示。快速成型工艺方法的分类快速成型工艺方法的分类u1892年年，J. E. Blanther在其美国专利中曾建议用叠层的方法来制作地在其美国专利中曾建议用叠层的方法来制作地图模型。该方法指出将地形图的轮廓线压印在一系列的蜡片上并沿轮图模型。该方法指出将地形图的轮廓线压印在一系列的蜡片上并沿轮廓线切割蜡片，然后堆叠系列蜡片产生三维地貌图。廓线切割蜡片，然后堆叠系列蜡片产生三维地貌图。 u1902年年，Carlo Baese在他的美国专利在他的美国专利(# 774549)中，提出了用光敏聚中，提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理，这是现代第
12、一种快速成形技术合物制造塑料件的原理，这是现代第一种快速成形技术“立体平板立体平板印刷术印刷术”(StereoLithography)的初始设想。的初始设想。u1940年年，Perera提出了在硬纸板上切割轮廓线，然后将这些纸板粘结提出了在硬纸板上切割轮廓线，然后将这些纸板粘结成三维地形图的方法。成三维地形图的方法。u1964年年，E. E. Zang进一步细化了该方法，建议用透明纸板，且每一进一步细化了该方法，建议用透明纸板，且每一块均带有详细的地貌形态标记，制作地貌图。块均带有详细的地貌形态标记，制作地貌图。 快速成型技术的基本原理是基于离散的增长方式成型原型或制品。快速成型技术的基本原理
13、是基于离散的增长方式成型原型或制品。历史上这种历史上这种“增长增长” 制造方式由来已久，其发展根源可以追朔到早期的制造方式由来已久，其发展根源可以追朔到早期的地形学工艺领域。地形学工艺领域。4.1 3D4.1 3D打印技术的产生和发展打印技术的产生和发展u1977年年，W. K. Swainson在他的美国专利中提出，通过选择性的三维在他的美国专利中提出，通过选择性的三维光敏聚合物体激光照射直接制造塑料模型工艺，同时光敏聚合物体激光照射直接制造塑料模型工艺，同时Battelle实验室的实验室的R. E. Schwerzel也进行了类似的工作。也进行了类似的工作。u1979年年，日本东京大学，日
14、本东京大学T. Nakagawa教授等开始用薄板技术制造出实教授等开始用薄板技术制造出实用的工具，如落料模、成形模和注射模等。其中特别值得一提的是，用的工具，如落料模、成形模和注射模等。其中特别值得一提的是，T. Nakagawa教授提出了注射模中复杂冷却通道的制作可以通过这种教授提出了注射模中复杂冷却通道的制作可以通过这种方式来得以实现。方式来得以实现。u1981年年，H. Kodama首先提出了一套功能感光聚合物快速成型系统，首先提出了一套功能感光聚合物快速成型系统，应用了三种不同的方法制作叠层。应用了三种不同的方法制作叠层。4.2 3D4.2 3D打印过程打印过程 快速成型的制作需要前端
15、的快速成型的制作需要前端的CAD数字模型来支持，也就是说，所数字模型来支持，也就是说，所有的快速成型制造方法都是由有的快速成型制造方法都是由CAD数字模型来直接驱动的。来源于数字模型来直接驱动的。来源于CAD的数字模型必须处理成快速成型系统所能接受的数据格式而且在原的数字模型必须处理成快速成型系统所能接受的数据格式而且在原型制作之前或制作过程中还需要进行叠层方向的切片处理。此外，样件型制作之前或制作过程中还需要进行叠层方向的切片处理。此外，样件反求以及来源于反求以及来源于CT等的医学模型等的数据都需要转换成等的医学模型等的数据都需要转换成CAD模型或直模型或直接转换成接转换成RP系统可以接收的
16、数据。因此，在快速成型技术实施之前以系统可以接收的数据。因此，在快速成型技术实施之前以及原型制作过程中需要进行大量的数据准备和处理工作，数据的充分准及原型制作过程中需要进行大量的数据准备和处理工作，数据的充分准备和有效的处理决定着原型制作的效率、质量和精度。因此，在整个快备和有效的处理决定着原型制作的效率、质量和精度。因此，在整个快速成型技术的实施过程中，数据的准备是必须的，数据的处理是十分必速成型技术的实施过程中，数据的准备是必须的，数据的处理是十分必要和重要的。要和重要的。 目前，基于数字化的产品快速设计有两种主要途径：一种是根据产品目前，基于数字化的产品快速设计有两种主要途径：一种是根据
17、产品的要求或直接根据二维图纸在的要求或直接根据二维图纸在CAD软件平台上设计产品三维模型，常被称软件平台上设计产品三维模型，常被称为概念设计；另一种是在仿制产品时用扫描机对已有的产品实体进行扫描，为概念设计；另一种是在仿制产品时用扫描机对已有的产品实体进行扫描，得到三维模型，常被称为反求工程。两种常用的产品设计思路如图所示。得到三维模型，常被称为反求工程。两种常用的产品设计思路如图所示。 基于数字化产品快速设计基本途基于数字化产品快速设计基本途径径 反求工程反求工程 新产品开发过程中的另一条重要路线就是样件的反求。反求工程技新产品开发过程中的另一条重要路线就是样件的反求。反求工程技术（术（Re
18、verse Engineering，RE）又称逆向工程技术，是）又称逆向工程技术，是20世纪世纪80年代末年代末期发展起来的一项先进制造技术，是以产品及设备的实物、软件期发展起来的一项先进制造技术，是以产品及设备的实物、软件(图纸、图纸、程序及技术文件等程序及技术文件等)或影像或影像(图片、照片等图片、照片等)等作为研究对象，反求出初始等作为研究对象，反求出初始的设计意图，包括形状、材料、工艺、强度等诸多方面。简单说，反求的设计意图，包括形状、材料、工艺、强度等诸多方面。简单说，反求就是对存在的实物模型或零件进行测量并根据测量数据重构出实物的就是对存在的实物模型或零件进行测量并根据测量数据重构
19、出实物的CAD模型，进而对实物进行分析、修改、检验和制造的过程。反求工程模型，进而对实物进行分析、修改、检验和制造的过程。反求工程主要用于已有零件的复制、损坏或磨损零件的还原、模型精度的提高及主要用于已有零件的复制、损坏或磨损零件的还原、模型精度的提高及数字化模型检测等。数字化模型检测等。 目前产品设计已经大面积地直接采用计算机辅助设计软件来构造目前产品设计已经大面积地直接采用计算机辅助设计软件来构造产品三维模型，也就是说，产品的现代设计已基本甩脱传统的图纸描述方产品三维模型，也就是说，产品的现代设计已基本甩脱传统的图纸描述方式，而直接在三维造型软件平台上进行。目前，几乎尽善尽美的商品化式，而
20、直接在三维造型软件平台上进行。目前，几乎尽善尽美的商品化CAD/CAM一体化软件为产品造型提供了强大的空间，使设计者的概念设一体化软件为产品造型提供了强大的空间，使设计者的概念设计能够随心所欲，且特征修改也十分方便。目前，应用较多的具有三维造计能够随心所欲，且特征修改也十分方便。目前，应用较多的具有三维造型功能的型功能的CAD/CAM软件主要有软件主要有Unigraphics、Pro/Engineer、Catia、Cimatro、Delcam、Solidedge、MDT等等。 随着计算机硬件的迅猛发展，许多原来基于计算机工作站开发的随着计算机硬件的迅猛发展，许多原来基于计算机工作站开发的大型大
21、型CAD/CAM系统已经移植于个人计算机上，也反过来促进了系统已经移植于个人计算机上，也反过来促进了CAD/CAM软件的普及。软件的普及。4.2.1 构建3D模型4.22 打印模型的数据处理 快速成型制造设备目前能够接受诸如快速成型制造设备目前能够接受诸如STL，SLC，CLI，RPI，LEAF，SIF等多种数据格式。其中由等多种数据格式。其中由美国美国3D Systems公司开发的公司开发的STL文文件件格式可以被大多数快速成型机所接受，因此被工业界认为是目前快速格式可以被大多数快速成型机所接受，因此被工业界认为是目前快速成型数据的准标准，成型数据的准标准，几乎所有类型的快速成型制造系统都采
22、用几乎所有类型的快速成型制造系统都采用STL数据格数据格式式。 STL文件的格式文件的格式 STL文件的主要优势在于表达简单清文件的主要优势在于表达简单清晰，文件中只包含相互衔接的三角形片面晰，文件中只包含相互衔接的三角形片面节点坐标及其外法矢。节点坐标及其外法矢。STL数据格式的实数据格式的实质是用许多细小的空间三角形面来逼近还质是用许多细小的空间三角形面来逼近还原原CAD实体模型，这类似于实体数据模型实体模型，这类似于实体数据模型的表面有限元网格划分，如图的表面有限元网格划分，如图7-5所示。所示。STL模型的数据是通过给出三角形法向量模型的数据是通过给出三角形法向量的三个分量及三角形的三
23、个顶点坐标来实的三个分量及三角形的三个顶点坐标来实现的。现的。STL文件记载了组成文件记载了组成STL实体模型实体模型的所有三角形面，它有的所有三角形面，它有二进制（二进制（BINARY）和和文本文件（文本文件（ASCII）两种形式。两种形式。采用采用STL数据格式描述的数据格式描述的CAD模型模型 STL文件的精度文件的精度 STL文件的数据格式是采用小三角形来近似逼近三维实体模型的外文件的数据格式是采用小三角形来近似逼近三维实体模型的外表面，表面，小三角形数量的多少直接影响着近似逼近的精度小三角形数量的多少直接影响着近似逼近的精度。显然，精度要。显然，精度要求越高，选取的三角形应该越多。但
24、是，就本身面向快速成型制造所要求越高，选取的三角形应该越多。但是，就本身面向快速成型制造所要求的求的CAD模型的模型的STL文件，文件，过高的精度过高的精度要求也要求也是不必要的是不必要的。因为过高的。因为过高的精度要求可能会超出快速成型制造系统所能达到的精度指标，而且三角精度要求可能会超出快速成型制造系统所能达到的精度指标，而且三角形数量的增多会引起计算机存储容量的加大，同时带来切片处理时间的形数量的增多会引起计算机存储容量的加大，同时带来切片处理时间的显著增加，有时截面的轮廓会产生许多小线段，不利于激光头的扫描运显著增加，有时截面的轮廓会产生许多小线段，不利于激光头的扫描运动，导致低的生产
25、效率和表面不光洁。所以，动，导致低的生产效率和表面不光洁。所以，从从CAD/CAM软件输出软件输出STL文件时，选取的精度指标和控制参数应该根据文件时，选取的精度指标和控制参数应该根据CAD模型的复杂程度模型的复杂程度以及快速原型精度要求的高低进行综合考虑。以及快速原型精度要求的高低进行综合考虑。 STL文件的纠错处理文件的纠错处理 1. STL文件的基本规则文件的基本规则 （1）取向规则）取向规则 STL文件中的每个小三角形面都是由三条边组成的，文件中的每个小三角形面都是由三条边组成的，而且具有方向性。三条边按逆时针顺序由右手定则确定面的法矢指向而且具有方向性。三条边按逆时针顺序由右手定则确
26、定面的法矢指向所描述的实体表面的外侧。相邻的三角形的取向不应出现矛盾，如图所描述的实体表面的外侧。相邻的三角形的取向不应出现矛盾，如图所示。所示。 a) 正确正确 b) 错误错误切面的方向性示意图切面的方向性示意图 （2）点点规则）点点规则 每个三角形必须也只能跟与它相邻的三角形共享两个点，每个三角形必须也只能跟与它相邻的三角形共享两个点，也就是说，不可能有一个点会落在其旁边三角形的边上，图便示意了存也就是说，不可能有一个点会落在其旁边三角形的边上，图便示意了存在问题的点。在问题的点。 错误点示意图错误点示意图 因为每一个合理的实体面至少应有因为每一个合理的实体面至少应有1.5条边，因此下面的
27、三个约束条条边，因此下面的三个约束条件在正确的件在正确的STL文件中应该得到满足：文件中应该得到满足： 1) 面必须是偶数的；面必须是偶数的； 2) 边必须是边必须是3的倍数；的倍数； 3) 2边边3面。面。 （3）取值规则）取值规则 STL文件中所有的顶点坐标必须是正的，零和负数是错文件中所有的顶点坐标必须是正的，零和负数是错的。然而，目前几乎所有的的。然而，目前几乎所有的CAD/CAM软件都允许在任意的空间位置生软件都允许在任意的空间位置生成成STL文件，唯有文件，唯有AutoCAD软件还要求必须遵守这个规则。软件还要求必须遵守这个规则。 STL文件不包含任何刻度信息，坐标的单位是随意的。
28、很多快速文件不包含任何刻度信息，坐标的单位是随意的。很多快速成型前处理软件是以实体反映出来的绝对尺寸值来确定尺寸的单位。成型前处理软件是以实体反映出来的绝对尺寸值来确定尺寸的单位。STL文件中的小三角形通常是以文件中的小三角形通常是以Z增大的方向排列的，以便于切片软件增大的方向排列的，以便于切片软件的快速解算。的快速解算。 （4）合法实体规则）合法实体规则 STL文件不得违反合法实体规则，即在三维模型的所文件不得违反合法实体规则，即在三维模型的所有表面上，必须布满小三角形平面，不得有任何遗漏（即不能有裂缝有表面上，必须布满小三角形平面，不得有任何遗漏（即不能有裂缝或孔洞），不能有厚度为零的区域
29、，外表面不能从其本身穿过等。或孔洞），不能有厚度为零的区域，外表面不能从其本身穿过等。常见的STL文件错误 像其它的CAD/CAM常用的交换数据一样，STL也经常出现数据错误和格式错误，其中最常见的错误如下： （1）遗漏）遗漏 尽管在STL数据文件标准中没有特别指明所有的STL数据文件所包含的面必须构成一个或多个合理的法定实体，但是正确的STL文件所含有的点、边、面和构成的实体数量必须满足如下的欧拉公式： F-E+V=2-2H 其中，F（Face）、E(Edge)、V(Vertix)、H(Hole)分别指面数、边数、点数和实体中穿透的孔洞数。 （2）退化面）退化面 退化的面是STL文件中另一个
30、常见的错误。它不像上面所说的错误一样，它不会造成快速成型加工过程的失败。这种错误主要包括以下2种类型： 点共线（如图a）。或者是，不共线的面在数据转换过程中形成了三点共线的面。 点重合（如图b）。或者是，在数据转换运算时造成这种结果。123132a) b) 退化面形成示意图退化面形成示意图 尽管，退化面并不是很严重的问题，但这并不是说，它就可以忽略。一方面一方面，该面的数据要占空间；另一方面另一方面，也是更重要的，这些数据有可能使快速成型前处理的分析算法失败，并且使后续的工作量加大和造成困难。图便是由划分三角形面而产生的无穷多的退化面的一个例子。由划分三角形面而产生无穷由划分三角形面而产生无穷
31、 多的退化面多的退化面 （3）模型错误）模型错误 这种错误不是在STL文件转换过程中形成的，而是由于CAD/CAM系统中原始模型的错误引起的，这种错误将在快速成型制造过程中表现出来。 （4）错误法矢面）错误法矢面 进行STL格式转换时，会因未按正确的顺序排列构成三角形的顶点而导致计算所得法矢的方向相反。为了判断是否错误，可将怀疑有错的三角形的法矢方向与相邻的一些三角形的法矢加以比较。STL文件浏览和编辑 由于STL文件在生成过程中以及原有的CAD模型等原因经常会出现一些错误，因此，为保证有效地进行快速原型的制作，对STL文件进行浏览和编辑处理是十分必要的。目前，已有多种用于观察和编辑（修改）S
32、TL格式文件及与RP数据处理直接相关的专用软件，如表所示。 STL文件的输出文件的输出 当CAD模型在一个CAD/CAM系统中完成之后，在进行快速原型制作之前，需要进行STL文件的输出。目前，几乎所有的商业化CAD/CAM系统都有STL文件的输出数据接口，而且操作和控制也十分方便。在STL文件输出过程中，根据模型的复杂程度和所要求的精度指标，可以选择STL文件的输出精度。下面以Pro/E、UG以及AutoCAD软件为例示意STL文件的输出过程及精度指标的控制。1. Pro/E2000i中STL文件的输出(1) 首先选择菜单栏中的File菜单，然后选择Export中的Model选项。 （2）从菜
33、单中选STL，可以看到菜单中有两种控制格式Chord Height、Angle Control，根据需要选择适当的类型。系统默认的是STL Binary，但是，如果需要ASCII格式可选择STL ASCII命令。确定之后，选Output执行。 Chorde Height指标为真实面和拼接面之间的最大差额。Angle Control为0到1之间的一个小数。系统将用Chord Height来拼接模型而忽略实体的具体特征。如果输入1，则系统将用Chord Height乘以目标半径和实体最大尺寸值的十分之一之间的一个值。 (3) Pro/E此时会要求选择一个坐标系。选Default系统默认的坐标系，或
34、者，自建一个。如果零件不是位于第一象限，系统将会出现错误提示信息问是否继续，输入YES，继续。因为，现在很多软件能自动把它转换到适当的位置。2. UG中STL文件的输出 (1) 选择File菜单中的Export命令下拉菜单中的Rapid-Prototyping操作。 (2) 出现下面的对话框后，可以选择输出格式（Binary，ASCII）及角度公差，拼接公差。也可以选择系统默认值，点击OK完成。这时系统会提示输入STL头文件信息，头文件信息可以不添加，直接点击OK完成。 (3) 然后，用鼠标左键选择要输出的实体，这时被选择的实体会改变颜色以示选中，点击OK完成。 图为某CAD模型采用UG进行S
35、TL输出最终形成的三角形化的结果。某某CAD模型的模型的STL输出时的三输出时的三 角形化结果角形化结果4.3 3D4.3 3D打印技术简介打印技术简介4.3.1 光固化成型技术（SLA） 光固化快速成型工艺，也常被称为立体光刻成型，英文的名称为StereoLithography，简称SL，也有时被简称为SLA（StereoLithography Apparatus），该工艺是由Charles Hull于1984年获得美国专利，是最早发展起来的快速成型技术。自从1988年3D Systems公司最早推出SLA商品化快速成型机SLA -250以来，SLA已成为目前世界上研究最深入、技术最成熟、应
36、用最广泛的一种快速成型工艺方法。它以光敏树脂为原料，通过计算机控制紫外激光使其凝固成型。这种方法能简捷、全自动地制造出表面质量和尺寸精度较高、几何形状较复杂的原型。光固化快速成型工艺原理光固化成型工艺的成型过程如图示。液槽中盛满液态光敏树脂，氦镉激光器或氩离子激光器发出的紫外激光束在控制系统的控制下按零件的各分层截面信息在光敏树脂表面进行逐点扫描，使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。一层固化完毕后，工作台下移一个层厚的距离，以使在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后进行下一层的扫描加工，新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此
37、重复直至整个零件制造完毕，得到一个三维实体原型。v 光固化成型的基本原理光固化成型的基本原理 光固化成型技术的特点光固化成型技术的特点 优点：优点：n成型过程自动化程度高 SLA系统非常稳定，加工开始后，成型过程可以完全自动化，直至原型制作完成。n尺寸精度高 SLA原型的尺寸精度可以达到0.1mm。 n优良的表面质量 虽然在每层固化时侧面及曲面可能出现台阶，但上表面仍可得到玻璃状的效果。 n可以制作结构十分复杂的模型、尺寸比较精细的模型n可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失型n制作的原型可以一定程度地替代塑料件缺点：缺点：n制件易变形 成型过程中材料发生物理和化学变化n较脆，易断裂
38、性能尚不如常用的工业塑料n设备运转及维护成本较高 液态树脂材料和激光器的价格较高n使用的材料较少 目前可用的材料主要为感光性的液态树脂材料n液态树脂有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止提前发生聚合反应，选择时有局限性n需要二次固化 经快速成型系统光固化后的原型树脂并未完全被激光固化。 光固化快速成型材料光固化快速成型材料1. 光固化材料优点及分类光固化材料优点及分类 光固化材料是一种既古老又崭新的材料，与一般固化材料比较，光固化材料光固化材料是一种既古老又崭新的材料，与一般固化材料比较，光固化材料具有下列优点：具有下列优点：（1 1）固化快）固化快 可在几秒钟内固化，可应用于要求立刻固化的场
39、合。可在几秒钟内固化，可应用于要求立刻固化的场合。（2 2）不需要加热）不需要加热 这一点对于某些不能耐热的塑料、光学、电子零件来说十分有用。这一点对于某些不能耐热的塑料、光学、电子零件来说十分有用。（3 3）可配成无溶剂产品）可配成无溶剂产品 使用溶剂会涉及到许多环境问题和审批手续问题，因此每个工业部门都力图减少使使用溶剂会涉及到许多环境问题和审批手续问题，因此每个工业部门都力图减少使用溶剂。用溶剂。（4 4）节省能量。）节省能量。 各种光源的效率都高于烘箱。各种光源的效率都高于烘箱。（5 5）可使用单组分，无配置问题，使用周期长。）可使用单组分，无配置问题，使用周期长。（6 6）可以实现自
40、动化操作及固化，提高生产的自动化程度，从而提高生产效率和经济效）可以实现自动化操作及固化，提高生产的自动化程度，从而提高生产效率和经济效益。益。 用于光固化快速成型的材料为液态光固化树脂，或称液态光敏树脂。光固化树脂材料中主要包括齐聚物、反应性稀释剂及光引发剂。根据光引发剂的引发机理，光固化树脂可以分为三类： (1)自由基光固化树脂自由基光固化树脂 主要有三类：第一类为环氧树脂丙烯酸酯，该类材料聚合快、原型强度高但脆性大且易泛黄；第二类为聚酯丙烯酸酯，该类材料流平和固化好，性能可调节；第三类材料为聚氨酯丙烯酸酯，该类材料生成的原型柔顺性和耐磨性好，但聚合速度慢。稀释剂包括多官能度单体与单官能度
41、单体两类。此外，常规的添加剂还有阻聚剂、UV稳定剂、消泡剂、流平剂、光敏剂、天然色素等。其中的阻聚剂特别重要，因为它可以保证液态树脂在容器中保持较长的存放时间。 (2)阳离子光固化树脂阳离子光固化树脂 主要成分为环氧化合物。用于光固化工艺的阳离子型齐聚物和活性稀释剂通常为环氧树脂和乙烯基醚。环氧树脂是最常用的阳离子型齐聚物，其优点如下： 1）固化收缩小，预聚物环氧树脂的固化收缩率为2%3%，而自由基光固化树脂的预聚物丙烯酸酯的固化收缩率为5%7%。 2）产品精度高。 3）阳离子聚合物是活性聚合，在光熄灭后可继续引发聚合。 4）氧气对自由基聚合有阻聚作用，而对阳离子树脂则无影响。 5）粘度低。
42、6）生坯件强度高。 7）产品可以直接用于注塑模具。 (3)混杂型光固化树脂混杂型光固化树脂 目前的趋势是使用混杂型光固化树脂。其优点主要有： 1）环状聚合物进行阳离子开环聚合时，体积收缩很小甚至产生膨胀，而自由基体系总有明显的收缩。混杂型体系可以设计成无收缩的聚合物。 2）当系统中有碱性杂质时，阳离子聚合的诱导期较长，而自由基聚合的诱导期较短，混杂型体系可以提供诱导期短而聚合速度稳定的聚合系统。 3）在光照消失后阳离子仍可引发聚合，故混杂体系能克服光照消失后自由基迅速失活而使聚合终结的缺点。 光固化快速成型设备光固化快速成型设备 20世纪70年代末到80年代初期，美国3M公司的Alan J.
43、Hebert(1978)、日本的小玉秀男(1980)、美国UVP公司的Charles W. Hull(1982)和日本的丸谷洋二(1983)，在不同的地点各自独立地提出了RP的概念，即利用连续层的选区固化产生三维实体的新思想。Charles Hull在UVP的继续支持下，完成了一个能自动建造零件的称之为SLA-1的完整系统。同年，Charles Hull和UVP的股东们一起建立了3D Systems公司，并于1988年首次推出SLA-250机型，如图所示。 3D Systems公司的公司的SLA-250机型机型 目前，研究光固化成型（SLA）设备的单位有美国的3D Systems公司、Aaro
44、flex公司，德国的EOS公司、F&S公司，法国的Laser 3D公司，日本的SONY/D-MEC公司、Teijin Seiki公司、Denken Engieering公司、Meiko公司、Unipid公司、CMET公司，以色列的Cubital公司以及国内的西安交通大学、上海联泰科技有限公司、华中科技大学等。 在上述研究SLA设备的众多公司中，美国3D Systems公司的SLA技术在国际市场上占的比例最大。3D Systems公司在继1988年推出第一台商品化设备SLA-250以来，又于1997年推出了SLA250HR、SLA3500、SLA5000三种机型，在光固化成型设备技术方面有了长足
45、的进步。其中，SLA3500和SLA5000使用半导体激励的固体激光器，扫描速度分别达到2.54m/sec和5m/sec，成层厚最小可达0.05mm。3D Systems公司的公司的 SLA-3500机型机型3D Systems公司的公司的SLA-5000机型机型3D Systems公司的公司的SLA-7000机型机型3D Systems公司的公司的Vipersi2SLA机机型型 国内西安交通大学在光固化成型技术、设备、材料等方面进行了大量的研究工作，推出了自行研制与开发的SPS、LPS、和CPS三种机型，每种机型有不同的规格系列，其工作原理都是光固化成型原理。其中SPS600和LPS600成
46、型机如图所示。SPS600成型机成型机 LPS600成型机成型机 西安交通大学光固化成型机主要性能指标与技术特征: 该成型机激光器、扫描与光聚焦系统两关键部件从国外引进，扫描速度SPS最大可达7m/s、LPS可达2m/s，精度达0.1mm；全范围扫描分辨率达3.6m，整机控制精度达50m，高于国外同类机器水平，保证了可靠性；扫描光斑直径=0.2mm，SPS激光寿命5000h，LPS激光寿命2000h，与国外水平相同。 采用了快速排序分层法，大大加快分层速度，且具有对分层数据自动诊断和修复功能。 国际上创新的YLSF成型工艺，大大减小了翘曲等变形误差，提高了原型件制作质量。优于美国3D Syst
47、ems公司的工艺方法；拐角误差采用自适应延时控制，较少了轮廓误差的影响，此为国际首创。 零件成型精度达0.1mm(100mm)，与国外水平相同；样件测试尺寸合格率达到美国3D Systems公司SLA系列机器的水平，高于日本CMET公司Soup型机器的水平。 不同材料与结构，可调整回流量，从而改善涂层质量，此为国际首创；且可以采用不同公司、不同牌号的树脂，有良好的兼容性和开放性。优于美国3D Systems公司、日本CMET公司的同类产品。 零件模型管理和成型数据生成软件在Windows95下自主开发、整机自制，用户界面全部汉化，具有优异的交互性和易学性。而且三维STL模型的检视、分层过程与编
48、辑、支撑结构的设计全部实现了图视化操作；而成型控制软件是在DOS下开发，保证满足了控制的实时性要求，操作界面全部汉化和图视化。 光固化快速原型的制作一般可以分为前处理、原型制作和后处理三个阶段。1.1.前处理前处理 前处理阶段主要是对原型的CAD模型进行数据转换、摆放方位确定、施加支撑和切片分层，实际上就是为原型的制作准备数据。下面以某一小扳手的制作来介绍光固化原型制作的前处理过程。 （1 1）CADCAD三维造型三维造型 三维实体造型是CAD模型的最好表示，也是快速原型制作必须的原始数据源。没有CAD三维数字模型，就无法驱动模型的快速原型制作。CAD模型的三维造型可以在UG、Pro/E、Ca
49、tia等大型CAD软件以及许多小型的CAD软件上实现，图2-14a给出的是小扳手在UG NX2.0上的三维造型。 （2 2）数据转换）数据转换 数据转换是对产品CAD模型的近似处理，主要是生成STL格式的数据文件。STL数据处理实际上就是采用若干小三角形片来逼近模型的外表面，如图2-14b所示。这一阶段需要注意的是STL文件生成的精度控制。目前，通用的CAD三维设计软件系统都有STL数据的输出。 （3 3）确定摆放方位）确定摆放方位 摆放方位的处理是十分重要的，不但影响着制作时间和效率，更影响着后续支撑的施加以及原型的表面质量等，因此，摆放方位的确定需要综合考虑上述各种因素。一般情况下，从缩短
50、原型制作时间和提高制作效率来看，应该选择尺寸最小的方向作为叠层方向。但是，有时为了提高原型制作质量以及提高某些关键尺寸和形状的精度，需要将最大的尺寸方向作为叠层方向摆放。有时为了减少支撑量，以节省材料及方便后处理，也经常采用倾斜摆放。确定摆放方位以及后续的施加支撑和切片处理等都是在分层软件系统上实现。对于上述的小扳手，由于其尺寸较小，为了保证轴部外径尺寸以及轴部内孔尺寸的精度，选择直立摆放，如图2-14c所示。同时考虑到尽可能减小支撑的批次，大端朝下摆放。 （4 4）施加支撑）施加支撑 摆放方位确定后，便可以进行支撑的施加了。施加支撑是光固化快速原型制作前处理阶段的重要工作。对于结构复杂的数据
