1、20 Novembre,20103D3D打印与快速成型打印与快速成型-知识管理知识管理SHOWSHOW之五之五 27-4-2012RP（Rapid Prototyping）技术技术 在制造业中各类零件的传统制造工艺按加工后原材料体积变化与否分为：按被加工材料的自然状态又可分为固态成型法（锻造、冲剪、挤压、拉拔等）、液态成型法（铸造）和半液态成型法（注塑）。又可分为机械联接、粘接术和焊接三种方式。材料去除法则有人们所熟知的车、铣、刨、磨等工艺，是目前制造业重要成型形式。八十年代初一种全新的制造概念被提了出来。通过添加材料来达到零件设计要求的成型方法，这种新型的零件生产工艺就成为RP（快速成型）的
2、主要实现手段。利用生物材料的活性进行成型的方法,自然界的生物个体的发育都是属于生长成型。“克隆”技术是人为系统中的生长成型方式。RP的概念与原理的概念与原理227-4-2012STL文件作文件作为为快速成型系快速成型系统统的的输输入信息。通入信息。通过对过对STL文件文件进进行行软软件件“切片切片”处处理，得到切片信息及理，得到切片信息及扫扫描加工路径信息格式描加工路径信息格式(SLI文件文件)，然后把所得到的切，然后把所得到的切片信息及片信息及扫扫描路径信息描路径信息进进行程序行程序处处理，并理，并转转化化为为数数控命令代控命令代码码形式，并形式，并输输入到入到计计算机数控系算机数控系统统(
3、CNC)中，最后由中，最后由计计算机数控系算机数控系统统完成零件的完成零件的扫扫描加工成描加工成形。形。RP的概念与原理的概念与原理3构造三维模型模型近似处理成型方向选择切片处理前处理分层叠加成型后处理光固化快速成型SLA叠层实体制造LOM选择性激光烧结SLS熔融沉积制造FDM工件剥离或去支撑等强硬化处理表面处理快速成型制作过程2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺27-4-20125一、光固化成型的基本原理和特点光固化成型的基本原理和特点(SLA)（一）光固化成型的基本原理光固化成型的基本原理2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺光固化成型工艺过程原理图（二）光固化成型技光固化成型技术术的特点的
4、特点 优优点：点：尺寸精度高 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。SLA原型的尺寸精度可以达到0.1mm。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。可以制作结构十分复杂的模型 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 2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺缺点：缺点：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。制件易变形成型过程中材料发生物理
5、和化学变化需要二次固化 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。有时需清洗后置于紫外烘箱中进行整体后固化。较脆，易断裂性能尚不如常用的工业塑料 2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺叠层实体制造工艺(LOM)(L Laminated O Object MManufacturing，简称LOMLOM，直译名为“叠层实体制造”)。叠层实体制造技术（Laminated Object Manufacturing，LOM）是几种最成熟的快速成型制造技术之一。这种制造方法和设备自1991年问世以来，得到迅速发展。由于叠层实体制造技术多使用纸材，成本低廉，制件精度高，而且制造出来的木质原型具有外在
6、的美感性和一些特殊的品质，因此受到了较为广泛的关注，在产品概念设计可视化、造型设计评估、装配检验、熔模铸造型芯、砂型铸造木模、快速制模母模以及直接制模等方面得到了迅速应用。2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺一、基本原理和特点基本原理和特点 由计算机、材料存储及送进机构、热粘压机构、激光切割系统、可升降工作台和数控系统和机架等组成。首先在工作台上制作基底，工作台下降，送纸滚筒送进一个步距的纸材，工作台回升，热压滚筒滚压背面涂有热熔胶的纸材，将当前迭层与原来制作好的迭层或基底粘贴在一起，切片软件根据模型当前层面的轮廓控制激光器进行层面切割，逐层制作，当全部迭层
7、制作完毕后，再将多余废料去除。基本原理:叠层实体制造工艺(LOM)在这种快速成形机上，截面轮廓被切割和叠合后所成的制品 如图所示。其中，所需的工件被废料小方格包围，剔除这些小 方格之后，便可得到三维工件。截面轮廓被切割和叠合后所成的制件 2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺叠叠层实层实体制造技体制造技术术的特点的特点:有较高的硬度和较好的机械性能，可进行各种切削加工 无须后固化处理 无须设计和制作支撑结构 废料易剥离 制件尺寸大 原材料价格便宜，原型制作成本低 设备可靠性高，寿命长 不能直接制作塑料工件 工件的抗拉强度和弹性不够好 工件易吸湿膨胀 工件表面有台阶纹 迭层实体制造方法与其他快速原
8、型制造技术相比，具有制作效率高、速度快、成本低等优点，在我国具有广阔的应用前景。缺缺 点点优优 点点2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺选择性激光烧结成型工艺(SLS)选择性激光烧结工艺(Selective Laser Sintering，简称SLS)又称为选区激光烧结，由美国德克萨斯大学奥汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。该方法已被美国DTM公司商品化。于1992年开发了基于SLS的商业成型机(Sinterstation)。十几年来，DTM公司在SLS领域做了大量的研究工作。德国的EOS公司在这一领域也做了很多研究工作，并开发了相应的系列成型设备。国内华中科技大学（武汉滨湖
9、机电产业有限责任公司）、南京航空航天大学、中北大学和北京隆源自动成型有限公司等，也取得了许多重大成果和系列的商品化设备。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。SLS的原理与SLA十分相象，主要区别在于所使用的材料及其形状。SLA所用的材料是液态的紫外光敏可凝固树脂，而SLS则使用粉状的材料。这是该项技术的主要优点之一，因为理论上任何可熔的粉末都可以用来制造模型，这样的模型可以用作真实的原型制件。2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺一、一、选择选择性激光性激光烧结烧结工工艺艺的基本原理的基本原理 选择性激光烧结加工过程是采用铺粉辊将一
10、层粉末材料平铺在已成形零件的上表面，并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉层上扫描，使粉末的温度升至熔化点，进行烧结并与下面已成形的部分实现粘接。当一层截面烧结完后，工作台下降一个层的厚度，铺料辊又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的烧结，直至完成整个模型。在成型过程中，未经烧结的粉末对模型的空腔和悬臂部分起着支撑作用，不必象SLA和FDM工艺那样另行生成支撑工艺结构。当实体构建完成并在原型部分充分冷却后，粉末块会上升到初始的位置，将其拿出并放置到工作台上，用刷子小心刷去表面粉末露出加工件部分，其余残留的粉末可用压缩空气除去。2 快速成型制造
11、工艺快速成型制造工艺选择性激光烧结成型工艺(SLS)2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺二二 、选择选择性激光性激光烧结烧结工工艺艺的特点的特点 选择性激光烧结工艺和其它快速成型工艺相比，具有较多的优点：可采用多种材料从原理上说，这种方法可采用加热时粘度降低的任何粉末材料，通过材料或各类含粘结剂的涂层颗粒制造出任何造型，适应不同的需要。制造工艺比较简单 由于可用多种材料，选择性激光烧结工艺按采用的原料不同可以直接生产复杂形状的原型、型腔模三维构件或部件及工具。例如，制造概念原型，可安装为最终产品模型的概念原型，蜡模铸造模型及其它少量母模，直接制造金属注塑模等。可直接制作金属制品在目前广泛应用的
12、几种快速原型工艺方法中，唯有SLS方法可直接烧结制作金属材质的原型，这是SLS工艺的独特优点。2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺无需支撑结构 和LOM工艺一样，SLS工艺也无需设计和需要支撑结构，叠层过程中出现的悬空层面可直接由未烧结的粉末来实现支撑。材料利用率高 由于SLS工艺过程不需要支撑结构，也不象LOM工艺那样出现许多工艺废料，也不需要制作基底支撑，所以该工艺方法在常见的几种快速原型工艺中材料利用率是最高的，材料的利用率基本可以认为是100。SLS工艺中的多数粉末的价格较便宜，所以SLS模型的成本相比较来看也是较低的。但是，选择性激光烧结工艺的缺点也比较突出，具体如下：原型表面粗糙
13、由于SLS工艺的原材料是粉状的，原型的建造是由材料粉层经过加热熔化而实现逐层粘接的，因此，原型表面严格讲是粉粒状的，因而表面质量不高。烧结过程挥发异味 SLS工艺中的粉层粘接是需要激光能源使其加热而达到熔化状态，高分子材料或者粉粒在激光烧结熔化时一般要挥发异味气体。有时需要比较复杂的辅助工艺 SLS技术视所用的材料而异，有时需要比较复杂的辅助工艺过程。以聚酰胺粉末烧结为例，为避免激光扫描烧结过程中材料因高温起火燃烧，必须在机器的工作空间充入阻燃气体，一般为氮气。为了使粉状材料可靠地烧结，必须将机器的整个工作空间内直接参与造型工作的所有机件以及所使用的粉状材料预先加热到规定的温度，这个预热过程常
14、常需要数小时。造型工作完成后，为了除去工件表面沾粘的浮粉，需要使用软刷和压缩空气，而这一步骤必须在闭封空间中完成以免造成粉尘污染。2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺一、熔融沉一、熔融沉积积工工艺艺的基本原理的基本原理 熔融沉积又叫熔丝沉积，它是将丝状的热熔性材料加热熔化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。喷头可沿着X轴方向移动，而工作台则沿Y轴方向移动。如果热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而成型部分的温度稍低于固化温度，就能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体造型。熔融沉积制造工艺
15、的具体过程如下：2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺熔融沉熔融沉积积工工艺艺(FDM)一个喷头用于沉积模型材料，一个喷头用于沉积支撑材料。一般来说，模型材料丝精细而且成本较高，沉积的效率也较低。而支撑材料丝较粗且成本较低，沉积的效率也较高。双喷头的优点除了沉积过程中具有较高的沉积效率和降低模型制作成本以外，还可以灵活地选择具有特殊性能的支撑材料，以便于后处理过程中支撑材料的去除，如水溶材料、低于模型材料熔点的热熔材料等。2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺优优 点点二、熔融沉二、熔融沉积积工工艺艺的特点的特点 系统构造原理和操作简单，维护成本低，系统运行安全。可以使用无毒的原材料，设备系统可在
16、办公环境中安装使用。用蜡成形的零件原型，可以直接用于失蜡铸造。可以成型任意复杂程度的零件，常用于成型具有很复杂的内腔、孔等零件。原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小。原材料利用率高，且材料寿命长。支撑去除简单，无需化学清洗，分离容易。缺缺 点点沿成型轴垂直方向的强度比较弱。需要对整个截面进行扫描涂覆，成型时间较长。成型件的表面有较明显的条纹。需要设计与制作支撑结构。原材料价格昂贵。2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺RPRP工艺工艺精度精度表面表面质量质量材料材料价格价格材料利用率材料利用率运行运行成本成本生产生产效率效率设备设备费用费用占有率占有
17、率%SLASLA好优较贵接近100%较高高较贵78LOMLOM一般较差较便宜较差较低高较便宜7.3SLSSLS一般一般较贵接近100%较高一般较贵6.0FDMFDM较差较差较贵接近100%一般较低较便宜6.1工工艺优势对艺优势对比表比表2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺 三三维维印刷工印刷工艺艺(3DPThree Dimension Printing)采用粉末材料成型，如陶瓷粉末、金属粉末。材料粉末不是通过烧结连接起来，而是通过喷头用粘结剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉末之上。粘结剂粘结的零件强度较低，还须或后处理，即先烧掉粘结剂，然后高温渗入金属,使零件致密化，以提高强度。2 快速
18、成型制造工艺快速成型制造工艺24当前国际上制鞋业的竞争日益激烈，而美国Wolverine World Wide 公司无论在国际还是美国国内市场都一直保持着旺盛的销售势头，该公司鞋类产品的款式一直保持着快速的更新，时时能够为顾客提供高质量的产品，而使用PowerSHAPE软件和Helysis公司的LOM快速原型加工技术是Wolverine World Wide 公司成功的关键。LOM原型在制鞋业中的应用 Wolverine 的设计师们首先设计鞋底和鞋跟的模型或图形，从不同角度用各种材料产生三维光照模型显示，这种高质的图像显示使得在开发过程中能及早地排除任何看起来不好的装饰和设计。即使前期的设计已
19、经排除了许多不理想的地方，但是投入加工之前，Wolverine公司仍然需要有实物模型。鞋底和鞋跟的LOM模型非常精巧，但其外观是木质的，为使模型看起来更真实，可在LOM表面喷涂产生不同材质效果。每一种鞋底配上适当的鞋面后生产若干双样品，放到主要的零售店展示，以收集顾客的意见。根据顾客所反馈的意见，计算机能快速地修改模型，根据需要，可再产生相应的LOM模型和式样。2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺 韩国现代汽车公司采用了美国Stratasys公司的FDM快速原型系统，用于检验设计、空气动力评估和功能测试。FDM系统在启亚的Spectra车型设计上得到了成功的
20、应用，现代汽车公司自动技术部的首席工程师Tae Sun Byun说：空间的精确和稳定对设计检验来说是至关重要的，采用ABS工程塑料的FDM Maxum系统满足了两者的要求，在1382mm的长度上，其最大误差只有0.75mm。现代公司计划再安装第二套RP快速原型系统，并仍将选择FDM Maxum，Tae Sun Byun说：“该系统完美地符合我们的设计要求，并能在30个月内收回成本。”FDM在在韩韩国国现现代公司的代公司的应应用用 现代汽车公司采用FDM工艺制作的某车型的仪表盘 2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺 从事模型制造的美国Rapid Models&Prototypes公司采用FDM工
21、艺为生产厂商Laramie Toys制作了玩具水枪模型，如图所示。借助FDM工艺制作该玩具水枪模型，通过将多个零件一体制作，减少了传统制作方式制作模型的部件数量，避免了焊接与螺纹连接等组装环节，显著提高了模型制作的效率。FDM在美国快速原型制造公司的在美国快速原型制造公司的应应用用 采用FDM工艺制作玩具水枪 2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺3D打印打印领领先厂商先厂商专业级3D市场寡头：Stratasys Stratasys是一家在纳斯达克上市的全球最大专业级3D打印设 备制造商。与Objet合并后，在销售规模上超过来自美国的3D systems公司，占据全球专业级3D打印设备市场近50
22、%的份 额。低端3D打印推广者：MakerBot MakerBot成立于2009年，通过出售1000美元出头的低端3D打印机、运营 3D模型分享网站、开设线下体验店等一系列措施，创建了一个类似于 “3D打印生态链”的体系，并迅速赢得普通消费者的青睐。新工艺高精度3D打印先锋：Formlabs Formlabs使用液态光敏树脂进行立体光刻来进而实现精准打印。推出 了一款价格仅为2699美元的高精密度打印机，其精确度达到了25微 米。2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺2 快速成型制造工艺快速成型制造工艺优势优势及及结语结语对于生产量极少，但却是高度定制化产品，3D打印最能凸显其特性。3D打印可降低约50%开开发费发费用用，缩缩短加工周期短加工周期70%。目前主要应用于产产品品设计设计、快速模具制造快速模具制造、铸铸造造、医学医学等领域.释放人类的创造力.一种新型的产业关系,产业链将由大大规规模制造模制造转向个性化生个性化生产产,社群协同制造的关系会改变制造流程，借此打破跨国代工厂产业链。3D打印的逐步普及，将改打印的逐步普及，将改变变世界！世界！20 Novembre,2010感谢大家的观看！谢谢观赏！
