1、快速原型制造技术快速原型制造技术一、快速原型制造技术的产生一、快速原型制造技术的产生全球一体化市场、制造业竞争激烈，产品的开发速度成为市全球一体化市场、制造业竞争激烈，产品的开发速度成为市场竞争的主要矛盾。场竞争的主要矛盾。从技术发展角度，计算机、从技术发展角度，计算机、CADCAD、材料、激光等技术的发展、材料、激光等技术的发展和普及为新的制造技术的产生奠定了基础。和普及为新的制造技术的产生奠定了基础。快速原型制造于快速原型制造于2020世纪世纪8080年代后期产生于美国，并很快扩展年代后期产生于美国，并很快扩展到日本及欧洲，于到日本及欧洲，于2020世纪世纪9090年代初引入我国，是近年代
2、初引入我国，是近2020年来制年来制造技术领域的一项重大突破。造技术领域的一项重大突破。它借助计算机、激光、精密传动、数控技术等现代手段，将它借助计算机、激光、精密传动、数控技术等现代手段，将CADCAD和和CAMCAM集成于一体，根据在计算机上构造的三维模型，能集成于一体，根据在计算机上构造的三维模型，能在很短的时间内直接制造出产品样品，使设计工作进入一种在很短的时间内直接制造出产品样品，使设计工作进入一种全新的境界。全新的境界。改善了设计过程中的人机交流，缩短了产品开发周期，加快改善了设计过程中的人机交流，缩短了产品开发周期，加快了产品更新换代的速度，降低了企业投资新产品的风险。了产品更新
3、换代的速度，降低了企业投资新产品的风险。n传统的零件加工过程是先制造毛坯，然后传统的零件加工过程是先制造毛坯，然后经切削加工，从毛坯上去除多余的材料得经切削加工，从毛坯上去除多余的材料得到零件的形状和尺寸，这种方法统称为材到零件的形状和尺寸，这种方法统称为材料去除制造。料去除制造。n快速原型技术彻底摆脱了传统的快速原型技术彻底摆脱了传统的“去除去除”加工加工法，而基于法，而基于“材料逐层堆积材料逐层堆积”的制造理念，将的制造理念，将复杂的三维加工分解为简单的材料二维添加的复杂的三维加工分解为简单的材料二维添加的组合，它能在组合，它能在CAD模型的直接驱动下，快速制模型的直接驱动下，快速制造任意
4、复杂形状的三维实体，是一种全新的制造任意复杂形状的三维实体，是一种全新的制造技术。造技术。二、快速原型制造技术的基本概念二、快速原型制造技术的基本概念 快速原型制造技术（快速原型制造技术（Rapid Prototype Rapid Prototype ManufacturingManufacturing，RPMRPM）是）是综合利用综合利用CADCAD技术、数控技技术、数控技术、材料科学、机械工程、电子技术及激光技术的技术、材料科学、机械工程、电子技术及激光技术的技术集成术集成以实现以实现从零件设计到三维从零件设计到三维实体实体原型制造一体化原型制造一体化的系统技术的系统技术。它是一种。它是一
5、种基于离散堆积成形思想基于离散堆积成形思想的新型成的新型成形技术，是由形技术，是由CADCAD模型直接驱动的快速完成任意复杂模型直接驱动的快速完成任意复杂形状三维实体零件制造的技术的总称。形状三维实体零件制造的技术的总称。三、快速原型制造技术的基本原理及基本过程三、快速原型制造技术的基本原理及基本过程 基本原理基本原理快速原型制造技术彻底摆脱了传统的快速原型制造技术彻底摆脱了传统的“去除去除”加工法，加工法，而基于而基于“材料逐层堆积材料逐层堆积”的制造理念，将复杂的三维加的制造理念，将复杂的三维加工分解为简单的材料二维添加的组合，它能在工分解为简单的材料二维添加的组合，它能在CADCAD模型
6、模型的直接驱动下，快速制造任意复杂形状的三维实体，是的直接驱动下，快速制造任意复杂形状的三维实体，是一种全新的制造技术。一种全新的制造技术。从成形角度看，零件可视为逐点、线、面的叠加而成。从成形角度看，零件可视为逐点、线、面的叠加而成。从从CADCAD模型中离散得到点、线、面的几何信息，再与快模型中离散得到点、线、面的几何信息，再与快速成形的工艺参数信息结合，控制材料有规律地、精确速成形的工艺参数信息结合，控制材料有规律地、精确地由点、线到面，由面到体地逐步堆积成零件。从制造地由点、线到面，由面到体地逐步堆积成零件。从制造角度看，它根据角度看，它根据CADCAD造型生成零件三维几何信息，控制造
7、型生成零件三维几何信息，控制三维的自动化成形设备，通过激光束或其他方法将材料三维的自动化成形设备，通过激光束或其他方法将材料逐层堆积而形成成形零件。逐层堆积而形成成形零件。三、快速原型制造技术的基本原理及基本过程三、快速原型制造技术的基本原理及基本过程 基本过程基本过程（1 1）产品的）产品的CADCAD建模建模：应用三维：应用三维CADCAD软件，根据产软件，根据产品要求设计三维模型，或采用逆向工程技术获取产品品要求设计三维模型，或采用逆向工程技术获取产品的三维模型。的三维模型。（2 2）三维模型的近似处理）三维模型的近似处理：用一系列小三角形平面：用一系列小三角形平面来逼近模型上的不规则曲
8、面，从而得到产品的近似模来逼近模型上的不规则曲面，从而得到产品的近似模型。型。（3 3）三维模型的）三维模型的Z Z向离散化向离散化（即分层处理）：将近似（即分层处理）：将近似模型沿高度方向分成一系列具有一定厚度的薄片，提模型沿高度方向分成一系列具有一定厚度的薄片，提取层片的轮廓信息取层片的轮廓信息（4 4）处理层片信息，生成数控代码）处理层片信息，生成数控代码：根据层片几何：根据层片几何信息，生成层片加工数控代码，用以控制成形机的加信息，生成层片加工数控代码，用以控制成形机的加工运动。工运动。（5）逐层堆积制造）逐层堆积制造：在计算机控制下，根据生成：在计算机控制下，根据生成的数控指令，成形
9、头在平面内按截面轮廓进行扫的数控指令，成形头在平面内按截面轮廓进行扫描，固化液态树脂，从而堆积出当前的一个层片，描，固化液态树脂，从而堆积出当前的一个层片，并将当前层与已加工好的零件部分粘合。然后，并将当前层与已加工好的零件部分粘合。然后，成形机工作台面上升或下降一个层厚的距离，再成形机工作台面上升或下降一个层厚的距离，再堆积新的一层。如此反复进行直到整个零件加工堆积新的一层。如此反复进行直到整个零件加工完毕。完毕。（6）后处理）后处理：对完成的原型进行处理，使之达到：对完成的原型进行处理，使之达到要求。要求。三维模型的近似处理三维模型的近似处理n用一系列小三角平面来逼近模型上的自由曲面，用一
10、系列小三角平面来逼近模型上的自由曲面，每一个小三角形由三个顶点和一个法矢量来表示，每一个小三角形由三个顶点和一个法矢量来表示，三角形的大小可以选择，从而得到不同的曲面近三角形的大小可以选择，从而得到不同的曲面近似精度。似精度。n经近似处理的三维模型文件格式为经近似处理的三维模型文件格式为STL，典型，典型的商品化的商品化CAD系统都有系统都有STL文件输出的数据接文件输出的数据接口口STL输出的误差输出的误差在在Pro/E中输出中输出STL文件文件快速原型工艺流程图叠层实体制造工艺叠层实体制造工艺快速原型制造技术的特点快速原型制造技术的特点1 1、高度柔性化、高度柔性化 对整个制造过程，仅需改
11、变对整个制造过程，仅需改变CADCAD模型或反求模型或反求数据结构模型，对成形设备进行适当的参数调整，数据结构模型，对成形设备进行适当的参数调整，即可在计算机的管理和控制下制造出不同形状的零即可在计算机的管理和控制下制造出不同形状的零件或模型。件或模型。2 2、技术高度集成化、技术高度集成化 快速成形技术是计算机技术、数控技术、快速成形技术是计算机技术、数控技术、控制技术、激光技术、材料技术和机械工程等多项控制技术、激光技术、材料技术和机械工程等多项交叉学科的综合集成。它以离散堆积为方法，在交叉学科的综合集成。它以离散堆积为方法，在计算机和数控技术的基础上，追求最大的柔性为目计算机和数控技术的
12、基础上，追求最大的柔性为目标。标。3 3、设计制造一体化、设计制造一体化 CAD CADCAMCAM一体化。由于采用了离散一体化。由于采用了离散/堆积堆积的分层制造工艺，能够很好地将的分层制造工艺，能够很好地将CADCAD、CAMCAM结合起来。结合起来。4 4、大幅度缩短新产品的开发成本和周期、大幅度缩短新产品的开发成本和周期 可减少产品开发成本可减少产品开发成本3070%3070%，缩短开发时间，缩短开发时间50%50%至更少。至更少。5 5、制造成形自由化、制造成形自由化 可根据零件的形状，不受任何专用工具或模可根据零件的形状，不受任何专用工具或模具的限制而自由成形，也不受零件复杂程度的
13、限制，具的限制而自由成形，也不受零件复杂程度的限制，能够制造任意复杂形状与结构、不同材料复合的零件。能够制造任意复杂形状与结构、不同材料复合的零件。6 6、材料使用广泛性、材料使用广泛性 金属、纸张、塑料、树脂、石蜡、陶瓷，甚金属、纸张、塑料、树脂、石蜡、陶瓷，甚至纤维等材料在快速原型制造领域已有很好的应用。至纤维等材料在快速原型制造领域已有很好的应用。快速原型的软件系统快速原型的软件系统快速原型快速原型的软件系的软件系统统CAD造型软件：造型软件：分层处理软件：分层处理软件：成形控制软件：成形控制软件：进行零件的三维设计进行零件的三维设计进行分层计算以获取层进行分层计算以获取层片信息片信息进
14、行加工参数设定、生成进行加工参数设定、生成数控代码、控制实时加工数控代码、控制实时加工产品三维模型构造及其近似处理产品三维模型构造及其近似处理1产品的三维模型构造产品的三维模型构造n 根据产品的要求在根据产品的要求在CAD软件平台设计三维模型软件平台设计三维模型n 根据二维图样构建三维模型根据二维图样构建三维模型n 采用逆向工程技术构建三维模型采用逆向工程技术构建三维模型2三维模型的近似处理三维模型的近似处理n用一系列小三角平面来逼近模型上的自由曲面，用一系列小三角平面来逼近模型上的自由曲面，每一个小三角形由三个顶点和一个法矢量来表示，每一个小三角形由三个顶点和一个法矢量来表示，三角形的大小可
15、以选择，从而得到不同的曲面近三角形的大小可以选择，从而得到不同的曲面近似精度。似精度。n经近似处理的三维模型文件格式为经近似处理的三维模型文件格式为STL，典型，典型的商品化的商品化CAD系统都有系统都有STL文件输出的数据接文件输出的数据接口口产品三维模型构造及其近似处理产品三维模型构造及其近似处理STL输出的误差输出的误差在在Pro/E中输出中输出STL文件文件分层处理软件分层处理软件n由于快速原型是按一层层截面轮廓来进行成形，因此，由于快速原型是按一层层截面轮廓来进行成形，因此，加工前必须从三维模型上，沿成形的高度方向，每隔一加工前必须从三维模型上，沿成形的高度方向，每隔一定的间隔进行分
16、层切片处理，以获得截面的轮廓。定的间隔进行分层切片处理，以获得截面的轮廓。n分层间隔选取的范围为分层间隔选取的范围为0.05mm0.5mm，常用的是，常用的是0.1mm左右。间隔愈小，精度愈高，但成形时间愈长。左右。间隔愈小，精度愈高，但成形时间愈长。n各种快速原型系统都带有分层处理软件，能将各种快速原型系统都带有分层处理软件，能将CAD模模型以片层方式来描述，这样，无论零件多么复杂，对于型以片层方式来描述，这样，无论零件多么复杂，对于每一层来说，都是简单的平面。每一层来说，都是简单的平面。成型控制软件成型控制软件n成形控制软件根据所选的数控系统将分层处理软件成形控制软件根据所选的数控系统将分
17、层处理软件生成的二维层片信息即轮廓与填充的路径生成生成的二维层片信息即轮廓与填充的路径生成NC代码，与工艺紧密相连，是一个工艺规划过程。代码，与工艺紧密相连，是一个工艺规划过程。n快速原型扫描路径规划的主要内容包括刀具尺寸补快速原型扫描路径规划的主要内容包括刀具尺寸补偿和扫描路径选择，其核心算法包括二维轮廓偏置偿和扫描路径选择，其核心算法包括二维轮廓偏置算法和填充网格生成算法。算法的要求是合理性、算法和填充网格生成算法。算法的要求是合理性、完善性和鲁棒性，算法的好坏直接影响数据处理效完善性和鲁棒性，算法的好坏直接影响数据处理效率，生成结果则直接决定成形加工效率。率，生成结果则直接决定成形加工效
18、率。第二节快速原型制造技术的工艺方法第二节快速原型制造技术的工艺方法光固化成形工艺光固化成形工艺叠层实体制造工艺叠层实体制造工艺选择性激光烧结工艺选择性激光烧结工艺熔融沉积造型工艺熔融沉积造型工艺一、光固化成形工艺一、光固化成形工艺概述概述光固化成形工艺光固化成形工艺，也称，也称立体立体光刻（光刻（SLASLA）或立体造型）或立体造型等，等，于于19841984年由年由Charles HullCharles Hull提提出并获美国专利，出并获美国专利，19881988年美年美国国3D System3D System公司推出世界公司推出世界上第一台商品化上第一台商品化RPRP设备设备SLA-SL
19、A-250250。以光敏树脂为原料，以光敏树脂为原料，通过计算机控制紫外激光使通过计算机控制紫外激光使其固化成形其固化成形，自动制作出各，自动制作出各种加工方法难以制作的复杂种加工方法难以制作的复杂立体形状，在制造领域具有立体形状，在制造领域具有划时代的意义。目前划时代的意义。目前SLASLA工工艺已成为世界上研究最深入、艺已成为世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的技术最成熟、应用最广泛的一种快速原型制造方法。一种快速原型制造方法。光固化成形光固化成形工艺原理工艺原理SLASLA工艺是工艺是基于液态基于液态光敏树脂的光聚合原光敏树脂的光聚合原理工作的理工作的。这种液态。这种液态材料在一定
20、波长材料在一定波长（=325nm=325nm）和功率）和功率（P=30mWP=30mW）的紫外光）的紫外光照射下能迅速发生光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急聚合反应，分子量急剧增大，材料就从液剧增大，材料就从液态转变成固态。态转变成固态。光固化成形光固化成形系统组成系统组成 由激光器、激光束扫描装置、光敏树脂、液槽、升降台由激光器、激光束扫描装置、光敏树脂、液槽、升降台和控制系统等组成和控制系统等组成（1 1）激光器大多采用紫外光式。）激光器大多采用紫外光式。两种类型：一种是氦两种类型：一种是氦-镉（镉（He-CdHe-Cd）激光器。）激光器。一种低功率一种低功率激光，以氦气和镉蒸气的复合
21、气体作为工作物质，生成激光，以氦气和镉蒸气的复合气体作为工作物质，生成可见紫外激光射线，输出功率可见紫外激光射线，输出功率1550mW1550mW，波长，波长325nm325nm，激，激光器寿命光器寿命2000h2000h；另一种是氩离子（另一种是氩离子（ArAr+）激光器，）激光器，低功低功率激光光源，氩气为工作物质，输出功率率激光光源，氩气为工作物质，输出功率100500mW100500mW，波，波长长351365nm351365nm。*：激光束光斑直径一般为：激光束光斑直径一般为0.053.00nm0.053.00nm，激光位置精度，激光位置精度可达可达0.008nm0.008nm，重复
22、精度可达，重复精度可达0.13mm0.13mm。（2 2）激光束扫描装置）激光束扫描装置数字控制的激光束扫描装置有两种形式：数字控制的激光束扫描装置有两种形式：一种是一种是电流计驱动式电流计驱动式的扫描镜方式，最的扫描镜方式，最高扫描速度达高扫描速度达15m/s15m/s，适合于制造尺寸较，适合于制造尺寸较小的原型件；另一种小的原型件；另一种是是 X XY Y绘图仪方式绘图仪方式，激光束在整个扫描过程中与树脂表面垂激光束在整个扫描过程中与树脂表面垂直，适合于制造大尺寸的原型件。直，适合于制造大尺寸的原型件。（3 3）光敏树脂）光敏树脂SLASLA工艺的成形材料是液态光敏树脂，工艺的成形材料是液
23、态光敏树脂，如环氧树脂、乙烯如环氧树脂、乙烯酸树脂、丙烯酸树脂等。酸树脂、丙烯酸树脂等。要求要求SLASLA树脂在一定频率的树脂在一定频率的单色光照射下迅速固化单色光照射下迅速固化，为保，为保证原型精度，固化时树脂的收缩率要小，并应保证固化证原型精度，固化时树脂的收缩率要小，并应保证固化后的原型有足够的强度和良好的表面粗糙度，且成形时后的原型有足够的强度和良好的表面粗糙度，且成形时毒性要小。毒性要小。光敏树脂材料中主要包括齐聚物、反应性稀释剂及光引光敏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，光敏树脂可分为三类：发剂。根据光引发剂的引发机理，光敏树脂可分为三类：
24、自由基型光敏树脂、阳离子型光敏树脂、混杂型光敏树自由基型光敏树脂、阳离子型光敏树脂、混杂型光敏树脂。脂。（4 4）液槽）液槽液槽采用不锈钢制作，其尺寸大小取决于成形系统设液槽采用不锈钢制作，其尺寸大小取决于成形系统设计的最大尺寸原型件或零件。计的最大尺寸原型件或零件。升降工作台由步进电动机控制，最小步距应在升降工作台由步进电动机控制，最小步距应在0.02mm0.02mm以下以下刮平器保证新一层的光敏树脂能够迅速、均匀地涂敷刮平器保证新一层的光敏树脂能够迅速、均匀地涂敷在已固化层上，保持每一层厚度的一致性，从而提高在已固化层上，保持每一层厚度的一致性，从而提高原型件的精度。原型件的精度。（5 5
25、）控制系统）控制系统 主要由主要由工控机、分层处理软件和控制软件工控机、分层处理软件和控制软件等等组成。激光器光束反射镜扫描驱动器、组成。激光器光束反射镜扫描驱动器、X XY Y扫描系统、工作台扫描系统、工作台Z Z方向上下移动和刮刀的往方向上下移动和刮刀的往复移动都由控制软件来控制。复移动都由控制软件来控制。成形工艺过程成形工艺过程p模型及支撑设计p分层处理p原型制作p后处理（l l）模型及支撑设计）模型及支撑设计模型设计是应用三维模型设计是应用三维CADCAD软件进行几何建模，并输出软件进行几何建模，并输出为为STLSTL格式文件。目前典型的商品化格式文件。目前典型的商品化CADCAD系统
26、都有系统都有STLSTL文件输出的数据接口，可以很方便地将文件输出的数据接口，可以很方便地将CADCAD系统构造系统构造的三维模型转换成的三维模型转换成STLSTL格式文件，并在屏幕上显示转格式文件，并在屏幕上显示转换后的换后的STLSTL模型，它是由一系列小三角形组成的三维模型，它是由一系列小三角形组成的三维模型。模型。在成形过程中，由于未被激光束照射的部分材料仍在成形过程中，由于未被激光束照射的部分材料仍为液态，它不能使制件截面上的孤立轮廓和悬臂轮为液态，它不能使制件截面上的孤立轮廓和悬臂轮廓定位。因此，必须设计和制作一些细柱状或肋状廓定位。因此，必须设计和制作一些细柱状或肋状支撑结构，以
27、便确保制件的每一结构部分都能可靠支撑结构，以便确保制件的每一结构部分都能可靠固定，同时也有助于减少制件的翘曲变形。固定，同时也有助于减少制件的翘曲变形。成形完成后应小心地除去上述支撑结构，从而得到成形完成后应小心地除去上述支撑结构，从而得到最终所需的工件。最终所需的工件。支撑结构示意图支撑结构示意图（2 2）分层处理）分层处理采用专用分层软件对采用专用分层软件对CADCAD模型的模型的STLSTL格式文格式文件进行分层处理，得到件进行分层处理，得到每一层截面图形及每一层截面图形及其有关的网格矢量数据其有关的网格矢量数据，用于控制激光中用于控制激光中的扫描轨迹的扫描轨迹。分层处理还包括层厚、固化
28、深度、扫描速分层处理还包括层厚、固化深度、扫描速度、网格间距、线宽补偿值、收缩补偿因度、网格间距、线宽补偿值、收缩补偿因子的选择与确定。子的选择与确定。原型制作：原型制作：在计算机控制下，对液态光敏树脂在计算机控制下，对液态光敏树脂 逐逐层扫描、固化，完成原型的制作。层扫描、固化，完成原型的制作。（4 4）后处理）后处理原型制作完毕，需进行剥离，以便去除废料和支原型制作完毕，需进行剥离，以便去除废料和支撑结构，有时还需进行后固化、修补、打磨、抛撑结构，有时还需进行后固化、修补、打磨、抛光、表面涂覆、表面强化处理等，这些工序统称光、表面涂覆、表面强化处理等，这些工序统称为后处理。为后处理。由于刚
29、制作的原型强度较低，需要通过进一步固由于刚制作的原型强度较低，需要通过进一步固化处理，才能达到需要的性能。后固化工序是采化处理，才能达到需要的性能。后固化工序是采用很强的紫外光源使刚刚成形的原型件充分固化，用很强的紫外光源使刚刚成形的原型件充分固化，这一工序可以在紫外烘干箱中进行。固化时间根这一工序可以在紫外烘干箱中进行。固化时间根据制件的尺寸大小、形状和树脂特性而定，一般据制件的尺寸大小、形状和树脂特性而定，一般不少于不少于30min30min。光固化成形光固化成形工艺特点工艺特点（1 1）尺寸精度高）尺寸精度高SLASLA原型的尺寸精度可达原型的尺寸精度可达0.lmm0.lmm。（2 2）
30、表面质量好。）表面质量好。（3 3）成形过程自动化程度高）成形过程自动化程度高SLASLA系统非常稳定，加工系统非常稳定，加工开始后，成形过程可以完全自动化，直至原型制作完开始后，成形过程可以完全自动化，直至原型制作完成。成。（4 4）原材料利用率高原材料的利用率将近）原材料利用率高原材料的利用率将近100%100%。（5 5）能制造形状特别复杂（如空心零件）、特别精细）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。（如首饰、工艺品等）的零件。（6 6）制作出来的原型件，可快速翻制各种模具。）制作出来的原型件，可快速翻制各种模具。缺点：成形过程中需要支撑，否则会引起制件
31、变形；缺点：成形过程中需要支撑，否则会引起制件变形；设备运转及维护成本高等。设备运转及维护成本高等。二、叠层实体制造工艺二、叠层实体制造工艺概述概述叠层实体制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）工艺也称为层合实体制造或分层实体制造等。1984年Michael Feygin提出了叠层实体制造工艺方法，并于1985年在美国加州托兰斯组建Helisys公司，90年开发了世界上第一台商业机型LOM1015。由于该工艺多以纸为原料（也称之为纸片叠层法），材料成本低，且激光只切割每一层片的轮廓，成形效率高，在制作较大原型件时有较大优势。*：类似的RP工艺有日本Kira
32、公司的SC（Solid Center）、瑞典Sparx公司Sparx、新加坡精技公司的ZIPPY、清华大学的SSM（Sliced Solid Manufacturing）、华中理工的 RPS（Rapid Prototyping System）。二、叠层实体制造工艺二、叠层实体制造工艺工艺原理工艺原理 采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等作采用薄片材料，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为成形材料，片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，用胶。加工时，用COCO2 2激光器（或刀）在计算机激光器（或刀）在计算机控制下按照控制下按照CADCAD分层模型轨迹切割片材，然后分层模型轨迹切
33、割片材，然后通过热压辊热压，使当前层与下面已成形的通过热压辊热压，使当前层与下面已成形的工件层粘接，从而堆积成型。工件层粘接，从而堆积成型。LOMLOM工艺原理示意图工艺原理示意图l-l-收料轴；收料轴；2-2-升降台；升降台；3-3-加工平面；加工平面；4-CO4-CO2 2激光器；激光器；5-5-热压辊；热压辊；6-6-控制计算机；控制计算机；7-7-料带；料带；8-8-供料轴供料轴二、叠层实体制造工艺二、叠层实体制造工艺系统组成系统组成下图所示为清华大学企业集团下属的高科技企业生产的SSM-800叠层实体制造设备。它由工控机（P586）及控制系统、卷筒材料送放装置、热压系统、激光切割系统
34、、可升降工作台、机床本体等组成。l-X、Y轴；2-热压系统；3-测高装置；4-收纸辊；5-Z轴；6-送纸辊；7-工作平台；8-激光头（1 1）工控机：用于接收和存储工件的三维模型，对模型）工控机：用于接收和存储工件的三维模型，对模型进行分层处理，发出控制指令。进行分层处理，发出控制指令。（2 2）卷筒材料送放装置：将存储于其中的材料逐步送到）卷筒材料送放装置：将存储于其中的材料逐步送到工作台的上方，并通过热压系统将一层层材料粘合在一工作台的上方，并通过热压系统将一层层材料粘合在一起。起。（3 3）激光切割系统：按照计算机提取的截面轮廓，逐层）激光切割系统：按照计算机提取的截面轮廓，逐层在材料上
35、切割出轮廓线，并将无轮廓区切割成小方网格。在材料上切割出轮廓线，并将无轮廓区切割成小方网格。网格的大小根据被成形件的形状复杂程度选定，网格愈网格的大小根据被成形件的形状复杂程度选定，网格愈小，愈容易剔除废料，但成形花费的时间较长。小，愈容易剔除废料，但成形花费的时间较长。（4 4）可升降工作台：可沿）可升降工作台：可沿Z Z轴升降，当每层成形之后，工轴升降，当每层成形之后，工作台降低一个材料厚度，以便送进、粘合和切割新一层作台降低一个材料厚度，以便送进、粘合和切割新一层材料。材料。二、叠层实体制造工艺二、叠层实体制造工艺成型工艺过程成型工艺过程1 1）基底制作：由于叠层在制作过程中要由工作台带
36、）基底制作：由于叠层在制作过程中要由工作台带动频繁升降，为实现原型与工作台之间的连接，动频繁升降，为实现原型与工作台之间的连接，需要制作基底，通常制作需要制作基底，通常制作3535层。为保证基底的牢层。为保证基底的牢同，在制作基底之前要将工作台预热。同，在制作基底之前要将工作台预热。2 2）原型制作制作完基底后，即可由设备根据给定的）原型制作制作完基底后，即可由设备根据给定的工艺参数自动完成原型所有叠层的制作过程。工艺参数自动完成原型所有叠层的制作过程。3 3）余料去除：主要是将成形过程中产生的网状废料）余料去除：主要是将成形过程中产生的网状废料与工件剥离，通常采用手工剥离的方法。与工件剥离，
37、通常采用手工剥离的方法。4 4）后处理：余料去除以后，为提高原型表面状况和）后处理：余料去除以后，为提高原型表面状况和机械强度，保证其尺寸稳定性、精度等方面的要机械强度，保证其尺寸稳定性、精度等方面的要求，需对原型进行后置处理，如修补、打磨、抛求，需对原型进行后置处理，如修补、打磨、抛光、表面涂覆等，经处理的光、表面涂覆等，经处理的LOMLOM原型表现出类似硬原型表现出类似硬木的效果和性能。木的效果和性能。二、叠层实体制造工艺二、叠层实体制造工艺工艺特点工艺特点1 1）生产效率高）生产效率高LOMLOM工艺只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不工艺只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用对整个
38、截面进行扫描。因此成形效率比其他用对整个截面进行扫描。因此成形效率比其他RPRP工艺要高，非常适工艺要高，非常适合于制作大型实体原型件。合于制作大型实体原型件。2 2）零件精度较高）零件精度较高LOMLOM工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲变形，零件精度较高，小于曲变形，零件精度较高，小于0.15mm0.15mm。3 3）无需设计和制作支撑结构工件外框与截面轮廓之间的多余材料）无需设计和制作支撑结构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，所以在加工中起到了支撑作用，所以LOMLOM工艺无需加支撑。工艺无需加支撑。4 4）后处理工艺
39、简单，成形后废料易于剥离，且不需后固化处理。）后处理工艺简单，成形后废料易于剥离，且不需后固化处理。5 5）原型制作成本低）原型制作成本低LOMLOM工艺常用的原材料为纸、塑料薄膜等，这些工艺常用的原材料为纸、塑料薄膜等，这些材料价格便宜。材料价格便宜。6 6）制件能承受高达）制件能承受高达200200的高温，有较高的硬度和较好的力学性能，的高温，有较高的硬度和较好的力学性能，可以进行各种切削加工。可以进行各种切削加工。不足：工件（尤其是薄壁件）抗拉强度和弹性不够好；不足：工件（尤其是薄壁件）抗拉强度和弹性不够好；易吸湿膨胀，因此成形后应尽快做表面防潮处理等易吸湿膨胀，因此成形后应尽快做表面防
40、潮处理等三、选择性激光烧结工艺三、选择性激光烧结工艺概述概述选择性激光烧结工艺（选择性激光烧结工艺（Selected Laser SinteringSelected Laser Sintering，SLSSLS）由）由美国人于美国人于19891989年研制成功，并由美国年研制成功，并由美国DTMDTM公司商品化。公司商品化。它利用粉末状材料（主要有塑料粉、蜡粉、金属粉、表面附它利用粉末状材料（主要有塑料粉、蜡粉、金属粉、表面附有粘结剂的覆膜陶瓷粉、覆膜金属粉及覆膜砂等）在激光照有粘结剂的覆膜陶瓷粉、覆膜金属粉及覆膜砂等）在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成形。射下烧结的原理，在计算
41、机控制下层层堆积成形。SLSSLS造型速度快，一般制品仅需造型速度快，一般制品仅需1212天即可完成。天即可完成。研究研究SLSSLS工艺的有美国的工艺的有美国的 DTMDTM公司、公司、3D Systems3D Systems公司，德国的公司，德国的 EOSEOS公司以及国内的北京隆源自动成型系统有限公司和华中科公司以及国内的北京隆源自动成型系统有限公司和华中科技大学等。技大学等。三、选择性激光烧结工艺三、选择性激光烧结工艺工艺原理工艺原理1-1-零件；零件；2-2-扫描镜；扫描镜；3-3-激光器；激光器；4-4-透镜；透镜；5-5-平整辊平整辊选择性激光烧结视频三、选择性激光烧结工艺三、选
42、择性激光烧结工艺系统组成系统组成由机械系统、光学系统和计算机控制系统组成。机由机械系统、光学系统和计算机控制系统组成。机械系统和光学系统在计算机控制系统的控制下协调械系统和光学系统在计算机控制系统的控制下协调工作，自动完成制件的加工成形。工作，自动完成制件的加工成形。机械结构主要由机架、工作平台、铺粉机构、两个机械结构主要由机架、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组成。活塞缸、集料箱、加热灯和通风除尘装置组成。AFSAFS300300型选择性激光烧结主机结构示意图型选择性激光烧结主机结构示意图1-激光室；2-铺粉机构；3-供料缸；4-加热灯；5-成形料缸；6-排尘装置
43、；7-滚珠丝杆螺母机构；8-料粉回收箱*：该系统北京隆源自动成型系统有限公司研制SLSSLS成形工艺过程成形工艺过程1 1）成形参数选择：主要是合理确定分层参数和成形烧）成形参数选择：主要是合理确定分层参数和成形烧结参数。分层处理过程中需要控制的参数包括零件加工结参数。分层处理过程中需要控制的参数包括零件加工方向、分层厚度、扫描间距和扫描方式；成形烧结参数方向、分层厚度、扫描间距和扫描方式；成形烧结参数包括扫描速度、激光功率、预热温度、铺粉参数等。包括扫描速度、激光功率、预热温度、铺粉参数等。2 2）原型制作：）原型制作：SLSSLS原型制作中无需加支撑，因为没有烧原型制作中无需加支撑，因为没
44、有烧结的粉末起到了支撑的作用。结的粉末起到了支撑的作用。3 3）后处理：）后处理：SLSSLS原型从成形室取出后，用毛刷和专用工原型从成形室取出后，用毛刷和专用工具将制件上多余的附粉去掉，进一步清理打磨之后，还具将制件上多余的附粉去掉，进一步清理打磨之后，还需针对原型材料作进一步后处理。需针对原型材料作进一步后处理。SLSSLS工艺特点工艺特点1 1）可以采用多种材料，特别是可以直接制造金属零件。）可以采用多种材料，特别是可以直接制造金属零件。2 2）SLSSLS工艺无需支撑：因为没有被烧结的粉末起到了支工艺无需支撑：因为没有被烧结的粉末起到了支撑的作用，不需要支撑。不仅简化了设计、制作过程，
45、撑的作用，不需要支撑。不仅简化了设计、制作过程，而且不会由于去除支撑操作而影响制件表面的品质。而且不会由于去除支撑操作而影响制件表面的品质。3 3）制件具有较好的力学性能，可直接用作功能测试或小）制件具有较好的力学性能，可直接用作功能测试或小批量使用的产品。批量使用的产品。4 4）材料利用率高，未烧结的粉末可以重复利用。并且材）材料利用率高，未烧结的粉末可以重复利用。并且材料价格较便宜、成本低。料价格较便宜、成本低。不足之处：成形速度比较慢、成形式精度和表面质量不不足之处：成形速度比较慢、成形式精度和表面质量不 太高，而且成形过程中能量消太高，而且成形过程中能量消耗较高。耗较高。四、熔融沉积造
46、型工艺四、熔融沉积造型工艺概述概述熔融沉积造型FDM（Fused Deposition Modeling）由美国学者Dr.Scott Crump于1988年研制成功，并由Stratasys公司于1993年开发出第一台FDM1650机型，又先后推出了 2000、3000、8000机型。近年来，3D Systems公司在FDM技术的基础上开发了多喷头（Multi-Jet Manufacture，MJM）技术，可使用多个喷头同时造型，从而提高了造型速度。清华大学开发了与其工艺原理相近的熔融挤出成模MEM工艺及系列产品。FDM工艺不用激光器件，使用、维护简单，成本较低。用蜡成形的零件成形，可以直接用于
47、失蜡铸造。该技术已被广泛应用于汽车、机械、航空航天、家电、通信、电子、建筑、医学、玩具等产品的设计开发过程设计开发过程，如产品外观评估、方案选择、装配检查、功能测试、用户看样订货、塑料件开模前校验设计以及少量产品制造等。四、熔融沉积造型工艺四、熔融沉积造型工艺工艺原理工艺原理FDMFDM工艺是利用热塑性材料（一般为蜡、工艺是利用热塑性材料（一般为蜡、ABSABS塑料、尼龙等）塑料、尼龙等）的热熔性、粘结性，在计算机控制下层层堆积成型。的热熔性、粘结性，在计算机控制下层层堆积成型。材料先抽成材料先抽成丝状，通过丝状，通过送丝机构送送丝机构送进喷头，在进喷头，在喷头内被加喷头内被加热熔化，喷热熔化
48、，喷头沿零件截头沿零件截面轮廓和填面轮廓和填充轨迹运动，充轨迹运动，同时将熔化同时将熔化的材料加热的材料加热挤出，材料挤出，材料迅速固化，迅速固化，并与周围的并与周围的材料粘结，材料粘结，层层堆积成层层堆积成型。型。四、熔融沉积造型工艺四、熔融沉积造型工艺系统组成系统组成主要包括喷头、送丝机构、运动机构、加热成形室、工作台五部分熔融沉积造型设备（MEM-250-）1-加热喷头；2-X扫描机构；3-丝盘；4-送丝机构；5-Y扫描机构；6-框架；7-工作平台；8-成形室 四、熔融沉积造型工艺四、熔融沉积造型工艺成形工艺过程成形工艺过程（1 1）三维模型设计及）三维模型设计及STLSTL文件输出。文
49、件输出。（2 2）使用软件进行分层处理。）使用软件进行分层处理。（3 3）原型制作。）原型制作。（4 4）原型后处理。）原型后处理。四、熔融沉积造型工艺四、熔融沉积造型工艺工艺特点工艺特点1 1）该工艺无需激光系统，设备使用、维护简便，成）该工艺无需激光系统，设备使用、维护简便，成本较低，其设备成本往往只是本较低，其设备成本往往只是SLASLA设备成本的设备成本的1 15 5。2 2）可以在办公室环境下使用。）可以在办公室环境下使用。3 3）用蜡成形的零件原型，可直接用于失蜡铸造。）用蜡成形的零件原型，可直接用于失蜡铸造。4 4）原材料成形过程中无化学变化，制件翘曲变形小。）原材料成形过程中无
50、化学变化，制件翘曲变形小。5 5）使用水溶性支撑材料时，支撑去除方便，效果好。）使用水溶性支撑材料时，支撑去除方便，效果好。不足：不足：成形精度相对其他成形精度相对其他RPRP工艺较低；成形时间较工艺较低；成形时间较长长。3DP3DP工艺原理工艺原理 三维印刷（三维印刷（3DP3DP）工艺是美国麻省理工）工艺是美国麻省理工学院学院Emanual SachsEmanual Sachs等人研制的。已被美国的等人研制的。已被美国的SoligenSoligen公司以公司以DSPCDSPC名义商品化，用以制造铸名义商品化，用以制造铸造用的陶瓷壳体和芯子。造用的陶瓷壳体和芯子。3DP3DP工艺与工艺与SL
