第一篇：2013湖工大快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用考試重點(diǎn)總結(jié)

快速成型工藝基本原理：基于離散堆積原理的累加式成型，從成型原理上提出了一種全新的思維模式，即將計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)的零件三維模型，表面三角化處理，存儲(chǔ)成STL文件格式，對(duì)其進(jìn)行分層處理，得到各層截面的二維輪廓信息，按照這些輪廓信息自動(dòng)生成加工路徑，在控制系統(tǒng)的控制下，選擇性的固化或燒結(jié)或切割一層層的成型材料，形成各個(gè)截面輪廓薄片，并逐步順序疊加成三維實(shí)體，然后進(jìn)行實(shí)體的后處理，形成原型。

快速成型：1液態(tài)（SLA FDM）2粉末粒子(SLS)3薄層材料（LOM）

在SLA系統(tǒng)中，掃描器件采用雙振鏡模塊。設(shè)置在激光束的匯聚光路中，由于雙振鏡在光路中前后布置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，造成掃描軌跡在X軸向的枕形畸形。當(dāng)掃描到正方形圖形時(shí)，掃描軌跡并非一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正方形，而是出現(xiàn)枕形畸形。

激光掃描方式對(duì)成型精度的影響：掃描方式與成型工件的內(nèi)應(yīng)力有密切關(guān)系，合適的掃描方式可以減少零件的收縮量，避免翹曲和扭曲變形，提高成型精度。Z字形掃描方式：順序往復(fù)掃描1過程太多，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的拉絲現(xiàn)象；2會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的振動(dòng)和噪聲，降低加工效率；分區(qū)往復(fù)掃描：提高成型效率，分散收縮應(yīng)力，減小收縮變形，提高成型精度；跳躍光柵式掃描可分為長(zhǎng)光柵和短光柵式掃描：采用短光柵式掃描更能減小扭曲變形；采用跳躍光柵式掃描有效的提高了成型精度，它使得固話區(qū)域有更多的冷卻時(shí)間，減小了熱應(yīng)力；對(duì)平面零件時(shí)采用螺旋式掃描方式，且外向內(nèi)的掃描方式比內(nèi)向外的掃描方式加工生產(chǎn)零件精度高.傳統(tǒng)的SLA制造技術(shù)：利用激光或者其他光源照射光敏樹脂，使光敏樹脂分子發(fā)生光聚合反應(yīng)形成較大的分子實(shí)現(xiàn)樹脂的固化。

單光子吸收光聚合反應(yīng)SPA：光固化過程中樹脂分子對(duì)光能的吸收是以單個(gè)光子為單位。雙光子吸收光聚合反應(yīng)：以雙光子吸收效應(yīng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)光固化成型過程中單光子吸收的過程。疊層實(shí)體制造技術(shù)LOM：（Laminated Object Manufacturing，簡(jiǎn)稱LOM）是幾種最成熟的快速成型制造技術(shù)之一。它以片材（如紙片、塑料薄膜或復(fù)合材料）為原材料，激光切割系統(tǒng)按照計(jì)算機(jī)提取的橫截面輪廓線數(shù)據(jù)，將背面涂有熱熔膠的紙用激光切割出工件的內(nèi)外輪廓。切割完一層后，送料機(jī)構(gòu)將新的一層紙疊加上去，利用熱粘壓裝置將已切割層粘合在一起，然后再進(jìn)行切割，這樣一層層地切割、粘合，最終成為三維工件。LOM常用材料是紙、金屬箔、塑料膜、膜等，此方法除了可以制造模具、模型外，還可以直接制造結(jié)構(gòu)件或功能件。

選擇性激光燒結(jié)SLS：利用粉末狀材料（金屬粉末或者非金屬粉末）在激光照射下燒結(jié)的原理，在計(jì)算機(jī)控制下層層堆積成形的。將材料粉末鋪灑在已成形零件的上表面，并刮平?；赟LS工藝的金屬零件間接制造工藝過程：分為三個(gè)階段；一是SLS原型件（綠件）的制作；二是粉末燒結(jié)件（褐件）的制作；三是金屬溶滲后處理

激光功率對(duì)選擇性激光燒結(jié)工藝強(qiáng)度的影響：隨著激光功率增加，尺寸誤差項(xiàng)正方向增大，并且厚度方向的增大趨勢(shì)要比長(zhǎng)寬方向的尺寸誤差大；當(dāng)激光功率增大時(shí)，強(qiáng)度也隨著增大，當(dāng)增大到一定程度時(shí)，粉末顆粒完全熔化到固化，強(qiáng)度也隨著有很大的提升；當(dāng)激光功率過大時(shí)會(huì)加劇因熔固收縮而導(dǎo)致的制件翹曲變形；

掃描方式的影響：熔融沉積快速成型工藝方法中掃描方式分為：螺旋掃描、偏置掃描、回旋掃描等；通常，偏置掃描成型的輪廓尺寸精度容易保證，回轉(zhuǎn)掃描路徑生成簡(jiǎn)單，但是輪廓精度較差；采用一種復(fù)合掃描方式，即外輪廓用偏置，內(nèi)部應(yīng)回轉(zhuǎn)掃描，這樣既提高表面精度，又簡(jiǎn)化掃描過程，提高掃描效率。掃描方式與原型的內(nèi)應(yīng)力密切相關(guān)，合適的掃描方式降低原型內(nèi)應(yīng)力的累積，有效防止零件的翹曲變形。

AJS與傳統(tǒng)的FDM的不同之處：1FDM工藝一般采用低熔點(diǎn)絲狀材料，如蠟絲或ABS塑料絲，如果采用高熔點(diǎn)的熱塑性復(fù)合材料，或?qū)τ谝恍┎灰准庸こ山z材的材料，如EVA材料，就相當(dāng)困難。2所選的空氣壓縮機(jī)可提供1MPA范圍內(nèi)任何大小的氣壓，能準(zhǔn)確控制到使送入加熱室的壓縮氣體壓力恒定。壓力裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，提供的壓力穩(wěn)定可靠，成本低。3.傳統(tǒng)的FDM有較重的送絲機(jī)構(gòu)為噴頭輸送原料，原理類似于活塞，難免會(huì)有由于送絲滾輪的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致擠出過程不連續(xù)和因振動(dòng)較大而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)慣性對(duì)噴頭定位定位精度的影響。改進(jìn)后AJS系統(tǒng)由于沒有送絲部分而使噴頭變得輕巧，減小了機(jī)構(gòu)的振動(dòng)，提高了成型精度

光掩膜法：

光掩膜法的工藝特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1不需要設(shè)計(jì)支持結(jié)構(gòu)；2零件的成型速度不受復(fù)雜程度的影響，只與體積有關(guān)。樹脂瞬時(shí)曝光，速度快，整層一次成型，效率高。3精度高，相對(duì)精度約在0.1%左右；4最適合制作多件原型，制作過程中可隨意選不同零件的制作次序，一個(gè)零件末制作完時(shí)，可以先制作另一個(gè)零件，再回過頭來繼續(xù)做未完成的零件；5模型內(nèi)應(yīng)力小，變形小，適合制作大型件；6制作過程在發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，可以將錯(cuò)誤層銑去，重新制作此層； 缺點(diǎn)：1樹脂和石蠟的浪費(fèi)較大，且工序復(fù)雜；2設(shè)備占地大，噪聲高，維護(hù)費(fèi)用昂貴；3可選材料少，使用材料有毒，且需要密封避光保持；4制作過程，感光過度會(huì)使樹脂材料失效；5后處理過程需要除蠟；

快速成型工藝對(duì)成型材料性能的總體要求有如下幾個(gè)方面：1適應(yīng)逐層累加方式的快速成型建造模式；2在快速成型建造方式下，能快速實(shí)現(xiàn)層內(nèi)建造及層間連接；3制作的原型具有一定的尺寸精度和尺寸穩(wěn)定性；4確保原型具有一定力學(xué)性能及性能穩(wěn)定性；5無毒無污染； 混雜型光固化樹脂的優(yōu)點(diǎn)：1環(huán)狀聚合物進(jìn)行陽離子開環(huán)聚合時(shí)，體積收縮很小甚至產(chǎn)生膨脹，而自由基體系總有明顯的收縮?；祀s型體系可以設(shè)計(jì)成無收縮的聚合物；2當(dāng)系統(tǒng)中有堿性雜質(zhì)時(shí)，陽離子聚合的誘導(dǎo)期較長(zhǎng)，而自由基聚合的誘導(dǎo)期較短，混雜型體系可以提供誘導(dǎo)期短而聚合速度穩(wěn)定的聚合系統(tǒng)；3在光照消失后陽離子仍引發(fā)聚合，故混雜體系能克服光照消失后自由基迅速失活而使聚合終結(jié)的缺點(diǎn)；

光固化成型材料根據(jù)工藝和原型使用要求，要求具有粘度低、流平快、固化速度快、固化收縮小、溶脹小、毒性小等性能特點(diǎn)；

對(duì)于LOM成型材料的紙材，有以下要求：1抗?jié)裥?；（保證紙?jiān)喜粫?huì)因長(zhǎng)時(shí)間吸水，不會(huì)因?yàn)檫^兒產(chǎn)生變形及粘接不牢）2良好的浸濕性（保證良好的涂膠性能）；3抗拉強(qiáng)度（保證加工過程不被拉斷）；4收縮率?。釅哼^程中不會(huì)應(yīng)部分水分損失導(dǎo)致變形）；5剝離性能好（如果剝離破壞發(fā)生在紙張內(nèi)，要求抗拉強(qiáng)度不是很大）；6易打磨，表面光滑；7穩(wěn)定性（成型零件可長(zhǎng)時(shí)間保存）

STL文件的格式 二進(jìn)制和文本文件ASCII兩種格式。STL文件的主要優(yōu)勢(shì)在于表達(dá)簡(jiǎn)單清晰，文件中只包含相互相接的三角形片面節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及其外法向量；其實(shí)質(zhì)是用許多細(xì)小的空間三角形面來逼近還原CAD實(shí)體模型類似于實(shí)體數(shù)據(jù)模型

ASCII是二進(jìn)制的六倍內(nèi)存。

二進(jìn)制文件采用IEEE類型整數(shù)和浮動(dòng)型小數(shù)。文件用84字節(jié)的頭文件和50字節(jié)的后述文件來描述一個(gè)三角形。（上述的面目錄一般是以三角形法向量的三坐標(biāo)開始的，該法向量指向面的外側(cè)并且是一個(gè)單位長(zhǎng)，順序是X,Y,Z，法向量的方向符合右手定則）STL文件的基本規(guī)則 1取向規(guī)則2點(diǎn)點(diǎn)規(guī)則3取值規(guī)則4合法實(shí)體規(guī)則

常見的STL文件錯(cuò)誤：1遺漏2退化面3模型錯(cuò)誤

STL中分割基本原理：將一個(gè)STL文件分成兩個(gè)新STL文件，即用多個(gè)面將一個(gè)STL模型分成若干個(gè)部分，每部分重新構(gòu)成一個(gè)STL模型，每個(gè)新STL文件對(duì)應(yīng)一個(gè)新生產(chǎn)的STL模型； 根據(jù)切片原理：實(shí)體中的某些三角形平面上的邊與切割平面相交，所有的交點(diǎn)組成平面上的離散點(diǎn)集合。這些離散點(diǎn)經(jīng)過排序后形成諾干個(gè)封閉的環(huán)，這些封閉環(huán)構(gòu)成了三維實(shí)體與切割平面相交的截面輪廓線；采用有界區(qū)域三角形網(wǎng)格化之前，對(duì)內(nèi)外環(huán)進(jìn)行處理：外環(huán)上節(jié)點(diǎn)要按逆時(shí)針方向排序；內(nèi)環(huán)上節(jié)點(diǎn)按順時(shí)針方向排序；其次，諾有內(nèi)環(huán)，必須確定內(nèi)環(huán)和外環(huán)的相對(duì)位置：一個(gè)外環(huán)包括一個(gè)或者諾干個(gè)內(nèi)環(huán)、一個(gè)內(nèi)環(huán)對(duì)應(yīng)一個(gè)外環(huán)；

什么是奇異點(diǎn)：分層處理時(shí)，諾有三角形頂點(diǎn)落在切平面上，則稱該頂點(diǎn)為奇異點(diǎn)。什么是搜索求交：主要工作是依次取出組成實(shí)體表面的每一個(gè)三角形面片，判斷它是否與切平面相交，諾相交，則計(jì)算出兩交點(diǎn)坐標(biāo)；

選擇性激光燒結(jié)采用CO2激光器對(duì)粉末材料（如蠟粉、PS粉、ABS粉、尼龍粉、金屬粉、覆膜陶瓷粉）進(jìn)行選擇性燒結(jié)。是一種將離散點(diǎn)一層一層堆積成三維實(shí)體的工藝方法

快速模具制造一般分為直接法和間接法兩大類；直接制模法是直接采用RP技術(shù)制作模具，直接制作金屬是選擇性激光燒結(jié)法（SLS法）。此法制造鋼銅合金注塑模，此法在燒結(jié)過程中，材料發(fā)生較大收縮且不易控制，故難快速得到高精度的模具?；赗P快速制造模具的方法多為間接制模法指利用RP原型間接地翻制模具，分為軟質(zhì)模具和硬質(zhì)模具。存在大面積平面形狀的原型，貼好分型面后，應(yīng)合理選定澆道的位置及方向。

環(huán)氧樹脂快速制模一般采用常溫、常壓條件下的靜態(tài)澆注，固化后無須或僅需少量的切削加工，根據(jù)模具情況對(duì)外形略作修整，大大節(jié)省制作的時(shí)間和花費(fèi)。

低粘度的環(huán)氧樹脂具有較好的流動(dòng)性，對(duì)保證樹脂模具有良好的復(fù)制性很重要。低粘度有利于樹脂混合物的除氣，提高樹脂材料的致密性。環(huán)氧樹脂混合物的固化收縮率應(yīng)該盡可能地低，才能嚴(yán)格控制環(huán)氧樹脂模具的收縮畸變，并保證其制造精度，可以通過在環(huán)氧樹脂混合物中加入填料的方法實(shí)現(xiàn)。

第二篇：快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用考試重點(diǎn)總結(jié)

1.1 1988年，3Dsystems公司將SLA-250光固化設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)送給三個(gè)用戶，標(biāo)志著快速成型設(shè)備的商業(yè)化正式開始。

1.3 快速成型技術(shù)的特點(diǎn)：1自由成型制造2制造過程快速3添加式和數(shù)字化驅(qū)動(dòng)成型方式4技術(shù)高度集成5突出的經(jīng)濟(jì)效益6廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域

1.4 快速成型技術(shù)的優(yōu)越性：1設(shè)計(jì)者受益2制造者受益3推銷者受益4用戶受益

2.1 快速成型工藝基本原理：基于離散堆積原理的累加式成型，從成型原理上提出了一種全新的思維模式，即將計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)的零件三維模型，表面三角化處理，存儲(chǔ)成STL文件格式，對(duì)其進(jìn)行分層處理，得到各層截面的二維輪廓信息，按照這些輪廓信息自動(dòng)生成加工路徑，在控制系統(tǒng)的控制下，選擇性的固化或燒結(jié)或切割一層層的成型材料，形成各個(gè)截面輪廓薄片，并逐步順序疊加成三維實(shí)體，然后進(jìn)行實(shí)體的后處理，形成原型?？焖俪尚停?液態(tài)（SLA FDM）2粉末粒子(SLS)3薄層材料（LOM）

2.2.1 光固化成型工藝的基本原理及過程：

光固化成型工藝的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1成型過程自動(dòng)化程度提高2尺寸精度高3優(yōu)良的表面質(zhì)量4可以制造結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，尺寸比較精細(xì)的模型5可以直接制作面向熔模精密鑄造的具有中空結(jié)構(gòu)的消失型6制作的原型可以再一定程度上替代塑件

缺點(diǎn):成型過程中伴隨著物理和化學(xué)變化，制件易彎曲，需要支撐2液態(tài)樹脂固化后的性能尚不如常用的工業(yè)塑料3設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)及維護(hù)成本較高4使用的材料種類較少5液態(tài)樹脂有一定的氣味和毒性，而且要避光保護(hù)6光固化后的原型樹脂并未完全被激光固化，為提高使用性能和尺寸穩(wěn)定性，通常需要二次固化。2.2.2 光固化成型的工藝過程 前處理：1 CAD三維造型2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換3確定擺放方位4施加支撐5切片分層 2原型制作

3后處理

2.2.4 光固化成型的支撐結(jié)構(gòu)

必須設(shè)計(jì)一些細(xì)圓柱狀或肋狀支撐結(jié)構(gòu)，以便確保制件的每一結(jié)構(gòu)部分都能可靠固定，同時(shí)也有助于減少制件的翹曲變形。

2.2.5 光固化成型的收縮變形：1樹脂收縮原因2零件成型過程中樹脂收縮產(chǎn)生的變形3零件后固化收縮產(chǎn)生的變形 光固化成型誤差分析：

影響制作時(shí)間的因素

t=Σtci+Ntp

2.3 疊層實(shí)體制造工藝的基本原理和特點(diǎn) 工藝過程 誤差分析

表面涂覆的具體工藝過程：1將剝離后的原型表面用砂紙輕輕打磨2按規(guī)定比例配備環(huán)氧樹脂3在原型上涂刷一薄層混合后的材料，因材料的粘度較低，材料會(huì)很容易侵入原型中4再次涂覆同樣的混合后的環(huán)氧樹脂材料，以填充表面的溝痕并長(zhǎng)時(shí)間固化5對(duì)表面已經(jīng)涂覆了堅(jiān)硬的環(huán)氧樹脂材料的原型再次用砂紙進(jìn)行打磨，打磨之前和過程中注意測(cè)量原型的尺寸，以確保尺寸在公差之內(nèi)。6對(duì)原型表面進(jìn)行拋光。

2.3.6 疊層實(shí)體快速原型的應(yīng)用 1汽車車燈2鑄鐵手柄3LOM原型在制鞋業(yè)的應(yīng)用 2.4.1 選擇性激光燒結(jié)工藝的基本原理

2.4.2 選擇性激光燒結(jié)工藝的特點(diǎn):優(yōu)點(diǎn)：1可采用多種材料2制造工藝比較簡(jiǎn)單3高精度4無需支撐結(jié)構(gòu)5材料利用率高

缺點(diǎn)：1表面粗糙2燒結(jié)過程揮發(fā)異味3有時(shí)需要比較復(fù)雜的輔助工藝

2.4.4 高分子粉末燒結(jié)件的后處理：1收縮精度的影響2力學(xué)性能的影響 2.4.6 選擇性激光燒結(jié)工藝的應(yīng)用：1直接制作快速模具2復(fù)雜金屬零件的快速無模具鑄造3內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣管模型

2.5.1 熔融沉積成型工藝的基本原理：

2.5.2 熔融沉積成型工藝的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)1系統(tǒng)構(gòu)造原理和操作簡(jiǎn)單，維護(hù)成本低，系統(tǒng)運(yùn)行安全2使用無毒的原材料3用蠟成型的零件原型，可以直接用于失蠟鑄造4可以成型任意復(fù)雜的零件5原材料在成型中無化學(xué)變化，制件的翹曲變形小6原材料利用率高，壽命長(zhǎng)7支撐去除簡(jiǎn)單，無需化學(xué)清洗，分離容易8可直接制作彩色原型

缺點(diǎn)：1成型表面有比較明顯的條紋2沿成型軸垂直的方向強(qiáng)度較弱3需要設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)4需要對(duì)整個(gè)截面進(jìn)行涂覆，成型時(shí)間長(zhǎng)5原材料價(jià)格昂貴

2.5.3 熔融沉積工藝成型影響因素1材料性能的影響（熱收縮）2噴頭溫度和成型室溫度的影響...2.6.1 三位噴涂粘接工藝的原理

2.7 快速成型技術(shù)發(fā)展方向：1金屬零件的直接快速成型2概念創(chuàng)新與工藝改進(jìn)3數(shù)據(jù)優(yōu)化處理及分層方式的演變4快速成型設(shè)備的專用化和大型化5開發(fā)性能優(yōu)越的成型材料6成型材料系列化，標(biāo)準(zhǔn)化7噴射成型技術(shù)的廣泛應(yīng)用8梯度功能材料的應(yīng)用9組織工程材料快速成型10開發(fā)新的成型能源11拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域12集成化 3.2.1 光固化快速成型制造設(shè)備 3.2.5 三維噴涂粘接設(shè)備

4.1 CAD三維模型的構(gòu)建方法 1概念設(shè)計(jì)，根據(jù)產(chǎn)品的要求或直接根據(jù)CAD軟件平臺(tái)上設(shè)計(jì)產(chǎn)品三維模型

2反求工程 在仿制產(chǎn)品時(shí)用掃描機(jī)對(duì)已有的產(chǎn)品實(shí)體進(jìn)行掃描，得到三維模型

反求的主要方法有三坐標(biāo)測(cè)量法，投影光柵法，激光三角形法，核磁共振和CT法一級(jí)自動(dòng)斷層掃描法。常用的掃描機(jī)有傳統(tǒng)的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，激光掃描機(jī)，零件斷層掃描機(jī)，以及CT和MRI。

4.2.1 STL文件的格式

二進(jìn)制和文本文件ASCII兩種格式。

ASCII是二進(jìn)制的六倍內(nèi)存。二進(jìn)制文件采用IEEE類型整數(shù)和浮動(dòng)型小數(shù)。文件用84字節(jié)的頭文件和50字節(jié)的后述文件來描述一個(gè)三角形。

4.2.3 STL文件的基本規(guī)則 1取向規(guī)則2點(diǎn)點(diǎn)規(guī)則3取值規(guī)則4合法實(shí)體規(guī)則 常見的STL文件錯(cuò)誤：1遺漏2退化面3模型錯(cuò)誤

4.3.1 切片方法 1 STL切片（1直接STL切片2容錯(cuò)切片3定層厚切片）2直接切片

4.4 Magics RP軟件是比利時(shí)Materialise公司推出的面向快速成型技術(shù)數(shù)據(jù)處理的大型STL數(shù)據(jù)編輯處理平臺(tái)。

Magics軟件施加支撐及切片過程：1STL文件載入2STL文件糾錯(cuò)3模型擺放4自動(dòng)施加支撐5人工修改支撐6切片處理

5.2.1 硅橡膠模具的特點(diǎn)：良好的仿真性，強(qiáng)度和極低的收縮率

工藝流程：1原型表面處理2制作型框和固定型框3硅橡膠計(jì)量，混合并真空脫泡4硅橡膠澆注及固化5拆除型框，刀剖并取出原型。5.2.3 硅橡膠模具制作的若干問題

4.2.5 采用硅橡膠模具進(jìn)行樹脂材料真空注型的工藝流程：1清理硅橡膠，預(yù)熱模具2噴灑離型劑，組合硅膠模具3計(jì)量樹脂4脫泡混合，真空注型5溫室硬化，去出原型6原型后處理

5.3.1 電弧噴涂是將兩根待噴涂金屬絲作為自耗性電極，利用兩根金屬絲端部短路產(chǎn)生的電弧使絲材熔化，用壓縮空氣把已融化的金屬霧化成微滴，并使其加速，以很高的速度沉積到基體表面形成涂層。電弧噴涂制模的工序：1模型準(zhǔn)備2在模型上噴涂金屬3制作模具框架4澆注模具的填充材料5脫模，后序加工處理

電弧噴涂模具結(jié)構(gòu)

合理利用各種性能材料，從外到內(nèi)，材料呈梯度分布。表面防護(hù)劑一般選用聚乙烯醇。6.1.1 Keltool法的工藝過程：用快速成型機(jī)制作模具型腔 以模具型腔為母模制作硅橡膠模具 向硅橡膠模具澆注混有樹脂粘結(jié)劑的金屬粉漿 粉漿固化后從硅膠模具中取出模具型腔坯 低溫?zé)Y(jié)模具型腔坯燒除樹脂粘結(jié)劑 高溫?zé)Y(jié)模具型腔坯并滲銅 模具型腔表面拋光 加入澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng) 模具型腔與模架安裝

6.3.2 德國(guó)快速成型設(shè)備開發(fā)商EOS公司開發(fā)的SLS設(shè)備 6.5.1 設(shè)置共形冷卻道

6.6.4 直接金屬三位打印制模技術(shù)

7.2 快速成型制造技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用：1概念模型可視化2涉及評(píng)價(jià)3裝配校核4性能和功能測(cè)試

7.4.1熔模鑄造過程 1澆注法制作熔模制造的消失型-蠟型2將蠟質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)澆注系統(tǒng)和蠟型組裝3將組裝后的蠟型與澆注系統(tǒng)浸入到陶瓷漿中，反復(fù)掛砂和干燥形成硬殼4想硬型殼中通入熱水或蒸汽，使蠟型熔化并排出，得到空型殼5硬型殼高溫焙燒，進(jìn)一步除去殘留的蠟，得到可進(jìn)行澆注融化后金屬的高強(qiáng)度陶瓷硬型殼6將陶瓷硬型殼預(yù)熱到一定溫度后，注入熔化金屬7冷卻后，除去陶瓷殼，得到工件和澆注系統(tǒng)，再除去澆注系統(tǒng)，得到金屬制件。8.2 系統(tǒng)軟硬件資源1造型軟件2結(jié)構(gòu)分析軟件3工藝仿真軟件4反求系統(tǒng)與數(shù)據(jù)擬合軟件5快速成型設(shè)備6快速模具制造設(shè)備7計(jì)算機(jī)工作站

第三篇：快速成型技術(shù)復(fù)習(xí)重點(diǎn)

1.快速成型：簡(jiǎn)稱RP,即將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD計(jì)算機(jī)輔助制造CAM計(jì)算機(jī)數(shù)字控制CNC、激光、精密伺服驅(qū)動(dòng)和新材料等先進(jìn)技術(shù)集于一體，依據(jù)計(jì)算機(jī)上構(gòu)成的工件三維設(shè)計(jì)模型，對(duì)其進(jìn)行分層切片，得到各層截面的二維輪廓信息，快速成型機(jī)的成形頭按照這些輪廓信息在控制系統(tǒng)的控制下，選擇性地固化或切割一層層的成形材料，形成各個(gè)截面輪廓，并逐步順序疊加成三維工件。．

快速成形技術(shù)全過程步驟：a.前處理b.分層疊加成型c.后處理 快速成形制造流程：CAD模型→面型化處理→分層→層信息處理→層準(zhǔn)備→層制造→層粘接→實(shí)體模型 2． 什么是快速模具制造技術(shù)？該技術(shù)有何特點(diǎn)？ 快速模具制造就是以快速成形技術(shù)制造的快速成型零件為母模，采用直接或間接的方法實(shí)現(xiàn)硅膠模、金屬模、陶瓷模等模具的快速制造從而形成新產(chǎn)品的小批量制造，降低新產(chǎn)品的開發(fā)成本。特點(diǎn)：制模周期短、工藝簡(jiǎn)單、易于推廣，制模成本低，精度和壽命都能滿足特定的功能需要，綜合經(jīng)濟(jì)效益好，特別適用于新產(chǎn)品開發(fā)試制、工藝驗(yàn)證和功能驗(yàn)證以及多品種小批量生產(chǎn)

LOM涂布工藝

采用薄片型材料，如紙 塑料薄膜 金屬箔等，通過計(jì)算機(jī)控制激光束，按模型每一層的內(nèi)外輪廓線切割薄片材料，得到該層的平面輪廓形狀，然后逐層堆積成零件原型。

SLS技術(shù)（選擇性激光燒結(jié)成型技術(shù)）利用粉末材料如金屬粉末 非金屬粉末，采用激光照射的燒結(jié)原理，在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行層層堆積，最終加工制作成所需的模型或產(chǎn)品。4． 快速成形與傳統(tǒng)制造方法的區(qū)別？

傳統(tǒng)方法根據(jù)零件成形過程分為兩大類：一類是以成型過程中材料減少為特征，通過各種方法將零件毛胚上多余材料去除，即材料去除法，二類是材料的質(zhì)量在成型過程中基本保持不變，成型過程主要是材料的轉(zhuǎn)移和毛胚形狀的改變即材料轉(zhuǎn)移法，但此類方法生產(chǎn)周期長(zhǎng)速度慢?？焖俪尚图夹g(shù)可以以最快的速度、最低的成本和最好的品質(zhì)將新產(chǎn)品迅速投放市場(chǎng)。

硅膠模及制作方法 硅膠模具是制作工藝品的專用模具膠。

制作工藝 原型表面處理 制作型框和固定型框 硅橡膠計(jì)量，混合并真空脫泡 硅橡膠澆注及固化 拆除型框，刀剖并取出原型 7.構(gòu)造三維模型的主要方法：a應(yīng)用計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)軟件，根據(jù)產(chǎn)品的要求設(shè)計(jì)三維模型b應(yīng)用計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)軟件，將已有產(chǎn)品的二維三視圖轉(zhuǎn)換為三維模型c防制產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)用反求設(shè)備和反求軟件，得到產(chǎn)品的三維模型d利用網(wǎng)絡(luò)將用戶設(shè)計(jì)好的三維模型直接傳輸?shù)娇焖俪尚喂ぷ髡?光固化快速成形（SLA）有那幾種形式的支撐？

a.角板支撐b.投射特征邊支撐c.單臂板支撐d.臂板結(jié)構(gòu)支撐e.柱形支撐

6.目前比較成熟的快速成型技術(shù)有哪幾種？它們的成型原理上分別是什么？

液態(tài)光固化聚合物選擇性固化成形簡(jiǎn)稱SLA，粉末材料選擇性燒結(jié)成形簡(jiǎn)稱SLS，薄型材料選擇性切割成形簡(jiǎn)稱LOM，絲狀材料選擇性熔覆成形簡(jiǎn)稱FDM

⑦SLA原理：1利用計(jì)算機(jī)控制下的紫外激光，按預(yù)定零件各分層截面的輪廓為軌跡逐點(diǎn)掃描，使被掃描區(qū)的光敏樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)，從而形成零件的一個(gè)薄層截面；2當(dāng)一層固化完畢，移動(dòng)升降臺(tái)，在原先固化的樹脂表面上再敷上一層新的液態(tài)樹脂，刮刀刮去多余的樹脂；3激光束對(duì)新一層樹脂進(jìn)行掃描固化，使新固化的一層牢固地粘合在前一層上；4重復(fù)2、3步，至整個(gè)零件原型制造完畢?！夯騍LA是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態(tài)材料在一定波長(zhǎng)（λ=325nm）和功率（P=30mW）的紫外光照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，分子量急劇增大，材料也從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)』

⑦SLS原理： 1在先開始加工之前，先將充有氮?dú)獾墓ぷ魇疑郎?，溫度保持在粉末的熔點(diǎn)之下；2成型時(shí)，送料筒上升，鋪粉滾筒移動(dòng)，先在工作臺(tái)上鋪一層粉末材料；3激光束在計(jì)算機(jī)控制下，按照截面輪廓對(duì)實(shí)心部分所在的粉末進(jìn)行燒結(jié)，使粉末融化并相互黏結(jié)，繼而形成一層固體輪廓，未經(jīng)燒結(jié)的粉末仍留在原處，作為下一層粉末的支撐；4第一層燒結(jié)完成后，工作臺(tái)下降一截面層的高度，再鋪上一層粉末，進(jìn)行下一層燒結(jié)，如此循環(huán)，直至完成整個(gè)三維模型 FDM原理：加熱噴頭正在計(jì)算機(jī)的控制下，可根據(jù)界面輪廓的信息作X—Y平面運(yùn)動(dòng)和高度Z方向的運(yùn)動(dòng)絲狀熱塑性材料由供絲機(jī)構(gòu)送至噴頭，并在噴頭中加熱至熔融態(tài)，然后被選擇性涂覆在工作臺(tái)上，快速冷卻后形成界面輪廓。一層截面完成后，噴頭上升一截面層的高度在進(jìn)行下一層的涂覆，如此循環(huán)，最終形成三維產(chǎn)品。

LOM:LOM快速成形系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)原材料存儲(chǔ)及送進(jìn)機(jī)構(gòu)、熱粘壓機(jī)構(gòu)、激光切割系統(tǒng)、可升降工作臺(tái)、數(shù)控系統(tǒng)、模型取出裝置和機(jī)架等組成。計(jì)算機(jī)用于接受和存儲(chǔ)工件的三維模型沿模型的成型方向截取一系列的截面輪廓信息發(fā)出控制指令原材料存儲(chǔ)及送進(jìn)機(jī)構(gòu)將存于其中的原材料。熱黏壓機(jī)構(gòu)將一層層成形材料粘合在一起?？缮倒ぷ髋_(tái)支撐正在成型的工件并在每層成形完畢之后，降低一個(gè)材料厚度以便送進(jìn)、粘合和切割新的一層成形材料。數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令，使材料逐步送至工作臺(tái)的上方，然后粘合、切割，最終形成三維工件。b 原型制件過程

模型剖分 基底制作原型制作 余料，廢料去除 后繼處理

8.哪些成形方法需要支撐材料？為什么？

SLA、FDM需要制作支撐，LOM、SLS不需要制作支撐。原因：在SLA成形過程中為了確保制件的每一部分可靠固定，同時(shí)減少制件的翹曲變形，僅靠調(diào)整制件參數(shù)遠(yuǎn)不能達(dá)到目的，必須設(shè)計(jì)并在加工中制作一些柱狀或筋狀的支撐結(jié)構(gòu)；LOM：工件外框與截面輪廓間的多余材料在加工中起到支撐作用，故不需支撐材料；SLS：未燒結(jié)的松散粉末可以作為自然支撐，故不需要支撐材料。

10.常用的快速成形技術(shù)所用的成形材料分別是什么？分別有什么要求？

SLA：材料為光固化樹脂。要求：a.成形材料易于固化，且成形后具有一定的粘接強(qiáng)度b.成形材料的粘度不能太高，以保證加工層平整并減少液體流平時(shí)間c.成形材料本身的熱影響區(qū)小，收縮應(yīng)力小d.成形材料對(duì)光有一定的透過深度，以獲得具有一定固化深度的曾片。

SLS：材料為所有受熱后能相互粘結(jié)的粉末材料或表面覆有熱塑（固）性黏結(jié)劑的粉末。要求：a.具有良好的燒結(jié)成形性能，即無需特殊工藝即可快速精確地成形原理b.對(duì)直接用作功能零件或模具的原型，其力學(xué)性能和物理性能要滿足使用要求c.當(dāng)原型間接使用時(shí)，要有利于快速、方便的后續(xù)處理和加工工藝。

LOM：薄層材料多為紙材，黏結(jié)劑一般多為熱熔膠。對(duì)紙材要求：a.抗?jié)裥詁.良好的浸潤(rùn)性c.收縮率小d.一定的抗拉強(qiáng)度e.剝離性能好f.易打磨g.穩(wěn)定性好。對(duì)熱熔膠的要求：a.良好的熱熔冷固性b.在反復(fù)熔化-固化條件下，具有較好的物理化學(xué)穩(wěn)定性c.熔融狀態(tài)下與紙材具有良好的涂掛性與涂勻性d.與紙具有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度e.良好的廢料分離性能 FDM：材料為絲狀熱塑性材料。材料要求：a.黏度低b.熔融溫度低c.黏結(jié)性要好d.收縮率對(duì)溫度不能太敏感 11.這四種快速成形技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分別是什么？

SLA優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟應(yīng)用廣泛，成形速度快精度高，能量低。缺點(diǎn)：工藝復(fù)雜，需要支撐結(jié)構(gòu)，材料種類有限，激光器壽命短原材料價(jià)格高。

SLS優(yōu)點(diǎn)：不需要支撐結(jié)構(gòu)，材料利用率高，選用的材料的力學(xué)性能比較好，材料價(jià)格便宜，無氣味。缺點(diǎn)：能量高，表面粗糙，成形原型疏松多孔，對(duì)某些材料需要單獨(dú)處理。LOM優(yōu)點(diǎn)：對(duì)實(shí)心部分大的物體成形速度快，支撐結(jié)構(gòu)自動(dòng)的包含在層面制造中，低的內(nèi)應(yīng)力和扭曲，同一物體中可包含多種材料和顏色。缺點(diǎn)：能量高，對(duì)內(nèi)部空腔中的支撐物需要清理，材料利用率低，廢料剝離困難，可能發(fā)生翹曲 FDM優(yōu)點(diǎn)：成形速度快，材料利用率高，能量低，物體中可包含多種材料和顏色。缺點(diǎn)：表面光潔度低，粗糙。選用材料僅限于低熔點(diǎn)的材料。

12.主要快速成形系統(tǒng)選用原則：A：成形件的用途（a檢查并核實(shí)形狀、尺寸用的樣品b性能考核用的樣品c模具d小批量和特殊復(fù)雜零件的直接生產(chǎn)e新材料的研究）B：成形件的形狀C：成形件的尺寸大小D成本（a設(shè)備購(gòu)置成本b設(shè)備運(yùn)行成本c人工成本）E技術(shù)服務(wù)（a保修期b軟件的升級(jí)換代c技術(shù)研發(fā)力量）F用戶環(huán)境

13.快速成形的全處理主要包括：CAD三維模型的構(gòu)建、CAD三維模型STL格式化以及三維模型的切片處理等

14.在快速成型的前處理階段為什么要把三維模型轉(zhuǎn)化為STL文件格式？STL格式文件的規(guī)則和常見錯(cuò)誤有哪些？ 由于產(chǎn)品上有一些不規(guī)則的自由曲面，為方便的獲得曲面每部分的坐標(biāo)信息，加工前必須對(duì)其進(jìn)行近似處理，此近似處理的三維模型文件即為STL格式文件

規(guī)則：a共頂點(diǎn)規(guī)則b取向規(guī)則c取值規(guī)則d合法實(shí)體規(guī)則 常見錯(cuò)誤：a出現(xiàn)違反共頂點(diǎn)規(guī)則的三角形b出現(xiàn)違反取向規(guī)則的三角形c出現(xiàn)錯(cuò)誤的裂縫或孔洞d三角形過多或過少e微小特征遺漏或出錯(cuò)

分析SLS SLA FOM LOM 質(zhì)量及精度的影響因素及解決措施

答

從快速成型三個(gè)過程討論

首先是前處理，四大成型工藝前處理工作基本相似，模型建立和切片。影響精度主要是切片，厚度越厚，疊加后工件側(cè)面的臺(tái)階缺陷越明顯，厚度越小，精度越高

SLA 1 樹脂收縮及原因

樹脂會(huì)發(fā)生收縮 導(dǎo)致零件成型過程中產(chǎn)生變形：翹曲

收縮原因;固化收縮和溫度變化的熱脹冷縮機(jī)器誤差

設(shè)備自身精度所帶來的誤差 加工參數(shù)設(shè)置誤差

激光功率 掃描速度 掃描間距設(shè)置誤差 FDM 1 設(shè)備精度誤差 由于設(shè)備自身有一定的加工范圍以及其加工精度，對(duì)最后加工工件有一定的誤差 2 成型過程的誤差a 不一致約束 由于相鄰兩層的輪廓有所不同 成型軌跡也不同 每層都要受到相鄰層的約束 導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力 從而產(chǎn)生翹曲 b 成型功率控制不當(dāng) 功率過大 會(huì)導(dǎo)致刮破前一層 同時(shí)會(huì)燒紙 機(jī)器壽命降低 過小 粘結(jié)不好c工藝參數(shù)不穩(wěn)定

會(huì)導(dǎo)致層與層制件或同層不同位置成型狀況的差異 從而導(dǎo)致翹曲 或度不均

SLS 主要是激光的參數(shù) 1 激光功率密度過大 掃描速度過小 則局部溫度過高 導(dǎo)致粉末氣化 燒結(jié)表面凹凸不平反之 則粉末燒結(jié)不充分甚至不能燒結(jié) 建立的制件強(qiáng)度低或者不能成行 2 激光束掃描間距與激光束半徑配合會(huì)影響激光燒結(jié)的質(zhì)量

LOM 過程中誤差造成的缺陷 1 噴頭起停誤差 2 路間缺陷 解決方法 控制相鄰路間的粘結(jié)溫度使得接觸牢固 控制材料的橫向流動(dòng)填補(bǔ)空洞

后處理影響精度主要有 人為修整帶來的缺陷 有支持結(jié)構(gòu)的成型工藝在除去支付結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)工件表面的破壞等

第四篇：快速成型技術(shù)及應(yīng)用學(xué)習(xí)心得

《快速成型技術(shù)及應(yīng)用》學(xué)習(xí)心得

對(duì)于本學(xué)期黃老師的《快速成型技術(shù)及應(yīng)用》學(xué)習(xí)心得，主要從RP技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)、主要的RP成型工藝分析和RP技術(shù)在當(dāng)代模具制造行業(yè)的應(yīng)用三個(gè)方面進(jìn)行說明：

一、RP技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

快速成型（Rapid Prototyping）技術(shù)是由三維CAD模型直接驅(qū)動(dòng)的快速制造任意復(fù)雜形狀三維實(shí)體的總稱。它集成了CAD 技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等現(xiàn)代科技成果，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。

目前，快速成型技術(shù)已在工業(yè)造型、機(jī)械制造、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫(yī)學(xué)、考古、文化藝術(shù)、雕刻、首飾等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。

RP技術(shù)雖然有其巨大的優(yōu)越性，但是也有它的局限性，由于可成型材料有限，零件精度低，表面粗糙度高，原型零件的物理性能較差，成型機(jī)的價(jià)格較高，運(yùn)行制作的成本高等，所以在一定程度上成為該技術(shù)的推廣普及的瓶頸。從目前國(guó)內(nèi)外RP 技術(shù)的研究和應(yīng)用狀況來看，快速成型技術(shù)的進(jìn)一步研究和開發(fā)的方向主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）大力改善現(xiàn)行快速成型制作機(jī)的制作精度、可靠性和制作能力，提高生產(chǎn)效率，縮短制作周期。尤其是提高成型件的表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能，為進(jìn)一步進(jìn)行模具加工和功能試驗(yàn)提供平臺(tái)。

（2）開發(fā)性能更好的快速成型材料。材料的性能既要利于原型加工，又要具有較好的后續(xù)加工性能，還要滿足對(duì)強(qiáng)度和剛度等不同的要求。

（3）提高RP 系統(tǒng)的加工速度和開拓并行制造的工藝方法。目前即使是最快的快速成型機(jī)也難以完成象注塑和壓鑄成型的快速大批量生產(chǎn)。

（4）RPM 與CAD、CAM、CAPP、CAE 以及高精度自動(dòng)測(cè)量、逆向工程的集成一體化。該項(xiàng)技術(shù)可以大大提高新產(chǎn)品的第一次投入市場(chǎng)就十分成功的可能性，也可以快速實(shí)現(xiàn)反求工程。

（5）研制新的快速成型方法和工藝。除了目前SLA、LOM、SLS、FDM 外，直接金屬成型工藝將是以后的發(fā)展焦點(diǎn)。

二、幾種常見RP工藝

1、FDM，絲狀材料選擇性熔覆（Fused Deposition Modeling）快速原型工藝是一種不依靠激光作為成型能源、而將各種絲材（如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等）加熱熔化進(jìn)而堆積成型方法，簡(jiǎn)稱FDM。

2、SLA，光敏樹脂選擇性固化是采用立體雕刻（Stereolithography）原理的一種工藝，簡(jiǎn)稱SLA，是最早出現(xiàn)的一種快速成型技術(shù)。

3、SLS，粉末材料選擇性燒結(jié)（Selected Laser Sintering）是一種快速原型工藝，簡(jiǎn)稱SLS。粉末材料選擇性燒結(jié)采用二氧化碳激光器對(duì)粉末材料（塑料粉等與粘結(jié)劑的混合粉）進(jìn)行選擇性燒結(jié)，是一種由離散點(diǎn)一層層堆集成三維實(shí)體的快速成型方法。

4、LOM，箔材疊層實(shí)體制作（Laminated Object Manufacturing）快速原型技術(shù)是薄片材料疊加工藝，簡(jiǎn)稱LOM。箔材疊層實(shí)體制作是根據(jù)三維CAD模型每個(gè)截面的輪廓線，在計(jì)算機(jī)控制下，發(fā)出控制激光切割系統(tǒng)的指令，使切割頭作X和Y方向的移動(dòng)，最后疊加成型。

三、RP技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的模具制造方法可分為兩種,一種是借助母模翻制模具,另一種就是用數(shù)控機(jī)床直接制造模具。在新產(chǎn)品開發(fā)過程中,減少模具制造所需成本和時(shí)間對(duì)縮短整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間及降低成本是最有效的步驟,快速成型技術(shù)的一個(gè)飛躍就是進(jìn)入模具制造領(lǐng)域,其潛力所在正是能降低模具制造成本并減少模具開發(fā)時(shí)間。將快速成型技術(shù)引入模具制造過程后的模具開發(fā)制造就是快速模具制造。

快速成型技術(shù)在模具制造領(lǐng)域的應(yīng)用主要是用來制作模具設(shè)計(jì)制造過程中所用的母模,有時(shí)也用快速成型技術(shù)直接制造模具。因此可以將基于RP的快速模具制造分為兩類，即：直接制模法和間接制模法。（這里就不一一闡述了）

利用RP 技術(shù)發(fā)展快速模具制造技術(shù)還存在以下主要問題需要解決或者說需要進(jìn)一步提高。

(1)表面質(zhì)量如何滿足模具的要求,否則無法承受如注射成型這樣的高壓。分層制造法不可避免會(huì)產(chǎn)生臺(tái)階,斜面時(shí)更嚴(yán)重,后處理是目前通用的作法。

(2)尺寸精度如何滿足模具制造的要求,尤其是制造較大模具時(shí),尺寸更不穩(wěn)定。

(3)用作母模時(shí)的強(qiáng)度,耐熱和耐腐蝕性,形狀和尺寸的時(shí)效問題。

(4)塑料或樹脂類模具的導(dǎo)熱性很差，導(dǎo)熱差雖然帶來了可用較低注射壓力的好處,但生產(chǎn)周期太長(zhǎng)也必須考慮。

(5)多數(shù)所謂金屬模具都需要最后滲銅,這就造成這種金屬模具的使用溫度不可太高,可能超過500 ℃就不行了。

(6)使用壽命的進(jìn)一步延長(zhǎng)和使用成本的進(jìn)一步降低。

(7)目前所能制造的模具的體積都很小,怎樣制造大型模具?

(8)受不可缺少的后處理工序的限制,目前還不能制造具有很小細(xì)節(jié)特征的模具,尤其是具有內(nèi)凹形狀的模具。

(9)目前快速成型方法所能成型的材料種類及其有限,需要開發(fā)新型材料。

第五篇：3D打印快速成型技術(shù)及其應(yīng)用

3D打印快速成型技術(shù)及其應(yīng)用

3D打印快速成型技術(shù)及其應(yīng)用

摘要：本文介紹了3D打印技術(shù)的基本原理及其制造流程。通過一些實(shí)例說明了3D打印的應(yīng)用主要是說明在現(xiàn)代軍事方面的應(yīng)用。

一．引言

3D打印（3D PRINTING）即3D打印技術(shù)，又3D打印制造是20世紀(jì)80年代才興起的一門新興的技術(shù)，是21世紀(jì)制造業(yè)最具影響的技術(shù)之一。隨著計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，信息高速公路加快了科技傳播的速度，產(chǎn)品的生命周期越來越短，企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)不再只是質(zhì)量和成本上的競(jìng)爭(zhēng)，而更重要的是產(chǎn)品上市時(shí)間的競(jìng)爭(zhēng)。因此，通過計(jì)算機(jī)仿真和3D打印增加產(chǎn)品的信息量，以便更快的完成設(shè)計(jì)及其制造過程，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程的時(shí)間周期盡量縮短，防止投產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)問題造成不可挽回的損失。

3D打印技術(shù)是由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)的快速制造復(fù)雜形狀的三維實(shí)體的技術(shù)總稱。簡(jiǎn)單的講，3D打印制造技術(shù)就是快速制造新產(chǎn)品首版樣件的技術(shù)，它可以在沒有任何刀具、模具及工裝夾具的情況下，快速直接的實(shí)現(xiàn)零件的單件生產(chǎn)。該技術(shù)突破了制造業(yè)的傳統(tǒng)模式，特別適合于新產(chǎn)品的開發(fā)、單件或少批量產(chǎn)品試制等。它是機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)CAD、電子技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光 技術(shù)、材料科學(xué)等多學(xué)科相互滲透與交叉的產(chǎn)物。它可快速，準(zhǔn)確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛄慵?，以便進(jìn)行快速評(píng)估，修改及功能測(cè)試，從而大大縮短產(chǎn)品的研制周期，減少開發(fā)費(fèi)用，加快新產(chǎn)品推向市場(chǎng)的進(jìn)程。

自從美國(guó)3D公司在1987年推出世界上

3D打印快速成型技術(shù)及其應(yīng)用

二．3D打印技術(shù)的簡(jiǎn)介

2.1 3D打印系統(tǒng)的工作原理和制造工藝

3D打印技術(shù)是一種逐層制造技術(shù)，它采用離散/堆積成型原理，其過程是：先得到所需零件的計(jì)算機(jī)三維曲面或?qū)嶓w模型；然后根據(jù)工藝要求，將其按一定厚度進(jìn)行分層，將原來的三維模型變成二維平面信息，即離散過程；再將分層后的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，加入加工參數(shù)，產(chǎn)生數(shù)控代碼；在微機(jī)控制下，數(shù)控系統(tǒng)以平面加工方式，有序地連續(xù)加工出每個(gè)薄層，并使它們自動(dòng)粘接而成型，從而制造出所需產(chǎn)品的實(shí)物樣件或成品，這就是材料的堆積過程。已知自由曲面CAD模型，如果使用傳統(tǒng)的方法和數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，那么復(fù)雜的自由曲面，成本高，效率低。近年來，3D打印即廣泛的被運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)中。各種3D打印技術(shù)的過程都包括CAD模型建立、生成STL文件格式、3D打印制作、模型分層切片和后置處理五個(gè)步驟，其制造過程如圖1所示

（1）利用激光固化樹脂材料的光造型法（Stereolithography）。光造型裝置一直以美國(guó)3DSYSTEMS公司的ＳＬＡ型產(chǎn)品獨(dú)占鰲頭,并形成壟斷市場(chǎng)。其工作原理如下：由激光器發(fā)出的紫外光,經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)匯集成一支細(xì)光束,該光束在計(jì)算機(jī)控制下有選擇的掃描液體光敏樹脂表面,利用光敏樹脂遇紫外光凝固的機(jī)理,一層一層固化光敏樹脂,每固化一層后,工作臺(tái)下降一精確距離,并按新一層表面幾何信息使激光掃描器對(duì)液面進(jìn)行掃描,使新一層樹脂固化并緊緊粘在前一層已固化的樹脂上,如此反復(fù),直至制作生成零件實(shí)體模型。激光立體造型制造精度目

3D打印快速成型技術(shù)及其應(yīng)用

前可達(dá)±0.1ｍｍ,主要用作為產(chǎn)品提供樣品和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。此?日本的帝人制機(jī)開發(fā)的SOLIFORM可直接制作注射成型模具和真空注塑模具。

（2）紙張疊層造型法。紙張疊層造型法目前以HELISYS公司開發(fā)的LOM裝置應(yīng)用最廣。該裝置采用專用滾筒紙,由加熱輥筒使紙張加熱聯(lián)接,然后用激光將紙切斷,待加熱輥筒自動(dòng)離開后,再由激光將紙張裁切成層面要求形狀。

（3）熔融造型法熔融造型法（FDM）。以美國(guó)STRATASYS公司開發(fā)的產(chǎn)品FDM(FUSED DEPOSITION MODELLING)應(yīng)用最為廣泛。工作時(shí),直接由計(jì)算機(jī)控制。噴頭擠出熱塑材料并按照層面幾何信息逐層由下而上制作出實(shí)體模型。ＦＤＭ技術(shù)的最大特點(diǎn)是速度快(一般模型僅需幾小時(shí)即可成型)、無污染,在原型開發(fā)和精鑄蠟?zāi)５确矫娴玫綇V泛應(yīng)用。FDM生產(chǎn)可選成型材料種類較多，原材料費(fèi)用低，因而的到廣泛的應(yīng)用。但是FDM也有其固有的缺點(diǎn)。精度低，熱融制造中很難控制精度，難以制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件，且材料的制造是處于熔點(diǎn)附近，因而構(gòu)件的強(qiáng)度小，也不適合制造大型的制件，這些特點(diǎn)都限制了FDM的應(yīng)用范圍。

（4）熱可塑造型法（SLS）。以DTM公司開發(fā)的選擇性激光燒結(jié)即SLS(SELECTIVE LASER SINTERING)應(yīng)用較多。該方法是用CO2激光熔融燒結(jié)樹脂粉末的方式制作樣件。工作時(shí),由CO2激光器發(fā)出的光束在計(jì)算機(jī)控制下,根據(jù)幾何形體各層橫截面的幾何信息對(duì)材料粉末進(jìn)行掃描,激光掃描處粉末熔化并凝固在一起。然后,鋪上一層新粉末,再用激光掃描燒結(jié),如此反復(fù),直至制成所需樣件。

2.2 3D打印制造的優(yōu)點(diǎn)

3D打印技術(shù)的加工特點(diǎn):3D打印技術(shù)突破了“毛坯→切削→加工品”傳統(tǒng)的零件加工模式,開創(chuàng)了不用刀具制作零件的先河,是一種利用的薄層疊加的加工方法。與傳統(tǒng)的切削加工方法相比,3D打印加工至少具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)可迅速制造出具有自由曲面和更為復(fù)雜形態(tài)的零件,如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，這些利用傳統(tǒng)工藝很難加工的,從而大大降低了新產(chǎn)品的開發(fā)成本和開發(fā)周期。在時(shí)間尤其重要的今天，它可以為企業(yè)節(jié)省大量的研發(fā)時(shí)間。

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(2)它屬于非接觸加工,不需要切削加工所必需的刀具和夾具,無刀具磨損和切削力影響。只需要一套特定的設(shè)備，工序簡(jiǎn)單，沒有傳統(tǒng)加工的煩瑣的工序。傳統(tǒng)的加工中每一個(gè)工序都需要機(jī)床等復(fù)雜加工設(shè)備，且加工過程復(fù)雜，對(duì)操作人員的技術(shù)要求很高。

(3)無振動(dòng)、噪聲和切削廢料?？梢詾槠髽I(yè)節(jié)省寶貴的試制原料，簡(jiǎn)化生產(chǎn)。傳統(tǒng)的制造中由于多是機(jī)械制造，噪音較大。且加工時(shí)邊角料多。造成資源的浪費(fèi)。

(4)可實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化生產(chǎn)。操作可以由電腦控制，無需人的過多干預(yù)。真正實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。

(5)加工效率高,能快速制作出產(chǎn)品實(shí)體模型及模具。精度高，生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量好。

(6)3D打印技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中的關(guān)鍵作用和重要意義是很明顯的，它不受復(fù)雜形狀的限制，可迅速地將示于計(jì)算機(jī)屏幕上的設(shè)計(jì)變?yōu)檫M(jìn)一步評(píng)估的實(shí)物。根據(jù)原型，可對(duì)設(shè)計(jì)的正確性、造型的合理性、可裝配性和干涉性，進(jìn)行具體的檢驗(yàn)。通過原型的檢驗(yàn)可使開發(fā)產(chǎn)品中的風(fēng)險(xiǎn)減到最底的限度。

三．3D打印技術(shù)在軍事方面的應(yīng)用

當(dāng)前，3D打印技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用主要是武器裝備受損部件的維修和復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)。

3D打印快速成型技術(shù)及其應(yīng)用

3D打印成型技術(shù)打印出的手槍及零部件

4．1武器裝備受損部件維修

美國(guó)國(guó)防部曾采用激光近凈成型進(jìn)行受損零件現(xiàn)場(chǎng)維修，以及專用零件的小批量生產(chǎn)。安妮斯頓陸軍基地采用激光近凈成型成功維修M1艾布拉姆斯坦克的燃?xì)鉁u輪。美國(guó)海軍水下作戰(zhàn)中心（NUWC）實(shí)施了快速制造與維修（RMR)計(jì)劃，該計(jì)劃采用選擇性激光燒結(jié)，直接金屬激光燒結(jié)、熔融堆積成型以及電子束。4．2武器裝備復(fù)雜結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)

紅石兵工廠的美國(guó)陸軍航空與導(dǎo)彈研究開發(fā)與工程中心（AMRDEC）通過立體光刻成型技術(shù)、熔融沉積建模、分層制造、激光近凈成型、選擇性激光燒結(jié)等技術(shù)，進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證和最優(yōu)化研究。為了評(píng)估人機(jī)工程特性與性能，AMEDEC 采用立體光刻成型技術(shù)制造導(dǎo)彈控制操縱桿，避免了傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備所需花費(fèi)的大量時(shí)間和設(shè)備成本，降低了總生產(chǎn)成本，縮短了開發(fā)周期。美國(guó)國(guó)防部與工業(yè)界聯(lián)合實(shí)施了采用類似立體光刻成型的方法合金結(jié)構(gòu)件快速生產(chǎn)的項(xiàng)目，其生產(chǎn)效率比傳統(tǒng)的鐵合金加工工藝高80%。F-15獵鷹噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)鐵合金外掛架冀肋備件采用激光3D打印工藝，使零件的需求能夠在2個(gè)月內(nèi)得到快速滿足，并最大限度保持飛機(jī)的可用性。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，選擇性激光燒結(jié)工藝被授予2003 年國(guó)防制造技術(shù)成就獎(jiǎng)。使用3D打印技術(shù)制造UH-60直升機(jī)門把手，相比傳統(tǒng)

3D打印快速成型技術(shù)及其應(yīng)用

工藝節(jié)省了140萬美元，從而驗(yàn)證了3D打印技術(shù)在成本方面具有一定優(yōu)勢(shì)。除了美國(guó)，歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)（EADS）的一個(gè)科研小組也致力于使用3D打印技術(shù)制造飛機(jī)的整個(gè)機(jī)翼。截止2011年3月研究者已使用該技術(shù)制造出了飛機(jī)起落架的支架和其它飛機(jī)零件。

四．結(jié)束語

最近兩年，3D打印技術(shù)概念引起了國(guó)內(nèi)外政府、軍方、企業(yè)的高度重視，但其實(shí)3D打印技術(shù)已經(jīng)發(fā)展有30余年。美國(guó)著名智庫(kù)高德納（Gartner）公司2012《高德納新興IT技術(shù)顯示度周期特別報(bào)告》認(rèn)為，3D打印技術(shù)正處于高循環(huán)曲線顯示度頂點(diǎn)。預(yù)計(jì)該技術(shù)在未來2～5年內(nèi)到達(dá)生產(chǎn)力成熟期。然而，通過分析發(fā)現(xiàn)，3D打印技術(shù)卻很難取代傳統(tǒng)制造工藝，在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在對(duì)受損部件的修復(fù)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的生產(chǎn)以及小批量部件生產(chǎn)等方面，與傳統(tǒng)制造工藝形成了較好的互補(bǔ)關(guān)系。例如，美國(guó)計(jì)劃使用3D打印技術(shù)在太空空間站上制造空間站部件備件。因此，未來3D打印技術(shù)可能會(huì)在武器裝備制造、航空航天中的一些特定領(lǐng)域有所應(yīng)用，但大面積，全方位的替代傳統(tǒng)工藝的可能性不大。

3D打印快速成型技術(shù)及其應(yīng)用

參考文獻(xiàn)

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