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1、第二章快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,2 快速成型制造工艺,快速成型制造工艺的全过程可以归纳为以下三个步骤：1)前处理。它包括工件的三维模型的构造、三维模型的近似 处理、模型成形方向的选择和三维模型的切片处理。2)分层叠加成形。它是快速成形的核心包括模型截面轮廓 的制作与截面轮廓的叠合。3)后处理。它包括工件的剥离、后固化、修补、打磨、抛光和表 面强化处理等。如图所示。,第一节 快速成型工艺过程及分类,模具工程技术研究中心 METRC,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S
2、LS,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,快速成型制造系统,产品造型,快速成型,产品原型,模具工程技术研究中心 METRC,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,2 快速成型制造工艺,快速成型制造技术从广义上讲可以分成两类：材料叠加和材料去除。下图给出了当前众多快速成型工艺根据材料和构建技术不同进行的分类。,模具工程技术研究中心 METRC,快速成型制造技术是20世纪80年代中期发展起来的一项高新技术，从1988年世界上第一台快速成型机问世以来，快速成型技术的工艺方法目前已有十余种。在目前所有的快速成型工艺方法
3、中，光固化成型法(SLA)、叠层实体制造法(LOM)、激光选区烧结法(SLS)、熔融沉积法(FDM)得到了世界范围内的广泛应用，下面重点介绍这几种常用的快速成型技术。,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,第二节 光固化成型工艺,光固化成型工艺，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商品化快速成型机以来，SLA已成
4、为最为成熟而广泛应用的RP典型技术之一。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、全自动地制造出历来各种加工方法难以制作的复杂立体形状，在加工技术领域中具有划时代的意义。,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,一、光固化成型的基本原理和特点,光固化成型工艺的成型过程如图2-2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
5、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，如此重复直至整个零件制造完毕，得到一个三维实体原型。,（一）光固化成型的基本原理,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,光固化成型工艺过程原理图,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,2 快速成型制造工艺,因为树脂材料的高粘性，在每层固化之后，液面很难在短时间内迅速流平，这将会影响实体的精度。采用刮板刮切后，所需数量的树脂便会被十分均匀地凃敷在上一叠层上，这样经过激光固化后可以得到较好的精度，使产品
6、表面更加光滑和平整。,模具工程技术研究中心 METRC,2 快速成型制造工艺,吸附式涂层结构,模具工程技术研究中心 METRC,成型过程自动化程度高,（二）光固化成型技术的特点,优点：,尺寸精度高,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,模具工程技术研究中心 METRC,制件易变形,缺点：,设备运转及维护成本较高,液态树脂材料和激
7、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。,成型过程中材料发生物理和化学变化,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。,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,模具工程技术研究中心 METRC,二、光固化快速原型的工艺过程,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。,（一）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
8、来介绍光固化原型制作的前处理过程。,CAD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、Catie等大型CAD软件以及许多小型的CAD软件上实现，图2-2a给出的是小扳手在UG NX2.0上的三维造型。,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,a)CAD三维原始模型,b)CAD模型的STL数据模型,c)模型的摆放方位,d)模型施加支撑,图2-2,光固化快速原型前处理,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,数据转换,数据转换是对产品
9、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2-2b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。,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,a)CAD三维原始模型,b)CAD模型的STL数据模型,c)模型的摆放方位,d)模型施加支撑,图2-2,光固化快速原型前处理,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,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
10、位的确定需要综合考虑上述各种因素。一般情况下，从缩短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2-2c所示。同时考虑到尽可能减小支撑的批次，大端朝下摆放。,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,a)CAD三维原始模型,b)CA
11、D模型的STL数据模型,c)模型的摆放方位,d)模型施加支撑,图2-2,光固化快速原型前处理,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,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模型，支撑的施加是费时而精细的。支撑施加的好坏直接影响着原型制作的成功与否及制作的质量。支撑施加可以手工进行，也可以软件自动实现。软件自动实现的支撑施加一般都要经过人工的核查，进行必要的修改和删减。为了便于在后续处理中支撑的去除及获得优良的表面质量，目前，比较先进的支撑类型为点支撑，即在支撑与需要支撑的模型面是点接触，图2-2d示
12、意的支撑结构就是点支撑。,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,a)CAD三维原始模型,b)CAD模型的STL数据模型,c)模型的摆放方位,d)模型施加支撑,图2-2,光固化快速原型前处理,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,图2-3 某手柄的光固化快速原型,切片分层,支撑施加完毕后，根据设备系统设定的分层厚度沿着高度方向进行切片，生成RP系统需求的SLC格式的层片数据文件，提供给光固化快速原型制作系统，进行原型制作。图2-3给出的是该扳手的光固化原型。,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,（二）光固化成型,光固化成型过程是在专用的光固
13、化快速成型设备系统上进行。在原型制作前，需要提前启动光固化快速成型设备系统，使得树脂材料的温度达到预设的合理温度，激光器点燃后也需要一定的稳定时间。设备运转正常后，启动原型制作控制软件，读入前处理生成的层片数据文件。一般来说，叠层制作控制软件对成型工艺参数都有缺省的设置，不需要每次在原型制作时都进行调整，只是在固化特殊的结构以及激光能量有较大变化时需要进行相应的调整。此外，在模型制作之前，要注意调整工作台网板的零位与树脂液面的位置关系，以确保支撑与工作台网板的稳固连接。当一切准备就绪后，就可以启动叠层制作了。整个叠层的光固化过程都是在软件系统的控制下自动完成的，所有叠层制作完毕后，系统自动停止
14、。下图给出的是SPS600光固化成型设备在进行光固化叠层制作时的界面。界面显示了激光能源的某些信息、激光扫描速度、原型几何尺寸、总的叠层数、目前正在固化的叠层、工作台升降速度等有关信息。,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,（三）光固化成型的后处理,在快速成型系统中原型叠层制作完毕后，需要进行剥离等后续处理工作，以便去除废料和支撑结构等。对于光固化成型方法成型的原型，还需要进行后固化处理等，下面以某一SLA原型为例给出其后续处理的步骤和过程。,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,原型叠层制作结束后，
15、工作台升出液面，停留510min，以晾干多余的树脂。,将原型和工作台一起斜放晾干后浸入丙酮、酒精等清洗液体中，搅动并刷掉残留的气泡。持续45min左右后放入水池中清洗工作台约5min。,1,2,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,从外向内从工作台上取下原型，并去除支撑结构。,再次清洗后置于紫外烘箱中进行整体后固化。,3,4,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,三、光固化成型的激光扫描方法,由于激光束的照射使得液态光敏树脂的聚合反应发生在液体的表面，其固化的区域可以用水平方向上的线宽和垂直方向上的已成型深度来表示。目前，激光束固化光敏树脂常用的三种方法是A
16、CESTM，STARWEAVETM和QuickCastTM。,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,（一）ACESTM方法,建造方式：实体的内部在激光束的作用下将完全固化，如图2-3所示。,特点：ACESTM方法是低变形树脂材料固化成型中精度最高的。尽管其扫描时间是三种方法中最长的，但该方法广泛应用于高精度原型的制作。,图2-3 ACESTM光固化方式,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,图2-4 STARWEAVETM光固化方式,（二）STARWEAVETM方法,建造方式：栅格是在每隔一层成型时在每半个间距中产生的，如图2-4所示。,上一层,平移半个间距
17、的下一层,特点：扫描时间较短，尺寸稳定性好。适用于聚合时收缩率较高的丙烯酸树脂，也适用于环氧树脂材料。,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,图2-5 ACESTM光固化方式,（三）QuickCastTM 方法,建造方式：正方形(QuickCastTM Version 1.1)或等边三角形(QuickCastTM Version 1.0)填充，三角形的平移应确保每个三角形面的顶点位于前一层三角形质心的上方（如图2-5所示），而正方形则按间距的一半距离进行偏离。,特点：便于排出多余的树脂，主要用于中空的铸件模型制造。,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,四、
18、光固化成型的支撑结构,在成型过程中，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廓定位。因此必须设计一些细柱状或肋状支撑结构(如图所示)，并在成型过程中制作这些支撑结构，以便确保制件的每一结构部分能可靠固定，同时也有助于减少制件的翘曲变形。,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,支撑结构的作用和类型：,主要用于支撑悬臂结构部分，在成型过程中为悬臂提供支承，同时也约束悬臂的翘曲变形。,作用：支撑作用和减少翘曲变形。,类型：,斜支撑,直支撑,主要用于支承腿部结构,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,主要用于大面积的内部支承。,腹板
19、,十字壁板,主要用于孤立结构部分的支撑。,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,五、光固化成型的收缩变形,树脂在固化过程中都会发生收缩，通常其体收缩率约为10%，线收缩率约为3%。从分子学角度讲，光敏树脂的固化过程是从短的小分子体向长链大分子聚合体转变的过程，其分子结构发生很大变化，因此，固化过程中的收缩是必然的。,1、树脂收缩及其原因,树脂收缩主要有两部分组成:一部分是固化收缩，另外一部分是当激光扫描到液体树脂表面时由于温度变化引起的热胀冷缩。常用树脂的热膨胀系数为10-4左右，同时，温度升高的区域面积很小，因此温度变化引起的收缩量极小，可以忽略不计。,2 快速成型制造工艺
20、,模具工程技术研究中心 METRC,树脂收缩产生的变形,2、SLA原型的变形,后固化收缩量占总收缩量的25%40%左右。,后固化时收缩产生的变形,3、减小翘曲变形的方法,成型工艺的改进,树脂配方的改进,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,六、光固化快速原型的精度及控制,光固化原型的精度一直是设备研制和用户制作原型过程中密切关注的问题。光固化快速原型技术发展到今天，光固化原型的精度一直是人们持续需要解决的难题。控制原型的翘曲变形和提高原型的尺寸精度及表面精度一直是研究领域的核心问题之一。原型的精度一般包括形状精度、尺寸精度和表面精度，即光固化成型件在形状、尺寸和表面相互位置三
21、个方面与设计要求的符合程度。形状误差主要有：翘曲、扭曲变形、椭圆度误差及局部缺陷等；尺寸误差是指成型件与CAD模型相比，在x、y、z三个方向上尺寸相差值；表面精度主要包括由叠层累加产生的台阶误差及表面粗糙度等。影响光固化原型精度的因素很多，包括成型前和成型过程中的数据处理、成型过程中光敏树脂的固化收缩、光学系统及激光扫描方式等。按照成型机的成型工艺过程，可以将产生成型误差的因素按下图所示分类。,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,2 快速成型制造工艺,光固化成型误差因素分类,模具工程技术研究中心 METRC,为减小几何数据处理造成的误差，较好的办法是开发对CAD实体模型进行
22、直接分层的方法，在商用软件中，Pro/Engineer具有直接分层的功能，如图2-13所示。,（1）几何数据处理造成的误差,在成型过程开始前，必须对实体的三维CAD模型进行STL格式化及切片分层处理，以便得到加工所需的一系列的截面轮廓信息，在进行数据处理时会带来误差。,措施,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,切层的厚度直接影响成型件的表面光洁度。因此，必须仔细选择切层厚度，有关学者采用不同算法进行了自适应分层方法的研究，即在分层方向上，根据零件轮廓的表面形状，自动地改变分层厚度，以满足零件表面精度的要求，当零件表面倾斜度较大时选取较小的分层厚度，以提高原型的成形精度；反之
23、则选取较大的分层厚度，以提高加工效率，如图2-15所示。,在进行切片处理时，因为切片厚度不可能太小，因而在成型工件表面会形成“台阶效应”，还可能遗失切片层间的微小特征结构（如凹坑等），形成误差。切片层厚度越小，误差越小，但层厚过小会增加切片层的数量（如图2-14），致使处理数据庞大，增加了数据处理的时间。,台阶效应,措施,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,（2）成型过程中材料的固化收缩引起的翘曲变形,措施,树脂收缩产生的变形,后固化时收缩产生的变形,成型工艺的改进,树脂配方的改进,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,（3）树脂涂层厚度对精度的影响,措施
24、-二次曝光法,在成型过程中要保证每一层铺涂的树脂厚度一致，当聚合深度小于层厚时，层与层之间将粘合不好，甚至会发生分层；如果聚合深度大于层厚时，将引起过固化，而产生较大的残余应力，引起翘曲变形，影响成型精度。在扫描面积相等的条件下，固化层越厚，则固化的体积越大，层间产生的应力就越大，故而为了减小层间应力，就应该尽可能地减小单层固化深度，以减小固化体积。,多次反复曝光后的固化深度与以多次曝光量之和进行一次曝光的固化深度是等效的。,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,（4）光学系统对成型精度的影响,在光固化成型过程中，成型用的光点是一个具有一定直径的光斑，因此实际得到的制件是光斑
25、运行路径上一系列固化点的包络线形状。如果光斑直径过大，有时会丢失较小尺寸的零件细微特征，如在进行轮廓拐角扫描时，拐角特征很难成型出来。聚焦到液面的光斑直径大小以及光斑形状会直接影响加工分辨率和成型精度。,（5）激光扫描方式对成型精度的影响,2 快速成型制造工艺,（6）光斑直径大小对成型尺寸的影响,（7）激光功率、扫描速度、扫描间距产生的误差,模具工程技术研究中心 METRC,七、光固化快速原型的制作时间,光固化成形零件是由固化层逐层累加形成的，成形所需要的总时间由扫描固化时间及辅助时间组成。,每层扫描固化时间由激光扫描速度和扫描方式与路径决定。辅助时间主要包括工作台的运动时间、每层零件的涂覆时
26、间和层间等待时间。,（1）影响制作时间的因素,（2）减少制作时间的方法,针对成形零件的时间构成，在成形过程中，可以通过改进加工工艺、优化扫描参数等方法，减少零件成形时间，提高加工效率，实际使用中通常采用以下几种措施。,减少辅助成形时间,选择层数较小的制作方向,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,八、微细结构光固化成型数据处理及成型工艺,光固化快速成型技术能够成型结构复杂的制件，但在实际加工中，如果数据处理不当及成型工艺参数选择及匹配不适当，便会导致一些微细结构的丢失。,2 快速成型制造工艺,1微细结构光固化快速成型数据处理 实际加工中的数据处理阶段，有时需要对制件的STL模
27、型进行Z轴补偿，以提高高度方向上制件的成型精度，而Z轴补偿是对整个STL数据模型的补偿，这样必然会影响到模型上的微细结构，如图2-35所示，采用较大的Z轴补偿值时，字体结构发生畸变。对此必须采取有效的措施来降低Z轴补偿对微细结构的影响。为避免Z轴补偿数据处理引起的微细结构的畸变，采用STL文件数据模型“分割Z轴补偿缝合”的方法可有效降低Z轴补偿对微细结构的影响。其思路是把微细结构分割出去，对剩余部分进行补偿算法，然后再缝合为一体。,模具工程技术研究中心 METRC,2微细结构光固化快速成型工艺 光固化快速成型中的微细结构在成型中主要应注意成型方位的设置。微细结构一般附着在制件的表面上，模型不同
28、制作方位对微细结构的成型及其精度产生重要影响。影响微细结构表面质量的主要因素是台阶纹。为了降低台阶纹的影响，必须调整微细结构的加工方位，使微细结构所处表面的法线方向与加工方向的夹角尽量减小。下面以模型表面文字制作为例说明如何选取正确的摆放方位。（1）文字凹陷于零件表面和外凸于零件表面。表面上的凹形文字一般不用额外施加支撑，凹形文字的成型效果好于凸形文字。所以建议在不影响使用效果的前提下，应尽可能将模型表面的文字设计成内凹。（2）如果模型表面的文字为外凸的，且通过摆放设置后无法置于上表面时，应尽可能使其所在平面的法线方向与加工方向的角度小于45，以避免文字处的特征需要施加支撑而影响文字表面的制作
29、效果。同时随着夹角变小，文字侧表面的台阶纹现象也随之减小，进而也提高了文字表面的质量。,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,九、微光固化快速原型制造技术,光固化快速原型制造技术自问世以来在快速制造领域发挥了巨大作用，已成为工程界关注的焦点。如何提高光固化原型的制作精度，一直是该技术领域研究的热点。目前，传统的SLA设备成型精度为0.1mm，能够较好地满足一般的工程需求。但是在微电子和生物工程等领域，制件一般要求具有微米级或亚微米级的细微结构，而传统的SLA工艺技术已无法满足这一领域的需求。尤其在近年来，MEMS（Micro Electro-Mechanical System
30、s）和微电子领域的快速发展，使得微机械结构的制造成为具有极大研究价值和经济价值的热点。微光固化快速成型-SL（Micro Stereolithography）便是在传统的SLA技术方法基础上，面向微机械结构制造需求而提出的一种新型的快速成型技术。目前提出并实现的-SL技术主要包括基于单光子吸收效应的-SL技术和基于双光子吸收效应的-SL技术，可将传统的SLA技术成型精度提高到亚微米级，开拓了快速原型技术在微机械制造方面的应用。,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,基于动态遮光板方式的-SL技术做作的三维微结构,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,采用微点
31、扫描法制作的微型柱结构的SEM图像,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,十、光固化成型的应用,自从1988年美国3D Systems 公司推出第一台商品化设备SLA250以来，光固化快速成型技术在世界范围内得到了迅速而广泛的应用，在概念设计的交流、单件小批量精密铸造、产品模型、快速工模具及直接面向产品的模具等诸多方面广泛应用于汽车、航空、电子、消费品、娱乐以及医疗等行业。,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,2 快速成型制造工艺,模具工程技术研究中心 METRC,思考题（）,2 叙述光固化快速成型的原理,3 光固化快速成型的特点,4光固化成型有几种常见的固化方式,5光固化成型的后处理工艺过程,6光固化成型的支撑结构的类型和作用,2 快速成型制造工艺,7光固化原型工艺中的收缩变形来自于哪几个方面？,9影响光固化原型制作时间的因素有哪些？,8影响光固化原型精度的因素有哪些？为提高原型精度，各因素是如何控制的？,1快速成型工艺过程分为哪三个阶段？,
