直写快速成型机文献综述

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1、直写快速成型机设计文献综述一、快速成型技术简介快速成型技术诞生于 20世纪 80 年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技 术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向 工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、 直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从 而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手 段。即，快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层 的材料堆积成实体原型。在计算机控制下，基于离散、堆积的原理采用不同方法 堆积材料，最终完成零件的成形与制造的技术。

2、从成形角度看，零件可视为“点” 或“面”的叠加。从CAD电子模型中离散得到“点”或“面”的几何信息，再 与成形工艺参数信息结合，控制材料有规律、精确地由点到面，由面到体地堆积 零件。从制造角度看，它根据 CAD 造型生成零件三维几何信息，控制多维系统， 通过激光束或其他方法将材料逐层堆积而形成原型或零件。二、快速成型的基本原理快速成型技术采用离散/堆积成型原理，根据三维 CAD 模型，对于不同的工艺 要求，按一定厚度进行分层，将三维数字模型变成厚度很薄的二维平面模型。再 将数据进行一定的处理，加入加工参数，产生数控代码，在数控系统控制下以平 面加工方式连续加工出每个薄层，并使之粘结而成形。实际

3、上就是基于“生长” 或“添加”材料原理一层一层地离散叠加，从底至顶完成零件的制作过程。快速 成型有很多种工艺方法，但所有的快速成型工艺方法都是一层一层地制造零件， 所不同的是每种方法所用的材料不同，制造每一层添加材料的方法不同。快速成型的基本原理图快速成型的工艺过程原理如下:(1)三维模型的构造:在三维CAD设计软件中获得描述该零件的CAD文件。 一般快速成型支持的文件输出格式为 STL 模型，即对实体曲面做近似的所谓面 型化(Tessellation)处理，是用平面三角形面片近似模型表面。以简化CAD模型的 数据格式。便于后续的分层处理。由于它在数据处理上较简单，而且与CAD系 统无关，所以

4、很快发展为快速成型制造领域中 CAD 系统与快速成型机之间数据 交换的标准，每个三角面片用四个数据项表示。即三个顶点坐标和一个法向矢量， 整个 CAD 模型就是这样一个矢量的集合。在一般的软件系统中可以通过调整输 出精度控制参数，减小曲面近似处理误差。如 Pre/1E 软件是通过选定弦高值 (ch-chordheight )作为逼近的精度参数。(2)三维模型的离散处理:在选定了制作(堆积)方向后，通过专用的分层程序将 三维实体模型(一般为 STL 模型)进行一维离散，即沿制作方向分层切片处理，获 取每一薄层片截面轮廓及实体信息。分层的厚度就是成型时堆积的单层厚度。由 于分层破坏了切片方向 CA

5、D 模型表面的连续性，不可避免地丢失了模型的一些 信息，导致零件尺寸及形状误差的产生。切片层的厚度直接影响零件的表面粗糙 度和整个零件的型面精度，每一层面的轮廓信息都是由一系列交点顺序连成的折 线段构成。所以，分层后所得到的模型轮廓已经是近似的，层与层之间的轮廓信 息已经丢失，层厚越大丢失的信息越多，导致在成型过程中产生了型面误差。综上所述，为提高零件制造精度，在模型面型化处理时，应该选取较小的精度 参数;在模型离散化处理时，应该选取较小的切片层厚度。三、快速成型的工艺方法目前快速成型主要工艺方法及其分类见图1 所示。仅介绍目前较为常用的工艺方法。应_工瓷方迭屜搔升类|立体光固化成型法(SL,

6、 Stereo-Lithography )SLA 法是最早商品化、市场占有率最高的 RP 技术，它以光敏树脂为原料， 计算机控制紫外激光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，然后就可进行下一层的扫描加工。新固化的一层牢固地粘在前一 层上，如此反复直到整个原型制造完毕。这种成型的产品对贮藏环境有很高的要求，温度过高会融化。还有高紫外线 等等的制约，耗材的价格也不便宜！成型时需要支撑，但是成型的表面质量可以。 精度高。生产效率

7、较高，运营成本较高，设备费用较贵。材料利用率约 100%。 适合医学，电子，汽车，鞋业，消费品，娱乐等等。光固化法(SL)是目前最为成熟和广泛应用的一种快速成型制造工艺(如图 1)。这种工艺以液态光敏树脂为原材料，在计算机控制下的紫外激光按预定零件 各分层截面的轮廓轨迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合（固化）反应，从而形成零件的一个薄层截面。完成一个扫描区域的液态光敏树脂 固化层后，工作台下降一个层厚，使固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂 然后重复扫描、固化，新固化的一层牢固地粘接在一层上，如此反复直至完成整 个零件的固化成型。图 1 ：立体光固化成型法原理图SL工艺的优

8、点是精度较高，一般尺寸精度可控制在0.01mm;表面质量好;原 材料利用率接近 100%;能制造形状特别复杂、精细的零件;设备市场占有率很高。 缺点是需要设计支撑;可以选择的材料种类有限 ;制件容易发生翘曲变形;材料价 格较昂贵。分层实体制造法（LOM, Laminated Object Manufacture）LOM法出现于1985年。首先在基板上铺上一层箔材（如纸张），然后用一 定功率的红外激光在计算机的控制下按分层信息切出轮廓，同时将非零件部分按 一定的网格形状切成碎片以便去除，加工完一层后，再铺上一层箔材，用热辊碾 压，使新铺上的一层在粘接剂的作用下粘在已成型体上，再切割该层的形状，如

9、 此反复直至加工完毕。最后去除切碎的多余部分，便可得到完整的零件。 这 种技术是最早使用于 RP 市场，我对它的了解不是很多，但是本人的感觉比较浪 费材料。成型的精度也不是太高。不需要支撑。生产效率较低，运营成本较低， 设备费用较便宜。适合的行业有限。LOM 工艺是将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起，位于 上方的激光切割器按照 CAD 分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件 的内外轮廓，然后新的一层纸再叠加在上面，通过热压装置和下面已切割层粘合 在一起，激光束再次切割，如此反复逐层切割、粘合、切割直至整个模型制 作完成（如图 2）。PiottarrnF白日日昌ColckirZ

10、 -W-OF SFFeafecI RollerOpic heod图 2 ：分层实体制造法原理图LOM 工艺优点是无需设计和构建支撑;只需切割轮廓，无需填充扫描;制件 的内应力和翘曲变形小;制造成本低。缺点是材料利用率低，种类有限;表面质量 差;内部废料不易去除，后处理难度大。该工艺适合于制作大中型、形状简单的 实体类原型件，特别适用于直接制作砂型铸造模。选择性激光烧结法（SLS,Selec tive Laser Sin tering）SLS 法采用红外激光器作能源，使用的造型材料多为粉末材料。加工时，首 先将粉末预热到稍低于其熔点的温度，然后在刮平棍子的作用下将粉末铺平；激 光束在计算机控制下

11、根据分层截面信息进行有选择地烧结，一层完成后再进行下 一层烧结，全部烧结完后去掉多余的粉末，则就可以得到一烧结好的零件。目前 成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉，用金属粉或陶瓷粉进行烧结的工艺还在研究之 中。在成型的过程中因为是把粉末烧结，所以工作中会有很多的粉状物体污染办 公空间，一般设备要有单独的办公室放置。另外成型后的产品是一个实体，一般 不能直接装配进行性能验证。另外产品存储时间过长后会因为内应力释放而变 形。对容易发生变形的地方设计支撑，表面质量一般。生产效率较高，运营成本 较高，设备费用较贵。能耗通常在 8000瓦以上。材料利用率约 100%。选择性激光烧结法（SLS）是在工作台上均匀铺

12、上一层很薄（100卩-200u ）的作 金属（或金属）粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层截面轮廓逐点地进行扫 描、烧结，使粉末固化成截面形状（如图 3）。完成一个层面后工作台下降一个 层厚，滚动铺粉机构在已烧结的表面再铺上一层粉末进行下一层烧结。未烧结的 粉末保留在原位置起支撑作用，这个过程重复进行直至完成整个零件的扫描、烧 结，去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理后便获得需要的零件。用金属粉 或陶瓷粉进行直接烧结的工艺正在实验研究阶段，它可以直接制造工程材料的零 件。图 3 ：选择性激光烧结法原理图SLS 工艺的优点是原型件机械性能好，强度高;无须设计和构建支撑;可选 材料种类多且利用

13、率高(100%)。缺点是制件表面粗糙，疏松多孔，需要进行后处 理;制造成本高。采用各种不同成分的金属粉末进行烧结，经渗铜等后处理特别适合制作功 能测试零件;也可直接制造金属型腔的模具。采用蜡粉直接烧结适合于小批量比 较复杂的中小型零件的熔模铸造生产。熔融沉积成型法(FDM,Fused Deposi tion Modeling)FDM 法是 1988 年发明的。喷头中喷出的熔化材料在 X-Y 工作台的带动下， 按截面形状铺在底板上，一层一层加工，最终制造出零件。商品化的FDM设备使 用的材料范围很广，如铸造石蜡、尼龙、热塑性塑料、ABS等。此外为提高效率 可以采用多个喷头。现阶段又开发来水溶性支

14、撑，大大的提高了成型后处理的速 度和可行度！该成型机是目前市场上占有量最大的，成型的便面质量很好，可以 直接进行装配和性能验证。耗材是PC, ABS,原厂耗材价格也不便宜。成型后 产品可以支持再加工。需要支撑。生产效率较低，运营成本一般，设备费用便宜。 总体材料利用率约 100%。适用医学，设计研发，教学及研究机构，航空航天， 家电以及大地测量。这种工艺是通过将丝状材料如热塑性塑料、蜡或金属的熔丝从加热的喷嘴挤 出，按照零件每一层的预定轨迹，以固定的速率进行熔体沉积(如图 4)。每完 成一层，工作台下降一个层厚进行迭加沉积新的一层，如此反复最终实现零件的 沉积成型。 FDM 工艺的关键是保持半

15、流动成型材料的温度刚好在熔点之上(比熔 点高1 C左右)。其每一层片的厚度由挤出丝的的直径决定，通常是0.250.50mm。The FDM Extrusion HeadFEIilHIciiIYfWr Molicinbrivr UhnKH峙nHfkr图 4 ：熔融沉积成型法原理图FDM 的优点是材料利用率高;材料成本低;可选材料种类多;工艺简洁。缺点 是精度低;复杂构件不易制造，悬臂件需加支撑;表面质量差。该工艺适合于产品 的概念建模及形状和功能测试，中等复杂程度的中小原型，不适合制造大型零件。三维印刷法(3DP,Three Dimensional Printing )3D-P 三维打印是利用喷

16、头喷粘结剂选择性粘结粉末成型。首先铺粉机构在 加工平台上精确地铺上一薄层粉末材料，然后喷墨打印头根据这一层的截面形状 在粉末上喷出一层特殊的胶水，喷到胶水的薄层粉末发生固化。然后在这一层上 再铺上一层一定厚度的粉末，打印头按下一截面的形状喷胶水。如此层层叠加， 从下到上，直到把一个零件的所有层打印完毕。然后把未固化的粉末清理掉，得 到一个三维实物原型。这个最早是麻省理工大学研制的，耗材很便宜，一般的石膏粉都可以，成型 的速度快，因为是粉末粘合在一起，所以表面比较粗糙，强度也不高。不需要支 撑。可以全彩色成型样件。适合行业也很有限，一般教育，和大地地貌，楼盘设 计。三维印刷法是利用喷墨打印头逐点

17、喷射粘合剂来粘结粉末材料的方法制 造原型。3DP的成型过程与SLS相似，只是将SLS中的激光变成喷墨打印机喷 射结合剂(如图 5)。斛的Hzb卩HrhJu *M;i讪吐卜i栉胆BPM. Iik |( % )a llirrc IjiPKiiMRhaJl! PnOhn(Mt 1. iM*J *ohpirn InihT 11 * 1HKrlien n1lni %hidd MflKcr 怜；mderi, Inn; (t3 S iphwtK*1& 4?TrtQTlri pmiifl hc*dd M Lihi J n%|1 SyMeiTijfc, l iki I S |图 5 ：三维印刷法原理图 该技术制

18、造致密的陶瓷部件具有较大的难度，但在制造多孔的陶瓷部件(如金属 陶瓷复合材多孔坯体或陶瓷模具等)方面具有较大的优越性。四、直写式快速成型技术作为一种新型的快速成形工艺，有着广泛的应用领域和如下的特点：(1) 生物医学制造：以离散一堆积的形式制造组织工程细胞载体框架结构等复 杂三维构件；(2) 功能微结构制造：可以制造出复杂二维结构的微器件，这是它不同于基于 光刻腐蚀的微结构制造方法的地方，也是其优势所在；(3) 功能梯度材料的制备：通过多个喷头定量定点精确喷射多种材料，可以装 配成可控组分分布的材料和功能梯度材料；(4) 微电子业的应用：半导体的封装，电路板印刷；(5) 受损航天器中结构件的快

19、速修复。五、存在的问题及发展方向4.1 材料问题 目前所使用的成型材料成型后的机械性能还不能满足零件的功能需要，必须经过后处理才能达到使用要求。采用金属材料和高强度材料直接成型是RPM的 一个重要发展方向。美国 Michigan 大学的 Manzumd 采用大功率激光器进行金属 熔焊直接成型钢质模具的研究。4.2 成型精度和质量问题 目前快速成型制件的精度和表面质量大多不能满足工程使用要求，只能作为概念造型和功能测试的原型使用，必须改进成型工艺和快速成型软件。美国Stanford 大学的 Prints 采用逐层累加与五坐标数控加工结合的方法，用激光将金 属直接烧结成型，可获得与数控加工相近的精

20、度。4.3 应用问题从制造目标来说 RPM 主要用于:快速概念设计及功能测试原型制造;快速模 具原型制造;快速功能零件制造。但大多数 RPM 是作为原型件进行新产品开发和 功能测试等。快速直接制模及快速功能零件制造是RPM面临的一个重大技术难 题，也是 RPM 技术发展的一个重要方向。根据不同的制造目标 RPM 技术将相 对独立发展，更加趋于专业化。4.4 软件问题 目前已商品化的软件还不完善，功能单一，通用性差，没有统一的数据接口， 不易集成。数据转换模型缺陷较多，对 CAD 模型的描述不够精确，从而影响子 决速成型的成型梢度和表面质量。参考文献1 光固化快速成型中误差的理论分析 刘佳 硅谷

21、 2012/012 基于 RE 和 Pro/E 的复杂零件外壳造型设计与快速成型 任金波 机电技术 2011/063 基于节能理念的 LED 光源快速成型系统 解瑞东 科技导报 2012/014 基于光固法的产品快速成型制造工艺参数研究 王丞 科技信息 2011/345 快速成型集成制造系统的集成方案分析 潘海鹏 科技资讯 2011/366 复杂性眼眶骨折快速成型模型在整形外科教学中的应用 徐静 蚌埠医学院学 报 2010/087 摩擦喷射电沉积快速成型金属铜零件的表面形貌与力学性能 朱军 机械工程 材料 2011/098 快速成型技术综述 蒋伟辅 机械工程与自动化 2011/069 快速成型

22、加工方法中的误差研究 邱国俊 甘肃科技 2011/2010 快速成型技术及其发展 张俊 山东水利职业学院院刊 2006/0411 快速成型技术及其应用 程秀 湖北水利水电职业技术学院学报 2008/0112 快速成型技术在铸造领域的应用 丁跃宗 宁夏机械 2004/0113 基于快速成型的 CAD 模型数据转换之对比 蔡冬根 制造业自动化 2011/2214 快速成型技术的起源与方向 王称 科技与企业 2011/1315 立体光固化快速成型工艺过程分析 刘吉彪 工业设计 2011/0616 机械设计（第 8 版）濮良贵 纪名刚 陈国定 吴立言 高等教育出版社 2006/0517 机械原理（第 7 版） 孙恒 陈作模 葛文杰 高等教育出版社 2006/05机械设计制造及其自动化专业学生 ：* 指导老师：* 2012-3-23