快速成型原理方法

梁嘉琪2013

核心提示：快速成型(Rapid Prototyping)是上世纪80年代末及90 年代初发展起来的高新制造技术，是由三维CAD[color=#444444 !important]模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的总称。它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。 与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他

1前言

快速成型(Rapid Prototyping)是上世纪80年代末及90 年代初发展起来的高新制造技术，是由三维CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的总称。它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。由于它把复杂的三维制造转化为一系列二维制造的叠加，因而可以在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，极大地提高了生产效率和制造柔性。

与传统制造方法不同，快速成型从零件的CAD几何模型出发，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他方法将材料堆积而形成实体零件。通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段相结合，已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段，在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了广泛应用。

2 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。

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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CAD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。
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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。

3 快速成型的工艺方法

7 o, `6 k/ w) Z! _+ M6 k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。

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3.1 立体光固化成型法（SL, Stereo-Lithography）

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2）。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2：立体光固化成型法原理图

SL工艺的优点是精度较高，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。

该工艺适合比较复杂的中小型零件的制作。

3.2选择性激光烧结法(SLS,Selective Laser Sintering)

选择性激光烧结法(SLS)是在工作台上均匀铺上一层很薄(100μ-200μ)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。

6 Q! S( d4 u9 y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。

3.3 熔融沉积成型法(FDM,Fused Deposition Modeling)

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流动成型材料的温度刚好在熔点之上(比熔点高1℃左右)。其每一层片的厚度由挤出丝的的直径决定，通常是0.25~0.50mm。

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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。

3.4分层实体制造法（LOM, Laminated Object Manufacture）

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5）。

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图5：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。

3.5 三维印刷法(3DP,Three Dimensional Printing )

三维印刷法是利用喷墨打印头逐点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6）。

图6：三维印刷法原理图

该技术制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。

4. RP与CNC加工性能比较（见表1）

表1：RP与CNC加工性能比较

5 存在的问题及发展方向

5.1 材料问题
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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。

5.2成型精度和质量问题

0 Q$ l2 K% }0 l. R. k! k4 u9 f: O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度。

5.3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。

5.4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。

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