激光快速成型的原理 特点

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　　快速成型技术的原理、工艺过程及技术特点：

　　快速成型属于离散／堆积成型。它从成型原理上提出一个全新的思维模式维模型，即将计算机上制作的

　　零件三维模型，进行网格化处理并存储，对其进行分层处理，得到各层截面的二维轮廓信息，按照这些

　　轮廓信息自动生成加工路径，由成型头在控制系统的控制下，选择性地固化或切割一层层的成型材料，

　　形成各个截面轮廓薄片，并逐步顺序叠加成三维坯件．然后进行坯件的后处理，形成零件。

　　快速成型的工艺过程具体如下：

　　l）产品三维模型的构建。由于RP系统是由三维CAD模型直接驱动，因此首先要构建所加工工件

　　的三维CAD模型。该三维CAD模型可以利用计算机辅助设计软件（如Pro/E,I-DEAS,SolidWorks,

　　UG等）直接构建，也可以将已有产品的二维图样进行转换而形成三维模型，或对产品实体进行激光扫描

　　、CT断层扫描，得到点云数据，然后利用反求工程的方法来构造三维模型。

　　2）三维模型的近似处理。由于产品往往有一些不规则的自由曲面，加工前要对模型进行近似处理

　　，以方便后续的数据处理工作。由于STL格式文件格式简单、实用，目前已经成为快速成型领域的准标准

　　接口文件。它是用一系列的小三角形平面来逼近原来的模型，每个小三角形用3个顶点坐标和一个法向

　　量来描述，三角形的大小可以根据精度要求进行选择。STL文件有二进制码和ASCll码两种输出形式

　　，二进制码输出形式所占的空间比ASCII码输出形式的文件所占用的空间小得多，但ASCII码输出形式

　　可以阅读和检查。典型的CAD软件都带有转换和输出STL格式文件的功能。

　　3）三维模型的切片处理。根据被加工模型的特征选择合适的加工方向，在成型高度方向上用一系列

　　一定间隔的平面切割近似后的模型，以便提取截面的轮廓信息。间隔一般取0.05mm~0.5mm，常用0.1mm

　　。间隔越小，成型精度越高，但成型时间也越长，效率就越低，反之则精度低，但效率高。

　　4）成型加工。根据切片处理的截面轮廓，在计算机控制下，相应的成型头（激光头或喷头）按各截

　　面轮廓信息做扫描运动，在工作台上一层一层地堆积材料，然后将各层相粘结，最终得到原型产品。

　　5）成型零件的后处理。从成型系统里取出成型件，进行打磨、抛光、涂挂，或放在高温炉中进行后

　　烧结，进一步提高其强度。

　　快速成型特术具有以下几个重要特征：

　　l）可以制造任意复杂的三维几何实体。由于采用离散／堆积成型的原理．它将一个十分复杂的三

　　维制造过程简化为二维过程的叠加，可实现对任意复杂形状零件的加工。越是复杂的零件越能显示出RP

　　技术的优越性此外，RP技术特别适合于复杂型腔、复杂型面等传统方法难以制造甚至无法制造的零件

　　。

　　2）快速性。通过对一个CAD模型的修改或重组就可获得一个新零件的设计和加工信息。从几个小

　　时到几十个小时就可制造出零件，具有快速制造的突出特点。

　　3）高度柔性。无需任何专用夹具或工具即可完成复杂的制造过程，快速制造工模具、原型或零件

　　4）快速成型技术实现了机械工程学科多年来追求的两大先进目标．即材料的提取（气、液固相）

　　过程与制造过程一体化和设计（CAD）与制造（CAM）一体化

　　5）与反求工程（ReverseEngineering）、CAD技术、网络技术、虚拟现实等相结合，成为产品

　　决速开发的有力工具。

　　因此，快速成型技术在制造领域中起着越来越重要的作用，并将对制造业产生重要影响。

　　快速成型技术的分类：

　　快速成型技术根据成型方法可分为两类：基于激光及其他光源的成型技术（LaserTechnology），例如

　　：光固化成型（SLA）、分层实体制造（LOM）、选域激光粉末烧结（SLS）、形状沉积成型（SDM）等；

　　基于喷射的成型技术（JettingTechnoloy），例如：熔融沉积成型（FDM）、三维印刷（3DP）、多相

　　喷射沉积（MJD）。下面对其中比较成熟的工艺作简单的介绍。

　　1、SLA（StereolithogrphyApparatus）工艺SLA工艺也称光造型或立体光刻，由CharlesHul

　　于1984年获美国专利。1988年美国3DSystem公司推出商品化样机SLA-I，这是世界上第一台快速成

　　型机。SLA各型成型机机占据着RP设备市场的较大份额。

　　SLA技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长和强度的紫外光照

　　射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。

　　SLA工作原理：液槽中盛满液态光固化树脂激光束在偏转镜作用下，能在液态表而上扫描，扫描

　　的轨迹及光线的有无均由计算机控制，光点打到的地方，液体就固化。成型开始时，工作平台在液面下

　　一个确定的深度．聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。当一层扫描完成后．

　　未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，

　　刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新周化的一层牢周地粘在前一层上，如此

　　重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。

　　SLA方法是目前快速成型技术领域中研究得最多的方法．也是技术上最为成熟的方法。SLA工

　　艺成型的零件精度较高，加工精度一般可达到0.1mm，原材料利用率近100％。但这种方法也有白身

　　的局限性，比如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂有一定的毒性等。

　　2、LOM（LaminatedObjectManufacturing，LOM）工艺LOM工艺称叠层实体制造或分层实体制造

　　，由美国Helisys公司的MichaelFeygin于1986年研制成功。LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜

　　等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成型的工件粘接。用CO2

　　激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割

　　出上下对齐的网格。激光切割完成后，工作台带动已成型的工件下降，与带状片材分离。供料机构转动

　　收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域。工作合上升到加工平面，热压辊热压，工件的

　　层数增加一层，高度增加一个料厚。再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面粘接、切

　　割完。最后，去除切碎的多余部分，得到分层制造的实体零件。

　　LOM工艺只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。因此成型厚壁零件的速度

　　较快，易于制造大型零件。工艺过程中不存在材料相变，因此不易引起翘曲变形。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LOM工艺无需加支撑。缺点是材料浪费严重，表面质量

　　差。

　　3、SLS（SelectiveLaserSintering）工艺SLS工艺称为选域激光烧结，由美国德克萨斯大

　　学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。SLS工艺是利用粉末状材料成型的。将材料粉末铺洒

　　在已成型零件的上表面，并刮平，用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面，材料粉末在高

　　强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成型的部分连接。当一层截面烧结完后

　　，铺上新的一层材料粉末，有选择地烧结下层截面。

　　烧结完成后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理得到零件。

　　SLS工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、蜡等材料的零件，特别

　　是可以制造金属零件。这使SLS工艺颇具吸引力。SLS工艺无需加支撑，因为没有烧结的粉末起到了支撑

　　的作用。

　　4、3DP(ThreeDimensionPrinting）工艺三维印刷工艺是美国麻省理工学院E-manualSachs等

　　人研制的。已被美国的Soligen公司以DSPC（DirectShellProductionCasting）名义商品化，用以制

　　造铸造用的陶瓷壳体和型芯。

　　3DP工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成型，如陶瓷粉末、金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧

　　结连结起来的，而是通过喷头用粘结剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉来上面。

　　用粘结剂粘接的零件强度较低，还须后处理。先烧掉粘结剂，然后在高温下渗人金属，使零件致

　　密化，提高强度。

　　5.FDM（FusedDepostionModeling）工艺熔融沉积制造（FDM）工艺由美国学者

　　ScottCrump于1988年研制成功。FDM的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、尼龙等。以丝状供料

　　。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速

　　凝固，并与周围的材料凝结。

　　快速成型技术的应用领域：

　　目前RP技术的发展水平而言，在国内主要是应用于新产品（包括产品的更新换代）开发的设计验证和模

　　拟样品的试制上，即完成从产品的概念设计（或改型设计）--造型设计--结构设计--基本功能评估--模

　　拟样件试制这段开发过程。对某些以塑料结构为主的产品还可以进行小批量试制，或进行一些物理方面

　　的功能测试、装配验证、实际外观效果审视，甚至将产品小批量组装先行投放市场，达到投石问路的目

　　的。

　　快速成型的应用主要体现在以下几个方面：

　　（1）新产品开发过程中的设计验证与功能验证。RP技术可快速地将产品设计的CAD模型转换成物理

　　实物模型，这样可以方便地验证设计人员的设计思想和产品结构的合理性、可装配性、美观性，发现设

　　计中的问题可及时修改。如果用传统方法，需要完成绘图、工艺设计、工装模具制造等多个环节，周期

　　长、费用高。如果不进行设计验证而直接投产，则一旦存在设计失误，将会造成极大的损失。

　　（2）可制造性、可装配性检验和供货询价、市场宣传，对有限空间的复杂系统，如汽车、卫星、导

　　弹的可制造性和可装配性用RP方法进行检验和设计，将大大降低此类系统的设计制造难度。对于难以确

　　定的复杂零件，可以用RP，技术进行试生产以确定最佳的合理的工艺。此外，RP原型还是产品从设计到

　　商品化各个环节中进行交流的有效手段。比如为客户提供产品样件，进行市场宣传等，快速成型技术已

　　成为并行工程和敏捷制造的一种技术途径。

　　（3）单件、小批量和特殊复杂零件的直接生产。对于高分子材料的零部件，可用高强度的工程塑料

　　直接快速成型，满足使用要求;对于复杂金属零件，可通过快速铸造或直接金属件成型获得。该项应用对

　　航空、航天及国防工业有特殊意义。

　　（4）快速模具制造。通过各种转换技术将RP原型转换成各种快速模具，如低熔点合金模、硅胶模、

　　金属冷喷模、陶瓷模等，进行中小批量零件的生产，满足产品更新换代快、批量越来越小的发展趋势。

　　快速成型应用的领域几乎包括了制造领域的各个行业，在医疗、人体工程、文物保护等行业也得到了越

　　来越广泛的应用。

　　快速成型技术的主要应用各行业的应用状况如下：

　　◆汽车、摩托车：外形及内饰件的设计、改型、装配试验，发动机、汽缸头试制。

　　◆家电：各种家电产品的外形与结构设计，装配试验与功能验证，市场宣传，模具制造。

　　◆通讯产品：产品外形与结构设计，装配试验，功能验证，模具制造。

　　◆航空、航天：特殊零件的直接制造，叶轮、涡轮、叶片的试制，发动机的试制、装配试验。

　　◆轻工业：各种产品的设计、验证、装配，市场宣传，玩具、鞋类模具的快速制造。

　　◆医疗：医疗器械的设计、试产、试用，CT扫描信息的实物化，手术模拟，人体骨关节的配制。

　　◆国防：各种武器零部件的设计、装配、试制，特殊零件的直接制作，遥感信息的模型制作。

　　总之，快速成型技术的发展是近20年来制造领域的突破性进展，它不仅在制造原理上与传统方法迥然

　　不同，更重要的是在目前产业策略以市场响应速度为第一的状况下，RP技术可以缩短产品开发周期，降

　　低开发成本，提高企业的竞争力。下面通过一些事例，说明该项技术在产品开发过程中起的作用。

　　1.设计验证：用于新产品外观设计玲证和结构设计验证，找出设计缺陷，完善产品设计。在现代产

　　品设计中，设计手段日趋先进，计算机辅助设计使得产品设计快捷、直观，但由于软件和硬件的局限，

　　设计人员仍无法直观地评价所设计产品的效果和结构的合理性以及生产工艺的可行性。快速成型技术为

　　设计人员迅速得到产品样品，直观评判产品提供了先进的技术手段。我公司为某摩托车生产厂新型250摩

　　托车制作的覆盖件样件，包括油箱、前后挡板、车座和侧盖等共13件。采用AFS成型技术，仅用12天就完

　　成了全部制作。设计人员将样件装在车体上，经过认真评价和反复比较，对产品的外观做了重新修改，

　　达到了理想状态。这一验证过程，使设计更趋完美，避免了盲目投产造成的浪费。

　　2．装配验证：制出样品实件，进行装配实验。天津某公司委托我方加工传真机外壳及电话。用户不

　　仅要进行外观评价，而且要将传真机的内部部件装入样件中，进行装配实验和结构评价。该公司首先选

　　择传统加工方法，分块加工，手工粘结，仅加工一套电话听筒就耗资肆仟元，耗时20天。预计制作传真

　　机样品需2个月，费用为2•5万元。我公司用快速成型技术，仅用15天就将该产品一套共六件交给委托方

　　。用户在装配实验中发现了7处装配干涉和结构不合理处。将前后两种方法相比，传真机BABS塑料组装样

　　件传统加工方法工序繁多，手工拼接费时、费力，材料浪费大、加工周期长。对复杂的结构和曲面，加

　　工粗糙，尺寸精度低，制作的实物模型与设计模型之间不能建立一一对应的关系，因而在装配实验中很

　　难检查出设计错误。而自动成型法，高度自动化，一次成型，周期短，精度高，与设计模型之间具有一

　　一对应的关系，更适合样品组装件的生产和制造。

　　3．功能验证：我公司为某摩托车厂制作250型双缸摩托车汽缸头。这是一款新设计的发动机，用户

　　需要10件样品进行发动机的模拟实验。该零件具有复杂的内部结构，传统机加工无法加工，只能呆用铸

　　造成型。整个过程需经过开模、制芯、组模、浇铸、喷砂和机加等工序，与实际生产过程相同。其中仅

　　开模一项就需三个月时间。这对于小批量的样品制作无论在时间上还是成木上都是难以接受的。我们采

　　用选区激光烧结技术，以精铸熔模材料为成型材料，在快速成型机上仅用5天即加工出该零件的10件铸造

　　熔模，再经熔模铸造工艺，10天后得到了铸造毛坯。经过必要的机加工，30天即完成了此款发动机的试

　　制。

　　4．快速铸造：在制造业特别是航空、航天、国防、汽车等重点行业，共基础的核心部件一般均为金

　　属零件，而且相当多的金属零件是非对称性的、有不规则曲面或结构复杂而内部又含有精细结构的零件

　　。这些零件的生产常采用铸造或解体加工的方法。在铸造生产中，模板、芯盒、压蜡型、压铸模的制造

　　往往是用机加工的方法来完成的，有时还需要钳工进行修整，不仅周期长、耗资大，而且从模具设计到

　　加工制造是一个多环节的复杂过程，咯有失误就会导致全部返工。特别是对一些形状复杂的铸件，如叶

　　片、叶轮、发动机缸体、缸盖等，模具的制造是一个难度更大的问题，即使使用数控加工中心等昂贵的

　　设备，在加工技术与工艺可行性方面仍有很大困难。可以设想，如果遇到此类零件的试制或小批量生产

　　，其制造周期、成本及风险是相当大的。

　　激光快速成型技术已被证明是解决小批量复杂零件制造的非常有效的手段。迄今为止，我们己通过

　　激光快速成型成功地生产了包括叶铃、叶片、发动机转子、泵体、发动机缸体、缸盖等千余仕扫盘钻件

　　我们将快速成型与铸造工艺的结合称为快速铸造工艺。图5给出了快速铸造工艺与传统铸造工艺的比较。

　　由于快速铸造过程无须开模具，因而大大节省了制造周期和费用。图6是采用快速铸造方法生产的燃气二

　　动机S段，零件直径80Omm，高410m们，按传统金属铸件方法制造，模具制造周期约需半年，费用几十万

　　。用快速铸造方法，快速成型铸造熔模7天(分6段组合)，拼装、组合、铸造10天，费用每件不超过2万(

　　共6件)。用快速成型方法生产的新型坦克增压器的铸造熔模，我们用5天时间就完成了37件蜡模的生产，

　　使整个试制任务比原计划提前了3个月。

　　5．翻模成型：实际应用上，很多产品必须通过模具才能加工出来。用成型机先制作出产品样件再翻

　　制模具，是一种既省时又节省费用的方法。发动机泵壳原型件产品用传统机加工方法很难加工，必须通

　　过模具成型。据估算，开模时间要8个月，费用至少30万。如果产品设计有误，整套模具就全部报废。我

　　们用快速成型法为该产品制作了塑料样件，作为模具母模用于翻制硅胶模。将该母模固定于铝标准模框

　　中，浇入配好的硅橡胶，静置12•20小时，硅橡胶完全固化，打开模框，取出硅橡胶用刀沿预定分型线划

　　开，将母模取出，用于浇铸泵壳蜡型的硅胶模即翻制成功。通过该模制出蜡型，经过涂壳、焙烧、失蜡

　　、加压浇铸、喷砂，一件合格的泵壳铸件在短短的两个月内制造出来，经过必要的机加工，即可装机运

　　行，使整个试制周期比传统方法缩短了三分之二，费用节省了四分之三。

　　6．样品制作：制造产品替代品，用于展示新产品，进行市场宣传，如通讯、家电及建筑模型制作等

　　。

　　7．工艺和材料验证：快速制作各种蜡模，用于精铸新工艺和新型材料的摸索、验证以及新产品制造

　　所需辅助工具及部件的试验。近无余量精铸叶片的实验品。首先按不同收缩率用成型机一次制作几个叶

　　片蜡模，然后涂壳、编号、失蜡铸造。将所得叶片铸件进行测量，反复几次即可确定不同材料无余量精

　　铸收缩率，为批量生产奠定基础。如果用开模具的办法进行此项试验，其费用和周期都将大大增加。发

　　动机高速涡轮，要求材质高，铸件密实。使用激光快速自动成型机，制作精铸用蜡模四个，编号涂壳，

　　使用不同配比特殊合金，分别浇铸，对所得四件样品进行测试，分别加以比较分析，即确定材料最佳配

　　方。从制模到取得结果仅需一个月。

　　8．反求工程与快速成型：成型机成型的一件摩托车的前面板样件，面板上包含了一个前大灯和二个

　　侧灯的外罩，它们与面板构成一个完整的曲面。这是一个用反向工程进行零件详细设计的典型实例。整

　　个工艺过程是首先由模型工根据摩托车的整体形象要求用油泥制作概念模型，经评审满意后用三座标测

　　量仪进行数值化，测量数据用Pro/E软件的Scantools模块进行整理并转换成曲面模型，再转换成实体模

　　型并进"细节"计。糟加筋、孔和车孔的轮廓等结构，最后由成型机制作出样件模型，经过打磨和喷漆的

　　处理后装在摩托车上进行外观、装配等检验，整个过程从完成三座标测量到得到样件仅用一周时间。此

　　时得到的样件模型巴不同于最初的油泥模型，而成为与实际零件壁厚、尺寸一致，筋、孔等结构齐全的

　　零件模型，这比油泥模型无疑是一个很大的进步。如果这时需对模型进行修改，只需在CAD系统上就可完

　　成。当模型的外观和细部结构确定无误后，就可利用最后的模型数据进行模具设计和加工。

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