第二章_快速成型制造工藝V

1、第六節(jié)其它快速成型工藝 快速成型技術(shù)作為基于離散堆積原理的一種嶄新的加工方式，自出現(xiàn)以來得到了廣泛的關(guān)注，對(duì)其成型工藝方法的研究一直十分活躍，除了前面介紹的4種快速成型方法比較成熟之外，其它的許多技術(shù)也已經(jīng)實(shí)用化，如三維噴涂粘結(jié)（Three Dimensional Printing and Gluing，3DPG，常被稱為3DP）、數(shù)碼累積成形（Digital Brick Laying，DBL）、光掩膜法（Solid Ground Curing，SGC，也稱立體光刻）、彈道微粒制造(Ballistic Particle Manufacturing，BPM)、直接殼法（Direct Shell

2、Production Casting，DSPC）、三維焊接（Three Dimensional Welding，TDW）、直接燒結(jié)技術(shù)、全息干涉制造、光束干涉固化等。 模具工程技術(shù)研究中心 METRC2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC、三維噴涂粘結(jié)工藝 三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝是由美國麻省理工學(xué)院開發(fā)成功的，它的工作過程類似于噴墨打印機(jī)，其工藝原理如右圖所示。首先鋪粉或鋪基底薄層（如紙張），利用噴嘴按指定路徑將液態(tài)粘結(jié)劑噴在預(yù)先鋪好的粉層或薄層上特定區(qū)域，逐層粘結(jié)后去除多余底料便得到所需形狀制件。也可以直接逐層噴涂陶瓷或其他材料粉漿，硬化后得到所需形狀的制件。

3、下圖給出的是采用該工藝制作的結(jié)構(gòu)陶瓷制品和注射模具。 三維噴涂粘結(jié)工藝原理三維噴涂粘結(jié)工藝原理 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC 三維噴涂粘結(jié)工藝的特點(diǎn)三維噴涂粘結(jié)工藝的特點(diǎn)三維噴涂/粘結(jié)快速原型制造技術(shù)在將固態(tài)粉末生成三維零件的過程中與傳統(tǒng)方法比較具有很多優(yōu)點(diǎn)：（1）速度快）速度快速度快是3DP的最大優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)椴恍枰厥獾牡毒?、夾具、模型和模具，只要有了零件的CAD模型就可以直接制造零件，因此可以快速地制造零件。有資料介紹從計(jì)算機(jī)模型到零件生產(chǎn)只要15min。（2）適于制造復(fù)雜形狀的零件）適于制造復(fù)雜形狀的零件3DP技術(shù)和其他快速原型技術(shù)一樣，對(duì)零件的復(fù)雜

4、性幾乎沒有限制，只要能提供合適的CAD模型，就可以制造出相應(yīng)的零件。（3）可用于制造復(fù)合材料或非均質(zhì)材料的零件）可用于制造復(fù)合材料或非均質(zhì)材料的零件3DP技術(shù)在制造零件過程中可以改變材料，因此可以生產(chǎn)各種不同材料、顏色、機(jī)械性能、熱性能組合的零件。 （4）可適合于制造小批量零件）可適合于制造小批量零件 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC 三維噴涂粘結(jié)制件制作速度和精度三維噴涂粘結(jié)制件制作速度和精度 三維噴涂粘結(jié)工藝的生產(chǎn)速度受粘結(jié)劑噴射量的限制。假設(shè)生成的零件含有同等體積量的粘結(jié)劑和陶瓷粉末，則零件的生產(chǎn)速度是粘結(jié)劑噴射量的兩倍。典型的噴嘴以1cm3/min的

5、流量噴射粘結(jié)劑，若有100個(gè)噴嘴，則零件生產(chǎn)速度為200cm3/min。美國麻省理工學(xué)院開發(fā)了兩種形式的噴射系統(tǒng):點(diǎn)滴式與連續(xù)式。這種多噴嘴的點(diǎn)滴式系統(tǒng)的生產(chǎn)速度已達(dá)每層僅用5s的時(shí)間(每層面積為0.5m0.5m)，而連續(xù)式的則達(dá)到每層0.025s的時(shí)間。 三維噴涂/粘結(jié)快速原型的精度由兩個(gè)方面決定：一是噴涂粘結(jié)時(shí)生產(chǎn)的零件坯的精度，二是零件坯經(jīng)后續(xù)處理(焙燒)后的精度。在噴涂粘結(jié)過程中，噴射粘滴的定位精度，噴射粘滴對(duì)粉末的沖擊作用以及上層粉末重量對(duì)下層零件的壓縮作用均會(huì)影響零件坯的精度。后續(xù)處理(焙燒)時(shí)零件產(chǎn)生的收縮和變形甚至微裂紋均會(huì)影響最后零件的精度。2 快速成型制造工藝快速成型制造工

6、藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC結(jié)構(gòu)陶瓷制品結(jié)構(gòu)陶瓷制品 注射模具注射模具 經(jīng)過經(jīng)過3DP3DP工藝制作的金屬制件工藝制作的金屬制件 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC2、光掩膜法（Solid Ground Curing，SGC，也稱立體光刻）光掩膜法是以色列的Cubital公司開發(fā)出的。同SLA一樣，該系統(tǒng)同樣利用紫外光來固化光敏樹脂，但光源和具體的工藝方法與SLA不一樣，曝光是采用光學(xué)掩模技術(shù)，電子成像系統(tǒng)先在一塊特殊玻璃上通過曝光和高壓充電過程產(chǎn)生與截面形狀一致的靜電潛像，并吸附上碳粉形成截面形狀的負(fù)像，接著以此為”底片”用強(qiáng)紫外燈對(duì)涂敷的一層光敏樹脂

7、同時(shí)進(jìn)行曝光固化，把多余的樹脂吸附走以后，用石蠟填充截面中的空隙部分，接著用銑刀把這個(gè)截面修平，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行下一個(gè)截面的固化。與SLA對(duì)比， SGC效率更高，因?yàn)镾GC的每層固化是瞬間完成的。SGC的工作空間較大，可以一次制作多個(gè)零件，也可以制作單件大零件（例如，尺寸可以達(dá)到500350500mm）。圖6-5為SGC工藝制作的一個(gè)模型。 光掩膜法工藝制作的小車一個(gè)模型光掩膜法工藝制作的小車一個(gè)模型 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC 光掩膜法的工藝原理光掩膜法工藝原理光掩膜法工藝原理 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC 光掩

8、膜法的工藝流程光掩膜法的工藝原理如圖所示。具體工藝步驟如下：（1） 零件三維造型，并利用切片軟件切片。在每層制作之初，用光敏性樹脂均勻噴涂工作平面，如圖（a）所示。（2） 在每一層，利用Cubital公司的專利印刷技術(shù)進(jìn)行光掩膜，如圖（b）所示。（3）然后用強(qiáng)紫外線燈（2KW）照射，暴露在外的光敏性樹脂被一次硬化，如圖（c）所示。（a）（b）（c）2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC（4）每一層固化后，未固化的光敏性樹脂被真空抽走以便重復(fù)利用。固化的光敏性樹脂在一個(gè)更強(qiáng)的紫外線燈（4KW）的照射下得以二次固化，如圖（d）所示。（5）用蠟填充被真空抽走的區(qū)域。通過

9、冷卻系統(tǒng)使蠟冷卻變硬，硬化的蠟可以作為支撐。因此，不需要作額外的支撐。如圖（e）所示。（6）將蠟、樹脂層壓平，以便進(jìn)行下一層的制作。如圖（f）所示。（7）零件制作完成后，將蠟去掉，打磨，得到模型，無需其它的后處理。如圖（g）所示。（e）（g）（d）2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC 光掩膜法的工藝特點(diǎn)（1）不需要設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)。（2）零件的成形速度不受復(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，制作過程中可以隨意選擇不同零件的制作次序；一個(gè)零件未制作完時(shí)，可以先作另一個(gè)

10、零件，再回過頭來繼續(xù)作未完零件。（5）模型內(nèi)應(yīng)力小，變形小，適合制作大型件。（6）制作過程中如發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，可以把錯(cuò)誤層銑掉，重新制作此層。同時(shí)光掩膜法也存在如下的缺點(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，噪音高，維護(hù)費(fèi)用昂貴。（3）可選材料少，使用材料有毒，且需密封避光保存。（4）制作過程中，感光過度會(huì)使樹脂材料失效。 （5）后處理過程需要除蠟。 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC3、彈道微粒制造(Ballistic Particle Manufacturing，BPM) 彈道微粒制造工藝由美國的BPM技術(shù)公司開發(fā)和商品化。它用一個(gè)壓電噴射

11、(頭)系統(tǒng)來沉積熔化了的熱塑性塑料的微小顆粒，如下圖所示。BPM的噴頭安裝在一個(gè)5軸的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，對(duì)于零件中懸臂部分，可以不加支撐，而“不聯(lián)通”的部分還要加支撐。 彈道微粒制造工藝原理彈道微粒制造工藝原理 2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC5、三維焊接 采用現(xiàn)有的各種成熟的焊接技術(shù)、焊接設(shè)備及工藝方法，用逐層堆焊的方法制造出全部由焊縫金屬組成的零件，也稱熔化成型或全焊縫金屬零件制造技術(shù)。 4、數(shù)碼累積成型 數(shù)碼累積成型也稱噴粒堆積，三維馬賽克（3D Mosaic），是指用計(jì)算機(jī)分割三維造型體而得到空間一系列一定尺寸的有序點(diǎn)陣，借助三維制造系統(tǒng)按指定路徑在相應(yīng)的

12、位置噴出可迅速凝固的流體或布置固體單元，逐點(diǎn)、線、面完成粘結(jié)并進(jìn)行處理后完成原型制造。 該工藝是新型材料原型或零件數(shù)字化設(shè)計(jì)制造的理論和方法。類似于砌磚或搭積木的馬賽克工藝，每一間隔增加一個(gè)“積木”單元，甚至可以采用晶粒、分子或原子級(jí)的單元，以提高加工的精度。也可以通過布放不問成分、顏色、性能的材料單元，實(shí)現(xiàn)三維空間的復(fù)雜與結(jié)構(gòu)材料原型或零件的制造。2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝模具工程技術(shù)研究中心 METRC2 快速成型制造工藝快速成型制造工藝第七節(jié) 快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 從目前存在的問題及需求看，目前比較明確的發(fā)展方向?yàn)椋海?）金屬零件的直接快速成型）金屬零件的直接快速成型（2）概念創(chuàng)新與工藝改進(jìn)）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）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）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）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）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）噴射成型技術(shù)的廣泛應(yīng)用（8）梯度功能材料上的應(yīng)用）梯度功能材料上的應(yīng)用（9）組織工程材料快速成型）組織工程材料快速成型（10）開發(fā)新的成型能源）開發(fā)