第六章_三維打印快速成型工藝

1、第六章第六章快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用機械工業(yè)出版社（第三版）機械工業(yè)出版社（第三版） 三維打印快速成型及其他快速成型工藝第六章第六章 三維打印快速成型及其他快速成型工藝三維打印快速成型及其他快速成型工藝 除了前面介紹的4種快速成型技術(shù)方法比較成熟之外，其它的許多技術(shù)也已經(jīng)實用化，如三維打印成型（Three Dimensional Printing， 3DP）、光掩膜法（Solid Ground Curing，SGC）、數(shù)碼累積成型（Digital Brick Laying，DBL）、彈道微粒制造(Ballistic Particle Manufact

2、uring，BPM)、直接殼法（Direct Shell Production Casting，DSPC）、三維焊接（Three Dimensional Welding）、直接燒結(jié)技術(shù)、全息干涉制造、光束干涉固化等。其中三維打印快速成型技術(shù)因其材料較為廣泛，設(shè)備成本較低且可小型化到辦公室使用等，近年來發(fā)展較為迅速。三維打印快速成型工藝之所以稱之為打印成型，是因為該種快速成型工藝是以某種噴頭作為成型源，其運動方式與噴墨打印機的打印頭類似，在臺面上做X-Y平面運動，所不同的是噴頭噴出的不是傳統(tǒng)噴墨打印機的墨水，而是粘結(jié)劑、熔融材料或光敏材料等，基于快速成型技術(shù)基本的堆積建造模式，實現(xiàn)原型的快速制作

3、。 依據(jù)其使用材料不同及固化方式不同，3DP快速成型技術(shù)可分為粉末材料三維噴涂粘結(jié)成型、熔融材料噴墨三維打印成型兩大類工藝。12噴墨式三維打印快速成型工藝噴墨式三維打印快速成型工藝三維打印快速成型設(shè)備及材料三維打印快速成型設(shè)備及材料三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝34其他快速成型工藝其他快速成型工藝第六章第六章 三維打印快速成型及其他快速成型工藝三維打印快速成型及其他快速成型工藝 1.三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝的基本原理三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝的基本原理 粉末材料三維打印粘結(jié)（3DP或3DPG-Three Dimensional Printing Gluing）快速成型工藝是由美

4、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。目前使用的材料多為粉末材料（如陶瓷粉末、金屬粉末、塑料粉末等），其工藝過程與SLS工藝類似，所不同的是材料粉末不是通過激光燒結(jié)連接起來的，而是通過噴頭噴涂粘結(jié)劑（如硅膠）將零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘結(jié)劑粘結(jié)的零件強度較低，還需后處理。后處理過程主要是先燒掉粘接劑，然后在高溫下滲入金屬，使零件致密化以提高強度。 第一節(jié) 三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝圖圖6-1 三維噴涂粘結(jié)工藝原理三維噴涂粘結(jié)工藝原理 以粉末作為成型材料的3DP的工藝原理如圖6-1所示。首先按照設(shè)定的層厚進行鋪粉，隨后根據(jù)當(dāng)前疊層的截面信息，利用噴嘴按指定路徑將液態(tài)粘

5、結(jié)劑噴在預(yù)先鋪好的粉層特定區(qū)域，之后工作臺下降一個層厚的距離，繼續(xù)進行下一疊層的鋪粉，逐層粘結(jié)后去除多余底料便得到所需形狀制件。第一節(jié) 三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝 2. 2. 三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝的特點三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝的特點 三維噴涂粘結(jié)快速成型制造技術(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)點優(yōu)點： 成本低 材料廣泛 成型速度快 安全性較好 應(yīng)用范圍廣第一節(jié) 三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝 三維噴涂粘結(jié)快速成型技術(shù)在制造模型時也存在許多缺點缺點，如果使用粉狀材料，其模型精度和表面粗糙度比較差，零件易變形甚至出現(xiàn)裂紋等，模型強度較低，這些都是該技術(shù)目前需要解決的問題。 3.

6、 3. 三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝過程三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝過程 三維噴涂粘結(jié)快速成型技術(shù)制作模型的過程與SLS工藝過程類似，下面以三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝在陶瓷制品中的應(yīng)用為例，介紹其工藝過程。 利用三維CAD系統(tǒng)完成所需生產(chǎn)的零件的模型設(shè)計。 設(shè)計完成后，在計算機中將模型生成STL文件，并利用專用軟件將其切成薄片。 每層的厚度由操作者決定，在需要高精度的區(qū)域通常切得很薄。 計算機將每一層分成矢量數(shù)據(jù)，用以控制粘結(jié)劑噴射頭移動的走向和速度。 用專用鋪粉裝置將陶瓷粉末鋪在活塞臺面上。 用校平鼓將粉末滾平，粉末的厚度應(yīng)等于計算機切片處理中片層的厚度。 計算機控制的噴射頭按步驟的要求進行掃描噴涂粘

7、結(jié)，有粘接劑的部位，陶瓷粉粘結(jié)成實體的陶瓷體，周圍無粘結(jié)劑的粉末則起支撐粘結(jié)層的作用。 第一節(jié) 三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝 計算機控制活塞使之下降一定高度(等于片層厚度)。 重復(fù)步驟、四步，一層層地將整個零件坯體制作出來。 取出零件坯，去除未粘結(jié)的粉末，并將這些粉末回收。 對零件坯進行后續(xù)處理，在溫控爐中進行焙燒，焙燒溫度按要求隨時間變化。后續(xù)處理的目的是為了保證零件有足夠的機械強度及耐熱強度。第一節(jié) 三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝 a) a) 結(jié)構(gòu)陶瓷制品結(jié)構(gòu)陶瓷制品 b) b) 注射模具注射模具圖圖6-2 采用采用3DP工藝制作的結(jié)構(gòu)陶瓷制品和注射模具工藝制作的結(jié)構(gòu)陶瓷制品和注射模具圖圖6-3 經(jīng)

8、過經(jīng)過3DP工藝制作的金屬制件工藝制作的金屬制件第一節(jié) 三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝4. 三維噴涂粘結(jié)快速成型技術(shù)若干問題三維噴涂粘結(jié)快速成型技術(shù)若干問題（1）成型材料性能要求 三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝對粉末材料的基本要求如下： 顆粒小，尺度均勻； 流動性好，確保供粉系統(tǒng)不堵塞； 熔滴噴射沖擊時不產(chǎn)生凹坑、濺散和空洞等； 與粘結(jié)液作用后固化迅速。 三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝對粘結(jié)液的基本要求如下： 易于分散且穩(wěn)定，可長期儲存； 不腐蝕噴頭； 粘度低，表面張力高； 不易干涸，能延長噴頭抗堵塞時間。第一節(jié) 三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝 （2）基本工藝參數(shù) 三維噴涂粘結(jié)快速成型的基本工藝參數(shù)包括：噴頭到粉末層

9、的距離，粉層厚度，噴射和掃描速度，輥子運動參數(shù)，每層間隔時間等。當(dāng)制件精度及強度要求較高時，層厚應(yīng)取較小值。粘結(jié)液與粉末空隙體積比即為飽和度，其程度取決于層厚、噴射量及掃描速度的大小，對制件的性能和質(zhì)量具有較大影響。噴射與掃描速度應(yīng)根據(jù)制件精度與質(zhì)量及時間的要求與層厚等因素綜合考慮。 （3）成型速度 三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝的成型速度受粘結(jié)劑噴射量的限制。典型的噴嘴以1cm3/min的流量噴射粘結(jié)劑，若有100個噴嘴，則模型制作速度為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):點滴式與連續(xù)式。這種多噴嘴的點滴式系統(tǒng)的成型速度已達(dá)每層僅用5s的時間(每層面積為0.5m0.5m

10、)，而連續(xù)式的則達(dá)到每層0.025s的時間。 （4）成型精度 三維噴涂粘結(jié)快速成型技術(shù)制作的模型的精度由兩個方面決定：一是噴涂粘結(jié)時制作的模型坯的精度，二是模型坯經(jīng)后續(xù)處理(焙燒)后的精度。第一節(jié) 三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝12噴墨式三維打印快速成型工藝噴墨式三維打印快速成型工藝三維打印快速成型設(shè)備及材料三維打印快速成型設(shè)備及材料三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝34其他快速成型工藝其他快速成型工藝第六章第六章 三維打印快速成型及其他快速成型工藝三維打印快速成型及其他快速成型工藝第二節(jié) 噴墨式三維打印快速成型工藝zxyMJM噴頭工作臺原材料圖圖6-4 多噴嘴噴墨三維打印原理多噴嘴噴

11、墨三維打印原理 像三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝的建造過程類似于SLS工藝一樣，噴墨式三維打印快速成型工藝的建造過程類似于FDM工藝。噴墨式三維打印快速成型設(shè)備的噴頭更像噴墨式打印機的打印頭。與噴涂粘結(jié)工藝顯著不同之處是其累積的疊層不是通過鋪粉后噴射粘結(jié)液固化形成的，而是從噴射頭直接噴射液態(tài)的工程塑料瞬間凝固而形成薄層。 多噴嘴噴射成型為噴墨式三維打印設(shè)備的主要成型方式，噴嘴呈線性分布。噴嘴數(shù)量越來越多，打印精度（分辨率）越來越高，如3D Systems公司的ProJet6000型設(shè)備的特清晰打印模式（XHD）的打印精度為0.075mm，層厚為0.05mm。微熔滴直徑的大小決定了其成型的精度或打印分

12、辨率，噴嘴的數(shù)量多少決定了成型效率的高低。12噴墨式三維打印快速成型工藝噴墨式三維打印快速成型工藝三維打印快速成型設(shè)備及材料三維打印快速成型設(shè)備及材料三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝34其他快速成型工藝其他快速成型工藝第六章第六章 三維打印快速成型及其他快速成型工藝三維打印快速成型及其他快速成型工藝 三維打印快速成型技術(shù)作為噴射成形技術(shù)之一，具有快捷、適用材料廣等許多獨特的優(yōu)點。該項技術(shù)是繼SLA、LOM、SLS和FDM四種應(yīng)用最為廣泛的快速成型工藝技術(shù)后發(fā)展前景最為看好的一項快速成型技術(shù)。目前，該項技術(shù)由MIT研究取得成功后已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給ExtrudeHone、Soligen、S

13、pecificSurfaceCoporation、TDK Coporation、Therics以及Z Coporation等6家公司。已經(jīng)開發(fā)出來的部分商品化設(shè)備機型有Z Corp公司的Z系列，Objet公司的Eden系列、Connex系列及桌上型3D打印系統(tǒng)，3D Systems公司開發(fā)的Personal Printer系列與Professional系列以及Solidscape公司（原Sanders Prototype Inc.）的T系列等。第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料1. Z Corp公司開發(fā)的設(shè)備及材料公司開發(fā)的設(shè)備及材料第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料圖圖6-2 Z Corp公

14、司的公司的Z150設(shè)備及其制作的白色模型設(shè)備及其制作的白色模型 圖圖6-3 Z Corp公司的公司的Z250設(shè)備及其制作的彩色模設(shè)備及其制作的彩色模型型第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料 圖圖6-4 Z Corp公司的公司的Z350設(shè)備及其制作的白色模型設(shè)備及其制作的白色模型第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料 圖圖6-5 Z Corp公司的公司的Z650設(shè)備及其制作的彩色模型設(shè)備及其制作的彩色模型第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料2. Objet公司開發(fā)的設(shè)備及材料公司開發(fā)的設(shè)備及材料第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料a) Connex500 b) Connex350V圖圖6-7 Objet公

15、司的公司的Connex型號設(shè)備型號設(shè)備圖圖6-8 Objet公司的公司的Objet260型號設(shè)備型號設(shè)備第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料圖圖6-9 Objet公司的公司的Eden型號設(shè)備型號設(shè)備a) Objet24 b) Objet30圖圖6-10 Objet公司的公司的Eden型號設(shè)備型號設(shè)備第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料 3. 3D Systems公司開發(fā)的設(shè)備及材料公司開發(fā)的設(shè)備及材料 3D Systems公司作為快速成型設(shè)備全球最早的設(shè)備供應(yīng)商，一直以來致力于快速成型技術(shù)的研發(fā)與技術(shù)服務(wù)工作，在引領(lǐng)SLA光固化快

16、速成型技術(shù)的同時，也陸續(xù)開展了其他快速成型技術(shù)的研究，陸續(xù)推出SLS設(shè)備及3DP設(shè)備等。近期，成功并購Z Corp公司，3DP技術(shù)的實力和地位再上新臺階。面向不同用戶的需求，目前推出的3DP設(shè)備分為Personal系列與Professional系列。2009年以來，3D Systems公司推出價格1萬美元以下的面向小客戶的Personal 3DP設(shè)備。主要型號有Glider、Axis Kit、RapMan、3D Touch、ProJet 1000、ProJet 1500、V-Flash等。第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料 Glider 3D Printer的外輪廓尺寸只有508（W）406.

17、4（D）355.6（H）mm大小，重量只有7kg。建造速度為23mm/h，可制作模型的大小為203（W）203（D）140（H）mm。層厚為0.3mm，噴嘴直徑為0.5mm，位置精度為0.1mm。下圖為Gilder 3D Printer的照片，售價僅1400美元左右。圖圖6-11 3D Systems公司的公司的Gilder三維打印機三維打印機第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料 3D Touch Printer 增加了觸摸屏，型號分為單頭、雙頭和三頭等，輪廓尺寸為600600700mm，重量為38kg，價格約為4000美元，適合于家庭、學(xué)校教室及辦公室使用。下圖為3D Touch Printe

18、r的照片。圖圖6-12 3D Systems公司的公司的3D Touch三維打印機三維打印機第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料 Glider 3D Printer與3D Touch Printer使用的材料有PLA（白、藍(lán)、綠）和ABS（黑、紅）絲材，直徑3mm，如圖6-13所示。表6-5給出了3D Systems公司上述Personal 3D printers使用的絲材的基本參數(shù)和要求。圖圖6-13 3D Systems公司的公司的Personal三維打印機使用的絲材三維打印機使用的絲材第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料 ProJet 1000&1500個人

19、打印機及V-Flash 個人打印機具有更高的打印分辨率和速度、更明亮的色彩及打印的模型耐久性更好，其設(shè)備主要參數(shù)如表6-6所示，使用材料為VisiJet FTI，其性能如表6-7所示。第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料圖圖6-14 3D Systems公司的公司的ProJet SD 3000三維打印機三維打印機圖圖6-15 3D Systems公司的公司的ProJet 5000三維打印機三維打印機圖圖6-16 3D Systems公司的公司的ProJet 6000三維打印機三維打印機第三節(jié) 三維打印快速成型設(shè)備及材料12噴墨式

20、三維打印快速成型工藝噴墨式三維打印快速成型工藝三維打印快速成型設(shè)備及材料三維打印快速成型設(shè)備及材料三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝三維噴涂粘結(jié)快速成型工藝34其他快速成型工藝其他快速成型工藝第六章第六章 三維打印快速成型及其他快速成型工藝三維打印快速成型及其他快速成型工藝1. 光掩膜法快速成型技術(shù)光掩膜法快速成型技術(shù)圖圖6-17 光掩膜法工藝制作的小車模型光掩膜法工藝制作的小車模型第四節(jié) 其他快速成型工藝光掩膜法光掩膜法（Solid Ground Curing，SGC）是以色）是以色列的列的Cubital公司開發(fā)出的。公司開發(fā)出的。同同SLA一樣一樣，該系統(tǒng)，該系統(tǒng)同樣利用紫外光來固化光敏樹脂，同樣利

21、用紫外光來固化光敏樹脂，但光源和具體但光源和具體的工藝方法與的工藝方法與SLA不同，曝光是采用光學(xué)掩膜技不同，曝光是采用光學(xué)掩膜技術(shù)術(shù)，電子成像系統(tǒng)先在一塊特殊玻璃上通過曝光，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，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，接著以此為并吸附上碳粉形成截面形狀的負(fù)像，接著以此為底片底片用強紫外燈對涂敷的一層光敏樹脂同時進行用強紫外燈對涂敷的一層光敏樹脂同時進行曝光固化，把多余的樹脂吸附走以后，用石蠟填曝光固化，把多余的樹脂吸附走以后，用石蠟填充截面中的空隙部分，接著用銑刀把這個截面修充截

22、面中的空隙部分，接著用銑刀把這個截面修平，在此基礎(chǔ)上進行下一個截面的固化。與平，在此基礎(chǔ)上進行下一個截面的固化。與SLA對比，對比，SGC效率更高，因為效率更高，因為SGC的每層固化是瞬的每層固化是瞬間完成的。間完成的。SGC的工作空間較大，可以一次制作的工作空間較大，可以一次制作多個零件，也可以制作單個大零件。圖多個零件，也可以制作單個大零件。圖6-17為為SGC工藝制作的一個模型。工藝制作的一個模型。圖圖6-18 光掩膜法的工藝原理光掩膜法的工藝原理第四節(jié) 其他快速成型工藝光掩膜法的工藝原理光掩膜法的工藝原理: :光掩膜法的具體工藝步驟如下：光掩膜法的具體工藝步驟如下：（1）零件三維造型，

23、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)進行光掩膜，如圖b所示。（3）然后用強紫外線燈（2KW）照射，暴露在外的光敏性樹脂被一次固化，如圖c所示。（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更強的紫外線燈（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。第四節(jié) 其他快速成型工藝a) b) c)真空吸附d) e）圖圖6-19 光掩膜法的工藝步驟光掩膜法的工藝步驟f) g)第四節(jié) 其他快速成型工藝優(yōu)點：優(yōu)點：（1）不需要設(shè)計支撐結(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)。樹脂瞬時曝光，速 度快，整層一次成型，效率高。（3）精度高，相對精度約在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 個零件未制作完時，可以先作另一個零件，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)錯誤，