增材制造技術(shù)最新版精品課件第四章-增材制造的一般工藝流程

增材制造技術(shù)

第4章增材制造的一般工藝流程零件增材制造的一般步驟不同增材制造之間的差異性零件增材制造的數(shù)據(jù)處理增材制造工藝選擇依據(jù)本章重點(diǎn)本章重難點(diǎn)本章難點(diǎn)后處理增材制造技術(shù)的選用原則第4章增材制造的一般工藝流程1零件增材制造的一般步驟2不同增材制造工藝間的差異性增材制造工藝選擇依據(jù)34.1零件增材制造的一般步驟增材制造技術(shù)根據(jù)技術(shù)路線不同，可分為五個(gè)類(lèi)別：光固化立體造型（SLA）、疊層實(shí)體制造（LOM）、三維打印快速成型（3DP）、熔融層積技術(shù)（FDM）和選擇性激光燒結(jié)成型（SLS）。這五種技術(shù)路線中，光固化立體造型（SLA）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）及熔融層積成型（FDM）不斷發(fā)展突破，已經(jīng)成為應(yīng)用較為廣泛的增材制造技術(shù)。特別是熔融層積技術(shù)（FDM）近年發(fā)展最快，已經(jīng)普遍推廣于大、中、小學(xué)教育和工藝美術(shù)設(shè)計(jì)等諸多領(lǐng)域；而疊層實(shí)體制造（LOM）和三維打印快速成型（3DP）這兩種技術(shù)路線基本上沒(méi)有得到實(shí)際應(yīng)用，研究者也較少。雖然技術(shù)路線不同，但是五種快速成型技術(shù)的基本思路是一致的，即將三維實(shí)體離散成二維層片，完成二維打印后疊加形成三維實(shí)體。這種制造方式與傳統(tǒng)制造方式完全不同，它通過(guò)將三維制件轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的二維單元，不需要制作模具，大大減少了設(shè)計(jì)周期，很好地滿足了不同客戶的需求。零件的增材制造工藝主要包括以下五個(gè)步驟：①3D建模②③數(shù)據(jù)處理④設(shè)備準(zhǔn)備⑤⑥加工⑦后處理⑧應(yīng)用圖4-1AM工藝流程4.1零件增材制造的一般步驟（1）建立三維模型目前，增材制造技術(shù)首先要通過(guò)三維繪圖軟件或3D掃描儀等方式先構(gòu)建三維模型，然后才能被打印。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)的三維繪圖軟件逐漸豐富起來(lái)，有些軟件甚至可以將平面照片轉(zhuǎn)化成立體模型，如圖4-1所示，①為咖啡杯的3D建模。有些構(gòu)形輪廓不規(guī)則時(shí)，還需要對(duì)三維圖形進(jìn)行加工，例如添加支撐以保證打印順利進(jìn)行，也有專(zhuān)門(mén)的STL修復(fù)軟件用于解決這一問(wèn)題，如比利時(shí)MAGICS軟件。通常三維模型采用*.STL格式存儲(chǔ)，以便分層軟件進(jìn)行識(shí)別和進(jìn)一步分層。STL文件中應(yīng)該包含有零件的尺寸、顏色、材料以及其他有用的特征信息。4.1零件增材制造的一般步驟圖4-2建立三維模型（2）數(shù)據(jù)處理將已經(jīng)繪制成型的三維模型，按Z軸豎直擺放，然后采用切片軟件把其切成二維層片，切割平面與Z軸垂直。切片時(shí)每層的厚度對(duì)制件質(zhì)量及成型時(shí)間有著重大影響。由于3D打印為逐層疊加制造，在實(shí)際加工時(shí)并不會(huì)按模擬的連續(xù)面線制造，而是采用小臺(tái)階式的離散數(shù)據(jù)取代連續(xù)的輪廓線，就像用多邊形無(wú)限趨近圓形一樣。因此，切片厚度越小，“臺(tái)階效應(yīng)”越不明顯，精度也就越高。但是切片厚度也不是越薄越好，厚度太薄，會(huì)大大增加成型難度和成型時(shí)間。所以，切片厚度需要根據(jù)不同機(jī)型和制件來(lái)調(diào)整。而厚度的精準(zhǔn)度往往取決于分層件的性能優(yōu)劣和3D打印設(shè)備的精度。如圖4-1所示，②③為數(shù)據(jù)處理，分別實(shí)現(xiàn)STL文件格式轉(zhuǎn)存和切片處理。4.1零件增材制造的一般步驟圖4-3數(shù)據(jù)切片處理（3）設(shè)備準(zhǔn)備所有的增材制造設(shè)備都有一些必要的加工參數(shù)需要設(shè)置，盡管有些增材制造設(shè)備是專(zhuān)門(mén)為幾種材料設(shè)計(jì)的，需要設(shè)置的參數(shù)非常少，使用過(guò)程中僅需要改變幾個(gè)打印參數(shù)如分層厚度。而有一些增材制造設(shè)備需要設(shè)置的參數(shù)比較多，用戶可以通過(guò)操作軟件實(shí)現(xiàn)材料的選擇、打印速度的設(shè)定以及低污染打印模式等參數(shù)的設(shè)定。這些設(shè)備一般有一些缺省參數(shù)或者是上一次加工后保存下來(lái)的參數(shù)，有時(shí)盡管參數(shù)選擇不單不會(huì)影響加工的進(jìn)行，但會(huì)一定程度上影響零件的質(zhì)量。如圖4-1中④所示，數(shù)據(jù)處理完成后，需要開(kāi)啟打印機(jī)，做好打印前的準(zhǔn)備工作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)若模型有錯(cuò)及時(shí)返回修改。4.1零件增材制造的一般步驟圖4-4加工設(shè)備（4）加工切片完成之后，系統(tǒng)將根據(jù)切片時(shí)設(shè)定的每層厚度確定各層的高度Z位置，按照切片獲得的二維平面圖形進(jìn)行打印加工。每打印完一層，成型平面相對(duì)于成型噴絲頭下降一層，然后繼續(xù)執(zhí)行下一層打印，以此類(lèi)推。在此過(guò)程中，只要選擇合適的技術(shù)參數(shù)（如溫度、速度、填充密度等），就能確保層與層之間粘連良好，即可保證逐層疊加打印成型。在加工過(guò)程中只要系統(tǒng)沒(méi)有檢測(cè)到錯(cuò)誤，零件一般可以順利的加工完成。（5）后處理零件通過(guò)增材制造工藝制作好之后，就需要將零件周邊的多余材料清理干凈，也要將零件與制造平臺(tái)分開(kāi)。同時(shí)成型完成后，零件上會(huì)有明顯的逐層堆積紋路，同時(shí)也可能存在若干表面缺陷。例如，由材料本身的脹縮導(dǎo)致的微小形變或應(yīng)力產(chǎn)生的問(wèn)題以及由于機(jī)械精度原因?qū)е卤砻娴牟还鉂崋?wèn)題等。這些問(wèn)題都需要通過(guò)后處理予以解決。一般的后處理方式有：打磨、浸噴樹(shù)脂、瞬時(shí)高溫氣流、溶劑蒸汽等。4.1零件增材制造的一般步驟4.1零件增材制造的一般步驟4.1.1

3D建模獲得3D模型的途徑（1）使用三維畫(huà)圖軟件去建立模型（2）從網(wǎng)絡(luò)下載模型（3）使用三維掃描設(shè)備掃描獲得模型（1）使用三維繪圖軟件去建立打印模型要實(shí)現(xiàn)3D打印機(jī)功能最大化，必須具備使用軟件繪圖的能力。所謂功能最大化，就是使用3D打印機(jī)打印新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者的創(chuàng)作意圖，而不是一直重復(fù)打印同一個(gè)東西，或者只能打印網(wǎng)上下載的模型。3D打印之所以又叫快速成型技術(shù)，并不是因?yàn)樗慕ㄔ焖俣缺葌鹘y(tǒng)制造技術(shù)快。假如利用已制好的模具，采取注塑、擠塑等傳統(tǒng)制造技術(shù)，幾分鐘就可以生產(chǎn)一個(gè)塑料產(chǎn)品。而3D打印機(jī)根據(jù)模型的大小需要用幾個(gè)小時(shí)到幾十個(gè)小時(shí)不等的時(shí)間才能完成。但是，傳統(tǒng)制造技術(shù)在制造一個(gè)新產(chǎn)品之前必須開(kāi)模，有了模具才可以生產(chǎn)。通常，開(kāi)模需要花費(fèi)好幾個(gè)月，這個(gè)時(shí)候3D打印機(jī)的幾個(gè)小時(shí)甚至是幾十個(gè)小時(shí)就變得極具吸引力了。因此，使用3D打印機(jī)來(lái)完成新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)才是它真正的價(jià)值所在。4.1.13D建?，F(xiàn)有的繪圖軟件已有較多，如PROE、3DMAX、SOLIDWORKS、UG等都可以繪制三維模型圖，只需要最后輸出的格式是*.STL格式即可。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件產(chǎn)生的模型文件輸出格式有多種，常見(jiàn)的有IPGI、HPGL、STEP、DXF和STL等，其中STL格式為增材制造行業(yè)通用的文件式。4.1.13D建模Pro/E采用了模塊化設(shè)計(jì)，可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需求進(jìn)行選擇使用。Solidworks軟件功能強(qiáng)大，組件繁多。它具有功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點(diǎn)Rhinoceros3D可以創(chuàng)建、編輯、分析、提供、渲染、動(dòng)畫(huà)與轉(zhuǎn)換線條、曲面、實(shí)體與多邊形網(wǎng)格，不受精度、復(fù)雜程度、階數(shù)或是尺寸的限制。Autodesk歐特克公司推出了一款易于上手的3D設(shè)計(jì)軟件UMake3D，它無(wú)須專(zhuān)業(yè)的操作知識(shí)，很直觀、形象地把3D模型展現(xiàn)在用戶面前。圖4-5繪圖軟件（2）利用網(wǎng)絡(luò)下載模型為了增加用戶對(duì)3D打印機(jī)的使用能力，不少3D打印機(jī)制造商開(kāi)始提供模型下載及打印服務(wù)。他們會(huì)在網(wǎng)上建立一個(gè)平臺(tái)，自己繪制或者激勵(lì)懂得繪圖的專(zhuān)業(yè)人員繪制模型并上傳至平臺(tái)，用戶可以直接下載這些模型，用3D打印機(jī)打印出來(lái)。有些網(wǎng)站則提供打印服務(wù)，為沒(méi)有3D打印機(jī)的用戶提供指定的3D打印模型。通過(guò)這種方式，越來(lái)越多的潛在用戶發(fā)現(xiàn)3D打印的樂(lè)趣，開(kāi)始使用3D打印機(jī)。4.1.13D建模（3）使用3D掃描儀獲得打印模型也可以通過(guò)3D掃描儀（3Dscanner）等設(shè)備來(lái)獲得模型的三維數(shù)據(jù)。在醫(yī)療領(lǐng)域，醫(yī)生在手術(shù)前會(huì)通過(guò)醫(yī)療設(shè)備（例如X光-CT掃描儀）來(lái)獲知患者體內(nèi)的病灶情況，提高醫(yī)生診斷的準(zhǔn)確度，但是仍然會(huì)存在一些盲點(diǎn)。現(xiàn)在不少醫(yī)院開(kāi)始通過(guò)3D打印將病灶的實(shí)際情況打印成立體模型，更加直觀全面地了解患者的情況。利用立體模型準(zhǔn)確分析并制定最佳治療方案，這是醫(yī)療技術(shù)的一次大進(jìn)步。三維掃描是集光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)于一體的高新技術(shù)，主要用于對(duì)物體空間外形、結(jié)構(gòu)及色彩進(jìn)行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)參數(shù)。得出大量坐標(biāo)點(diǎn)的集合稱(chēng)為點(diǎn)云（PointCloud）。它的重要意義在于能夠?qū)?shí)物的立體信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能直接處理的數(shù)字信號(hào)，創(chuàng)建實(shí)際物體的數(shù)字模型，為實(shí)物數(shù)字化提供了相當(dāng)便捷的手段，如圖4-6所示為各式各樣的三維掃描儀。圖4-6各式各樣的三維掃描儀4.1.13D建模以前人們通過(guò)拍照來(lái)留住特別的時(shí)光，自從有了3D打印技術(shù)之后，人門(mén)開(kāi)始復(fù)制一個(gè)小小的自己的立體塑像來(lái)留作紀(jì)念。在不少大城市已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)這種像館，成為一種新的時(shí)尚。3D照像館正是應(yīng)用了3D掃描儀來(lái)獲得人體外形的打印數(shù)據(jù)，如圖4-7所示。目前精確的醫(yī)學(xué)整形外科也可以用三維掃描儀快速獲取需要制作假牙、假肢、需要面部整形、矯正等模型數(shù)據(jù)，如圖4-8所示。圖4-7通過(guò)三維掃描儀獲得需要的3D模型圖4-8三維掃描儀應(yīng)用于牙模、假肢、整形、矯正外科等領(lǐng)域4.1.13D建模4.1.13D建模3D掃描儀價(jià)格仍較為昂貴，并且在操作上需要相當(dāng)?shù)募夹g(shù)知識(shí)，不夠簡(jiǎn)易。目前，網(wǎng)上出現(xiàn)了一些簡(jiǎn)單的3D掃描模塊和軟件。例如，有一款名為Itseez3D的3D掃描儀可配合iPad使用。Itseez3D讓iPad用戶可以將家具、鞋、玩具甚至是人體轉(zhuǎn)變?yōu)?D模型。這個(gè)軟件僅需在iPad上加裝一個(gè)小小的傳感器。也有消息稱(chēng)，谷歌和蘋(píng)果公司都在計(jì)劃將3D傳感技術(shù)引人平板電腦中，將來(lái)只需要一個(gè)平板就可以實(shí)現(xiàn)3D掃描。人類(lèi)社會(huì)的廣泛需求，必將推動(dòng)3D掃描儀的迅速發(fā)展。圖4-9Itseez3D掃描儀數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及傳輸三維模型的切片處理成型方向的選擇成型方向?qū)ぜ焚|(zhì)的影響成型方向?qū)Σ牧铣杀镜挠绊懗尚头较驅(qū)χ谱鲿r(shí)間的影響增材制造中的主要切片方式STL切片容錯(cuò)切片適應(yīng)性切片直接適應(yīng)性切片直接切片增材制造系統(tǒng)軟件介紹獨(dú)立的第三方AM件增材制造系統(tǒng)制造商開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用AM軟件4.1零件增材制造的一般步驟4.1.2數(shù)據(jù)處理4.1.2數(shù)據(jù)處理（1）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及傳輸目前為止，大部分增材制造系統(tǒng)中，獲得的打印模型都會(huì)轉(zhuǎn)換成STL的文件格式。這種格式由美國(guó)3Dsystems公司開(kāi)發(fā)，是和當(dāng)時(shí)的成型工藝相配合的一種較為簡(jiǎn)單的語(yǔ)言，已經(jīng)成為當(dāng)前的增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。自從1990年以來(lái)，幾乎所有的CAD/CAM制造商都在他們的系統(tǒng)中整合了CAD-STL界面。STL格式數(shù)據(jù)，是一種用大量的三角面片逼近曲面來(lái)表現(xiàn)三維模型的數(shù)據(jù)格式。STL數(shù)據(jù)的精度直接取決于離散化時(shí)三角形的數(shù)目。一般地，在CAD系統(tǒng)中輸出STL文件時(shí)，設(shè)置的精度越高，STL數(shù)據(jù)的三角數(shù)目越多，文件就越大。特別是，面積大的表面需要采用數(shù)量較多的三角形逼近，這就意味著彎面部件的STL文件可能非常大。但是STL文件格式也有很多缺點(diǎn)，在使用小三角形平面來(lái)近似接近三維實(shí)體，存在曲面誤差，缺失顏色、紋理、材質(zhì)、點(diǎn)陣等屬性。2010年，一種更完善的AMF語(yǔ)言格式開(kāi)始興起，逐漸取代STL，便于打印機(jī)固件讀取更為復(fù)雜、海量的3D模型數(shù)據(jù)。AMF作為新的基于XML的文件標(biāo)準(zhǔn)，彌補(bǔ)了CAD數(shù)據(jù)和現(xiàn)代的增材制造技術(shù)之間的差距。這種文件格式包含用于制作3D打印部件的所有相關(guān)信息，包括打印成品的材料、顏色和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。標(biāo)準(zhǔn)的AMF文件包含object、material、texture、constellation、metadata等五個(gè)頂級(jí)元素，一個(gè)完整的AMF文檔至少要包含一個(gè)頂級(jí)元素。增材制造文件格式（AMF）版本l.1是一個(gè)改進(jìn)的新標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)由美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織（IS0）于2013年聯(lián)合推出。它解決了日益增長(zhǎng)的可提供產(chǎn)品詳細(xì)特性的合規(guī)且可互換的文件格式的需求。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程很直觀。其目的在于將儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)CAD中的STL文件導(dǎo)入增材制造系統(tǒng)設(shè)備的計(jì)算機(jī)中。CAD計(jì)算機(jī)與增材制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)通常放在不同地點(diǎn)。CAD計(jì)算機(jī)是作為設(shè)計(jì)工具，一般在設(shè)計(jì)辦公室內(nèi)。而增材制造系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)作為制造機(jī)器，通常在生產(chǎn)車(chē)間里。但是近年來(lái)出現(xiàn)的很多增材制造系統(tǒng)，通常是概念模型打印機(jī)，可以放置在設(shè)計(jì)辦公室內(nèi)，通過(guò)兼容的數(shù)據(jù)格式，如STE或IGES，用U盤(pán)、郵件或者局域網(wǎng)（LAN）來(lái)完成數(shù)據(jù)傳輸。通常這一階段并不需要對(duì)STL文件的質(zhì)量進(jìn)行校驗(yàn)。4.1.2數(shù)據(jù)處理（2）三維模型的切片處理切片是將模型以片層的方式來(lái)描述，無(wú)論模型形狀多么復(fù)雜，對(duì)于每一層來(lái)說(shuō)都是簡(jiǎn)單的平面矢量組，其實(shí)質(zhì)還是一種降維處理，即將三維模型轉(zhuǎn)化為二維片層，為分層制造做準(zhǔn)備。1）成型方向的選擇將工件的三維STL格式文件輸入快速成型機(jī)后，可以用快速成型機(jī)中的STL格式文件顯示文件，使模型旋轉(zhuǎn)，從而選擇不同的成型方向。不同的成型方向會(huì)對(duì)工件品質(zhì)（尺寸精度、表面粗糙度、強(qiáng)度等）、材料成本和制作時(shí)間產(chǎn)生很大的影響。4.1.2數(shù)據(jù)處理①成型方向?qū)ぜ焚|(zhì)的影響一般而言，無(wú)論哪種增材制造方法，由于不易控制工件Z方向的翹曲變形，工件的X-Y方向的尺寸精度會(huì)比Z方向更易保證。故應(yīng)該將精度要求較高的輪廓，例如有較高配合精度要求的軸、孔等盡可能放置在X-Y平面。②成型方向?qū)Σ牧铣杀镜挠绊懖煌某尚头较驅(qū)е虏牧系南牧坎煌?。?duì)于需要外支撐結(jié)構(gòu)的增材制造，材料的消耗量應(yīng)包括制作支撐結(jié)構(gòu)材料。無(wú)論什么成型方向所需的材料幾乎都相同。材料消耗量與不同成型方向時(shí)產(chǎn)生的廢料量有很大關(guān)系。③成型方向?qū)χ谱鲿r(shí)間的影響工件的成型時(shí)間由前處理時(shí)間、分層疊加成型時(shí)間和后處理時(shí)間三部分構(gòu)成。前處理是成型數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備階段，只占總制作時(shí)間的很小部分，后處理的時(shí)間取決于的復(fù)雜程度和所采用的成型方向。成型的時(shí)間及層與層之間處理時(shí)間之和，隨著成型方向而變化。對(duì)于需要支撐結(jié)構(gòu)的成型，不同的工件成型方向可能導(dǎo)致不同的支撐結(jié)構(gòu)的數(shù)量，繼而影響成型時(shí)間。如圖4-10（a）所示工件，可有圖4-10（b）、（c）和（d）三種成型方向，當(dāng)采用不同的工藝時(shí)，對(duì)各種指標(biāo)的影分析如下：對(duì)于SLA工藝，優(yōu)化的成型方向如圖4-10（b）所示，采取這種成型方向時(shí)，支撐結(jié)構(gòu)少，材料成本低。對(duì)于FDM工藝，優(yōu)化的成型方向也如圖4-10（b）所示。對(duì)于LOM工藝，優(yōu)化的成型方向如圖4-10（c）所示。采取這種成型方向時(shí)，工件的成型高度小，材料成本低。對(duì)于SLS工藝，優(yōu)化的成型方向如圖4-10（d）所示。這是因?yàn)?，雖然圖4-10（b）和圖4-10（c）所示的成型方向所用材料成本相同，但按圖4-10（d）所示方向成型時(shí)高度小，層數(shù)少，因此成型時(shí)間短；無(wú)大截面的基底，防止了大截面的基底成型時(shí)的卷面，因此工件的精度較高。(a)(b)(c)(d)圖4-10成型方向選擇4.1.2數(shù)據(jù)處理4.1.2數(shù)據(jù)處理2）增材制造中的主要切片方式①STL切片1987年3DSystem公司結(jié)合當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)軟硬件水平，參考FEM（FiniteElementsMethod）單元?jiǎng)澐趾虲AD模型著色的三角化方法，開(kāi)發(fā)了STL文件格式。切片就是將幾何體與一系列平行平面求交，切片的結(jié)果將產(chǎn)生一系列實(shí)體截面輪廓。切片算法取決于輸入幾何體的表示式。STL格式用小三角形平面近似實(shí)體表面，這種表示法最大的優(yōu)點(diǎn)就是切片方法簡(jiǎn)單易行，只需依次與每一個(gè)三角形求交即可。在獲得交點(diǎn)后，可以根據(jù)一定的規(guī)則，選取有效頂點(diǎn)組成邊界輪廓環(huán)。獲得邊界輪廓后，按照外環(huán)逆時(shí)計(jì)、內(nèi)環(huán)順時(shí)針的方向描述，為后續(xù)掃描路徑生成的算法處理做準(zhǔn)備。但是STL文件存在如下問(wèn)題：數(shù)據(jù)冗余，文件龐大，缺乏拓?fù)湫畔ⅲ菀壮霈F(xiàn)懸面、懸邊、點(diǎn)擴(kuò)散、面重疊、孔洞等錯(cuò)誤，診斷與修復(fù)困難；用小三角平面來(lái)近似一曲面，存在面誤差；大型STL文件的后續(xù)切片將占用大量的時(shí)間；當(dāng)CAD模型不能轉(zhuǎn)化成STL模型或者轉(zhuǎn)化后存在復(fù)雜錯(cuò)誤時(shí)，重新造型將使快速原型的加工時(shí)間與制造成本增加。4.1.2數(shù)據(jù)處理②容錯(cuò)切片容錯(cuò)切片（Tolerate-errorsSlicing)直接在二維層次上進(jìn)行修復(fù)，基本上避開(kāi)STL文件三維層次上的糾錯(cuò)問(wèn)題。由于二維輪廓信息十分簡(jiǎn)單，并具有閉合性、不相交的簡(jiǎn)單約束條件，特別是對(duì)于一般機(jī)械零件實(shí)體模型而言，其切片輪廓多為簡(jiǎn)單的直線、圓弧、低次曲線組合而成，因而能容易地在輪廓信息層次上發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。③適應(yīng)性切片適應(yīng)性切片（AdaptiveSlicing）根據(jù)零件的幾何特征來(lái)決定切片的層厚，在輪廓變化繁雜的地方采用小厚度切片，在輪廓變化平緩的地方采用大厚度切片，與統(tǒng)一層厚切片方法比較，可以減小Z軸誤差、階梯效應(yīng)與數(shù)據(jù)文件的長(zhǎng)度。例如圖4-11所示，為適應(yīng)性切片研究，以用戶指定誤差（或尖鋒高度）與法向矢量決定切片層厚，可以有效處理具有平面區(qū)域、尖鋒、臺(tái)階等幾何特征的零件。圖4-11適應(yīng)性切片舉例4.1.2數(shù)據(jù)處理④直接適應(yīng)性切片直接適應(yīng)性切片（Direct&AdaptiveSlicing）利用適應(yīng)性切片思想從CAD模型中直接切片，可以同時(shí)減小Z軸和X-Y平面方向的誤差。⑤直接切片在工業(yè)應(yīng)用中，保持從概念設(shè)計(jì)到最終產(chǎn)品的一致性是非常重要的。在很多的例子中，原始CAD模型本來(lái)已經(jīng)精確表示了設(shè)計(jì)意圖，STL文件反而降低了模型的精度。使用STL格式表示方形物體精度較高，表示圓柱形、球形物體精度較差。對(duì)于特定的用戶，生產(chǎn)大量高次曲面物體，使用STL格式，會(huì)導(dǎo)致文件巨大，切片費(fèi)時(shí)，迫切地需要拋開(kāi)STL文件，直接從CAD模型中獲取截面描述信息。在加工高次曲面時(shí)，直接切片（DireetSicing）明顯優(yōu)于STL方法。相比較而言，采用原始CAD模型進(jìn)行直接切片具有如下優(yōu)點(diǎn)；①能減小增材制造的前處理時(shí)間；②可避免STL格式文件的檢查和糾錯(cuò)過(guò)程；③可降低模型文件的規(guī)模；④能直接采用RP數(shù)控系統(tǒng)的曲線插補(bǔ)功能，從而可提高工件的表面質(zhì)量；⑤能提高制件的精度。4.1.2數(shù)據(jù)處理通過(guò)對(duì)利用商用造型軟件進(jìn)行的直接切片研究，可以從任意復(fù)雜三維CAD模型中直接獲取分層數(shù)據(jù)，將其存儲(chǔ)于PIC文件中，作為RP系統(tǒng)的連接中介。然后驅(qū)動(dòng)RP系統(tǒng)工作，完成制件加工過(guò)程。直接切片工作流程如圖4-12所示。圖4-12直接切片工作流程整個(gè)直接切片軟件由AutoSection軟件和PDSlice軟件兩部分組成，以PIC文件作為中間接口。AutoSection軟件完成從任意模型中提取二維截面輪廓信息的工作，生成直接切片PIC文件；PDSlice軟件則是相應(yīng)的RP數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)PIC文件進(jìn)行詮釋?zhuān)刂芌P系統(tǒng)完成模型加工過(guò)程，它可用于SLA、LOM、SLS、FDM等分層制造工藝中。但直接切片的軟件并不成熟，目前還處于進(jìn)一步研究中。（3）增材制造系統(tǒng)軟件介紹增材制造（AM）軟件從開(kāi)發(fā)廠商和功能側(cè)重點(diǎn)上來(lái)看主要可分為兩種：獨(dú)立的第三方AM件和AM系統(tǒng)制商開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用AM軟件。1）獨(dú)立的第三方AM件國(guó)外涌現(xiàn)出了很多作為CAD與增材制造系統(tǒng)之間的橋梁的第三方軟件。這些軟件一般都以常用的數(shù)據(jù)文件格式作為輸入/輸出接口，輸入的數(shù)據(jù)文件格式有STL、IGES、DXF、HPGL、CT切片文件等。以下介紹一些國(guó)外比較著名的第三方接口軟件。4.1.2數(shù)據(jù)處理BridgeWorks由美國(guó)的SolidConcept公司在1992年推出，經(jīng)不斷改進(jìn)，現(xiàn)己發(fā)展到4.0版以上。該軟件可通過(guò)對(duì)STL文件特征進(jìn)行分析，自動(dòng)添加各種支撐。SolidView由美國(guó)的SolidConcept公司在1994年推出，可以在Window3.1、Window95、WindowNT操作系統(tǒng)下進(jìn)行STL文件的線框和著色顯示，STL文件的旋轉(zhuǎn)、縮放等作。StlView是由美國(guó)的軟件工程師IgorTebelev在業(yè)余時(shí)間所寫(xiě)的軟件，現(xiàn)己發(fā)展到9.0版。它可從網(wǎng)上免費(fèi)下載并使用兩周，同SolidVielw類(lèi)似，這個(gè)軟件可用于STL文件的顯示和變換，同時(shí)它還有錯(cuò)誤修復(fù)、添加支撐等功能。STLManzger由美國(guó)的PCGO公司于1994年推出，主要用于STL文件的顯示和支撐的添加。圖4-13AM系統(tǒng)軟件4.1.2數(shù)據(jù)處理Surfacer-RPM是由美國(guó)的ImagewareN.V.公司在1994年為其Surfacer軟件增加的用于快速原型制造數(shù)據(jù)處理的模塊。MagicsRP是由比利時(shí)MaterialiseN.V.公司推出的基于STL文件的通用增材制造數(shù)據(jù)處理軟件，廣泛應(yīng)用在增材制造領(lǐng)域，是當(dāng)今最具有影響力第三方增材制造軟件。MagicsRP已經(jīng)有10多年的歷史，目前的最新本是21.0版，它主要包括以下功能：①STL文件的顯示、測(cè)量、編輯、糾錯(cuò)和切片。②切片輪廓的正確性驗(yàn)證，模型各個(gè)部件間的沖突檢測(cè)。③布爾運(yùn)算（包括的拼接、任意剖分、添加導(dǎo)流管等功能)。④模型加工時(shí)回預(yù)測(cè)、報(bào)價(jià)（依賴(lài)特定的增材制造設(shè)備)。⑤模型的鏤空，三維編置。⑥引對(duì)STL模型添加FDM、SL工藝要求的支撐結(jié)構(gòu)。4.1.2數(shù)據(jù)處理MagicsRP還提供了一系列可選的外掛模塊，如ToolingModule、ToolingExpertModule、VolumeSupportGeneration（VolumeSG）Module、CToolsandSliceModule、IGtoSTL&VDtoSTLModule等。這些模塊能實(shí)現(xiàn)諸如切削加工、鑄造的分模面處理，SLC、IGES、VDA文件格式轉(zhuǎn)換等針對(duì)特定需求的功能。如圖4-14所示為該軟件的一個(gè)用戶界面。圖4-14MagicsRP軟件的用戶界面MagcsRP設(shè)計(jì)成熟、功能強(qiáng)大，但它的價(jià)格昂貴。其軟件主體報(bào)價(jià)高達(dá)1萬(wàn)美元（額外的功能模塊還需要另行購(gòu)買(mǎi)），大約相當(dāng)于某些低端增材制造設(shè)備報(bào)價(jià)的50％。并且MagicsRP作為一個(gè)通用全功能軟件，操作復(fù)雜，應(yīng)用在增材造設(shè)備上并不方便，也沒(méi)有中文界面的版本，這些都限制了它在中國(guó)的進(jìn)一步應(yīng)用。2）增材制造系統(tǒng)制造商開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用AM軟件AM系統(tǒng)制商開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用AM軟件是針對(duì)特定的增材制造設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)用增材制造的數(shù)據(jù)處理及NC加工的軟件，這類(lèi)軟件整合了增材制造所需要的全部功能。針對(duì)增材制造設(shè)備操作人員進(jìn)行開(kāi)發(fā)，因而操作非常簡(jiǎn)單，并能根據(jù)硬件設(shè)備的特點(diǎn)對(duì)增材制造數(shù)據(jù)和控制流程進(jìn)行優(yōu)化，確保設(shè)備的加工效率。國(guó)外的主要大型增材制造系統(tǒng)生產(chǎn)商一般都開(kāi)發(fā)了自己的數(shù)據(jù)處理軟件，如3DSystems公司的ACES、QuickCast軟件，Helisys公司的LOMSlice軟件，DTM公司的RapidTool軟件，Stratasys公司的QuickSliceSupportWorks、AutoGen軟件，Cubital公司的SoliderDFE軟件，SanderPrototy公司的ProtoBuild和ProtoSupport軟件等。開(kāi)發(fā)專(zhuān)有軟件的主要缺點(diǎn)在于：增材制造軟件的開(kāi)發(fā)需要很高的專(zhuān)業(yè)水平，要耗費(fèi)大量的財(cái)力和時(shí)間，而且并不是每一家增材制造設(shè)備廠家都有足夠的能力和資源來(lái)開(kāi)發(fā)符合自己要求的高質(zhì)量增材制造軟件?，F(xiàn)在國(guó)外出現(xiàn)了增材制造的設(shè)備生產(chǎn)商購(gòu)買(mǎi)第三方數(shù)據(jù)接口軟件的趨勢(shì)。例如，3DSystems公司與Imageware公司合作，采用Imageware增材制造的一系列模塊作為3DSystems的SLToolkit軟件；而SandersPrototype公司也采用了STL-manager作為自己的數(shù)接口軟件。另外，德國(guó)的F&S公司也購(gòu)買(mǎi)了Magics軟件的部分模塊。華中科技大學(xué)快速制造中心獨(dú)立研發(fā)的PowerRP軟件是一個(gè)基于HRP系列增材成型機(jī)的增材制造數(shù)據(jù)處理及NC加工軟件。4.1.2數(shù)據(jù)處理4.1.3設(shè)備準(zhǔn)備4.1零件增材制造的一般步驟CAD模型中的錯(cuò)誤，或者CAD-STL的轉(zhuǎn)換不夠準(zhǔn)確會(huì)造成STL文件出錯(cuò)，CAD模型質(zhì)量除了取決于CAD系統(tǒng)、人工制作及后期處理外，還會(huì)碰到一系列問(wèn)題，包括產(chǎn)生具有不必要的殼、針類(lèi)缺陷的模型，這些問(wèn)題如果沒(méi)有及時(shí)糾正，會(huì)引發(fā)下游應(yīng)用程序經(jīng)常性出錯(cuò)。許多CAD模型錯(cuò)誤都可以使用比利時(shí)Materialise公司的Magic專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行修復(fù)。用戶輸入各種CAD格式文件，magics軟件都可以輸出用于增材制造加工和生產(chǎn)的格式文件。它的應(yīng)用包括修復(fù)并優(yōu)化3D模型、分析部件、對(duì)STL文件進(jìn)行與過(guò)程相關(guān)的設(shè)計(jì)改進(jìn)、記錄以及生產(chǎn)規(guī)劃等。然而，人工修復(fù)過(guò)程仍然很煩瑣費(fèi)勁，特別是考慮到CAD模型中有大量的幾何體（如三角面片)。在確認(rèn)STL文件無(wú)誤后，計(jì)算機(jī)程序會(huì)分析定義制作模型的STL文件，并將模型分層為截面切片。這些截面通過(guò)液體或粉末的固化被系統(tǒng)重組，然后結(jié)合形成3D模型。在此過(guò)程中，每個(gè)輸出文件都被分層為厚度為從0.12mm（最薄）到0.5mm（最厚）不等的切片。通常為了提高精度，模型都會(huì)切到最?。s0.12mm），而支撐部分則可以厚一些。4.1.3設(shè)備準(zhǔn)備很多制造商都在不斷完善他們的系統(tǒng)和操作軟件。例如，3DSystems公司的Buildstation5.5軟件簡(jiǎn)化了SLA中設(shè)定參數(shù)的過(guò)程。在早期的SLA系統(tǒng)中，參數(shù)（如250mm*250mm）對(duì)話框內(nèi)的零件位置及不同的固化深度需要手動(dòng)設(shè)置。這需要手工鍵入多個(gè)參數(shù)，非常煩瑣。而現(xiàn)在這項(xiàng)工作變得簡(jiǎn)單許多，很多參數(shù)都被設(shè)為默認(rèn)值，且用戶可自行修改。這些數(shù)據(jù)很容易被檢索并用于其他模型。同時(shí)，這個(gè)軟件還可保證整個(gè)模型在正數(shù)數(shù)軸區(qū)間內(nèi)定位移動(dòng)（SLA只能運(yùn)算正數(shù)）。圖4-15SLA系統(tǒng)成型案例4.1零件增材制造的一般步驟4.1.4加工這一步在大多數(shù)增材制造系統(tǒng)中都實(shí)現(xiàn)了完全自動(dòng)化。有時(shí)操作員讓機(jī)器整晚運(yùn)行也是很常見(jiàn)的。打印加工過(guò)程中根據(jù)零部件大小和數(shù)量可耗費(fèi)數(shù)小時(shí)?？纱蛴〔考臄?shù)量是由各整體打印尺寸面設(shè)定，并受增材制造系統(tǒng)的打印體量限制。大部分增材制造系統(tǒng)都裝有遠(yuǎn)程警報(bào)系統(tǒng)，在打印加工完畢時(shí)利用電子通信設(shè)備（如手機(jī)）通知用戶，打印加工一般分為脫機(jī)打印和聯(lián)機(jī)打印兩種。（1）脫機(jī)打印將存儲(chǔ)模型Gcode代碼的SD卡插到機(jī)器的右側(cè)的卡槽中。在機(jī)器中選擇要打印的模型Gcode，按下旋鈕。待溫度升高到指定Gcode內(nèi)設(shè)置溫度后，機(jī)器自動(dòng)開(kāi)始打印，直到結(jié)束，圖4-16所示為打印完成的招財(cái)貓。圖4-16打印完成的招財(cái)貓（2）聯(lián)機(jī)打印當(dāng)設(shè)計(jì)電腦和打印機(jī)處于同一空間內(nèi)時(shí)，也可以用數(shù)據(jù)線將打印機(jī)和電腦連接起來(lái)后，進(jìn)行聯(lián)機(jī)打印。如圖4-17所示，設(shè)置聯(lián)機(jī)打印選項(xiàng)，選擇正確的串口（串口因電腦不同而不同）和波特率（Auto或115200）。設(shè)置好后，單擊“OK”。當(dāng)噴頭和平臺(tái)溫度到達(dá)設(shè)定值后機(jī)器開(kāi)始打印，直到停止。圖4-17設(shè)置聯(lián)機(jī)打印選項(xiàng)4.1零件增材制造的一般步驟4.1.5后處理從快速成型機(jī)上取下的制品通常需要進(jìn)行剝離，以便去除廢料和支撐結(jié)構(gòu)，有的還需要進(jìn)行后固化、修補(bǔ)、打磨、拋光和表面強(qiáng)化處理等，這些工序統(tǒng)稱(chēng)為后處理。例如，SLA成型件需置于大功率紫外線箱（爐）中作進(jìn)一步的內(nèi)固化；SLS成型件的金屬半成品需置于加熱爐中燒除粘結(jié)劑、燒結(jié)金屬粉和滲銅；3DP和SLS的陶瓷成型件也需置于加熱爐中燒除粘結(jié)劑、燒結(jié)陶瓷粉。此外，制件可能在表面精度或機(jī)械強(qiáng)度等方面還不能完全滿足最終產(chǎn)品的要求。例如，制件表面不夠光滑，其曲面上存在因分層制造引起的小臺(tái)階，以及因STL格式而可能造成的小缺陷；制件的薄壁和某些微小特征結(jié)構(gòu)（如孤立的小柱、薄筋）可能強(qiáng)度、剛度不足；制件的某些尺寸、形狀還不夠精確；制件的耐溫性、耐濕性、耐磨性、導(dǎo)熱性和表面硬度可能不夠理想；制件表面的顏色可能不符合嚴(yán)格的要求等。因此在增材制造之后，一般都必須對(duì)制件進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮筇幚?，以下?duì)剝離、修補(bǔ)、打磨、拋光和表面涂覆等表面后處理方法作進(jìn)一步的介紹。其中修補(bǔ)、打磨、拋光是為了提高表面精度和表面光潔度；表面涂覆是為了改變表面顏色，提高剛度、強(qiáng)度和其它性能。4.1.5后處理（1）剝離工序剝離是指將增材制造過(guò)程中產(chǎn)生的廢料、支撐結(jié)構(gòu)與工件分離，雖然SLA、FDM和3DP成型基本都無(wú)廢料，但若有支撐結(jié)構(gòu)，必須在成型后剝離；LOM成型無(wú)需專(zhuān)門(mén)的支撐結(jié)構(gòu)，但是有網(wǎng)格狀廢料，也需在成型后剝離。剝離是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)的細(xì)致工作，主要有三種方法：1）手工剝離手工剝離法是操作者用手和一些較簡(jiǎn)單的工具使廢料、支撐結(jié)構(gòu)與制件分離，這是最常見(jiàn)的一種剝離方法。對(duì)于LOM成型的制品，一般用這種方法使網(wǎng)格狀廢料與工作分離。2）化學(xué)剝離當(dāng)某種化學(xué)溶液能溶解支撐結(jié)構(gòu)而又不會(huì)損傷制件時(shí)，可以用此種化學(xué)溶液使支撐結(jié)構(gòu)與制件分離。例如，可用溶液來(lái)溶解蠟，從而使制件（熱塑性塑料）與支撐結(jié)構(gòu)（蠟）、基座（蠟）分離。這種方法的剝離效率高，制件表面較清潔。3）加熱剝離當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)為蠟，而成型材料為熔點(diǎn)比蠟高的材料時(shí)，可以用熱水或適當(dāng)溫度的熱空氣使支撐結(jié)構(gòu)熔化并與制件分離。這種方法的剝離效率高，制件表面較清潔。（2）修補(bǔ)、打磨和拋光工序當(dāng)制件表面有較明顯的小缺陷而需要修補(bǔ)時(shí)，可以用熱熔性塑料、乳膠與細(xì)粉料混合而成的膩?zhàn)樱驖袷嘤枰蕴钛a(bǔ)，然后用砂紙打磨、拋光。常用工具有各種粒度的砂紙、小型電動(dòng)機(jī)或氣動(dòng)打磨機(jī)。對(duì)于用紙基材料增材制造的制件，當(dāng)其上有很小而薄弱的結(jié)構(gòu)特征時(shí)，可以先在它們的表面涂一層增強(qiáng)劑（如強(qiáng)力膠、環(huán)氧脂基漆或聚氨酯漆），然后再打磨、拋光；也可將這些部分從制件上取下，待打磨、拋光后再用強(qiáng)力膠或環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)、定位。用氨基甲酸涂的紙基制件，易于打磨，耐腐蝕、耐熱、耐濕，表面光亮。由于增材制造的制件有一定的切削加工和粘結(jié)性能，因此，當(dāng)受到快速成型機(jī)最大尺寸限制，而無(wú)法制作更大的制件時(shí)，可將大模型劃分為多個(gè)小模型，再分別進(jìn)行成型，然后在這些小模型的結(jié)合部位制作定位孔，并用定位銷(xiāo)和強(qiáng)力膠予以連接，組合成整體的大制件。當(dāng)已制作的制件局部不符合設(shè)計(jì)者的要求時(shí)，可僅僅切除局部，并且只補(bǔ)成型這一局部，然后將補(bǔ)做的部分粘到原來(lái)的增材制造制件上，構(gòu)成修改后的新制件，從而可以大大節(jié)省時(shí)間和費(fèi)用?？傊?，對(duì)于增材制造的成型件，常用的拋光技術(shù)有砂紙打磨（Sanding）、珠光處理（BeadBlasting）和化學(xué)拋光（ChemicalPolishing）。4.1.5后處理1）砂紙打磨雖然增材制造設(shè)備能夠制造出高品質(zhì)的零件，但不得不說(shuō)，零件上逐層堆積的紋路是肉眼可見(jiàn)的，這往往會(huì)影響用戶的判斷，尤其是當(dāng)外觀是一個(gè)重要因素時(shí)，這就需要用砂紙打磨進(jìn)行后處理了。砂紙打磨可以用手工打磨，也可以用砂帶打磨機(jī)這樣的專(zhuān)業(yè)設(shè)備，砂紙打磨在處理較微小的零部件會(huì)有問(wèn)題，因?yàn)樗强咳耸只驒C(jī)械的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。不過(guò)砂紙打磨處理起來(lái)還是比較快的。當(dāng)零件有精度和耐用的最低要求時(shí)，一定不能過(guò)度打磨，要提前計(jì)算好打磨掉多少材料，否則過(guò)度打磨會(huì)使得零部件變形而報(bào)廢。2）珠光處理操作人員手持噴嘴朝著需要拋光的對(duì)象高速?lài)娚浣橘|(zhì)小珠從而達(dá)到拋光的效果。珠光處理一般比較快，約5~10min即可處理完成，處理過(guò)后產(chǎn)品表面光滑，有均勻的亞光效果。珠光處理比較靈活，可用于大多數(shù)3D打印材料。它可用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)到制造的各個(gè)階段，從原型設(shè)計(jì)到生產(chǎn)都能運(yùn)用。珠光處理噴射的介質(zhì)通常是很小的塑料顆粒，一般是經(jīng)過(guò)精細(xì)研磨的熱塑性顆粒。因?yàn)橹楣馓幚硪话闶窃谝粋€(gè)密閉的腔室里進(jìn)行的，所以它能處理的對(duì)象尺寸有限，而且整個(gè)過(guò)程需要用手拿著噴嘴，一次只能處理一個(gè)，因此不能用于大批量生產(chǎn)。珠光處理還可以為零部件后續(xù)進(jìn)行的上漆、涂層和鍍層做準(zhǔn)備，這些涂層通常用于強(qiáng)度更高的高性能材料。3）化學(xué)拋光ABS可用內(nèi)酮蒸汽進(jìn)行拋光，可在通風(fēng)櫥內(nèi)煮沸內(nèi)酮，熏蒸增材制造制件，市面上也有拋光機(jī)在售；PLA不可用內(nèi)酮拋光，有專(zhuān)用的PLA拋光油。但化學(xué)拋光要掌握好度，因?yàn)槎际且愿g表面作為代價(jià)的。圖4-17為化學(xué)拋光效果圖，總體來(lái)講，目前化學(xué)拋光技術(shù)都還不夠成熟。4.1.5后處理（a）0.35mm層厚經(jīng)化學(xué)拋光

（b）0.1mm層厚未拋光

（c）0.35mm層厚未拋光圖4-18化學(xué)拋光效果圖4.1.5后處理（3）表面涂覆對(duì)于增材制造制件，典型的涂覆方法有以下幾種。1）噴刷涂料在增材制造制件表面可以噴刷多層涂料，常用的涂料有液態(tài)金屬和反應(yīng)型液態(tài)塑料等。其中，油漆可以使用罐裝噴射環(huán)氧基油漆、聚氨酯漆，其使用方便，有較好的附著力和防潮能力。所謂液態(tài)金屬是一種粉未（如鋁粉）與環(huán)氧樹(shù)脂的混合物，在室溫下成液態(tài)。當(dāng)加入固化劑后，能在若干小時(shí)內(nèi)硬化，其抗壓強(qiáng)度為7~80MPa，工作溫度可達(dá)140℃，有金屬光澤和較好的耐溫性。反應(yīng)型液態(tài)塑料是一種雙組液體：其中A是液態(tài)異氰酸酯，用作固化劑；B是液態(tài)多元醇樹(shù)脂。它們?cè)谑覝兀?5℃）下按一定比例混合并產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)后，能在約一分鐘后迅速變成凝膠狀，然后固化成類(lèi)似ABS的聚氨酯塑料，將其涂刷在增材制造制件表面上，能夠形成一層光亮的塑料硬殼，顯著提高制件的強(qiáng)度、剛度和防潮能力。2）電化學(xué)沉積采用電化學(xué)沉積也稱(chēng)電鍍。如圖4-19所示，能在增材制造件的表面涂覆鎳、銅、錫、鉛、金、銀、鉑、鈀、鉻、鋅，以及鉛錫合金等，涂覆層厚可達(dá)20~50μm以上（甚至數(shù)毫米），最高涂覆溫度為60℃，沉積效率高。由于大多數(shù)快速成型件不導(dǎo)電，因此，進(jìn)行電化學(xué)沉積前，必須先在增材制造制件表面噴涂一層導(dǎo)電漆。進(jìn)行電化學(xué)沉積時(shí)，沉積制件外表面的材料比沉積在內(nèi)表面的多。因此，對(duì)具有深而窄的槽、孔的制件進(jìn)行電化學(xué)沉積時(shí)，應(yīng)采用較小的電鍍電流，以免材料只堆積在槽的入口，而無(wú)法進(jìn)入底部。圖4-19電化學(xué)沉積4.1.5后處理3）無(wú)電化學(xué)沉積無(wú)電化學(xué)沉積也稱(chēng)無(wú)電電鍍，它通過(guò)化學(xué)反應(yīng)形成涂覆層，能在制件的表面涂覆金、銀、銅、錫、以及合金，涂覆層厚可達(dá)5~20μm，涂覆溫度為60℃，平均沉積率為3~15μm/h。沉積前，制件表面須先用60℃、PH值為12的堿水清洗10min，然后用清水漂洗，并把含鈀（PdCl2）的電解液或膠水（60℃）催化不導(dǎo)電的涂覆表面10min。與電化學(xué)沉積相比，無(wú)電化學(xué)沉積有如下優(yōu)點(diǎn)。①對(duì)形狀較復(fù)雜的制件進(jìn)行沉積時(shí)，能獲得較均勻的沉積層，不會(huì)在突出和邊緣部分產(chǎn)生過(guò)量沉積。②沉積層較致密。③無(wú)需導(dǎo)電。④能直接對(duì)非導(dǎo)電體進(jìn)行沉積。⑤沉積層具有較一致的化學(xué)、力學(xué)和磁力特性。4.1.5后處理4）物理蒸發(fā)沉積物理蒸發(fā)沉積在真空室內(nèi)進(jìn)行，它分為以下三種方式：①熱蒸發(fā)，屬于低等粒子能量。②濺射，屬于中等粒子能量。③電弧蒸發(fā)，屬于高等粒子能量，包括陰極電弧蒸發(fā)和陽(yáng)極電弧蒸發(fā)。典型涂覆層厚為1~5μm。對(duì)于最高涂覆溫度為130℃的陰極電弧蒸發(fā)，能在制件的表面涂覆硝酸鉻（CrNO3）等材料，通常涂覆層厚為1μm，涂覆前表面須進(jìn)行等離子體（如DF4O2）浸蝕預(yù)處理（5min），以便提高涂覆時(shí)的粘合力。對(duì)于最高涂覆溫度為80℃的陰極電弧蒸發(fā)，能在制件的表面涂覆硝酸鈦（TiNO3），通常涂覆層厚為1μm，涂覆前表面須進(jìn)行等離子體（如CF4/O2）浸蝕處理（10min）。對(duì)于最高涂覆溫度為80℃的陽(yáng)極電弧蒸發(fā)，能在制件的表面涂覆銅等材料，通常涂覆層厚為1μm，涂覆前表面須進(jìn)行等離子體（如N2O2）浸蝕處理（2min）。粒子能量越高，涂覆時(shí)的粘合性越好，其要求被涂覆表面的溫度越高。4.1.5后處理4.1.5后處理5）電化學(xué)沉積和物理蒸發(fā)沉積（或無(wú)電化學(xué)沉積）組合電化學(xué)沉積和物理蒸發(fā)沉積組合沉積法綜合了電化學(xué)沉積和物理蒸發(fā)沉積（或無(wú)電化學(xué)沉積）優(yōu)點(diǎn)，擴(kuò)大了涂覆材料的范圍。除了上述5種方法，還有金屬電弧噴鍍、等離子噴鍍兩種方法。后期處理是工藝鏈中的最后一步。這一階段通常要用手工操作，不小心損壞打印部件的可能性很高。清理任務(wù)指去除可能殘留的多余材料。對(duì)SLA部件而言，需要去除殘留在成品中的多余樹(shù)脂，如去除部件盲孔中的殘留物以及去除支撐。與此相似的是，對(duì)于SLS工藝中的部件，則是清理成品中殘留的多余粉末。對(duì)LOM工藝中，要清理起支撐作用的每一片干凈的紙片。更重要的是，出于安全考慮，清理SLA部件時(shí)，需要制訂特定的后期處理任務(wù)。將SLA部件加熱以便于使用清潔劑清理。通常用清潔劑清除未發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)的殘留光敏樹(shù)脂。根據(jù)構(gòu)建的形式和樹(shù)脂的交聯(lián)程度，部件還可能會(huì)發(fā)生扭曲變形。其變形程度會(huì)因構(gòu)建的開(kāi)口程度和與清潔劑的反應(yīng)劇烈程度而更加明顯。固化填充率越高和使用抗收縮率越大的活性劑材料，后期清理造成的損壞就會(huì)越小。第4章增材制造的一般工藝流程1零件增材制造的一般步驟2不同增材制造工藝間的差異性增材制造工藝選擇依據(jù)34.2不同增材制造工藝間的差異性上述通用工藝步驟可應(yīng)用于每一種增材制造技術(shù)（AM），不同的技術(shù)可能需要或多或少的關(guān)注這些階段。大多數(shù)機(jī)器的標(biāo)稱(chēng)層厚度約為0.1mm。然而，這只是經(jīng)驗(yàn)法則。例如，一些材料擠出機(jī)的層厚為0.254mm，而光固化工藝的層厚通常在0.05至0.1mm之間，并且使用材料噴射技術(shù)為熔模鑄造制造的復(fù)雜小零件的層厚可能為0.01mm。許多技術(shù)具有改變層厚的能力。原因是較厚的層零件建造起來(lái)更快，但精度較低。這對(duì)于一些應(yīng)用來(lái)說(shuō)可能不是問(wèn)題，在這些應(yīng)用中，盡可能快地制造零件可能更為重要。設(shè)計(jì)中的一些細(xì)節(jié)可能在增材制造的工藝中就成了一個(gè)技術(shù)的問(wèn)題，例如在零件制作工藝上只能垂直打印的時(shí)候，零件的壁厚就比較難控制。這是因?yàn)榧词箼C(jī)器內(nèi)的定位非常精確，但是對(duì)于液滴尺寸、激光直徑或擠壓頭都是有一定的尺寸，這基本上限制了設(shè)備能制造的最薄的壁厚了。還有其他因素不僅會(huì)影響工藝的選擇，還會(huì)影響工藝鏈中的一些步驟。在同一工藝中使用不同的材料，也可能會(huì)影響完成某一工序所需的時(shí)間和資源。一些采用聚合物進(jìn)行增材制造的工藝會(huì)不可避免的使用一些特定溶劑和滲透化合物，這些化學(xué)材料必須與零件材料在化學(xué)性能和機(jī)械性能方面具有兼容性。一些后處理工藝可能會(huì)設(shè)計(jì)到高溫問(wèn)題,必須考慮材料的耐熱性或熔化溫度.對(duì)于處理工藝需要打磨時(shí)，還必須了解所涉及材料的機(jī)械性能同時(shí)也要考慮零件的加工余量的問(wèn)題.4.2.1基于光敏聚合物的系統(tǒng)4.2不同增材制造工藝間的差異性使用光敏聚合物作為原材料的系統(tǒng)很容易建立，然而，它需要?jiǎng)?chuàng)建支撐結(jié)構(gòu)。光敏聚合物的加工系統(tǒng)都必須使用與零件材料相同的材質(zhì)作支架。對(duì)于材料噴射系統(tǒng)，可以很容易通過(guò)并行噴墨打印頭來(lái)制造輔助支撐材料。與其他系統(tǒng)相比，光敏聚合物系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是精度非常高，分層很薄而且精細(xì)。與其他AM材料相比，早期的光聚合物材料性能較差，但是現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一些新的樹(shù)脂，一定程度上改善了它的耐溫性、強(qiáng)度和延展性。光聚合物材料的主要缺點(diǎn)是如果不涂抹紫外線防護(hù)涂層它會(huì)很快降解。4.2不同增材制造工藝間的差異性4.2.2粉末床系統(tǒng)對(duì)于粉末床系統(tǒng)不需要使用支撐物，它采用逐層沉積粉末的方法進(jìn)行制造（金屬系統(tǒng)的支撐除外）。因此，粉末床系統(tǒng)是較容易實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)之一。使用粘結(jié)劑噴射（BinderJetting）工藝通過(guò)粉末床制成的部件可以通過(guò)使用有色粘合劑材料著色。粉末床熔合工藝在每個(gè)工序中都有大量未使用的粉末，這些粉末都有了一定的溫度，它可能會(huì)導(dǎo)致粉末發(fā)生相應(yīng)的變化。因此，需要精心的設(shè)計(jì)粉末回收裝置來(lái)保證粉末原料的質(zhì)量來(lái)確保零件的質(zhì)量。了解粉末在機(jī)器中的特點(diǎn)也很重要。例如，一些機(jī)器在構(gòu)建平臺(tái)的每個(gè)側(cè)面配有粉末進(jìn)料腔。這些腔室頂部的粉末可能比底部的粉末密度小，底部的粉末將在頂部粉末的重量下被壓縮。這反過(guò)來(lái)可能會(huì)影響沉積在每層的材料量和機(jī)器中最終零件的密度。對(duì)于較高質(zhì)量要求的零件來(lái)說(shuō)，這將會(huì)帶來(lái)一定的問(wèn)題，可以通過(guò)在開(kāi)機(jī)前仔細(xì)壓實(shí)進(jìn)料室中的粉末以及在制造過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)溫度和粉末進(jìn)料參數(shù)來(lái)解決。4.2不同增材制造工藝間的差異性4.2.3熔融材料系統(tǒng)熔融材料系統(tǒng)是需要支撐結(jié)構(gòu)的。對(duì)于基于液滴的系統(tǒng)，如熱噴射工藝，這些支撐結(jié)構(gòu)是自動(dòng)生成的，但是對(duì)于材料擠出工藝或定向能量沉積系統(tǒng)，可以自動(dòng)產(chǎn)生支撐物，或者用戶可以靈活的制造支撐物。對(duì)于水溶性支撐物，支撐物的位置并不太重要，但是對(duì)于采用與制件相同的材料制成的支撐系統(tǒng)，就必須認(rèn)真考慮支撐物的位置，因?yàn)榉蛛x支撐時(shí)可能會(huì)損壞制件制件。另一方面，使用材料擠出工藝制造出的ABS制件是強(qiáng)度最高的增材制造聚合物制件之一，它們一般作為功能性的制件使用，這意味著它與其他工藝相比，它們需要大量磨拋加工，因?yàn)樗鼈兙葧?huì)比其他AM工藝制造的制件要低。4.2不同增材制造工藝間的差異性4.2.4片材系統(tǒng)片材層壓工藝不需要支撐，只需要放置片材后進(jìn)行切割。相反，需要增加一個(gè)清理制件中多余廢料的自動(dòng)化工藝，但可能需要密切關(guān)注制件的內(nèi)部特征，清理工藝將是一個(gè)費(fèi)力的過(guò)程，因此需要知道制件的最終狀況確保該過(guò)程不會(huì)損壞制件本體。如果不小心使用密封劑和涂料，紙基系統(tǒng)在處理上會(huì)遇到問(wèn)題。對(duì)于聚合物片材層壓所制部件，通常不易損壞。對(duì)于金屬板層壓工藝，首先切割片材，然后堆疊以形成3D形狀，因此不需要移除支撐件。第4章增材制造的一般工藝流程1零件增材制造的一般步驟2不同增材制造工藝間的差異性增材制造工藝選擇依據(jù)34.3增材制造工藝選擇依據(jù)4.3.1增材制造技術(shù)的選用原則增材制造技術(shù)已有十余種，不同的成型工藝有不同的特色，對(duì)于工藝類(lèi)型的選擇需要綜合考慮各方面的因素，如零件的用途、形狀、尺寸大小、成本核算等。正確選擇增材制造的工藝方法，對(duì)于更有效地利用這項(xiàng)技術(shù)是非常重要的。主要增材制造工藝的選用原則可歸納如圖4-20所示。圖4-20增材制造技術(shù)選用原則4.3增材制造工藝選擇依據(jù)1.零件的用途零件可能有多種用途要求，但是每種增材制造工藝只能滿足有限的要求。（1）只對(duì)形狀和尺寸精度要求高的零件

這種要求比較簡(jiǎn)單，絕大多數(shù)精度較好的增材制造工藝均可達(dá)到這種要求。（2）對(duì)機(jī)械性能要求較高的零件對(duì)于這種用途要求，樣品的材質(zhì)和力學(xué)性能要接近真實(shí)產(chǎn)品。因此，必須考慮所選增材制造工藝能否直接或間接制作出符合材質(zhì)和力學(xué)性能要求的工件。（3）模具快速制模是增材制造技術(shù)的主要應(yīng)用方向之一，目前的RT技術(shù)有兩個(gè)研究方向。一個(gè)是DRT（直接快速制模），它主要有三種方法：①軟模技術(shù)；②準(zhǔn)直接快速制模技術(shù)；③直接制造制模技術(shù)。另一個(gè)是IRT（間接快速制模），它也有兩種方法：①通過(guò)增材制造技術(shù)成型一個(gè)腔（塑料、蠟等），再通過(guò)模型用鑄造、電極成型、金屬?lài)婂兊确椒ǔ尚湍＞?；②通過(guò)增材制造技術(shù)生產(chǎn)鑄型（砂型或殼型），再通過(guò)鑄造技術(shù)用這些砂型或殼型生產(chǎn)模具。（4）小批量和特殊復(fù)雜零件的直接生產(chǎn)對(duì)于小批量和復(fù)雜的塑料、陶瓷、金屬及其復(fù)合材料的零部件，可用SLS工藝直接增材制造。目前，人們正在研究功能梯度材料的SLS增材制造工藝，零件的直接增材制造對(duì)航空航天及國(guó)防工業(yè)有著非常重要的價(jià)值。（5）新材料的研究這些新材料主要是指復(fù)合材料、功能梯度材料、納米材料、智能材料等新型材料。這些新型材料一般由兩種或兩種以上的材料組成，其性能優(yōu)于單一材料的性能。對(duì)于以上用途（1）~（3）中除個(gè)別用途外，其他用途采用LOM、SLA、SlS和FDM工藝均可。但（4）、（5）目前采用SLS工藝最為合適。4.3增材制造工藝選擇依據(jù)2.零件的形狀對(duì)于形狀復(fù)雜、薄壁的小工件，比較適合用SLS、SLA和FDM工藝制作；對(duì)于厚實(shí)的中、大型工件，比較適合用LOM工藝制作。3.零件的尺寸大小每種型號(hào)的增材制造裝備所能制造的最大零件尺寸有一定的限制。通常，工件的尺寸不能超過(guò)上述限制值。然而，對(duì)于薄形材料選擇性切割快速成型機(jī)，由于它制作的紙基工件有較好的粘結(jié)性能和機(jī)械加工性能，因此，當(dāng)工件的尺寸超過(guò)機(jī)器的極限值時(shí)，可將工件分割成若干塊，使每塊的尺寸不超過(guò)機(jī)器的極限值，分別進(jìn)行成型，然后再予以粘結(jié)，從而拼合成較大的工件。同樣，SLS、SLA和FDM工藝的制件也可以進(jìn)行拼接。（1）設(shè)備購(gòu)置成本

此項(xiàng)成本包括購(gòu)置增材制造裝備的費(fèi)用，以