第14章快速成型技術概述

第14章快速成型技術概述

3D打印過程快速成型技術的制作過程是與傳統(tǒng)的材料去除加工方法截然相反的，3D打印是基于三維CAD模型數(shù)據(jù)、通過逐層增加材料的方式，直接制造與相應3D模型數(shù)據(jù)完全一致的物理實體的制造方法，如圖所示。1.1概述1.2快速成型的主要成型方法及分類1.3光固化成型工藝光固化成型工藝的成型過程如圖所示。液槽中盛滿液態(tài)光敏樹脂，紫外激光器發(fā)出的激光束在控制系統(tǒng)的控制下按零件的各分層截面信息在光敏樹脂表面進行逐點掃描，使被掃描區(qū)域的樹脂薄層產生光聚合反應而固化，形成零件的一個薄層。一層固化完畢后，工作臺下移一個層厚的距離，以使在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂，刮板將粘度較大的樹脂液面刮平，然后進行下一層的掃描加工，新固化的一層牢固地粘結在前一層上，如此重復直至整個零件制造完畢，得到一個三維實體物件光固化成型工藝原理圖光固化快速原型的制作一般可以分為前處理、原型制作和后處理三個階段。

光固化快速原型前處理

光固化快速原型后處理1.4疊層實體快速成型工藝疊層實體制造技術（LaminatedObjectManufacturing，LOM）由美國Helisys公司于1986年研發(fā)成功，LOM工藝采用薄片材料，如紙、塑料薄膜等。疊層實體制造工藝由計算機、材料存儲及送進機構、熱粘壓機構、激光切割系統(tǒng)、可升降工作臺和數(shù)控系統(tǒng)和機架等組成?；驹砣鐖D所示，首先在工作臺上制作基底，工作臺下降，送紙滾筒送進一個步距的紙材，工作臺回升，熱壓滾筒滾壓背面涂有熱熔膠的紙材，將當前迭層與原來制作好的迭層或基底粘貼在一起，切片軟件根據(jù)模型當前層面的輪廓控制激光器進行層面切割，逐層制作，當全部迭層制作完畢后，再將多余廢料去除。疊層實體快速成型工藝原理圖1.5選擇性激光燒結成型工藝選擇性激光燒結工藝原理圖選擇性激光燒結工藝的基本原理如圖所示，加工過程是采用鋪粉輥將一層粉末材料平鋪在已成形零件的上表面，并加熱至恰好低于該粉末燒結點的某一溫度，控制系統(tǒng)控制激光束按照該層的截面輪廓在粉層上掃描，使粉末的溫度升至熔化點，進行燒結并與下面已成形的部分實現(xiàn)粘接。當一層截面燒結完后，工作臺下降一個層的厚度，鋪料輥又在上面鋪上一層均勻密實的粉末，進行新一層截面的燒結，如此反復，直至完成整個模型。在成型過程中，未經燒結的粉末對模型的空腔和懸臂部分起著支撐作用，不必象SLA和FDM工藝需要生成支撐工藝結構。1.6熔融沉積快速成型工藝熔融沉積快速成型工藝基本原理熔融沉積快速成型工藝基本原理：將絲狀的熱熔性材料送進液化器加熱熔化后，通過帶有一個微細噴嘴的噴頭擠噴出來，如果熱熔性材料的溫度始終稍高于固化溫度，而成型部分的溫度稍低于固化溫度，就能保證熱熔性材料擠噴出噴嘴后，隨即與前一層面熔結在一起。一個層面沉積完成后，工作臺按預定的增量下降一個層的厚度，再繼續(xù)熔噴沉積，直至完成整個實體造型，如圖所示。1.7電子束熔化電子束選區(qū)熔化裝置電子束選區(qū)熔化(EBSM)原理：類似激光選區(qū)燒結和激光選區(qū)熔化工藝，電子束選區(qū)熔化技術(EBSM)是一種采用高能高速的電子束選擇性地轟擊金屬粉末，從而使得粉末材料熔化成形的快速制造技術。EBSM技術的工藝過程為：先在鋪粉平面上鋪展一層粉末；然后，電子束在計算機的控制下按照截面輪廓的信息進行有選擇的熔化，金屬粉末在電子束的轟擊下被熔化在一起，并與下面已成形的部分粘接，層層堆積，直至整個零件全部熔化完成；最后，去除多余的粉末便得到所需的三維產品。上位機的實時掃描信號經數(shù)模轉換及功率放大后傳遞給偏轉線圈，電子束在對應的偏轉電壓產生的磁場作用下偏轉，達到選擇性熔化。經過十幾年的研究發(fā)現(xiàn)對于一些工藝參數(shù)如電子束電流、聚焦電流、作用時間、粉末厚度、加速電壓、掃描方式進行正交實驗。作用時間對成型影響最大。1.8噴射固化成型噴射固化成型工藝噴射固化成型工藝如圖所示。使用陳列式噴頭，在計算機控制下，噴嘴工作腔內的液態(tài)光敏樹脂瞬間形成液滴，在壓力作用下液滴噴射到基底的指定位置，并立即使用紫外線將其固化，薄層聚集在托盤上，形成精確的3D模型或零件。噴射固化成型的層分辨率可達16μm，精度可達0.1mm，在懸垂部分或形狀復雜部位有支撐需要去除時，我們可用手或水輕松快速的去除凝膠狀支撐。1.9三維噴涂粘結三維噴涂粘結工藝原理三維噴涂粘結工藝的原理：三維噴涂粘結快速成型工藝是由美國麻省理工學院開發(fā)成功的，它的工作過程類似于噴墨打印機，其工藝原理如圖所示。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)粘結劑噴在預先鋪好的粉層或薄層上特定區(qū)域，逐層粘結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，結構陶瓷制品和注射模具是采用三維噴涂粘結工藝制作。2.1快速成型技術的應用機械制造應用2.1.1機械制造應用由于快速成型技術自身的特點，使得其在機械制造領域內，多用于制造單件、小批量金屬零件。有些特殊復雜制件只需單件或少于50件的小批量，這樣的產品通過制模再生產，成本高，周期長。一般可用快速成型技術直接進行成型，成本低，周期短。如某單位需試制發(fā)動機渦輪二個，采用傳統(tǒng)工藝方法，制模具再生產需4個月。北京隆源自動成型系統(tǒng)有限公司采用快速成型、失蠟鑄造方法僅用了兩天時間就完成了用于失蠟鑄造的蠟型2.1.2醫(yī)學應用醫(yī)學應用的快速制作流程快速成形技術獨特的制造方法和個性化定制等特性，使其在醫(yī)學上有很大的發(fā)揮空間，比如各種植入物（假體）的定制。用假體置換病骨或關節(jié)組織，是矯形、整形、口腔、顱頜、五官科等領域現(xiàn)代先進外科手術的標志，具體制作流程如圖所示1.手術導板與模擬手術導板與模擬2.假肢/康復治療輔助器械3.手術輔助3D打印用于手術輔助義耳制作流程2.1.3航空航天領域引擎艙鉸鏈支架與安全扣的拓普優(yōu)化3D打印空額AirbusA320引擎艙鉸鏈支架，為了減輕零件重量，目前采用鈦合金代替鋼，利用EOS公司的EOSINTM280設備進行3D打印生產。既減少了材料的使用（75%），同時也減輕了每架飛機的重量（每臺可減重10公斤）。AirbusA380的頭等艙實體模型，采用3D打印制作2.1.3航空航天領域氧氣供應系統(tǒng)管路部件打印結果歐洲臺風戰(zhàn)斗機氧氣供應系統(tǒng)管路部件采用3D打印技術進行打印。氧氣供應系統(tǒng)管路部件需承受高壓200bar，常規(guī)的制作是兩端采用數(shù)控CNC加工，然后再進行焊接而成。而采用3D打印技術，我們則可以直接一體成型，在轉角處可以設計成圓弧過渡轉角設計，也可減少因焊接不當而產生的縫隙，產品整體更完善，效益更高效，如圖所示2.1.3航空航天領域窗框由鈦合金3D打印結果在我國商用客機C-919、艦載戰(zhàn)斗機殲-15、多用途戰(zhàn)斗轟炸機殲-16、隱形戰(zhàn)斗機殲-20及第五代戰(zhàn)斗機殲-31的部分零部件的制造采用了3D打印技術。C-919風擋在高速飛行時要承受巨大動壓，窗框由鈦合金3D打印制成，隱形戰(zhàn)斗機的機身結構件也由鈦金屬3D打印制造，如圖所示。2.1.3航空航天領域

衛(wèi)星發(fā)動機注入器

燃料器支架

優(yōu)化后的燃料器支架歐洲航天太空總署利用3DsystemsDMP打印機進行空間衛(wèi)星發(fā)動機注入器的打印，如圖所示。在衛(wèi)星發(fā)動機燃料器支架的制作過程，在常規(guī)的制作流程