三维打印快速成型机材料的研究 - 图文(2)

１绪论１绪论１．１选题背景及意义快速成型技术，又称实体自由成型技术或桌面制造技术，是２０世纪８０年代初在美国出现，９０年代在全球得到迅速发展的一门综合性、交叉性前沿技术，是先进制造技术的重要组成部分，也是制造技术的一次飞跃，具有很高的加工柔性和很快的市场响应速度，为制造技术的发展创造了一个新的机遇。ＲＰ技术是８０年代后期发展起来的快速成型（ＲａｐｉｄＰｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ简称ＲＰ）技术，被认为是近年来制造技术领域的一次重大突破，其对制造业的影响可与数控技术的出现相媲美。ＲＰ系统综合了机械工程、ＣＡＤ、数控技术，激光技术及材料科学技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而可以对产品设计进行快速评价、修改及功能试验，有效地缩短了产品的研发周期。而以ＲＰ系统为基础发展起来并已成熟的快速模具工装制造（ＱｕｉｃｋＴｏｏｌｉｎｇ）技术，快速精铸技术（ＱｕｉｃｋＣａｓｔｉｎｇ），快速金属粉末烧结技术（ＱｕｉｃｋＰｏｗｄｅｒＳｉｎｔｅｒｉｎｇ），则可实现零件的快速成型。快速成型技术（ＲＰ技术）是计算机辅助设计及制造技术、逆向工程技术、分层制造技术（ＳＦＴ）、材料去除成形（ＭＰＲ）或材料增加成形（ＭＡＰ）技术以及它们的集成。通俗地说，快速成形技术就是利用三维（ＣＡＤ）的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型…。它借助计算机、激光、精密传动和数控等现代手段，将计算机辅助设计（ＣＡＤ）和计算机辅助制造（ＣＡＭ）集成于一体，可以自动、快速、直接、精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型或制造零件，从而可以对产品进行快速评价、修改，制造周期大大缩短，由几周、几个月缩短为若干个小时，以响应市场要求，提高企业的市场竞争力【２Ｊ。快速成型技术不但已经广泛应用于家电、汽车、航空航天、船舶、工艺设计、医疗等领域【３巧】，而且艺术建筑等领域的工作者也已经开始使用快速成型设备，越来越多的艺术家已经成为计算机工作者，即不再单纯地依靠以前的手工，而是由快速成型设备来表达新的思路和创新。１．２现有快速成型技术的分类及各自特点按照所用材料的形态与种类不同，快速成型技术目前有以下四种类型。液态光敏聚合物选择性固化、薄型材料选择性切割、丝状材料选择性熔复、粉末材料选择性烧结。西安科技大学硕士学位论文１．２．１液态光敏聚合物选择性固化（ＳＬＡ：Ｓｔｅｒｅｏ平板印刷）ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙＡｐｐａｒａｔｕｓ立体光造型装置一直以美国３ＤＳｙｓｔｅｍｓ公司的ＳＬＡ型产品独占鳌头，并形成垄断市场［７１。其工作原理如图１．１所示。由激光器发出的紫外光，经光学系统汇集成一支细光束，该光束在计算机控制下，有选择的扫描液激光器扫描镜升降装置容器光敏树脂体光敏树脂表面，利用光敏树脂遇紫外光凝固的机理，一层一层固化光敏树脂，每固化一层后，工作台下降一精确距离，并按新一层表面几何信息使激光扫描器对液面进行扫描，使新一层树脂固化并紧紧粘在前一层已固化的树脂上，如此反复，直至制作生成一零件实体模型。ＳＬＡ以其方便、生产周期短，在模具与塑料加工业使用越来越广泛。扫描系统图１．１立体光造型技术原理图其优点是：能直接得到类似塑料的树脂件，且表面粗糙度较小。其缺点是：（１）成型过程中的话想和物理变化使得尺寸精度不易保证，且会发生蠕变；（２）必须对整个界面进行扫描固化，成型时间较长，成型后要进一步固化处理：（３）由于未被激光束照射的部分仍为液态，因此对于悬伸部分要事先设计支撑，固化后再去除；（４）光敏树脂固化后较脆，易断裂，可加工性不好，工作温度不能超过１００。Ｃ，会吸湿膨胀，抗腐蚀能力不强，且价格昂贵。２１绪论（５）激光管寿命短，产生紫外激光的激光管寿命２０００小时左右。１．２．２薄型材料选择性切割（ＬＯＭ：ＬａｍｉｎａｔｅｄＯｂｊｅｃｔＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ分层物体制造）纸张叠层造型法目前以Ｈｅｌｉｓｙｓ公司开发的ＬＯＭ装置应用最广‘８１。该装置采用专用滚筒纸，由加热辊筒使纸张加热联接，然后用激光将纸切断，待加热辊筒自动离开后，再由激光将纸张裁切成层面要求形状，如图２所示。激光器堆的卷图１．２纸张叠层造型原理图ＬＯＭ可制作一些光造型法难以制作的大型零件和厚壁样件，且制作成本低廉（约为光造型法的１／２）、速度高（约为木模制作时间的１／５以下），并可简便地分析设计构思和功能。其优点是：（１）尺寸精度较高；（２）只需对轮廓线进行切割，制作效率高；（３）无需设计支撑；（４）ｆ１］ｌＪ成的样件有类似木制品的硬度，稍作处理后可在２００。Ｃ以下的环境中使用，可进行一定的切削加工；（５）所用二氧化碳激光器的寿命达２００００小时；（６）构形材料价格便宜。其缺点是：（１）不能直接制作塑料件；（２）表面粗糙度较高，工件表面有明显的台阶纹，成型后要进行打磨；（３）易吸是膨胀，成型后要尽快表面防潮处理；（４）工件缺少弹性。３西安科技大学硕士学位论文１．２．３丝状材料选择性熔复（ＦＤＭ：ＦｕｓｅｄＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎＭｏｄｅｌｉｎｇ熔积成型）Ｍｏｄｅｌｉｎｇ）应用最熔融造型法以美国Ｓｔｒａｔａｓｙｓ公司开发的产品ＦＤＭ（ＦｕｓｅｄＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ为广泛【９１。工作时，直接由计算机控制喷头挤出热塑材料并按照层面几何信息逐层由下而上制作出实体模型。ＦＤＭ技术的最大特点是速度快（一般模型仅需几小时即可成型）、无污染，在原型开发和精铸蜡模等方面得到广泛应用。其原理如下图图１．３ＦＤＭ法原理图其优点是：（１）能直接制ＡＢＳ塑料；（２）尺寸精度较高；（３）材料利用率较高。其缺点是：（１）表面粗糙度较高，需后处理；（２）成型时间较长；（３）材料价格昂贵；（４）悬臂结构处要设置支撑。１．２．４粉末材料选择性烧结（ＳＬＳ：ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＬａｓｅｒＳｉｎｔｅｒｉｎｇ选择性激光烧结）Ｌａｓｅｒ热可塑造型法以ＤＴＭ公司开发的选择性激光烧结即ＳＬＳ（ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＳｉｎｔｅｒｉｎｇ）应用较多㈣。该方法是用Ｃ０２激光熔融烧结树脂粉末的方式制作样件。工作时，由Ｃ０２激光器发出的光束在计算机控制下，根据几何形体各层横截面的几何信息对材料粉末进行扫描，激光扫描处粉末熔化并凝固在一起。然后，铺上一层新粉末，再用激光扫描烧结，如此反复，直至制成所需样件。如图１．４所示４１绪论图１．４选择性激光烧结原理图其优点是：（１）可直接得到塑料、陶瓷或金属件，可加工性好；（２）无需设计支撑。其缺点是：（１）成型件机构疏松多孔，表面粗糙度高；（２）成型效率不高；（３）得到的塑料÷陶瓷或金属件远不如传统成型方法得到的同类材质工件，需进行渗铜等后处理，但在后处理中很难保证制件尺寸精度。ＳＬＳ技术造型速度快（一般制品，仅需１天＂－－２天即可完成）、造型精度高（每层粉末最小厚度约０．０７ｍｍ，激光动态精度可达士０．０９ｍｍ，并具有自动激光补偿功能）、原型强度高（聚碳酸脂其弯曲强度可达３４．５ＭＰａ，尼龙可达５５ＭＰａ），因此，可用原型进行功能试验和装配模拟，以获取最佳曲面和观察配合状况。近年国外又推出了一种新的快速成型方法：３ＤＰ（Ｚ维打印法）法。这种方法成形速度快，而且成本低廉、设备占用空间小，可以成为设计师办公室的办公用品。更重要的是，由于以上的优点，三维打印法（三维印刷法）能够普及性的改变传统的零件设计模式。传统的零件设计都是二维的三视图，以至现在的一些优秀的设计软件（如ＵＧ、Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ等）虽然能够给设计者立体视图。但是还是没有实现真正的模型设计，客户还是摸不着，而只是概念设计。而３ＤＰ法将会使得实体（模型）设计成为可能。用通用的软件，如Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ，设计的零件，只需将其转换成ＳＴＬ格式，或者其他的文件格式，再利用三维立体打印机，不用多长时间，真实的三维立体模型就会出现在设计者、用户的面前。这样就可以大大节省开支，减少不必要的浪费。而且还可以加快产品的开发，迅速占领市场。１．３三维打印快速成型技术研究的国内外现状国内ＲＰ研究起步在１９９１年左右，北京隆源自动成形系统有限公司、清华大学【１１１、西安交通大学、南京航天大学、华中理工大学、上海交通大学、华北工学院等在成型理５