快速成型与制造技术发展现状与趋势

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1、快速成型与制造技术发展现状与趋势http://www.newmaker.com/art_30733.html作者：北京化工大学李鑫邵茂官张冰来源：雅式工业专网20世纪70年代末到80年代初期，美国3M公司的AlanJ.Herbert(1978年)、日本名古屋市工业研究所的小玉秀男(1980年)、美国UVP公司的CharlesW.Hull(1982年)和日本大阪工业技术研究所的丸谷洋二(1993年)，各自独立地提出了快速成型(RapidPrototyping-RP)的技术设想，即利用连续层的选区固化生产三维实体。在1

2、984年CharlesW.Hull申请了世界上第一台SLA设备(SLA-1)的专利，并且于1986年获得通过(美国专利号US4,575,330)，这标志着RP技术从研究阶段进入了使用阶段。快速成型技术的分类快速成型技术有许多实现方式，其不同实现方式和通用技术如图1所示。图1快速成型技术分类如图2所示，快速成型技术的一般步骤是：首先利用三维造型软件设计出产品的三维实体模型（通常为如STL、DXF、IGES、STEP等资料格式），再利用RP处理软件将设计出的三维实体模型离散、分层，然后将离散后的数据输入RP设备进行制造

3、。图2分层资料生成示意图尽管各种快速成型技术的一般步骤都是相同的，但不同的工艺过程其生产制品的方法都不同，RP工艺可以分为以下几种类型。立体光成型技术（SLA）自1984年第一台立体光成型RP设备问世以来，SLA已经成为了RP技术中发展最成熟、研究最深入、应用最广泛的一种成型技术。图3是SLA成型原理的示意图。图3SLA的成型原理示意图。(来源：美国专利4,575,330)立体光成型技术的基本原理是利用光敏树脂的特性，利用紫外光照使液体树脂分层固化，每层固化树脂的形状由RP软件确定，由计算机控制激光柱在X-Y方向上

4、移动。每层固化完毕后，升降台（图中部件29）向Z方向移动，以便激光柱成型下一层树脂。若制品是实体件，根据制品的形状仅成型制品外部，再将制品移至紫外线箱进行照射，使制品内部可以固化。分层实体制造技术（LOM）分层实体制造技术的基本原理是利用在一定条件下（如加热等）可以粘结的带状材料（通常使用纸或者陶瓷基材料或者金属材料），利用激光，切割出按照RP软件离散出的各层形状。再使各层粘合成为一个整体。如图4所示，设备工作时，热压辊滚过料带，使之与上一层已加工料带或者升降台粘合。然后激光射器在料带的工作平面上切割出工作外框，并

5、在工作外框内切割出制品在该层的形状。切割完成后，升降台下降同时供料以完成下一次切割。如此重复后，取出多余物料即可得到所需形状的制品。图4LOM工作原理示意图(资源来源http://www.rpyinhua.com)熔丝沉积制造（FDM）1993年美国Stratasys公司开发出了第一台基于熔丝沉积制造的设备FDM-1650。FDM设备用丝状的高聚物（也可以用蜡等其它材料）作为原料，用一个熔融头将高聚物熔融至略微大于其熔点的温度。喷头在将熔融物料挤出的同时在X-Y方向上运动使熔融的物料能够堆积在上一个已经成型的片层上

6、形成所需要的形状。物料堆积成型后，由于温度仅仅略高于其熔点，物料可以很快固化以便下一个片层成型。选择性激光烧结（SLS）首台选择性激光烧结设备由美国得克萨斯大学奥斯丁分校的C.R.Dechard于1989研制成功。与立体光成型（SLA）工艺不同，选择性激光烧结工艺成型时物料经历的是物理变化，而非SLA的化学变化。而且其激光发生器和材料的选择也与SLA不同，SLS工艺所需要的激光功率较SLA大，材料也比较宽泛，几乎任何能在激光下粘结的材料均可以作为选择性激光烧结的材料。SLS所用材料为粉末状，将材料粉末铺洒在已成形零

7、件的上表面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面。图5SLS原理示意图三维印刷工艺（3DP）1989年，美国麻省理工学院的EmanuelM.Sachs和JohnS.Haggerty等在美国申请了三维印刷技术的专利，这一专利成为日后该领域的核心专利之一。此后，EmanuelM.Sachs和JohnS.Haggerty又多次对该技术进行修改和完善，形成了

8、今天的三维印刷快速成型工艺。图63DP工艺原理简图3DP工艺与选择性激光烧结工艺（SLS）有很多相似之处：都是将粉末材料选择性地粘结成为一个整体。其最大的不同之处在于3DP不用将粉末材料熔融，而是通过喷嘴喷出的粘合剂粘合在一起的。其工艺过程通常是：上一层粘结完毕后，成型缸（图中14）下降一个距离（等于层厚），供粉缸（图中18）上升一段高度，推出若余粉末，并被