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RP(快速成形)简介


快速成型(Rapid Prototyping):

快速成形技术(简称RP)是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称,其基本过程是:首先设计出所需零件的计算机三维模型(数字模型、CAD模型),然后根据工艺要求,按照一定的规律将该模型离散为一系列有序的单元,通常在Z向将其按一定厚度进行离散(习惯称为分层),把原来的三维CAD模型变成一系列的层片;再根据每个层片的轮廓信息,输入加工参数,自动生成数控代码;最后由成形系统成形一系列层片并自动将它们联接起来,得到一个三维物理实体。

快速成型技术的特点:

与传统材料加工技术相比,快速成型具有鲜明的特点:

1.数字化制造。

2.高度柔性和适应性。可以制造任意复杂形状的零件。

3.直接CAD模型驱动。如同使用打印机一样方便快捷。

4.快速。从CAD设计到原型(或零件)加工完毕,只需几十分钟至几十小时。

5.材料类型丰富多样,包括树脂、纸、工程蜡、工程塑料(ABS等)、陶瓷粉、金属粉、砂等,可以在航空,机械,家电,建筑,医疗等各个领域应用。

主要工艺:

RP技术结合了众多当代高新技术:计算机辅助设计、数控技术、激光技术、材料技术等,并将随着技术的更新而不断发展。自1986年出现至今,短短十几年,世界上已有大约二十多种不同的成形方法和工艺,而且新方法和工艺不断地出现。目前已出现的RP技术的主要工艺有:

1. SL工艺 : 光固化/立体光刻 。

2. FDM工艺: 熔融沉积成形 。

3. SLS工艺: 选择性激光烧结 。

4. LOM工艺: 分层实体制造 。

5. 3DP工艺: 三维印刷 。

6. PCM工艺: 无木模铸造 。

FDM/MEM快速成型工艺


熔融挤出成型--高性能的快速成型工艺 

熔融挤出成型(FDM)工艺的材料一般是热塑性材料,如蜡、ABS、PC、尼龙等,以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动,同时将熔化的材料挤出,材料迅速固化,并与周围的材料粘结。每一个层片都是在上一层上堆积而成,上一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加,层片轮廓的面积和形状都会发生变化,当形状发生较大的变化时,上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用,这就需要设计一些辅助结构-“支撑”,对后续层提供定位和支撑,以保证成形过程的顺利实现。 

这种工艺不用激光,使用、维护简单,成本较低。用蜡成形的零件原型,可以直接用于失蜡铸造。用ABS制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。近年来又开发出PC,PC/ABS,PPSF等更高强度的成形材料,使得该工艺有可能直接制造功能性零件。由于这种工艺具有一些显著优点,该工艺发展极为迅速,目前FDM系统在全球已安装快速成形系统中的份额大约为30%适于三维打印机的特点 

不使用激光,维护简单,成本低:价格是成型工艺是否适于三维打印的一个重要因素。多用于概念设计的三维打印机对原型精度和物理化学特性要求不高,便宜的价格是其能否推广开来的决定性因素。 

塑料丝材,清洁,更换容易:与其他使用粉末和液态材料的工艺相比,丝材更加清洁,易于更换、保存,不会在设备中或附近形成粉末或液体污染。  

后处理简单:仅需要几分钟到一刻钟的时间剥离支撑后,原型即可使用。而现在应用较多的SL,SLS,3DP等工艺均存在清理残余液体和粉末的步骤,并且需要进行后固化处理,需要额外的辅助设备。这些额外的后处理工序一是容易造成粉末或液体污染,二是增加了几个小时的时间,不能在成型完成后立刻使用。 

成型速度较快:一般来讲,FDM工艺相对于SL,SLS,3DP工艺来说,速度是比较慢的。但针对三维打印应用,其也有一定的优势。首先,SL,SLS,3DP都有层间过程(铺粉/液,挂平),因而它们一次成型多个原型是速度很快,例如3DP可以做到一小时成型25mm左右高度的原型。三维打印机成型空间小,一次多成型1至2个原型,相对来讲,他们的速度优点就不甚明显了。其次三维打印机对原型强度要求不高,所以FDM工艺可通过减小原型密实程度的方法提高成型速度。通过试验,具有某些结构特点的模型,最高成型速度已经可以达到60立方厘米/小时。通过软件优化及技术进步,预计可以达到200立方厘米/小时的高速度。  

快速塑料零件制造  

材料性能一直是FDM工艺的主要优点,其ABS原型强度可以达到注塑零件的三分之一。今年来又发展出PC,PC/ABS,PPSF等材料,强度已经接近或超过普通注塑零件,可在某些特定场合(试用,维修,暂时替换等)下直接使用。虽然直接金属零件成型(近年来许多研究机构和公司都在进行这方面的研究,是当今快速原型领域的一个研究热点)的材料性能更好,但在塑料零件领域,FDM工艺是一种非常适宜的快速制造方式。随着材料性能和工艺水平的进一步提高,我们相信,会有更多的FDM原型在各种场合直接使用。

SL快速成型工艺


立体光刻(SL)----高精度的快速成型工艺

SL工艺,由Charles Hull于1984年获美国专利。1986年美国3D Systems公司推出商品化样机SLA—1,这是世界上第一台快速原形系统。SLA系列成形机占据着RP设备市场的较大份额。SL工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长(325或355nm)和强度(w=10~400mw)的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应, 分子量急剧增大, 材料也就从液态转变成固态。液槽中盛满液态光固化树脂,激光束在偏转镜作用下, 能在液态表面上扫描, 扫描的轨迹及激光的有无均由计算机控制, 光点扫描到的地方, 液体就固化。成型开始时,工作平台在液面下一个确定的深度,液面始终处于激光的焦平面,聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描,即逐点固化。当一层扫描完成后,未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度,已成型的层面上又布满一层树脂,刮平器将粘度较大的树脂液面刮平,然后再进行下一层的扫描,新固化的一层牢固地粘在前一层上,如此重复直到整个零件制造完毕, 得到一个三维实体模型。 SL工艺原理

SL方法是目前RP技术领域中研究得最多的方法,也是技术上最为成熟的方法。一般层厚在0.1到0.15mm,成形的零件精度较高。多年的研究改进了截面扫描方式和树脂成形性能,使该工艺的加工精度能达到0.1mm,现在最高精度已能达到0.05mm。但这种方法也有自身的局限性,比如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂有一定的毒性等。

PCM快速成型工艺


无模铸型制造技术(PCM)-制作大型铸件的快速成型工艺

无模铸型制造技术(PCM,Patternless Casting Manufacturing)是由清华大学激光快速成形中心开发研制。该将快速成形技术应用到传统的树脂砂铸造工艺中来。首先从零件CAD模型得到铸型CAD模型。由铸型CAD模型的STL文件分层,得到截面轮廓信息,再以层面信息产生控制信息。造型时,第一个喷头在每层铺好的型砂上由计算机控制精确地喷射粘接剂,第二个喷头再沿同样的路径喷射催化剂,两者发生胶联反应,一层层固化型砂而堆积成形。粘接剂和催化剂共同作用的地方型砂被固化在一起,其他地方型砂仍为颗粒态。固化完一层后再粘接下一层,所有的层粘接完之后就得到一个空间实体。原砂在粘接剂没有喷射的地方仍是干砂,比较容易清除。清理出中间未固化的干砂就可以得到一个有一定壁厚的铸型,在砂型的内表面涂敷或浸渍涂料之后就可用于浇注金属。

和传统铸型制造技术相比,无模铸型制造技术具有无可比拟的优越性,它不仅使铸造过程高度自动化、敏捷化,降低工人劳动强度,而且在技术上突破了传统工艺的许多障碍,使设计、制造的约束条件大大减少。具体表现在以下方面:制造时间短、制造成本低、无需木模、一体化造型, 型、芯同时成形、无拔模斜度、可制造含自由曲面(曲线)的铸型。

在国内外,也有其它一些将RP技术引入到砂型或陶瓷型铸造中来的类似工艺。其中较为典型的有:MIT开发研制的3DP(Three Dimensional Printing)工艺、德国Generis公司的砂型制造工艺等。美国Sloigen公司的DSPC(Direct Shell Production Casting)工艺就是在MIT的3DP基础上发展起来的。一定的毒性等。

SLS快速成型工艺


选择性激光烧结(SLS)--材料广泛的快速成型工艺

SLS工艺又称为选择性激光烧结,由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R. Dechard于1989年研制成功。SLS工艺是利用粉末状材料成形的。将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面,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。

SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛,如尼龙、蜡、ABS、树脂裹覆砂(覆膜砂)、聚碳酸脂(poly carbonates)、金属和陶瓷粉末等都可以作为烧结对象。粉床上未被烧结部分成为烧结部分的支撑结构,因而无需考虑支撑系统(硬件和软件)。SLS工艺与铸造工艺的关系极为密切,如烧结的陶瓷型可作为铸造之型壳、型芯,蜡型可做蜡模,热塑性材料烧结的模型可做消失模。

LOM快速成型工艺


分层实体制造(LOM)-没落的快速成型工艺

LOM工艺称为分层实体制造,由美国Helisys公司的Michael Feygin于1986年研制成功。该公司已推出LOM-1050和LOM-2030两种型号成形机。LOM工艺采用薄片材料,如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时,热压辊热压片材,使之与下面已成形的工件粘接;用CO2激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框,并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格;激光切割完成后,工作台带动已成形的工件下降,与带状片材(料带)分离;供料机构转动收料轴和供料轴,带动料带移动,使新层移到加工区域;工作台上升到加工平面;热压辊热压,工件的层数增加一层,高度增加一个料厚;再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完,得到分层制造的实体零件。

LOM工艺只须在片材上切割出零件截面的轮廓,而不用扫描整个截面。因此成形厚壁零件的速度较快,易于制造大型零件。零件的精度较高(< 0.15mm)。工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用,所有LOM工艺无需加支撑。

研究LOM工艺的公司除了Helisys公司,还有日本Kira公司、瑞典Sparx公司、新加坡Kinergy精技私人有限公司、清华大学、华中理工大学等。但因为LOM工艺材料仅限于纸,性能一直没有提高,以逐渐走入没落,大部分厂家已经或准备放弃该工艺

3DP快速成型工艺


三维印刷(3DP)--高速多彩的快速成型工艺

三维印刷(3DP)工艺是美国麻省理工学院Emanual Sachs等人研制的。E.M.Sachs于1989年申请了3DP(Three-Dimensional Printing)专利,该专利是非成形材料微滴喷射成形范畴的核心专利之一。3DP工艺与SLS工艺类似,采用粉末材料成形,如陶瓷粉末,金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的,而是通过喷头用粘接剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接剂粘接的零件强度较低,还须后处理。具体工艺过程如下:上一层粘结完毕后,成型缸下降一个距离(等于层厚:0.013~0.1mm),供粉缸上升一高度,推出若干粉末,并被铺粉辊推到成型缸,铺平并被压实。喷头在计算机控制下,按下一建造截面的成形数据有选择地喷射粘结剂建造层面。铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂,最终完成一个三维粉体的粘结。未被喷射粘结剂的地方为干粉,在成形过程中起支撑作用,且成形结束后,比较容易去除。

该工艺的特点是成形速度快,成形材料价格低,适合做桌面型的快速成形设备。并且可以在粘结剂中添加颜料,可以制作彩色原型,这是该工艺最具竞争力的特点之一,有限元分析模型和多部件装配体非常适合用该工艺制造。缺点是成形件的强度较低,只能做概念型使用,而不能做功能性试验。

典型快速成型工艺比较


以上四种典型RP工艺由于具有不同的优劣特点,所以应用于不同的领域。 

SLA 
光固化成型
FDM 
熔融沉积成型
SLS 
选择性激光烧结
LOM 
分层实体制造
优点 (1) 成形速度极快,成形精度、表面质量高; 
(2) 适合做小件及精细件。
(1) 成形材料种类较多,成形样件强度好,能直接制作ABS塑料; 
(2) 尺寸精度较高,表面质量较好,易于装配; 
(3) 材料利用率高; 
(4) 操作环境干净、安全可在办公室环境下进行。
(1) 有直接金属型的概念,可直接得到塑料、蜡或金属件; 
(2) 材料利用率高;造型速度较快。
(1) 成形精度较高; 
(2) 只须对轮廓线进行切割,制作效率高,适合做大件及实体件; 
(3) 制成的样件有类似木质制品的硬度,可进行一定的切削加工。
缺点 (1) 成形后要进一步固化处理; 
(2) 光敏树脂固化后较脆,易断裂,可加工性不好; 
(3) 工作温度不能超过100℃,成形件易吸湿膨胀,抗腐蚀能力不强。
(1) 成形时间较长; 
(2) 做小件和精细件时精度不如SLA。
(1) 成形件强度和表面质量较差,精度低。 
(2) 在后处理中难于保证制件尺寸精度,后处理工艺复杂,样件变型大,无法装配。
(1) 不适宜做薄壁原型; 
(2) 表面比较粗糙,工件表面有明显的台阶纹,成型后要进行打磨; 
(3) 易吸湿膨胀,成形后要尽快表面防潮处理; 
(4) 工件强度差,缺少弹性。
设备购置费用 高昂 低廉 高昂 中等
维护和日常使用费用 激光器有损耗,光敏树脂价格昂贵,运行费用很高。 无激光器损耗,材料的利用率高,原材料便宜,运行费用极低。 激光器有损耗,材料利用率高,原材料便宜,运行费用居中。 激光器有损耗,材料利用率很低,运行费用较高。
发展趋势 稳步发展 飞速发展 稳步发展 渐趋淘汰
应用领域 复杂、高精度、艺术用途的精细件 塑料件外形和机构设计 铸造件设计 实心体大件
适合行业 快速成形服务中心 科研院校、生产企业 铸造行业 铸造行业

 无人值守 

   LOM和SLS使用的CO2激光器是依靠热量对成形材料进行切割和融化的,因此在机构发生机械故障时(如:传动失灵,激光器无法自动关闭等),有发生火灾的可能,因此工作时必需有专人值守。SLA的紫外光激光器是利用光敏树脂对紫外光敏感凝固的特性进行成形,不产生高热;FDM的热压喷头温度远低于成形材料的燃点;因此SLA和FDM在安全性方面可实现无人值守。 

 办公环境下使用 

   LOM和SLS使用时产生烟尘,SLA、LOM和SLS使用激光,具有危险性,因此在严格意义上说SLA、LOM和SLS均不适合在办公室内使用。

CAD造型软件输出STL文件方法


Alibre File(文件) -> Export(输出)-> Save As(另存为,选择.STL)-> 输入文件名-> Save(保存)
AutoCAD 输出模型必须为三维实体,且XYZ坐标都为正值。在命令行输入命令“Faceters” -> 设定FACETRES为1 到10 之间的一个值 (1为低精度,10为高精度) -> 然后在命令行输入命令“STLOUT” -> 选择实体 -> 选择“Y”,输出二进制文件 -> 选择文件名
CADKey 从Export(输出)中选择Stereolithography(立体光刻)
I-DEAS File(文件)-> Export(输出)-> Rapid Prototype File(快速成形文件)-> 选择输出的模型 ->Select Prototype Device(选择原型设备)> SLA500.dat -> 设定absolute facet deviation(面片精度) 为 0.000395 -> 选择Binary(二进制)
Inventor Save Copy As(另存复件为) -> 选择STL类型 -> 选择Options(选项),设定为High(高)
IronCAD 右键单击要输出的模型 -> Part Properties(零件属性)> Rendering(渲染) -> 设定 Facet Surface Smoothing(三角面片平滑)为 150 -> File(文件)> Export(输出)-> 选择 .STL
Mechanical Desktop 使用AMSTLOUT命令输出STL文件。 
下面的命令行选项影响STL文件的质量,应设定为适当的值,以输出需要的文件。 
1. Angular Tolerance(角度差)―― 设定相邻面片间的最大角度差值,默认15度,减小可以提高STL文件的精度。 
2. Aspect Ratio(形状比例)―― 该参数控制三角面片的高/宽比。1标志三角面片的高度不超过宽度。默认值为0,忽略。 
3. Surface Tolerance(表面精度)―― 控制三角面片的边与实际模型的最大误差。设定为0.0000 ,将忽略该参数。 
4. Vertex Spacing(顶点间距)―― 控制三角面片边的长度。默认值为0.0000, 忽略。
ProE 1.  File(文件)-> Export(输出)-> Model(模型) 
2.  或者选择File(文件)-> Save a Copy(另存一个复件) -> 选择 .STL 
3. 设定弦高为0。然后该值会被系统自动设定为可接受的最小值。 
4. 设定Angle Control(角度控制)为 1
ProE Wildfire 1. File(文件)-> Save a Copy(另存一个复件)-> Model(模型)-> 选择文件类型为STL (*.stl) 
2. 设定弦高为0。然后该值会被系统自动设定为可接受的最小值。 
3. 设定Angle Control(角度控制)为 1
Rhino File(文件)-> Save As(另存为 .STL)
SolidDesigner (Version 8.x) File(文件)-> Save(保存) -> 选择文件类型为STL
SolidDesigner (not sure of version) File(文件)-> External(外部)-> Save STL (保存STL)-> 选择Binary(二进制)模式 ->选择零件-> 输入0.001mm作为Max Deviation Distance(最大误差)
SolidEdge 1. File(文件)-> Save As(另存为) -> 选择文件类型为STL 
2. Options(选项) 
设定 Conversion Tolerance(转换误差)为 0.001in 或 0.0254mm 
设定Surface Plane Angle(平面角度)为 45.00
SolidWorks 1. File(文件)-> Save As(另存为) -> 选择文件类型为STL 
2. Options(选项)-> Resolution(品质)-> Fine(良好) -> OK(确定)
Think3 File(文件)-> Save As(另存为) -> 选择文件类型为STL
Unigraphics 1. File(文件)> Export(输出)> Rapid Prototyping(快速原型) -> 设定类型为 Binary (二进制) 
2. 设定Triangle Tolerance(三角误差)为 0.0025 
设定Adjacency Tolerance(邻接误差)为 0.12 
设定Auto Normal Gen(自动法向生成)为 On(开启) 
设定Normal Display(法向显示)为 Off(关闭) 
设定Triangle Display(三角显示)为On(开启)
 

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