7.2快速成型制造工艺

7.2　快速成型制造工艺

目前比较成熟的快速成型工艺方法已有十余种，具有代表性的工艺是光敏树脂液相固化成型、选择性激光烧结成型、叠层实体制造成型及熔丝堆积成型。下面对这些典型工艺的原理、特点等分别进行阐述。

7.2.1　光敏树脂液相固化成型

光敏树脂液相固化成型(Stereo Lithography，SL或SLA)又称光固化立体造型或立体光刻成型。它由美国Charles Hul发明并于1984年获美国专利。1988年美国3D系统公司推出商品化的世界上第一台快速原型成型机。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。SL工艺成型的零件精度较高。多年的研究改进了截面扫描方式和树脂成型性能，使该工艺的精度能达到或小于0.1 mm。

图7.2　光敏树脂液相固化成型工艺原理

1—扫描镜；2—Z轴升降台；3—树脂槽；4—光敏树脂；5—托盘；6—零件

(1)光敏树脂液相固化成型工艺原理

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(λ＝325 nm)和功率(P＝30 mW)的紫外激光的照射下能迅速发生光聚合反应，相对分子质量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。如图7.2所示为SL工艺原理图。液槽中盛满液态光敏树脂，激光束在偏转镜作用下，在液体表面上扫描，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，工作平台托盘5在液面下一个确定的深度，液面始终处于激光的焦点平面内，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托盘5使其高度下降一层(约0.1 mm)，已成型的层面上又布满一层液态树脂，刮板将黏度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新的一层固体牢固地粘在前一层上，如此重复，直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体原型。

(2)光敏树脂液相固化成型工艺的特点和成型材料

1)SL特点

①SL具有以下优点:

a.成型过程自动化程度高。SL系统非常稳定，加工开始后，成型过程可完全自动化，直至原型制作完成。

b.尺寸精度高。SL原型的尺寸精度可达到± 0.1 mm。

c.表面质量好。虽然在每层固化时侧面及曲面可能出现台阶，但上表面仍可得到玻璃状的效果。

d.能够制造形状特别复杂(如空心零件)、特别精细(如首饰、工艺品等)的零件。

e.可直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失型。

②与其他几种快速成型方法相比，该方法也存在着许多缺点，主要有以下5个方面:

a.成型过程中伴随着物理和化学变化，故制件较易弯曲，需要支撑，否则会引起制件变形。

b.设备运转及维护成本较高。由于液态树脂材料和激光器的价格较高，并且为了使光学元件处于理想的工作状态，需要进行定期的调整，费用较高。

c.可使用的材料种类较少。目前可用的材料主要为感光性液态树脂材料，并且在大多数情况下，不能进行抗力和热量的测试。

d.液态树脂具有气味和毒性，并且需要避光保护，以防止提前发生聚合反应，选择时有局限性。

e.需要二次固化。在很多情况下，经快速成型系统光固化后的原型树脂并未完全被激光固化，故通常需要二次固化。

f.液态树脂固化后的性能尚不如常用的工业塑料，一般较脆，易断裂，不便进行机加工。

2)SL的成型材料

SL的成型材料称为光固化树脂(或称光敏树脂)，光固化树脂材料中主要包括齐聚物、反应性稀释剂及光引发剂。根据引发剂的引发机理，光固化树脂可分为3类:自由基光固化树脂、阳离子光固化树脂和混杂型光固化树脂。

自由基光固化树脂、阳离子光固化树脂和混杂型光固化树脂各有许多优点，目前的趋势是使用混杂型光固化树脂。

(3)光敏树脂液相固化成型设备和应用

目前，研究光敏树脂液相固化成型设备的单位有美国的3D Systems公司、Aaroflex公司，德国的EOS公司、F＆S公司，日本的SONY/D-MEC公司、Teijin Seiki公司、Denken Engineering公司、Meiko公司、Unirapid公司、NTT DATA＆CMET公司，以及国内的华中科技大学快速制造中心、清华大学、西安交通大学，上海联泰科技有限公司，等等。

如图7.3(a)所示为CPS-250型液相固化快速成型机的外形及结构组成，图7.3(b)为z轴升降工作台，图7.3(c)为x-y工作台，图7.3(d)为光学系统示意图。CPS快速成型机采用普通紫外光源，通过光纤将经过一次聚焦后的普通紫外光导入透镜，经过二次聚焦后，照射在树脂液面上。二次聚焦镜夹持在二维数控工作台上，实现x-y二维扫描运动，配合z轴升降运动，从而获得三维实体。z轴升降工作台主要完成托盘的升降运动。在制作过程中，进行每一层的向下步进，制作完成后，工作台快速提升出树脂液面，以方便零件的取出。其运动采用步进电动机驱动、丝杠传动、导轨导向的方式，以保证z向的运动精度。结构包括步进电动机、滚珠丝杠副、导轨副、吊梁、托板及立板，如图7.3(b)所示。x-y方向工作台主要完成聚焦镜头在液面上的二维精确扫描，实现每一层的固化。采用步进电动机驱动、精密同步带传动、精密导轨导向的运动方式，如图7.3(c)所示。光学系统的光源采用紫外汞氙灯，用椭球面反射罩实现第一次反射聚焦，聚焦后经光纤耦合传导，由透镜实现二次聚焦，将光照射到树脂液面上。其光路原理如图7.3(d)所示。

图7.3　CPS-250型液相固化快速成型机的外形及结构组成

(a)CPS快速成型机外形　(b)x轴升降工作台

(c)x-y工作台结构示意　(d)光学系统示意图

1—基板；2—x轴步进电机；3—y轴步进电机；4—同步带；5—聚焦镜头

1—正极；2—灯泡；3—负极；4—聚光罩；5—光纤；6—聚焦镜头；7—树脂；8—树脂槽

光敏树脂液相固化成型的应用有很多方面，可直接制作各种树脂功能件，用于结构验证和功能测试；可制作比较精细和复杂的零件；可制造出有透明效果的制件；制作出来的原型件可快速翻制各种模具，如硅橡胶模、金属冷喷模、陶瓷模、合金模、电铸模、环氧树脂模及汽化模等。

7.2.2　选择性激光烧结成型

选择性激光烧结工艺(Selective Laser Sintering，SLS)又称为选区激光烧结，由美国德克萨斯大学的C.R.Dechard于1989年研制成功。该方法已被美国DTM公司商品化。SLS的原理与SL十分相似，主要区别在于所使用的材料及其形状。SL所用的材料是液态的光敏树脂，而SLS则使用粉状的材料。

(1)选择性激光烧结工艺的原理

SLS工艺是利用粉末材料(金属粉末或非金属粉末)在激光照射下烧结的原理，在计算机控制下层层堆积成型。

图7.4　选择性激光烧结工艺原理

1—零件；2—扫描镜；3—激光器；4—透镜；5—刮平辊子

如图7.4所示，此法采用CO₂激光器作能源，目前使用的造型材料多为各种粉末材料。在工作台上均匀铺上一层很薄(0.1～0.2 mm)的粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结完后去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理便获得零件。

(2)选择性激光烧结成型工艺的特点和成型材料1)SLS的特点

选择性激光烧结工艺和其他快速原型工艺相比，其最大的特点是能够直接制作金属制品，同时该工艺还具有以下一些优点:

①材料适应面广。从原理上说，这种方法可采用加热时黏度降低的任何粉末材料，不仅能制造塑料模具，还能制造陶瓷、石蜡等材料的零件。

②制造工艺简单。由于可用多种材料，选择性激光烧结工艺按采用的原料不同可直接生产复杂形状的原型、型腔模三维构件或部件及工具。

③无须支撑结构。可烧结制造空心、多层镂空的复杂零件。

④高精度。依赖于使用的材料种类和粒度、产品的几何形状和复杂程度。该工艺一般能够达到工件整体范围内± (0.05～2.5) mm的公差。当粉末粒度小于0.1 mm时，成型后的原型精度可达± 1%。

⑤材料利用率高，价格便宜，成本低。

但是，选择性激光烧结工艺也有能量消耗高、原型表面粗糙疏松多孔以及对某些材料需要单独处理等缺点。

2)SLS的成型材料

SLS烧结成型用的材料早期采用蜡粉及高分子塑料粉，用金属或陶瓷粉进行黏结或烧结的工艺也已达到实用阶段。任何受热黏结的粉末都有被用作SLS原材料的可能性，原则上包括了塑料、陶瓷、金属粉末及它们的复合粉。

近年来开发的较为成熟的用于SLS工艺的材料如表7.1所示。

表7.1　SLS工艺常用的材料及其特性

为了提高原型的强度，用于SLS工艺材料的研究转向金属和陶瓷，这也正是SLS工艺优越于SL，LOM工艺之处。

近年来，金属粉末的制取越来越多地采用雾化法。它主要有两种方式:离心雾化法和气体雾化法。其主要原理是使金属熔融，高速将金属液滴甩出并急冷，随后形成粉末颗粒。

(3)选择性激光烧结成型设备和应用

研究选择性激光烧结设备和工艺的单位有美国的DTM公司、3D Systems公司，德国的EOS公司，以及国内的北京隆源公司和华中科技大学等。

1986年，美国Fexas大学的研究生C.R.Dechard提出了选择性激光烧结(SLS)的思想，稍后组建了DTM公司，于1992年推出SLS成型机。DTM公司于1992年、1996年和1999年先后推出了Sinterstation 2000，Sinterstation 2500和Sinterstation 2500Plus机型，如图7.5所示。

如图7.6所示为华中科技大学的HRPS-Ⅲ激光粉末烧结系统，在选择性激光烧结成型(SLS)技术方面有着自己先进的特点。

图7.5　DTM公司的Sinterstation 2500

图7.6　HRPS-Ⅲ激光粉末烧结系统

SLS激光粉末烧结的应用范围与SL工艺类似，可直接用于制作各种高分子粉末材料的功能件，用于结构验证和功能测试，并可用于装配样机。制件可直接作精密铸造用的蜡模和砂型、型芯，制作出来的原型件可快速翻制各种模具，如硅橡胶模、金属冷喷模、陶瓷模、合金模、电铸模、环氧树脂模及汽化模等。

7.2.3　叠层实体制造成型

叠层实体制造成型(Laminated Object Manufacturing，LOM)又称薄片分层叠加成型，是几种最成熟的快速成型制造技术之一。它由美国Helisys公司于1986年研制成功，并推出商品化的机器。因为常用纸作为原料，故又称纸片叠层法。

(1)叠层实体制造工艺的原理

LOM工艺采用薄片材料(如纸、塑料薄膜等)作为成型材料，片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，用CO₂激光器在计算机控制下按照CAD分层模型轨迹切割片材，然后通过热压辊热压，使当前层与下面已成型的工件层黏结，从而堆积成型。

如图7.7所示为LOM工艺的原理图。用CO₂激光器在刚黏结的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并将无轮廓区切割成小方网格以便在成型之后能剔除废料，如图7.8所示。激光切割完成后，升降工作台带动已成型的工件下降，与带状片材分离；供料机构转动收料轴和供料轴，带动片材移动，使新层移到加工区域；升降工作台上升到加工平面，热压辊热压，再在新层上切割截面轮廓。如此反复，直至零件的所有截面切割、黏结完，得到完整的三维实体零件。

图7.7　LOM工艺原理图

1—激光器；2—热压辊；3—带状片材；4—供料滚筒；5—升降台；6—叠层；7—当前叠层轮廓线

图7.8　截面轮廓及网格废料

(2)叠层实体制造成型工艺的特点和成型材料

1)LOM的特点

①只需在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面，因此易于制造大尺寸制件。

②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，因此无须设计和制作支撑结构。

③原型精度较高(小于0.15 mm)。

④原材料价格便宜，原型制作成本低。

⑤制件能承受200℃的温度，有较高的硬度和较好的力学性能，可进行各种切削加工。

⑥设备采用了高质量的元器件，有完善的安全、保护装置，因而能长时间连续运行，可靠性高，寿命长。

但是，LOM工艺也有不足之处:不能直接制作塑料工件；工件(特别是薄壁件)的拉伸强度和弹性不够好；工件易吸湿膨胀，成型后应尽快进行表面防潮处理；工件表面有台阶纹，成型后需进行表面打磨。

2)LOM的成型材料

LOM工艺的成型材料常用成卷的纸，纸的一面事先涂覆一层热熔胶，偶尔也有用塑料薄膜或金属箔作为成型材料。

对纸材的要求是应具有抗湿性、稳定性、涂胶浸润性和抗拉强度，另外要求收缩率小、剥离性能好和易打磨。

热熔胶应保证层与层之间的黏结强度，热熔胶的种类很多，LOM工艺中最常采用EVA热熔胶。它由EVA树脂、增黏剂、蜡类及抗氧剂等组成。对热熔胶的要求是具有良好的热熔冷固性，具有足够的黏结强度和较好的稳定性等。

(3)叠层实体制造成型的设备和应用

目前，研究叠层实体制造成型设备和工艺的单位有美国的Helisys公司，日本的Kira公司、Sparx公司，以及国内的清华大学和华中科技大学等。如图7.9所示为国产SSM-800型叠层实体制造成型设备的组成。它由激光系统，走纸机构，x轴、y轴，扫描机构；z轴升降机构，以及加热辊等组成。

图7.9　SSM-800型叠层实体制造成型设备

(a)前面部分　(b)背后部分

1—收纸辊；2—测高仪；3—热压系统；4—x，y轴；

5—激光头；6—工作台；7—送纸辊；8—z轴

由于叠层实体制造技术成型材料使用成本低廉的纸张，运行成本和设备投资较低，且制件精度高，故获得了较为广泛的应用，特别是在产品概念设计可视化、造型设计评估、装备检验、快速制造母模以及直接制模等方面得到了普遍应用。

7.2.4　熔丝堆积成型

熔丝堆积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)又称熔融沉积快速成型，是继光敏树脂液相固化成型和叠层实体快速成型工艺后的另一种应用比较广泛的快速原型制造工艺。该工艺方法由美国学者Dr.Scott Crump于1988年研制成功，并由美国Stratasys公司推出商品化的机器。

图7.10　FDM工艺的基本原理图

(1)熔丝堆积成型工艺的原理

熔丝堆积成型工艺是将丝状的热熔性材料加热熔化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。喷头可沿着x轴方向移动，而工作台则沿y轴方向移动。如果热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而成型部分的温度稍低于固化温度，就能保证热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体造型。FDM工艺的基本原理如图7.10所示。

(2)熔丝堆积成型工艺的特点和成型材料

1)FDM的特点

FDM具有其他成型工艺方法所不具有的许多优点:

①该工艺不用激光，而是采用热熔挤压头技术，系统结构简单，成本较低，运行安全。

②成型速度快。用熔融沉积方法生产出来的产品，不需要SLA中的刮板再加工这一道工序。系统校准为自动控制。

③用蜡成型的零件原型可以直接用于失蜡铸造。

④可成型任意复杂程度的零件，常用于成型具有很复杂的内腔、孔等零件。

⑤原材料在成型过程中无化学变化，制件的翘曲变形小。

⑥原材料利用率高，且材料寿命长。

当然，FDM成型工艺与其他快速成型工艺相比，也存在着许多缺点。例如，需要设计与制作支撑结构；需要对整个截面进行扫描涂覆，成型时间较长；成型件的表面有较明显的条纹；沿成型轴垂直方向的强度比较弱；原材料价格较贵。

2)FDM的成型材料

成型材料是FDM工艺的基础，FDM工艺使用的材料包括成型材料和支撑材料。

FDM工艺成型材料主要有ABS，医学专用的ABSi，MABS塑料丝，蜡丝，尼龙丝等。对其要求是熔融温度低(80～120℃)、黏度低、黏结性好、收缩率小。影响材料挤出过程的主要因素是黏度。材料的黏度低、流动性好，阻力就小，有助于材料顺利地挤出。材料的流动性差，需要很大的送丝压力才能挤出，会增加喷头的启停响应时间，从而影响成型精度。

熔融温度低对FDM工艺的好处是多方面的。熔融温度低可使材料在较低的温度下挤出，有利于提高喷头和整个机械系统的寿命；可减少材料在挤出前后的温差，减少热应力，从而提高原型的精度。

黏结性主要影响零件的强度。FDM工艺是基于分层制造的一种工艺，层与层之间黏结性好坏决定了零件成型以后的强度。黏结性过低，有时在成型过程中由于热应力就会造成层与层之间的开裂。收缩率在很多方面影响零件的成型精度。

支撑材料是加工中采取的辅助手段，在加工完毕后必须去除，故支撑材料与成型材料的亲和性不能太好。另外，要求支撑材料能承受一定的高温和较低的熔融温度等。

(3)熔丝堆积成型的设备和应用

研究熔丝堆积成型设备工艺的单位主要有美国的Stratasys公司、Med Modeler公司，以及国内的清华大学和北京殷华公司等。

如图7.11所示为国产MEM-250-Ⅱ型FDM熔丝堆积成型设备。它利用ABS丝材通过喷头加热至熔融状态后从喷头挤出，在数控系统控制下层层堆积成型。

熔融挤压成型工艺比较适合家用电器、办公用品和模具行业新产品开发以及用于假肢、医学、医疗、大地测量、考古等基于数字成像技术的三维实体模型制造。该技术无须激光系统，因而价格低廉，运行费用很低且可靠性高。此外，从目前出现的快速原型工艺方法来看，FDM工艺在医学领域的应用具有独特的优势。Stratasys公司在1998年与Med Modeler公司合作开发了专用于医学领域的Med Modeler机型，使用ABS材料，并于1999年推出了可使用聚酯热塑性塑料的Genisys改进型Genisys Xs。

图7.11　MEM-250-Ⅱ型FDM熔丝堆积成型设备

1—x扫描机构；2—加热喷头；3—丝盘；4—送丝机构；5—y扫描机构；6—框架；7—工作平台；8—成型室

7.2.5　其他快速成型工艺

除了上述4种快速成型方法比较成熟以外，其他已经实用化的快速成型技术有三维打印快速原型工艺、固基光敏液相法、弹道微粒制造、数码累积成型、三维焊接、直接烧结技术及光束干涉固化等。