快速成形制造技术 南京工业大学

一、现代成形科学 1 去除成形——去除余量材料而成形

2 受迫成形——在型腔约束和限制下成形

3 离散-堆积成形——材料离散成点、 线、面、然后堆积起来而成形

二、快速成形技术简介 快速成形技术简称RP（Rapid prototyping），是指由 三维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。 不同种类的快速成形系统因所用成形材料不同，系统特点 也各有不同。但其基本原理都是一样的，那就是“分层制造， 逐层叠加”。形象地讲，快速成形系统就像是一台 “立体打 印机”。

三、快速成形技术的工艺过程 1.CAD模型 的构建 4.后处理 2.离散过程 3.堆积过程

四、快速成形技术的分类 名称 简称 成形材料 成形技术 熔融沉积法 FDM 固态丝状工程塑料 挤压喷头 光固化成形法 SLA 液态光敏树脂 紫外激光 选择性激光烧法 SLS 工程塑料粉末 CO2激光器 分层实体制造法 LOM 涂敷有热熔胶的薄片材料（纸、塑料薄膜）

1、熔融沉积FDM工艺 FDM工艺的成形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。 填充 轮廓 支撑

成形方向对零件质量的影响 1. 支撑 零件加工时间长，材料 消耗大。并在表面留下 痕迹，使处理难度提高 ，严重降低支撑部分表 由于添加支撑，使 零件加工时间长，材料 消耗大。并在表面留下 痕迹，使处理难度提高 ，严重降低支撑部分表 面质量。因此在加工时 应合理选择成形方向,尽 量减少支撑。

水平放置 旋转20°放置

2、台阶效应 在成型的高度方向上，用微小的直线段(层厚)来逼近曲线轮廓，在零件表面造成“台阶效应”，引起的误差会对产品表面的精度及粗糙度产生很大影响。对于倾斜方向表面出现的台阶效应更明显： 台阶效应

旋转20°放置 旋转40°放置

3、成形精度 由于加工的高度方向(Z方向)成型比较致密，该方向上的变形小于加工平面(XY平面)的变形。因此，选择成型方向时尽量把精度要求高的方向选为Z方向，即竖直方向，并且同时应考虑台阶效应。 综上所述：实际加工时应根据成形零件的具体要求综合考虑，选择优化的原则是：使零件具有较少的悬臂结构，减少支撑；尽可能地使零件具有较少的斜面，以减少零件的台阶效应；尽量减小零件的高度，以减少零件的制作时间。

2、光固化SLA工艺 SLA技术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和强度的紫外光(如λ=325nm)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。

3、选择性烧结SLS工艺 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连接；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。

4、分层实体制造LOM 工艺 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。 。

五、快速成形技术的特点 1.可以制造任意复杂的三维几何实体 由于采用离散-堆积成形的原理．它将一个十分复杂的三维制造过程简化为二维过程的叠加，大大简化了加工过程。特别适合于复杂型腔、复杂型面等传统方法难以制造甚至无法制造的零件。

2.快速性 快速成形技术从CAD设计到零件的加工完毕，只需几个小时至几十个小时，复杂、较大的零部件也可能达到几百小时，但从总体上看，速度比传统的成形方法要快得多。并且通过对CAD 模型的修改或重组就可获得一个新零件的设计和加工信息。尤其适合于新产品的开发

3.高度柔性 无需任何专用夹具或工具即可完成复杂的制造过程，且不存在三维加工中刀具干涉的问题，可以快速地制作模型，零件。 4.设计、制造一体化 通过STL格式文件,快速成形制造系统几乎可以与所有的CAD造型系统无缝连接，使设计（CAD）和制造（CAM）能够很顺利地结合在一起，实现了设计制造一体化。

5、自动化程度高 快速成形是一种完全自动的成形过程,只需要在成形之初由操作者输入一些基本的工艺参数,整个成形过程操作者无需或较少干预。完成成形过程时,机器会自动停止并显示相关结果。

六、快速成形技术的应用 1.设计模型的制造 这也是该项技术应用最多的领域。设计者用CAD设计出“看得见”的三维零件后,再利用快速成形机就可以得到“摸得着”的实体原型。这对形状复杂或是外观设计要求较高、需要手感较强的产品尤为重要,可以作出及时、正确的判断,供设计者和用户直观测试,并可迅速反复修改、制造。此外,模型还可以用来做功能测试、装配检查,例如运动特性测试、风洞试验、装配干涉及尺寸检查等。

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2.小批量复杂零件的生产 对于那些数量较少的零件部件,如机械设备中的特殊零件、配制部件、艺术品、医用人体骨骼等,利用快速自动成形机来制造,成本会大大降低。如果用传统的加工方法,零件的批量越小,成本就越高;而快速自动成形法的加工成本则基本上不受零件批量的影响。 另外,快速成形还能充当应急零件使用,如美国某公司在测试新型发动机时发现缺少一个重要零件,于是用快速成形将其赶制出来,确保了发动机测试的正常进行。

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工 艺 品

3.快速模具的制造 快速成形的另一项重要应用就是制造快速模具,用于批量生产复杂的零件。近年来随着许多新技术、新工艺的出现,快速成形技术的所有工艺方法几乎都可以直接或间接用于模具的制造。

铸造领域应用

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