金属材料的快速成型技术

l)建立产品的三维模型。由于RP系统是由三维CAD模型直接驱动的，所以首先要构建被加工工件的三维CAD模型。三维CAD模型可以通过计算机辅助设计软件(如Pro/E、I-DEAS、Solid Works、UG等)直接构建。)，或者可以将现有产品的二维图纸转换成三维模型，也可以通过激光和ct扫描产品实体，获得点云数据，再通过逆向工程构建三维模型。

2)三维模型的近似处理。由于产品往往具有一些不规则的自由曲面，因此在加工前需要对模型进行近似，以方便后续的数据处理。STL格式文件以其简单实用的格式成为快速成型领域的准标准接口文件。它使用一系列小三角形平面来近似原始模型。每个小三角形由三个顶点坐标和一个法向量描述，三角形的大小可以根据精度要求选择。STL文件有两种输出形式:二进制代码和ASCll代码。二进制代码输出形式占用的空间比ASCII代码输出形式占用的空间小得多，但是ASCII代码输出形式是可以读取和检查的。典型的CAD软件都有转换输出STL格式文件的功能。

3)对三维模型进行切片。根据被加工模型的特点，选择合适的加工方向，在成型高度方向上以一定间隔用一系列平面切割近似模型，从而提取截面的轮廓信息。间隔一般为0.05mm~0.5mm，常用0.1mm。间隔越短，成型精度越高，但成型时间越长，效率越低，反之，精度越低但效率越高。

4)成型加工。根据切片的截面轮廓，在计算机的控制下，相应的成型头(激光头或喷头)根据截面轮廓信息做扫描运动，在工作台上逐层堆积材料，然后将各层粘合在一起，最终得到原型产品。

5)成型件的后处理。将成型件从成型系统中取出，打磨、抛光、涂层，或放入高温炉中进行后烧结，进一步提高强度。快速成型技术具有以下重要特征:

l)可以制造任何复杂的三维几何实体。由于采用了离散/堆叠成型的原理，将一个非常复杂的三维制造过程简化为二维过程的叠加，可以实现任意复杂形状零件的加工。零件越复杂，RP技术的优势越明显。此外，RP技术特别适用于具有复杂型腔和复杂型面的零件，这些零件用传统方法很难甚至不可能制造。

2)快速性。通过修改或重组CAD模型，可以获得新零件的设计和加工信息。零件可以在几小时到几十小时内制造完成，具有快速制造的突出特点。

3)灵活性高。不需要任何特殊的夹具或工具就可以完成复杂的制造过程，可以快速制造出工具、原型或零件。

4)快速原型技术实现了机械工程多年追求的两个高级目标，即材料提取(气、液、固相)过程与制造过程的集成，设计(CAD)与制造(CAM)的集成。

5)结合逆向工程、CAD技术、网络技术和虚拟现实，成为产品快速开发的有力工具。

因此，快速成型技术在制造领域发挥着越来越重要的作用，并将对制造业产生重要影响。快速成型技术的分类；

快速成型技术按成型方法可分为两大类:基于激光和其他光源的激光技术，如立体光刻机(SLA)、分层实体制造(LOM)、选择性激光粉末烧结(SLS)、形状沉积成型(SDM)等。喷射技术，如熔融沉积成型(FDM)、三维打印(3DP)和多相喷射沉积(MJD)。下面简单介绍一下比较成熟的技术。

1、SLA(stereolithography Apparatus)工艺SLA工艺又称光造型或立体光刻，由美国查尔斯·胡尔于1984年申请专利。1988美国3D系统公司推出商用样机SLA-I，这是世界上第一台快速成型机。SLA成型机占据了RP设备市场的很大份额。SLA技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理。这种液体材料在一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增加，材料由液态变为固态。SLA工作原理:液体槽中充满液体光固化树脂的激光束，在偏转镜的作用下，可以在液体表面进行扫描，扫描轨迹和有无光由计算机控制。光点击中的地方，液体就会凝固。成型开始时，工作平台在液面以下一定深度。聚焦光斑根据计算机的指令在液面上逐点扫描，即逐点固化。当一层扫描完成后，未照射的区域仍然是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层，成型的一层覆盖一层树脂。刮刀将粘度较高的树脂刮平，然后扫描下一层，新循环的一层与上一层牢固粘合，如此反复，直至整个零件制造完成，得到三维实体模型。SLA方法是目前快速成型技术领域研究最多的方法，也是技术上最成熟的方法。SLA工艺成形的零件精度高，加工精度一般可达0.1 mm，原材料利用率近100%。但这种方法也有一定的局限性，如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂有毒性等。

2.LOM(层压对象制造)工艺LOM工艺被称为层压实体制造或分层实体制造，是由美国Helisys公司的Michael Feygin于1986年研制成功的。LOM工艺使用薄材料，如纸和塑料薄膜。片材表面预先涂有一层热熔胶。在加工过程中，热压辊对板材进行热压，使其粘附在下面成型的工件上。用CO2激光在新粘接的层上切割零件的截面轮廓和工件的外框，在截面轮廓和外框之间的多余区域切割上下对齐的网格。激光切割完成后，工作台带动成型的工件下降并与条状板材分离。进给机构转动接收轴和进给轴，带动料带移动，将新层移动到加工区。工件接头上升到加工平面，热辊热压，使工件层数增加一层，高度增加一个材料厚度。然后在新图层上切割轮廓。重复这一过程，直到零件的所有部分都被粘合和切割。最后，去除切碎的多余部分，得到分层制造的实体零件。LOM工艺只需要切割板材上零件截面的轮廓，不需要扫描整个截面。所以厚壁零件成型速度更快，容易制造大型零件。过程中没有材料相变，不容易造成翘曲变形。工件外框和横截面轮廓之间的多余材料在加工中起支撑作用，因此LOM工艺不需要支撑。缺点是材料浪费严重，表面质量差。

3.SLS(选择性激光烧结)工艺SLS工艺被称为选择性激光烧结，是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功的。SLS工艺是由粉末材料制成的。将材料粉铺在成型件的上表面，刮平。用高强度CO2激光扫描新铺设的新层上的零件截面。材料粉末在高强度激光的照射下烧结在一起，得到零件的截面，并与下面成型的零件连接。当烧结一层截面时，新的一层材料粉末被铺开，下面的截面被选择性烧结。烧结后，去除多余的粉末，然后对零件进行抛光和干燥。SLS技术的特点是材料广泛，不仅可以制造塑料零件，还可以制造陶瓷、蜡等材料的零件，尤其是金属零件。这使得SLS工艺具有吸引力。SLS工艺不需要支撑，因为没有烧结粉末起支撑作用。

4.3DP(三维打印)工艺三维打印工艺是由麻省理工学院的E-manual Sachs开发的。它已经被美国的Soligen公司商业化，命名为DSPC(直接型壳生产铸造),用于制造铸造用的陶瓷型壳和型芯。3DP工艺类似于SLS工艺，采用粉末材料，如陶瓷粉末、金属粉末等。不同的是，材料粉末不是通过烧结连接的，而是零件的横截面是由喷嘴用粘合剂(比如硅胶)“打印”在材料粉末上的。用粘合剂粘合的零件强度低，需要后处理。先烧粘结剂，再高温熔渗金属，使零件致密化，提高强度。

5.FDM(熔融沉积成型)工艺熔融沉积制造(FDM)是由美国学者Scott Crump于1988研制成功的。FDM的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、尼龙等。以丝状形式进食。材料在喷嘴中被加热并熔化。喷嘴沿着零件的横截面轮廓和填充轨迹移动，同时，熔融材料被挤出，迅速凝固并与周围材料凝结。FDM技术由Stratasys设计和制造，可用于一系列系统。这些系统是FDM Maxum、FDM泰坦、Prodigy Plus和Dimension。FDM技术使用ABS，聚碳酸酯(PC)，聚苯砜(PPSF)和其他材料。这些热塑性材料在半熔融状态下挤压成细丝，在逐层堆叠的基础上，通过沉积直接由3D CAD数据构建原型。这项技术通常用于成型、装配、功能测试和概念设计。此外，FDM技术可以应用于打样和快速制造。

其他材料:FDM技术和其他特殊材料。这些材料包括聚苯乙烯、橡胶和蜡。橡胶材料用作具有相似橡胶特性的功能原型。蜡是一种专门设计用于制作脱蜡铸件的样品。蜡材料的特性允许FDM样品用于生产类似于铸造厂的传统蜡模。聚苯砜(Polyphenylsulfone)，一种应用于Titan模型的新型工程材料，提供高耐热性和耐化学性、强度和硬度，其耐热性为207.2摄氏度。

Stratasys宣布，它已经发布了FDM快速原型系统Titan的PPSF材料。在各种快速成型材料中，PPSF(或聚苯砜)具有最高的韧性、耐热性和耐化学性。航空航天工业、汽车工业和医疗产品工业的制造商是期望使用这种PPSF材料的第一批用户。航空航天工业会喜欢这种材料的阻燃性能；汽车制造业也想应用它的耐化学性和在400度以上连续工作的能力；医疗产品制造商会对PPSF材料原型的消毒能力感兴趣。在试验装置中，帕克·汉尼芬将一个由PPSF制成的模型安装到汽车引擎中。这部分是一个名为曲轴箱蒸汽聚结器的过滤器，安装在一组V8发动机上，测试40小时，以确定过滤介质的效率。本部分收集的燃料气中含有160度的润滑油、燃油、油烟等燃烧的化学反应产物。Parker Hannifin的Russ Jensen说，“组装没有泄漏，它表现出了与第一次组装时相同的强度和性能。我们对它的表现相当满意。”MSOE(密尔沃基工程学院)的运营经理Sheku Kamara同样对这种新材料感到满意。“当玻璃在450度熔化时，在各种快速成型材料中，PPSF也具有除金属之外最高的操作温度和硬度，”他说。“在粘合力测试中，PPSF原型部件在14度到392度的温度范围内进行测试，并保持完好。”

颜色包括最常用的白色，ABS提供六种材质颜色。颜色选项包括蓝色、黄色、红色、绿色和黑色。医用级ABSi用于半透明应用，如车灯的透明红色或黄色。

与SLA和PolyJet树脂不同，FDM材料的材料特性不会随着时间和环境暴露而改变。像注射成型的复制品一样，这些材料在几乎任何环境下都能保持其强度、硬度和颜色。

精确快速成型的尺寸精度取决于许多因素，对于每个工件或不同日期，结果可能会略有变化。需要考虑的事情必须包括已知的条件，比如测量的时间范围，工件的拼法。车呢？axum、Titan和Prodigy Plus的精度数据见表1。如图5和图6所示，用于精度测试的工件在每台机器中以0.18 mm的层厚度构造，以形成当前精度数据。

MAXUM泰坦神童

理论尺寸实际尺寸百分比理论尺寸百分比理论尺寸百分比

a 76.2 76.2 0.00 76.2 0.00 76.1 0.17

B 25.4 25.5 0.30 25.5 0.40 25.6 0.60

152.4 152.4 0.00 152.3 0.08 152.4

d 2.54 2.51.1.00 2.54 0.00 2.54 0.00

e 76.2 76.15 0.07 76.07 0.17 76.12 0.10

f 101.6 101.57 0.02 101.42 0.18 101.50 0 0.10

g 25.4 25.48 0.30 25.50 0.40 25.55 0.60

h 1 12.7 12.62 0.60 12.65 0.40 12.55 1.20 H2 12.7 12.62 0.60 12.67 0 0.20 12.55 65438

一12.7 12.67 0.20 12.7 0.00 12.62 0.60

j 6.35 6.43 1.20 6.55 3.05 6.48 2.00

k 12.7 12.67 0.20 12.78 0.60 12.78 0.60

Maxum、Titan和Prodigy Plus的尺寸精度数据。所有受检零件的构造层厚度为0.18毫米(单位:毫米)

一般来说，FDM技术提供的精度通常等于或优于SLA技术和PolyJet技术，绝对优于SLS技术。但是，因为准确性取决于许多因素，所以在单个原型上会出现矛盾的结果。FDM技术的准确性受较少变量的影响。采用SLA、SLS和PolyJet技术，尺寸精度会受到机器校准、操作技能、工件成形方向和位置、材料老化和收缩等因素的影响。

Z轴并非总是如此，它可能被证明是最不精确的。除了前面讨论的变化之外，由于层厚的整数误差，原型的高度也可能发生变化。所有RP系统都是如此。当任何特征表面的顶部或底部不能与层对齐时，软件中的层切割算法会将尺寸四舍五入到最接近的层厚度。最坏的情况，一端表面向下倒圆，另一端向上，高度可能偏离一层厚度。对于典型的FDM参数，这可能产生至少0.127毫米的误差。

稳定维度的稳定性是FDM原型的关键优势。就像SLS技术一样，时间和环境的暴露不会改变工件的尺寸或其他特性。一旦原型与FDM系统分离，当它达到室内温度时，它的尺寸就固定了。如果温度发生变化，SLA或PolyJet技术不会出现这种情况。

后处理输出的RP零件很多需要手工完成零件的光顺。例如，SLA需要从工件表面手动移除支撑结构，并且工件表面需要一些手动抛光。这意味着工件的精度不再仅仅受系统精度的影响。现在由后期加工技师的技术水平控制。对于成型、装配和功能样机，大多数用户认为FDM工件的表面精度可以接受。然后，当水溶性支持和易剥离支持相结合时，FDM原型的精度将不会被手动改变。当然，如果需要翻面精度进行硅胶成型或喷漆，FDM工件也需要后期处理，就像其他技术一样。在这种情况下，后处理技术人员的技能在可以实现的原型精度中起着关键作用。

表面光洁度精度得到用户和Stratasys的认可，FDM技术最明显的限制是表面光洁度精度。因为是半熔融塑料挤压，所以表面光洁度精度比SLA和PolyJet粗糙，但与SLS相当。当通过更小的线宽和更薄的层厚来提高表面加工精度时，在顶部、底部和侧壁上仍然可以看到通过挤压喷嘴的轮廓线轮廓和构造层厚度。表2列出了Maxum和Titan的表面光洁度精度。为了提高表面光洁度精度，Maxum和Titan现在都提供了0.127 mm的层厚，用户发现工件的成形方向可以满足考虑表面光洁度精度的要求。这些要求高精度的表面通常在垂直方向成形。不太重要的表面通常是水平的，就像底面或顶面一样。和其他技术一样，可以用二次加工(后期加工输出)使之相同。然而，ABS和聚碳酸酯材料的硬度使得抛光劳动强度大。用户通常使用溶剂或粘合剂来完成或准备研磨。市售介质包括焊接、ABS干胶、丙酮和双组分环氧树脂。为了达到足够的精度，FDM技术公司和竞争对手的产品都可以为硅胶模制或喷涂提供表面。关键的区别在于需要多长时间才能达到要求的结果。

特征定义:尽管高阶FDM系统可以产生更小的特征，但是大多数FDM原型的最小特征尺寸被限制为两倍的线宽。在没有用户干预的情况下，FDM技术公司使用的“闭合路径”选项会将最小特征尺寸限制为挤出喷涂组宽度的两倍。对于一般的喷嘴和结构参数，最小特征尺寸的范围是从0.4到0.6 mm，尽管它大于SLA和PolyJet的最小特征尺寸，但是这个范围与这些技术可用的最小特征尺寸相同。虽然SLA技术可以构建到0.08毫米(Viper si2型号)或0.25毫米(所有型号)，PolyJet技术可以构建到0.04毫米，但很少有原型会利用这些最小值来制作最小的细节。考虑到材料特性，通常发现SLA技术和PolyJet技术的原型通常具有0.5 mm的最小特征尺寸。FDM技术的最小特征尺寸等于或优于SLS技术的0.6至0.8 mm。由于材料特性类似于注塑ABS或聚碳酸酯，FDM技术可提供0.4至0.6毫米范围内的功能特性

耐环境性:FDM原型提供的材料与热塑性材料具有相似的特性。这包括环境和化学暴露。对于ABS材料，用户可以在93度和含有油、汽油甚至一些酸的化学介质中实验他们的原型。一个关键的考虑因素是暴露在水蒸气中，包括浸泡和潮湿。SLA技术和PolyJet技术中使用的光敏树脂对水分敏感，会被损坏。接触水或湿气不仅会影响原型的机械性能，还会影响尺寸精度。当光敏树脂的原型吸收水分后，它们会开始软化，变得有点柔韧。而且工件容易翘曲或膨胀，会严重影响尺寸精度。FDM技术的原型和SLS技术的原型不受湿气的影响，因此可以保持其原有的机械性能和尺寸精度。

机械加工:FDM样机可用于铣削、钻孔、磨削、车床加工等。为了弥补曲面精度的不足，强化特征细节，当有特殊质量要求时，用户通常会对原型进行二次加工以改善细节。在考虑了原型的物理属性之后，应该注意操作的参数。以下方面会影响原型在预期应用中的使用。

工件尺寸:与一些快速成型技术不同，FDM技术在广告中的施工范围是最大的工件尺寸。在家庭系列产品中，FDM技术提供了广泛的建筑。最大的Maxum可以提供高达600 x 500 x 600 mm的工件尺寸，这样的构造范围与最大的SLA系统相同。Titan提供的最大工件尺寸为406 x 355 x 406 mm，这一建造范围略大于SLS Sinterstations系统。Prodigy Plus是一款办公桌面，建筑面积为203 x 203 x 305 mm，比PolyJet系统略大，也是最小的SLA系统。当采用竞争技术时，快速原型超出施工范围的部分通常是分段施工，然后粘接。使用市售ABS干胶，FDM工件的附着力和强度可以满足功能测试的应用。此外，FDM工件可以通过超声波焊接，这在SLA和PolyJet中无法使用，因为它们不是由热塑性材料制成的。

支撑结构:在FDM技术中，需要支撑结构来形成衬底，以制造工件并支撑悬浮之外的任何特征。在工件的界面处，支撑材料的固体堆叠已经被放下。在这种固体堆叠下，金属丝为0.5毫米，以3.8毫米的间隔沉积。FDM技术提供了两种类型的支撑——易于剥离的支撑结构(BASS)和水溶性支撑结构(WaterWorks)。低音支架被手动从待移除的工件表面剥离。当他们不想损伤工件表面时，考虑的是他们必须容易进入和接近小特征。自来水厂是一个解决方案，使用水溶性材料，可分解成碱性水溶剂。与容易剥离的低音不同，低音可以任意位于工件深处的嵌入区域，或者与小特征接触，因为机械去除方法可以忽略。此外，水溶性支持物可以保护精细特征。在其他快速成型技术中，对他们来说，在不损坏特征的情况下移除支撑是一个巨大的挑战。

随着水溶性支架的出现，FDM技术提供了一个独特的解决方案——构建一个可操作的集成组件。因为水溶性载体可以分解，所以可以在一次机械操作中构建多件式组件。当SLS或PolyJet中可以实现多件式装配时，应仔细考虑原始零件之间留下的材料。例如，如图3所示的FDM科技的大脑齿轮组无需手工劳动即可完成，并且水溶性支持物可在一定时间内分解。用SLS技术制造同样的工件，可能需要一个多小时的手工劳动来去除齿轮和轴柄上的粉末。有了水溶性支持，整个装配体的CAD数据就可以当作一个工件来处理了。类似地，不需要人工劳动或时间来组装工件。

快速成型设备最好放在电脑设计室，方便工作。要求设备无烟、无振动、无噪音，材料安全无毒。光敏树脂(SLA)的液体原料有毒，需要特别小心处理，需要排气系统将造型过程中产生的有毒烟雾抽出。粉末材料(SLS)需要配备排气系统、吸尘设备、集尘箱和制氮系统；论文(LOM)还需要配备排气系统，将建模过程中产生的烟雾排出；只有美国Stratasys公司的FDM快速成型机只需要在一般的办公环境下运行。许多FDM技术的用户将这项技术视为设计的外围。就其本身而言，为了在过程的早期阶段检查和确认设计概念，该技术已经成为与CAD系统连接并由CAD系统驱动的另一种工具。由于这种应用，FDM技术被用作概念模型工具，以清晰地传达日益复杂的设计。当FDM技术无法从概念模型中提供预期的速度时，它提供了将概念模型与可视化应用相结合的优势。这些优势包括准确性、材料属性、颜色以及无需手动后期处理。虽然材料的强度和硬度不是概念模型的关键，但通常是值得关注的，因为脆弱的模型通常会在最不合适的时候破裂。FDM技术的模式也适用于销售和营销，包括内部和外部。在内部，FDM技术的原型用于在开始制造之前让销售团队、管理层和其他员工看一看产品外观。对外，原型是用来在产品商业化之前引起潜在客户的兴奋和兴趣。

建模、装配和功能模型:对于很多技术来说，快速成型的应用需要在建模、装配和功能分析方面做出一些牺牲。虽然SLA技术和PolyJet技术提供了更好的细节、精度和表面加工精度，但它们不能提供必要的强度和硬度。同样，SLS技术以牺牲准确性和细节为代价提供了力量。

修整样品:快速原型可以作为样品来构建模具。与其他快速原型技术不同，FDM技术可以成功地用于制作样品。但是，需要考虑表面加工精度和用作母模的工件的后处理所需的时间。脱蜡铸造是样品的额外用途，样品必须在它们自己的陶瓷砂壳模具中燃烧和消耗。用FDM技术建造的蜡模和ABS模已被证明适用于陶瓷砂型壳型燃烧消耗的标准铸造工艺。

快速制造(少量多样)快速原型引起人们对短期制造的兴趣，对于小到一个单位的订单来说，这是非常划算的。这种应用要求工件满足许多领域的功能规格。当其精度和材料特性可用时，FDM技术是致力于该应用的少数技术之一。当FDM工件尚未完成时，它可能仅限于视觉和装饰应用，但不会阻止它被用作内部组件或用于那些不需要艺术吸引力的目的。对于快速制造的应用，运行时间将成为一个重要的考虑因素。然而，正如几个用户所证明的那样，几个工件的运行时间明显小于生产模具和成品所需的总时间。