1、第三章 快速成型技术,第一节 快速成型系统的分类、特点及应用范围,快速成形机是分层叠加成形的核心设备,它具备截面轮廓制作和截面轮廓叠合两个功能.简单的说，快速成形就是由三维转换成二维(用软件将三维模型离散化)，再由二维到三维(材料堆积)的工作过程。,一、快速成形制造的基本过程,CAD建模 分层层面信息处理层面加工与粘接层层堆积 后处理,根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代码,清理零件表面，去除辅助支撑结构,由CAD软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体模型,将三维模型沿一定方向（通常为Z向）离散成一系列有序的二维层片（习惯称为分层）,成形机制造一系列层片并自动将它们联
2、接起来，得到三维物理实体,二、快速成型工艺方法,常用的快速成形方法,快速成形制造的主要方法,激光切纸(选择性层片粘接)（LOM）,选择性激光烧结（SLS）,熔融沉积成形(熔融挤压)（FDM）,激光固化(选择性液体固化)（SLA）,立体打印（3DP）,表1 几种典型的快速成型工艺比较,三、快速成形技术在我国的发展,我国最早在快速成型技术方面开展工作的有清华大学、西安交通大学、华中理工大学和北京隆源自动成形系统有限公司。 这些单位早期在开发系统设备方面各有侧重。其中， 清华大学以FDM 和LOM 为主, 西安交通大学则是SLA ，北京隆源自动成形系统有限公司为SLS ，而华中理工大学主要为LOM。
3、,此外, 南京航天大学、上海交通大学、华北工学院等在该领域也做了许多工作。国内的家电行业是对快速成形技术反应最为敏捷的行业，广东的美的、华宝、江苏的春兰、小天鹅，青岛的海尔等，都先后采用快速成形系统来开发新产品, 收到了很好的效果.,四、快速成形的特点,1.快速性：从CAD设计到原型零件制成，一般只需几个小时至几十个小时，速度比传统的成形方法快得多，使快速成型技术尤其适合于新产品的开发与管理； 2.自由性：一是指可以根据零件的形状，无需专用工具的限制而自由地成形，可以大大缩短新产品的试制时间；二是指不受零件形状复杂程度限制，零件的复杂程度和生产批量与制造成本基本无关；,3.高度柔性：仅需改变C
4、AD模型，重新调整和设置参数即可生产出不同形状的零件模型；4.设计制造一体化：快速成型由于采用了离散堆积的加工工艺，使得CAD和CAM能够很好地结合；,5.材料的广泛性：快速成型技术可以制造树脂类、塑料类原型，还可以制造出纸类、石蜡类、复合材料以及金属材料和陶瓷材料的原型。6.技术的高度集成性：RP技术是计算机、数控、激光、材料的综合集成，只有在计算机技术、数控技术、激光器件和功率控制技术高度发展的今天才可能诞生，因此快速成型技术带有鲜明的时代特征。,第二节 熔融沉积成形工艺 FDM,熔融沉积成形又称熔融挤压成形 熔融沉积成形工艺于1988年研制成功，后由美国Stratasys公司推出商品化的
5、3D Modeler 1000和FDM1600等规格的系列产品。最新产品是制造大型ABS原型的FDM8000、Quantum等型号的产品。,熔融沉积成形(FDM)的产品特点,FDM工艺不用激光器件，因此使用、维护简单，成本较低。精度可达0.12mm，适合做薄壁件。污染小，材料可以回收。,用蜡成形的零件原型，可以直接用于蜡铸造。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。由于以FDM工艺为代表的熔融材料堆积成形工艺具有一些显著优点，该类工艺发展极为迅速。,一、熔融沉积成形的基本原理,将热熔性材料（ABS、尼龙或蜡）通过喷头加热器熔化；喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运
6、动，同时将熔化的材料挤出；材料迅速凝固冷却后，与周围的材料凝结形成一个层面；然后将第二个层面用同样的方法建造出来，并与前一个层面熔结在一起，如此层层堆积而获得一个三维实体。（不需激光系统）,二、熔挤系统,挤压头和送丝机构构成熔挤系统塑料丝进入挤压头并加热熔融,在通过喷嘴挤出后沉积到工作台上.辊轮式熔挤系统: 三个主动辊和三个从动辊 主驱动微型电动机 送丝电动机 电阻丝式加热器,辊轮-螺杆式 熔挤系统:,HTS系列熔融挤压台式快速成形机（上海富奇凡）,HTS系列熔融挤压台式快速成形机（上海富奇凡）,在计算机的控制下，根据工件截面轮廓信息，挤压头可作水平X 方向和高度Z 方向的运动，工作台可作水平
7、Y 方向的运动。丝状热塑性材料(如ABS、尼龙丝等)由送丝机构送至挤压头，在其中加热至熔融态，然后，通过直径为0.20.5 mm 的小喷嘴被挤出并沉积在工作台上（见图b），,HTS系列熔融挤压台式快速成形机（上海富奇凡）,快速冷却后形成截面轮廓和支撑结构(见图14c)。工件的一层截面成形完成后，挤压头上升一个截面层的高度（一般为0.10.2 mm），再进行下一层截面的沉积，如此循环，最终形成三维工件。由于必须对工件截面的所有部位逐步进行沉积，因此，比较费时，这种快速成形机比较适合于制作中小型薄壁塑料件。,特点：,采用专利高压螺杆式成形头，成形效率高，能挤压成形增强型塑料。 采用专利精巧龙门式机
8、架，从动惯量小。采用与国外著名公司共同开发的丝料，价格便宜,成形时翘曲变形很小, 无需采取环境保温措施，就能保证成形件具有良好的尺寸精度与表面品质。 体积小、噪音小、无振动， 价格便宜，运行费用低，能作为一般外部设备与普通PC计算机相连接, 是国内外首创适合办公室环境使用的台式快速成形机,参数:,样件:,三、控制系统与驱动系统,1、伺服驱动器和伺服电机伺服驱动器是用来控制 伺服电机的,是伺服电机 的控制部分 。伺服电动机又称执行电动机： 在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类 作用：伺服电机可使控制速度,位置精度非常
9、准确。,伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度 .,2、步进电机和步进驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的 执行机构。当步进驱动器接收到 一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。,步进电机可以作为一种控制用的特
10、种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）等。,闭环控制有反馈环节，通过反馈系统是系统的精确度提高,响应时间缩短,适合于对系统的响应时间,稳定性要求高的系统. 开环控制没有反馈环节，系统的稳定性不高,响应时间相对来说很长,精确度不高,使用于对系统稳定性精确度要求不高的简单的系统.,步进电机和交流伺服电机性能比较 步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。 随着全数字式交流伺服系统的出现，交
11、流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。,（1）控制精度不同,两相混合式步进电机步距角一般为3.6、 1.8，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 、0.36。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8、0.9、0.72、0
12、.36、0.18、0.09、0.072、0.036，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360/10000=0.036。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360/131072=9.89秒。是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655。,（2）低频特性不同,步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的
13、一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。,（3）矩频特性不同,步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额
14、定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。,（4）过载能力不同,步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。,（5）运行性能不同,步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可
15、直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。,（6）速度响应性能不同,步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。 综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。,步进马达的结构见附图：,1、石英手表的核
16、心是微型步进电机，该电机受“秒信号”电脉冲控制，即每一秒转动一个角度，驱动“秒针”前进一步。 2、石英手表的“秒信号”，由晶体振荡器、分频器分频得到，走时精确与否的关键，在与石英晶体振荡器的质量。,交流伺服电机的结构图：,AC伺服马达由马达与编码器，驱动器三部分构成，驱动器的作用是将输入脉波与编码器的位置，速度情况进行比较后来对驱动电流进行控制。 由于AC伺服马达可以通过编码器的位置、速度情报随时检出马达的运转状态，因此，即使是在马达停止时也会向控制器输出警示信号，所以，随时检出马达的异常情况。,四、传动系统,1.滚珠丝杠副滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的
17、产品。,滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器,滚珠丝杠的特点： 1、与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。 2、定位精度高 滚珠丝杠副是用高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温
18、度、湿度进行了严格的控制,由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。,3、微进给可能 滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。 4、无侧隙、刚性高 滚珠丝杠副可以加预压,由于预压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。 5、高速进给可能 滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。,2.直线导轨副 又称滑轨、线性导轨、线性滑轨， 用于直线往复运动场合，拥有比直线轴承更高的额定负载， 同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情
19、况下实现高精度的直线运动.,直线导轨是用于约束机构运动轨迹的，能将部件严格控制在某直线轨迹上，其基件（滑轨）与动件（滑块）间多能承受前后、左右两方向的扭矩及侧边、顶面两方向的正压力，具有导向平滑，垂直负载大，直线轨迹精准等特点。,五、传感器,身体与机器人的对应关系,传感器的重要性（The importance of sensor),传感器的作用（The function of sensor),传感器的作用,1.红外线光电开关(光电传感器 )光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。 它是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对
20、所有能反射光线的物体均可检测。,1.红外线光电开关(光电传感器 )光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。 它是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。,光电开关在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。,根据检测方式的不同，红外线光电开关可分为： 1）漫反射式光电开关 2）镜反射式光电开关 3）对射式光电开关 4）槽式光电开关 5）光纤式光电开关,光电开关应用的环境是影响其长期工作可靠性的重要条件。当光电开关工作于最大检测距离状态时，由于光学透镜会被环境中的污物粘住，甚至
21、会被一些强酸性物质腐蚀，以至降低使用参数特性。,2.光电编码器光电编码器是 一种通过光电 转换将输 出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。,光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。,光栅盘（码盘）,根据量测对象，编码器可分为：（1） 圆盘式光学编码器：以角度为量测对象。 （2） 直线式光学编码器：以长度为量测对象。,根据检测
22、原理，编码器可分为：光学式、磁式、电容式和感应式。,（ 1） 光电式：由刻有光栅之主尺及副尺所构成。 （2） 磁动式：由磁头及镀磁性层之长杆所构成。 （3） 静电电容式：由接收电极之主尺和发射电极及检测电极之副尺构成。 （4） 电磁感应式：由感应式滑块线圈及有刻度尺的金属基版。,根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。 （1）.增量式编码器编码器每转动一个预先设定的角度将输出一个脉冲信号，通过统计脉冲信号的数量来计算旋转的角度，因此编码器输出的位置数据是相对的它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传 输。其缺点是无法
23、输 出轴转动的绝对位置 信息。,增量型编码器 (旋转型),（2）绝对式编码器 绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。,这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可 读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。,它的特点是： a.可
24、以直接读出角度坐标的绝对值； b.没有累积误差； c.电源切除后位置信息不会丢失。但是分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等多种。,(3)混合式绝对值编码器混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息。,六、热电偶热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理是基于赛贝克(seeback)效应,即两种不同成分的导体两端连接成回路，如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。,热电偶测温基本原理将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图所示。当导
25、体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。,热电偶的种类常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。,标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。,其优
26、点是：测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。,七、HTS-300快速机操作步骤,1、打开所需文件,在运动速度项中有： 可忽略线段：当某段线段的长度小于设定值时则予以忽略，单位为 mm。 最大加速度：挤压头在速度变化时允许的最大速度变化量。 拐角容差：为了避免在拐角处，由于挤压头的停顿而导致材料堆积而设置的参数，一般为0.012。
27、 最大速度：挤压头允许的最大速度。,七、HTS-300快速机操作步骤,2、零件与支撑结构的生成与参数设定,在挤料速度因子项中有： 零件：成形工件实体处时的挤料速度（挤料速度=成形头运动速度x 挤料速度因子） 支撑：在制作支撑结构时的挤料速度。 喷嘴直径、温度和层高确定以后，需要调整挤料速度因子，使得丝宽与喷嘴直径相等。,在加工高度项中有： 开始高度和结束高度：表示工件的开始和结束高度。 层高：表示每一层的高度，即挤压头在 Z 轴上每次上升的高度。,在零件位置项中有： X 位置和Y 位置：表示在工作台上X 轴和Y 轴的位置。在零件路径项中有： 填充宽度：丝与丝之间距离。 补偿值：填充丝到轮廓的距
28、离。 轮廓填充次数：轮廓的走丝次数。在支撑路径项中有： 支撑补偿值：支撑边到轮廓距离。,由于喷丝具有一定的宽度,造成填充轮廓路径时与实际轮廓线不重合.故在生成轮廓路径时,对理想轮廓线进行补偿.从理论上来说,补偿量应当是挤出丝宽度的一半.而工艺过程中挤出丝的形状、尺寸受到喷嘴孔直径、分层厚度、挤出速度、填充速度、喷嘴温度、成型室温度、材料黏性系数及材料收缩率等诸多因素的影响,因此,挤出丝的宽度并不是一个固定值,3、选择工件的成形方向,点击工具条上按钮 ，用鼠标拖拽工件图形，改变观察方向，观察工件结构及形状，判断合适的成形方向，例如图25 中的工件，若采用当前的方向成形，易于失稳，需制作的支撑结构
29、太多，所以需要调整方向。可以用鼠标选择编辑-旋转菜单项，弹出如下工件旋转对话框：,4、生成支撑结构,在软件系统界面上，用鼠标选择支撑-生成支撑编辑菜单项，软件弹出如下生成支撑对话框：,5、生成加工路径,在软件系统界面上，用鼠标选择填充数据-生成路径菜单项，软件弹出生成加工路径对话框。在对话框中选择“是(Y)”按钮，接受缺省的加工路径文件名。如果选择“否(N)” ，系统将弹出标准的文件对话框，操作者可以设定新的加工路径文件名。加工路径包括多个文件，为了方便文件管理，应将路径文件放在一个单独的目录中，如：D:RPPATHXXX。,6、调整挤压头相对工作台的位置,在软件系统界面上，用鼠标选择手动操作
30、-平台运动菜单项或 按钮，软件弹出如下平台运动对话框：,在其中 X 轴与Y 轴的“位移”栏内分别键入140 与125 的数值，选中X 轴（或Y 轴），再用鼠标点击此对话框中的“运动开始”项，观察挤压头是否移动到工作台的中心位置。如果需将挤压头放在基底的其他位置，可以根据需要调整X 轴和Y 轴的位置。由于是确定工件的中心点，所以要计算好大小，不要让工件超出基底。这个对话框调整的都是相对位置，所以每一次调整都应记录下来，最后计算出总的位置，然后在工件加工参数对话框中修改相应的X 位置和Y 位置。,然后，在软件系统界面上，用鼠标选择手动操作-Z 轴运动菜单项或 按钮，软件弹出如下Z 轴运动对话框：,
31、根据喷嘴距离工作台上纸基底的高度，在对话框的“位移”项中键入一个小于而接近上述高度的数值（负值下降），并点击开始运动，使喷嘴下降相应的高度。逐步调整，使喷嘴与纸基底之间的的距离为0.1mm 左右。为便于操作，可以在喷嘴下面垫一张打印纸，然后逐渐下降喷嘴，直到打印纸能够移动但有明显阻力时为止。,7、成形过程模拟,点击工具条上按钮 ，在屏幕上观察工件的分层叠加成形过程模拟：,8、估计成形时间,点击工具条上按钮 ，得到在上述参数条件下，完成此工件成形所需的估计时间。用鼠标点击“确定”键自动完成时间计算。,9、自动成形工件,在软件系统界面上，用鼠标点击 按钮 ，屏幕上成形如下对话框：,去掉“需要上升一
32、层”前的勾，点击“确定”后，机器便自动开始成形工件。,挤压头退回到 X=0，Y=0 处。,当跳出如下对话框时，加工完毕：,八、熔挤成形的原材料,1、丝 ABS是最常用的一种熔挤成形材料。测试表明，用ABS丝制作的快速成型件可以达到ABS粒料注射成型件强度的70%-80%，耐热度可达93.3-104 。ABS塑料 化学名称：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物 英文名称:Acrylonitrile Butadiene Styrene 比重:1.05克/立方厘米 成型收缩率:0.4-0.7% 成型温度：200-240 干燥条件：80-90 2小时,2、ABSi丝 与ABS丝相比，ABSi丝有一定的透明度和
33、较高的耐撞击能力。3、聚碳酸酯（PC）丝 PC丝负载能力强于ABS丝，适用于耐高冲击件，测试表明，用PC丝制作的快速成型件可以达到并超过ABS粒料注射成型件的强度，耐热度可达125-145 。,4、聚苯砜（PPSF）丝 与其他溶挤成型材料相比，聚苯砜（PPSF）丝有更好的耐热性、强韧性与抗化学性，其耐热度可达207-230 。5、PABS丝 PABS丝是一种PC丝和ABS丝的混合物，它具有PC丝的强度和ABS丝的韧性，性能明显强于ABS丝。6、尼龙丝 尼龙具有很高的机械强度，软化点高，耐热，磨擦系数低，耐磨损，自润滑性，吸震性和消音性，耐油，耐弱酸，耐碱和一般溶剂,7、合成蜡丝 在熔挤快速成型
34、机上，用合成蜡丝做原材料可直接制作失蜡铸造的蜡模。 失蜡铸造 金属铸造的一种方法 。用蜡制成铸模 ，外敷造型材料，成为整体铸型。加热铸模将蜡化去，形成空腔铸范，浇入液态金属，冷却后得到成型铸件。,第三 节 激光固化快速成形机,一、概述： 液态光敏聚合物选择性固化（Stereo Lithography Apparatus，简称SLA），又称立体平板印刷技术，或称光固化立体造型，是目前世界上研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成形方法。在国际市场上占的份额最大，约为78左右。,基于液态光敏树脂的光聚合原理。将激光聚集到液态光固化材料（如光固化树脂）表面逐点扫描，令其有规律地固化，由点到线到
35、面，完成一个层面的建造。而后升降移动一个层片厚度的距离，重新覆盖一层液态材料，进行第二层扫描，再建造一个层面，第二层就牢固地粘贴到第一层上，由此层层迭加成为一个三维实体。,二、工作原理,三、SLA成形的工艺过程,1.模型设计 在CAD造型软件中完成原型件的几何建模，并将其转化成STL格式。2.模型切片 模型切片指用专用的分层软件对STL格式文件进行分层处理，得到每一层的截面图形及有关的网格矢量数据，用于控制激光束的轨迹。 模型切片还包括层厚、建立模式、固化深度、扫描速度、网格间距、线宽补偿值、收缩补偿因子的选择和确定。,SLA对支撑的要求：,SLA在建立原型件的过程中要设计支撑 支撑的作用：其
36、一是支撑原型件的悬臂或是中空的结构，以顺利建立原型件；其二是使原型件坚固地黏结在建立的底座上，从而避免底座浸入液槽和刮刀刮平表面树脂时，原型件飘起。 支撑在原型件建立后应能方便的去除，所以要考虑其结构，在能够稳定支撑的前提下，尽量设计成容易去除的结构。 支撑结构多为间距为6mm的细筋条，形状为棋盘式网格。,支撑结构示意图,3.原型建立 原型建立指液态光敏树脂逐层固化得到原型件的过程。 工作台初始时在液态光敏树脂液面下一个层厚的距离，通常是0.1250.75mm。每固化一层工作台下降一个层厚的高度。,4.后固化处理 后固化处理指的是用很强的紫外光照射刚成形的原型件，使之充分固化。 原因：刚刚建立
37、的原型件强度低，通过后固化处理才可达到要求的性能。 后固化工序是采用很强的紫外光源使刚刚成形的原型件充分固化，这一工序可以在紫外烘干箱中进行。固化时间根据制件的尺寸大小、形状和树脂特性而定，一般不少于30min。,四、SLA成形系统的组成及各部分的作用,SLA成形系统由激光器、XY运动装置、光敏液态聚合物、液槽、升降台、刮刀和控制软件组成。,1.激光器作用：产生激光SLA成形系统的激光器大多以紫外线为光源SLA用激光器一般有两种类型： 氦镉（HeCd）激光器，输出功率1550mW（毫瓦），属于低能量激光，激光器寿命2000h。 氩（Ar）激光器，输出功率100500mW（毫瓦），属于高能量激光
38、，激光器寿命约5000h。,激光光斑直径一般为0.053.00m，激光位置精度可达0.008mm，重复精度可达0.13mm。2.液槽作用：盛放光敏树脂采用不锈钢制作，其尺寸由原型件尺寸决定。,3.升降台作用：控制成形工件的升降。由电机控制，最小步距在0.02mm以下。4.刮刀作用：保证新一层树脂迅速、均匀的涂覆在已固化的层上，保证每一层厚度均匀。,5 数字控制系统和数字软件作用：（1） 使CAD模型转化成适合于激光固化成形的文件格式，即STL格式，然后对模型进行平面分层，得到每一个截面的形状。（2） 控制激光器、激光束扫描装置、升降台、刮刀的运动。,6、扫描系统,光学振镜式扫描系统主要包括聚焦
39、镜，x-y扫描振镜光学振镜式扫描系统性能的主要指标有扫描速度，定位精度和光斑尺寸扫描振镜的性能是扫描系统性能的决定因素。,7、液位的检测与控制,浮子式液位检测与控制装置浮子，杠杆，转轴与光学检测电路 液位的变化 - 浮子的垂直位移 - 检测头垂直位移 阻挡了光束的照射 表明树脂处于不正确的液位 活塞的升高或降低 恢复液位。,五、成形用光敏树脂,SLA工艺的成形材料是液态光敏树脂，如环氧树脂、乙烯酸树脂、丙烯酸树脂等，都属于热固性材料，在外界一定波长和强度的紫外光照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。,六、SLA成形的优缺点,（一）SLA快速原型技术的优点 1.系
40、统工作稳定。 系统一旦开始工作，构建零件的全过程完全自动运行，无需专人看管，直到整个工艺过程结束。 2.尺寸精度较高，可确保工件的尺寸精度在0.1mm以内。 但国内SLA工件的精度在0.10.3mm之间，并且存在一定的波动性。,3.表面质量较好，工件的最上层表面很光滑，侧面可能有台阶不平及不同层面间的曲面不平。4.系统分辨率较高，因此能构建复杂结构的工件。5.成形速度较快。,（二）SLA快速原型技术的缺点,1.需要专门实验室环境，维护费用高昂。2、成型件需要后处理，二次固化，防潮处理等工序。 3.光敏树脂固化后较脆，易断裂，可加工性不好；工作温度不能超过100，成形件易吸湿膨胀，抗腐蚀能力不强
41、。 随着时间推移，树脂会吸收空气中的水分，使聚合物收缩产生内部应力，导致软薄部分的弯曲和卷翅。,4.氦-镉激光管的寿命仅2000小时，价格较昂贵，运行费用高。5.可选择的材料种类有限，必须是光敏树脂。由这类树脂制成的工件在大多数情况下都不能进行耐久性和热性能试验，且光敏树脂对环境有污染，使皮肤过敏。,6.需要设计工件的支撑结构，以便确保在成型过程中制作的每一个结构部位都能可靠定位。 支撑结构需在未完全固化时手工去除，容易破坏成型件。,七、SLA成形的用途,SLA快速原型技术适合于制作中小形工件，能直接得到塑料产品。主要用于概念模型的原型制作，或用来做装配检验和工艺规划。它还能代替蜡模制作浇铸模
42、具，是目前较为成熟的快速原型工艺。,选择性层片粘接工艺 LOM (Laminated Object Manufacturing)，LOM工艺由美国Helisys公司于1986年研制成功。 这种方法的代表是美国Helisys公司的LOM-1050和LOM-2030成形机，日本Kira公司的KSC-50成形机。,第四节 激光切纸快速成形机,一工作原理,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，使之与下面已成型的工件粘接。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
43、成后，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，带动料带移动，使新层移到加工区域。工作合上升到加工平面，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。最后，去除切碎的多余部分，得到分层制造的实体零件。,LOM原型件制作完成后拆解原型件情形,计算机原材料存储及送进机构热粘压机构激光切割系统可升降工作台数控系统和机架。 软件包括： 1)STL文件的纠错和修补软件； 2)三维模型的切片软件； 3)激光切割速度与切割功率的自动匹配软件； 4)激光光束宽度的自动补偿软件。,二、 LOM系统组成,LOM 2
44、030 H机器外观,LOM 1015 PLUS机器外观,表1 LOM 2030 H与 LOM 1015 PLU机器规格,1、 LOM系统的优点 (1)制件精度较高； (2)只须对轮廓线进行切割，制作效率高； (3)无需设计支撑； (4)制成的样件有类似木质制品的硬度，稍作处理后可在200以下环境中使用，可进行一定 的切削加工； (5)所用激光器寿命达20000小时； (6)构形材料价格便宜且无污染。,三、 LOM系统性能特点,2、LOM系统的缺点 (1)不能直接制作塑料件； (2)表面粗糙度较高，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
45、件缺少弹性。,3、LOM样件的主要应用：（1)直接制作纸质功能零件，用于外观评价、结构设计验证。（2)利用材料的粘接性能，可制作尺寸较大的制件，也可制作复杂的薄壁件。,运用 LOM 快速原型系统所制作薄壳件,LOM 快速原型件(左)与铸造成品(右),第五节 激光烧结快速成形机,概述 粉末材料选择性激光烧结（Selected Laser Sintering，简SLS）快速成形技术，和SLA类似，也是用激光束来扫描各层材料，从而得到三维实体的方法，但用粉末（塑料粉、金属粉、陶瓷粉）代替液体聚合物。目前，以该工艺制造的快速零件制品市场占有率约为9。,一、SLS成形原理,1.在开始加工之前，先将充有氮
46、气的工作室升温，温度保持在粉末的熔点以下。 2.成型时，送料筒上升，铺粉滚筒移动，先在工作平台上铺一层粉末材料，,3.激光束在计算机控制下，按照截面轮廓对实心部分所在的粉末进行烧结，使粉末熔化并相互黏结，继而形成一层固体轮廓，未经烧结的粉末仍留在原处，作为下一层粉末的支撑,4.第一层烧结完成后，工作台下降一截面层的高度，再铺上一层粉末，进行下一层烧结，如此循环，形成三维的原型零件。5.最后经过5-10小时冷却，即可从粉末缸中取出零件。,二、 SLS成形机的系统组成,SLS成形机组成： 激光烧结系统 升温系统（预热装置） 供粉活塞缸 成形活塞缸 计算机控制系统等组成。,预热装置由辐射加热器，温度
47、检测装置与温控器组成。预热装置的作用：给成型活塞缸上的粉材进行预先加热，以便减少激光能量的消耗和零件烧结的翘曲变形。温度检测器用于检测粉层的温度，并将检测温度传至温控器，使粉层保持在设定的预热温度。,三、 SLS快速原型技术的优缺点,1、SLS快速成形技术的优点 （1）与其他工艺相比，能生产很硬的模具，有直接金属型的概念。（2）可以采用多种原料，例如绝大多数工程用塑料、蜡、金属、陶瓷等。 （3）无需对零件进行后矫正。 （4）无需设计和构造支撑。 （5）最大优点是可选用多种材料，适合不同的用途、所制作的原型产品具有较高的硬度，可进行功能试验。,2、SLS快速原型技术的缺点 （1）需要专门实验室环境，维护费用高昂。 （2）在加工前，要花近2小时的时间将粉末加热到熔点以下，当零件构建之后，还要花5-10小时冷却， 然后才能将零件从粉末缸中取出。 （预热和冷却时间长，总的成形周期长） （3）成形件强度和表面质量较差，精度低。表面粗糙度的高低受粉末颗粒大小及激光光斑的限制。,
