第一章绪论
1.1引言
当今时代，制造业市场需求不断向多样化、高质量、高性能、低成本、高科技的方向发展，一方面表现为消费者兴趣的短时效和消费者需求日益主体化、个性化和多元化；另一方面则是区域性、国际市场壁垒的淡化或打破，要求制造业的厂商必须着眼于全球市场的激烈竞争。因此快速地将多样化、性能好的产品推向市场成为了制造业厂商把握市场先机的关键，由此导致了制造价值观从面向产品到面向顾客的重定位，制造战略重点从成本与质量到时间与响应的转移，也就是各国致力于CIMS（Computer Integrated Manufacture System）、并行工程、敏捷制造等现代制造模式的研究与实践的原因[1]。 快速成型(Rapid Prototyping)技术正是在这种时代的需求下应运而生的，是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术等基础上集成发展起来的一项先进制造技术，对促进企业产品创新、缩短开发周期、降低开发成本、提高产品竞争力有积极推动作用，例如RP技术的应用使从设计到实际投产开发时间减少了60%，甚至90%[2]。它可以在无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下，直接接受产品设计（CAD）数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型。由传统的“去除法”到今天的“增长法”，由有模制造到无模制造，这就是RP技术对制造业产生的革命性意义[2]。自出现以来，快速成型技术就以其全新的制造思想、迅速的产品制造速度、灵活多变的产品模型，受到学术界和制造业 的极大关注。快速成型技术由于适应了现代先进制造技术的发展需求，发展十分迅猛，在发达国家已经成为一个新产业分支和先进制造技术的一门支柱产业[3]。
随着制造工艺和材料科学的发展，RP技术快捷的技术优势将会越来越明显，其应用的领域也将越来越广泛。快速成型产品的研发速度是RP技术的优势之一，是推动RP技术发展的重要动力。但是，目前快速成型制件的精度还不能令人满意，成为制约RP技术发展的重要因素。因而探索提高RP制件精度的有效方法，是快速成型领域尚待进一步研究和开发的重要课题。京津冀一体化
1.2快速成型技术概述
1.2.1 RP系统的基本工作原理
不同种类的快速成型系统因所用成型材料不同，成型原理和系统特点也各有不同。但其基本工作原理都是一样的，那就是“分层制造，逐层叠加”，类似于数学上的积分过程。形象地比喻：快速成型系统相当于一台“立体打印机”。将一个复杂的三维物理实体离散成一系列二维层片的加工，是一种降维制造的思想，大大降低了加工难度，并且成形过程的难度与待成形的物理实体
的形状和结构的复杂程度无关[4]。如图1.1所示：辉南四中
（1）二维打印 （2）三维成型
摩托罗拉l2
图1.1 RP 基本工作原理
1.2.2 RP
图1.2 RP 技术的基本原理
意象与意境
快速成型技术采用离散/堆积成型原理，首先由CAD 软件设计出所需零件的计算机三维曲面模型或实体模型；然后根据不同的工艺要求，按一定的规则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（习惯称为分层或切片），把三维数字模型变成一系列厚度很薄的二维层片模型；再根据每个层片的轮廓信息进行工艺规划，选择合适的加工参数，自动生成数控代码；最后材料 叠加 模型 离散
由成形机（数控机床）接受指令控制激光器（或喷嘴）有选择性地烧结一层接一层的粉末材料（或固化一层又一层的液态光敏树脂，或切割一层又一层的片状材料，或喷射一层又一层的热熔材料或粘合剂）形成一系列具有一个微小厚度和特定形状的片状实体，再采用熔结、聚合、粘结等手段使其逐层堆积成一个三维物理实体。实际上就是基于“生长”或“添加”材料原理一层一层地离散叠加，从底到顶完成零件的制作过程，如图1.2所示[5]。
1.2.3 快速成型技术的分类
自美国3D公司1988年推出第一台商品SLA快速成型机以来，到现在已经有十几种不同的成型系统，其中比较典型的有SLA、SLS、LOM和FDM等方法。
（1）光固化快速成型工艺（SLA）的成型机理
光固化快速成型工艺（Stereo lithography Apparatus，SLA）的成型原理如图1-3所示。它以主液槽中的光敏树脂为原料，在计算机控制下，使特定波长的激光按零件各分层截面数据对液态光敏树脂表面逐点扫描，聚集光斑扫描处的液态树脂吸收能量，使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，从而形成制件的一个截面轮廓薄层；成型过程开始时，可升降的工作台处于液面下一个截面层厚的高度，一层固化完毕后，工作台下降一层高度，在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂以便进行下一层扫描固化；然后刮板将粘度较大的树脂液面刮平，进行下一层的扫描固化，新固化的一层牢固地粘结在前一层上；如此重复，依次逐层堆积直到整个零原件型制作完毕[6]。最后升降台升出液体树脂表面，即可取出工件，进行清洗和表面光洁处理。
图1.3 SLA成型机理
光敏树脂选择性固化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。它还能代替腊模制作浇铸模具，以及作为金属喷涂模、环氧树脂模和其他软模的母模，使目前较为成熟的快速原型工艺。
SLA快速原型技术的优点是：第一是系统工作稳定。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；第二是尺寸精度较高，可确保工件的尺寸精度在0.1mm以内；第三是表面质量较好，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；热解焚烧炉
第四是系统分辨率较高，因此能构建复杂结构的工件。
SLA快速原型的技术缺点：第一是随着时间推移，树脂会吸收空气中的水分，导致软薄部分的弯曲和卷翅。第二是氦-镉激光管的寿命仅3000小时，价格较昂贵。同时需对整个截面进行扫描固化，成型时间较长，因此制作成本相对较高。第三是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。第四是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委都能可靠定位[7]。神经节苷脂钠
（2）选择性激光烧结成型（SLS）的成型机理
选择性激光烧结成型工艺（Selective Laser Sintering，SLS）采用二氧化碳激光器对粉末材料（塑料粉、陶瓷与粘结剂的混合粉、金属与粘结剂的混合粉等）进行选择性烧结，是一种由离散点一层层对集成三维实体的工艺方法。其成型原理如图1.4所示。
在开始加工之前，先将充有氮气的工作室升温，并保持在粉末的熔点以下。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，然后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，使粉末溶化继而形成一层固体轮廓。在非烧结区的粉末仍呈松散状，作为工件下一层粉末的支撑。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。最后经过5-10小时冷却，即可从粉末缸中取出零件。未经烧结的粉末能承托正在烧结的工件，当烧结工序完成后，取出零件，未经烧结的粉末基本可自行脱落。
图1.4 SLS工艺成型机理
SLS工艺适合成型中小件，能直接的到塑料、陶瓷或金属零件，零件的翘曲变形比液态光敏树脂选择
性固化工艺要小。但这种工艺仍需对整个截面进行扫描和烧结，加上工作室需要升温和冷却，成型时间较长。此外，由于受到粉末颗粒大小及激光点的限制，零件的表面一般呈多孔性。在烧结陶瓷、金属与粘结剂的混合粉并得到原型零件后，须将它置于加热炉中，烧掉其中的粘结剂，并在孔隙中渗入填充物，其后处理复杂。
SLS快速原型工艺适合于产品设计的可视化表现和制作功能测试零件。由
于它可采用各种不同成分的金属粉末进行烧结、进行渗铜等后处理，因而其制成的产品可具有与金属零件相近的机械性能，故可用于制作EDM电极、直接制造金属模以及进行小批量零件生产[8]。
SLS快速原型技术的优点是：与其他工艺相比，能生产最硬的模具；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；零件的构建时间短，可达到1in/h高度；无需对零件进行后矫正；无需设计和构造支撑。选择性烧结的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。
SLS快速原型技术缺点是：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；表面的粗糙度收粉末颗粒大小及激光点的限制；零件的表面一般是多孔性的，为了使表面光滑必须进行后处理；需要对加工室不断充氮气以确保烧结过程的安全性，加工的成本高；该工艺产生有毒气体，污染环境。
（3）分层实体制造工艺的成型机理
分层实体制造（Laminated Object Manufacturing）快速原型技术是薄片材料叠加工艺，简称LOM。LOM成型原理如图1.5所示。
箔材叠层实体制作是根据三维CAD模型每个截面的轮廓线，在计算机控制下，发出控制激光切割系统的指令，使切割头作X和Y方向的移动。供料机构将地面涂有热溶胶的箔材（如涂覆纸、涂覆陶瓷箔、金属箔、塑料箔材）一段段的送至工作台的上方[9]。激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓用二氧化碳激光束对箔材沿轮廓线将工作台上的纸割出轮廓线，并将纸的无轮廓区切割成小碎片。
然后，由热压机构将一层层纸压紧并粘合在一起。可升降工作台支撑正在成型的工件，并在每层成型之后，降低一个纸厚，以便送进、粘合和切割新的一层纸。最后形成由许多小废料块包围的三维原型零件。然后取出，将多余的废料小块剔除，最终获得三维产品。
图1.5 LOM工艺成型机理
适合制作大中型原型件，翘曲变形较小，尺寸精度较高，成型时间较短，
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