快速成型材料与设备

第3章快速成型材料及设备3．1 快速成型材料快速成型材料一直是快速成型技术研究与开发的重要任务之一，每一种快速成型制造工艺的推出和成熟都与材料研究与开发密切相关。

一种新的快速成型材料的出现往往会使快速成型工艺及设备结构、成型件品质和成型效益发生巨大的进步。

快速成型材料根据原型建造原理、技术和方法的不同分为薄层材料、液态材料、粉状材料、丝材等。

不同的成型制造方法对应的成型材料的性状是不同的，不同的成型制造方法对成型材料性能的要求也是不同的。

在快速成型技术推出初期，一般都是快速成型设备的制造商在从事所需求的材料的研究。

但随着快速成型技术的发展和推广，许多材料专业公司也加入到快速成型材料的研发中，成型材料正向高性能、系列化的方向发展。

快速成型材料一般根据成型工艺方法来分类，分为光固化成型材料、粉末烧结材料、熔融沉积丝材及叠层实体薄层材料等。

根据目前较为常用的快速成型用的材料来看，一般根据材料的性状分类比较清晰，分为液态材料、薄层材料、粉末材料、丝状材料等。

常见的快速成型材料分类见表3－1。

快速成型材料及其性能不仅影响着所制作原型的性能及精度，而且也影响着与成型工艺相关联的建造过程。

快速成型工艺对成型材料性能的总体要求有如下几个方面：1）适应逐层累加方式的快速成型建造模式。

2）在各种快速成型建造方式下，能快速实现层内建造及层间连接。

3）制作的原型具有一定的尺寸精度和尺寸稳定性。

4）确保原型具有一定的力学性能及性能稳定性。

5）无毒无污染。

3．1．1光固化快速成型材料用于光固化快速成型的材料为液态光固化树脂，或称液态光敏树脂。

随着光固化成型技术的不断发展，具有独特性能的光固化树脂（如收缩率小甚至无收缩，变形小，不用二次固化，强度高等）也不断地被开发出来。

1．光固化成型材料分类光固化材料是一种既古老又崭新的材料，与一般固化材料比较，光固化材料具有下列优点。

1）固化快。

可在几秒钟内固化，可应用于要求立刻固化的场合。

一、实习目的随着科技的不断发展，快速成型技术（Rapid Prototyping，简称RP）在制造业中的应用越来越广泛。

为了更好地了解这一先进技术，提高自己的实践能力，我参加了为期两周的快速成型技术实习。

本次实习旨在通过实际操作，掌握快速成型技术的原理、设备、工艺流程以及应用领域，为今后从事相关工作打下基础。

二、实习内容1. 快速成型技术原理快速成型技术是一种将计算机辅助设计（CAD）模型快速转化为三维实物的技术。

其原理是将CAD模型离散化，生成一系列的切片数据，然后通过逐层堆积的方式，将材料堆积成实体。

2. 快速成型设备本次实习主要使用了以下几种快速成型设备：立体光固化快速成型机（SLA）：利用紫外激光照射液态光敏树脂，使其固化成一层，然后进行下一层的固化，直至整个模型成型。

选择性激光烧结（SLS）设备：利用高能激光束将粉末材料烧结成层，直至整个模型成型。

熔融沉积建模（FDM）设备：利用热熔挤出机将熔融的塑料材料挤出，在计算机控制的运动平台上堆积成层，直至整个模型成型。

3. 快速成型工艺流程快速成型工艺流程主要包括以下步骤：CAD建模：使用CAD软件进行三维建模，生成STL格式的切片数据。

切片处理：将CAD模型切片处理成二维层片，每层厚度约为0.1-0.2mm。

模型成型：根据切片数据，使用相应的快速成型设备进行模型成型。

后处理：对成型的模型进行打磨、抛光等后处理，提高模型的表面质量。

4. 快速成型应用领域快速成型技术在以下领域具有广泛的应用：产品开发：快速成型可以用于新产品的设计验证和原型制作，缩短产品开发周期。

模具制造：快速成型可以用于快速制造模具，降低模具制造成本。

逆向工程：快速成型可以用于逆向工程，将实物模型转化为三维CAD模型。

教育科研：快速成型可以用于教育和科研，培养学生的实践能力和创新思维。

三、实习体会通过两周的快速成型技术实习，我深刻体会到以下几方面：1. 快速成型技术是一种高效、便捷的制造技术，可以缩短产品开发周期，降低成本。

机械设计中的快速成型技术有哪些在当今的机械设计领域，快速成型技术正发挥着日益重要的作用。

它为设计师和工程师们提供了一种高效、精确且创新的方法来将概念转化为实际的产品模型。

那么，究竟有哪些常见的快速成型技术呢？首先，我们来谈谈 3D 打印技术。

这是目前应用最为广泛的快速成型技术之一。

它通过逐层堆积材料的方式来构建物体。

常见的 3D 打印材料包括塑料、金属、陶瓷等。

根据不同的技术原理，3D 打印又可以分为熔融沉积成型（FDM）、光固化成型（SLA）、选择性激光烧结（SLS）等多种类型。

熔融沉积成型（FDM）是一种相对简单且成本较低的3D 打印技术。

它将丝状的热塑性材料通过加热喷头挤出，按照预定的路径逐层堆积，形成三维物体。

这种技术适用于制作一些对精度要求不是特别高，但需要快速获得原型的产品，比如简单的机械零件、模型等。

光固化成型（SLA）则利用紫外线激光照射液态光敏树脂，使其逐层固化成型。

由于其能够实现较高的精度和光滑的表面质量，常用于制作具有复杂形状和精细结构的零件，如珠宝模具、医疗器械部件等。

选择性激光烧结（SLS）则适用于打印金属、陶瓷等粉末材料。

激光束按照模型的切片信息有选择地烧结粉末，未被烧结的粉末则起到支撑作用。

这种技术能够制造出具有高强度和良好机械性能的零件。

除了 3D 打印，立体光刻技术（Stereolithography）也是一种重要的快速成型方法。

它使用紫外线激光逐层固化液态光敏树脂，从而构建出三维物体。

与 3D 打印中的光固化成型技术相似，但在精度和细节表现上可能更具优势。

还有一种常见的快速成型技术是分层实体制造（LOM）。

它将薄片材料（如纸、塑料薄膜等）逐层粘结在一起，然后通过激光切割或刀具切割出零件的轮廓。

这种技术的优点是成型速度快，适用于制作大型零件的原型。

数控加工（CNC）虽然不是严格意义上的快速成型技术，但在机械设计中也经常被用于快速制造零件。

通过计算机控制机床对材料进行切削、钻孔、铣削等加工操作，可以获得高精度的零件。

快速成型技术1、快速成型简介快速成型（RP）技术是九十年代发展起来的一项先进制造技术，是为制造业企业新产品开发服务的一项关键共性技术, 对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极的推动作用。

自该技术问世以来，已经在发达国家的制造业中得到了广泛应用，并由此产生一个新兴的技术领域。

RP技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。

不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。

但是，其基本原理都是一样的，那就是"分层制造，逐层叠加"，类似于数学上的积分过程。

形象地讲，快速成形系统就像是一台"立体打印机"。

2、RP 技术的原理RP 技术是采用离散∕堆积成型的原理, 由CAD 模型直接驱动的通过叠加成型方出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型, 根据工艺要求将其按一定厚度进行分层, 把三维电子模型变成二维平面信息(截面信息), 在微机控制下, 数控系统以平面加工的方式有序地连续加工出每个薄层并使它们自动粘接成型, 图1 为RP 技术的基本原理。

图1 RP 技术的基本原理。

RP 技术体系可分解为几个彼此联系的基本环节: 三维CAD 造型、反求工程、数据转换、原型制造、后处理等。

2.1立体光固化成型(SLA)该方法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型方法。

SLA 技术原理是计算机控制激光束对光敏树脂为原料的表面进行逐点扫描, 被扫描区域的树脂薄层( 约十分之几毫米) 产生光聚合反应而固化, 形成零件的一个薄层。

工作台下移一个层厚的距离, 以便固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂, 进行下一层的扫描加工, 如此反复, 直到整个原型制造完毕。

由于光聚合反应是基于光的作用而不是基于热的作用, 故在工作时只需功率较低的激光源。

此外,因为没有热扩散, 加上链式反应能够很好地控制, 能保证聚合反应不发生在激光点之外, 因而加工精度高, 表面质量好, 原材料的利用率接近100%, 能制造形状复杂、精细的零件, 效率高。

职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库铜合金铸件铸造技术课程教案叠层实体快速成型制作人：杨兵兵陕西工业职业技术学院叠层实体快速成型一、叠层实体制造工艺的基本原理和特点1.叠层实体快速成型工艺的基本原理由计算机、材料存储及送进机构、热粘压机构、激光切割系统、可升降工作台和数控系统和机架等组成。

首先在工作台上制作基底，工作台下降，送纸滚筒送进一个步距的纸材，工作台回升，热压滚筒滚压背面涂有热熔胶的纸材，将当前迭层与原来制作好的迭层或基底粘贴在一起，切片软件根据模型当前层面的轮廓控制激光器进行层面切割，逐层制作，当全部迭层制作完毕后，再将多余废料去除。

如图1所示。

图1 叠层实体制造技术的原理简图在叠层实体快速成型机上，截面轮廓被切割和叠合后所成的制品如下图所示。

其中，所需的工件被废料小方格包围，剔除这些小方格之后，便可得到三维工件。

如图2所示。

图2 截面轮廓及网格废料2.叠层实体快速成型技术的特点优点：（1）原材料价格便宜，原型制作成本低（2）制件尺寸大（3）无须后固化处理（4）无须设计和制作支撑结构（5）废料易剥离（6）热物性与机械性能好，可实现切削加工（7）精度高（8）设备可靠性好，寿命长（9）操作方便缺点：（1）不能直接制作塑料工件（2）工件的抗拉强度和弹性不够好（3）工件易吸湿膨胀（4）表面有台阶纹，需打磨二、叠层实体快速成型的材料和设备1.叠层实体快速成型材料薄层材料:纸、塑料薄膜、金属箔等粘结剂:热熔胶制备工艺：涂布工艺纸的性能要求：1）抗湿性2）良好的浸润性3）抗拉强度4）收缩率小5）剥离性能好6）易打磨，表面光滑7）稳定性热熔胶：（1）良好的热熔冷固性（约70~100℃开始熔化，室温下固化）（2）在反复“熔融－固化”条件下，具有较好的物理化学稳定性。

（3）熔融状态下与纸具有较好的涂挂性和涂匀性。

（4）与纸具有足够粘结强度。

（5）良好的废料分离性能。

涂布工艺：涂布工艺有涂布形状和涂布厚度两个方面。

快速成型设备总结快速成形机系统中比较成熟的有SLA、SLS、LOM和FDM等方法。

本文将对这几种方法得成型材料、制件性能、主要用途、方法特点、优缺点及研究单位几个方面进行介绍：一、SLA（光固化成型法）成形材料：液态光敏树脂；制件性能：相当于工程塑料或蜡模；主要用途：高精度塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。

方法的特点：精度高、表面质量好、原材料利用率将近100%，能成型形状特别复杂(如空心零件)、特别精细（如手饰、工艺品等）的零件。

缺点是设备价格相对较贵。

优点：1、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。

2、尺寸精度较高，可确保工件的尺寸精度在0.1mm以内。

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。

缺点：1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

研究单位：美国: 3D Systems公司——SLA系列，Aaroflex公司日本: SONY/D-MEC公司，Teijin Seiki公司德国: EOS公司（价格在百万以上）二、SLS（激光选区烧结法）成形材料：工程塑料粉末；如聚碳酸酯、尼龙、覆膜金属制件性能：相当于工程塑料、蜡模、砂型；主要用途：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型特点：机器比较昂贵,制作的零件表面粗糙，后处理比较麻烦,例如要在表面涂敷环氧树脂固化、打磨等。

还有一个问题是成型件的致密程度较差。

机械设计中的快速成型技术如何发展在当今科技飞速发展的时代，机械设计领域也在不断寻求创新和突破。

快速成型技术作为一项具有重要意义的制造手段，正逐渐改变着机械设计的流程和方式。

那么，这项技术在未来将如何发展呢？快速成型技术，也被称为增材制造技术，它是一种基于离散堆积原理，通过逐层添加材料来构建三维物体的制造方法。

与传统的减材制造方法相比，快速成型技术具有诸多优势。

它能够快速地将设计理念转化为实际产品，大大缩短了产品开发周期，降低了开发成本。

同时，它还能够制造出复杂形状的零件，突破了传统制造工艺的限制。

在材料方面，快速成型技术未来将不断拓展可用材料的种类。

目前，常用的材料包括塑料、金属、陶瓷等，但随着技术的进步，更多高性能、特殊功能的材料将被应用于快速成型。

例如，具有高强度、高韧性的新型合金材料，能够满足航空航天等高端领域对零件性能的严格要求；具有生物相容性的材料，可用于医疗领域的人体器官制造；具有耐高温、耐腐蚀性能的材料，适用于极端环境下的机械部件生产。

在精度和表面质量方面，快速成型技术也有着巨大的提升空间。

通过不断改进设备的精度控制、优化工艺参数以及采用更先进的扫描和沉积技术，未来快速成型制造的零件精度将能够达到甚至超越传统加工方法的水平。

同时，表面质量也将更加光滑、细腻，减少后续处理的工作量，提高产品的整体质量和性能。

多材料复合成型是快速成型技术发展的一个重要趋势。

在一个零件中集成多种不同性能的材料，能够实现零件功能的最优化。

例如，在机械传动部件中，可以将耐磨材料用于接触表面，高强度材料用于承受载荷的部位，而轻质材料则用于减轻整体重量。

这种多材料复合成型技术将为机械设计带来更多的创新空间，使产品能够更好地满足复杂的工作条件和性能要求。

快速成型技术与其他制造技术的融合也将成为未来发展的方向。

例如，与传统的铸造、锻造、切削加工等技术相结合，取长补短，形成更加高效、灵活的制造体系。

通过快速成型技术制造出复杂形状的毛坯，再经过传统加工方法进行后续的精度加工，可以在保证产品质量的前提下，提高生产效率，降低成本。

FDM快速成型资料FDM熔融堆积成型设备和样件展示，供应上海快速成型，供应苏州快速成型，供应无锡快速成型，FDM熔融堆积成型加工设备:美国进口MC400 MC900进口FDM快速成型机最大加工尺寸:914×609×914mm加工材料：ABS，PC（聚碳酸酯），PC-ABS ,PPSF使用范围：可以直接制作结构复杂的装配原型件，适合电动工具，汽车零部件的设计开发，和性能验证。

工艺介绍：美国的Stratasys是FDM工艺的主要设备生产商。

这种工艺于1988年被开发出来。

工艺的基础就是将热塑性塑料聚合体材料加热熔融成丝，像挤牙膏一样从喷头挤出，堆积在成型面上成型。

设备涵盖从构建快速概念模型到慢速高精密模型的不同应用区间。

材料包括聚酯、ABS、弹性体材料、以及熔模铸造用蜡。

代表现代手板行业最新技术。

性能特点:*选用标准工程热塑性塑料，如ABS，PC等可以用来生产结构功能原型；*成型时可以使用两种材料，而且内部可以使用栅格结构来节省材料，加快成型速度；*热塑性塑料聚合物细丝从喷头挤出就像挤牙膏，俗称喷丝；*处在较低温度的平台时热塑性材料就迅速冷却；FDM快速成型360MCFDM快速成型360MC产品简介基本系统：-14 x 10 x 10 inches（355 x 254 x 254 mm）-两个自动载入材料槽（92 cubic inches each）-1 个成型材料-1 个支撑材料选购成型空间升级：-16 x 14 x 16 inches（406 x 356 x 406 mm）-四个自动载入材料槽（92 cubic inches each）-2 个成型材料-2 个支撑材料真实的材料：ABS-M30.最新式的材料，ABS-M30材料，是专为FDM 制造加工中心系统所发展的，有着显着超越标准ABS的增进，包含了张力强度、撞击强度以及弯曲强度。

ABS-M30材料的机械属性比起标准的ABS材料提高了67％的强度，扩大了模型功能性测试的应用范围。

一、实验背景随着科技的发展，快速成型技术（Rapid Prototyping，简称RP）作为一种新型的制造技术，在工业设计、航空航天、医疗等领域得到了广泛应用。

为了使学生们深入了解快速成型技术，提高动手能力，本次实验选取了快速成型技术作为实训内容。

二、实验目的1. 了解快速成型技术的原理、工艺流程及设备特点；2. 掌握快速成型技术的操作方法，提高动手能力；3. 培养学生的创新思维和团队协作能力；4. 为今后从事相关领域的工作打下基础。

三、实验内容1. 快速成型技术原理及设备介绍快速成型技术是一种以数字模型为基础，快速制造出实物原型或零件的技术。

其原理是将CAD模型通过切片处理，生成一系列的截面轮廓，再通过堆积的方式，将材料逐层成型，最终形成三维实体。

快速成型设备主要包括：激光快速成型机、立体光固化机、熔融沉积成型机等。

本次实验以熔融沉积成型机（Fused Deposition Modeling，简称FDM）为例进行实训。

2. 实验步骤（1）准备实验材料：FDM设备、PLA材料、计算机、CAD软件等。

（2）设计模型：使用CAD软件设计所需的三维模型，并进行切片处理。

（3）导入模型：将切片后的模型导入FDM设备。

（4）成型过程：启动FDM设备，设备将PLA材料加热至熔融状态，然后按照模型轮廓逐层堆积成型。

（5）后处理：成型完成后，对模型进行脱模、清理等后处理。

3. 实验结果与分析本次实验成功制作出所需的三维模型，实验结果如下：（1）模型外观与设计相符，尺寸精度较高。

（2）成型过程中，设备运行稳定，操作简便。

（3）PLA材料具有良好的成型性能，成型后表面光滑。

（4）实验过程中，团队成员分工明确，协作良好。

四、实验总结1. 通过本次实验，使学生掌握了快速成型技术的原理、工艺流程及设备特点。

2. 学生们的动手能力得到了提高，为今后从事相关领域的工作打下了基础。

3. 培养了学生的创新思维和团队协作能力。

4. 在实验过程中，发现了一些问题，如模型精度有待提高、设备操作需加强等。