【正文】 第 1 章 緒論 快速成型技術(shù) 制造業(yè)是社會物質(zhì)財富的主要來源，是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，反映出一個國家或地區(qū)的科技發(fā)展水平、經(jīng)濟實力、生活質(zhì)量及國防能力等，而隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展以及社會對效率的越來越重視，一種更適應(yīng)社會發(fā)展的新的成型技術(shù)一一快速成型技術(shù)帶來了兼具快速與高效的革命。 快速成型技術(shù)是計算機輔助設(shè)計及制造技術(shù)、逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)(SFT)、材料去除成型 (MPR)或材料增加成型 (MAP)技術(shù)以及它們的集成。簡單地說，快速成型 技術(shù)就是充分結(jié)合三維 CAD 數(shù)據(jù)，通過快速成型機的運作，將材料一層層地堆積成實體原型。該技術(shù)借助精密傳動、激光、計算機、數(shù)控等一系列現(xiàn)代化手段，將計算機輔助設(shè)計 ((CAD)和計算機輔助制造 ((CAM)集成一體，可以自動、直接、精確、快速地把想要設(shè)計的物體從思想模型轉(zhuǎn)化為具有一定功能的實體原型或模具，從而可以對產(chǎn)品進行快速準確的修改、分析和評價，大大縮短了制造周期。該技術(shù)不但己經(jīng)廣泛應(yīng)用于工藝設(shè)計、家電制造、船舶、航空航天、汽車、醫(yī)療、建筑等領(lǐng)域，而且越來越多的藝術(shù)領(lǐng)域工作者也開始青睞這一技術(shù)。 在各類 快速成型技術(shù)中，三維快速成型打印技術(shù)被譽為其中最有生命力的技術(shù)，具有設(shè)備和操作簡單、材料類型廣泛、材料便宜、成型過程中無污染、成型精度高、成形速度快等優(yōu)點，該技術(shù)成本低廉，運行及維護費用低，可靠性高，而且不需要專門的支撐材料。三維快速成型打印技術(shù)的粉末成型材料類型很廣，可以是陶瓷、塑料、石膏、金屬或者一些復(fù)合材料。其中，石膏粉末具有成型硬化速度快、成形精度高、強度好、價格低廉、無毒環(huán)保、適合模型驗證等優(yōu)點，因此本研究選用石膏粉末作為基材，通過對其進行改性并加入一定比例的其他粉末及添加劑。三維快速成型打印技術(shù) 能夠普及性地改變傳統(tǒng)的零件設(shè)計模式，傳統(tǒng)的零件設(shè)計軟件一般都是二維的三視圖，以至于即使這些設(shè)計軟件能給設(shè)計者帶來很好的立體效果，但是仍然沒有真正意義上的三維模型實體，而此種技術(shù)將使三維實體設(shè)計成為可能。通過計算機軟件的簡單設(shè)計，再利用三維立體打印機成型，在很短時間內(nèi)便可實現(xiàn)從計算機設(shè)計模型到三維實物的轉(zhuǎn)變，減少了不必 要的浪費，可以加快產(chǎn)品的開發(fā)速度，使開發(fā)過程更為直觀精確，在設(shè)計階段的分析過程尤為重要，迅速占領(lǐng)市場。遺憾的是，雖然此技術(shù)在國外風(fēng)行并占有了很大的市場，但是在國內(nèi)目前還沒有相應(yīng)的設(shè)備和原料研究和 生產(chǎn)，打印設(shè)備和原料均需進口，價格非常昂貴，因此，此產(chǎn)品有很大發(fā)展?jié)摿褪袌鰞r值。 成型技術(shù)綜述 快速成型簡介 快速成型技術(shù)通過離散獲得堆積的路徑、限制和方式，通過堆積材料疊加起來形成三維實體，與計算機系統(tǒng)結(jié)合，以提高快速成型效率和精度，與傳統(tǒng)的去除成型形成鮮明的對照，其工藝工程主要包括三維模型構(gòu)造、近似處理、切片處理、截面加工、截面疊加、后處理等。 該技術(shù)原理是先在計算機上用 CAD 等軟件設(shè)計所需要的模型，然后對一些不規(guī)則自由曲面進行近似處理，并對少量錯誤進行局部修改，加工前，必須從三維模型 上沿成型高度方向每隔一定的間距進行切片處理，以便提取截面的輪廓，間隔越小，精度越高，根據(jù)切片處理的截面輪廓，在計算機控制下使成型頭按截面輪廓進行掃描，得到一層層截面，每層截面疊加起來最終形成三維產(chǎn)品，然后取出成型件，進行打磨、涂掛或放進高溫爐中燒結(jié)等后處理，提高成型強度。 根據(jù)成型方法，快速成型技術(shù)可分為兩類 :基于激光及其他光源的成型技術(shù)(Laser Technology )，如 :光固化成型 (SLA)、選擇激光粉末燒結(jié) (SLS)、分層實體制造 (LOM)、形狀沉積成型 (CSDM)等 。基于噴射的成型技術(shù)熔融沉積 成型(FDM )、三維印刷 ((3DP)、多相噴射沉積 (Jetting Technology)，如 (MJD)等。 SLA (Stereolithogrphy Apparatus)工藝。是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的，其工作原理是液槽中盛滿的液態(tài)光固化樹脂激光束在偏轉(zhuǎn)鏡作用下，在液態(tài)表面上掃描，由計算機控制掃描的軌跡及光線的強弱有無，光點照到的地方，液體就固化。 SLA 方法是目前快速成型技術(shù)領(lǐng)域最成熟的方法，研究應(yīng)用最廣泛，其成型精度較高，原材料利用率高。但是存在需要支撐、樹脂收縮導(dǎo)致精度下降 、有一定毒性等缺陷。 SLS C Selective Laser Sintering)工藝。利用粉狀材料成型，將材料粉末鋪 灑在己成型零件的上表面并刮平，用高強度的 CO 激光器在剛鋪的新層上掃描出零件截面，材料粉末在高強度的激光照射下被燒結(jié)在一起，得到零件的截面，并與下面已成型的部分連接。當一層截面燒結(jié)完后，鋪上新的一層材料粉末，繼續(xù)有選擇地?zé)Y(jié)下層截面。重復(fù)過程，燒結(jié)完成后進行后處理得到零件。 LOM C Laminated Object Manufacturing)工藝。采用薄片材料 ，如紙、塑料薄膜等，片材表面事先涂覆上一層熱熔膠。加工時，熱壓輥熱壓片材，使之與下面已成型的工件粘接。用 CO 激光器在剛粘接的新層上切割出零件截面輪廓和工件外框，并在截面輪廓與外框之間多余的區(qū)域內(nèi)切割出上下對齊的網(wǎng)格。完成之后，工作臺帶動己成型的工件下降，與帶狀片材分離。供料機構(gòu)轉(zhuǎn)動收料軸和供料軸，帶動料帶移動，使新層移到加工區(qū)域。工作臺上升到加工平面，熱壓輥熱壓，工件的層數(shù)增加一層，高度增加一個料厚。再在新層上切割截面輪廓。如此反復(fù)直至零件的所有截面切割粘結(jié)完。最后，去除多余部分，得到實體零件。 FDM C Fused Deposition Modeling)工藝。其成型材料一般是熱塑性材料，絲狀供料，材料在噴頭內(nèi)被加熱溶化，噴頭沿零件形狀和輪廓軌跡運動，同時將融化的材料擠出，材料迅速凝固，并與周圍的材料凝結(jié)。 3DP (Three Dimension Printing)工藝。采用三維立體成型，如陶瓷粉末、金屬粉末、石膏粉末等粉末材料及一些熱熔或者光固化樹脂等。通過噴頭用粘結(jié)劑將零件的截面打印在材料粉末上面，或者將成型樹脂一層一層噴出，分別固化粘結(jié)成型，其成型過程是將各個二維截面重疊粘結(jié)成為一個三維實 體。具有速度快，適合制造復(fù)雜形狀的零件，可用于制造復(fù)合材料或非均勻材料的零件，可制造小批量零件，也可制造復(fù)雜形狀零件，無污染。 3DP 是目前快速成形技術(shù)研究的熱點之一，應(yīng)用前景十分看好。 快速成型材料 不同的快速成型方法需要有不同要求的成型材料，其種類繁多，有各種分類方式，可按物理狀態(tài)、化學(xué)性能、材料成型方法等角度分類，常用的快速成型材料如表 11 所示 : 不同的快速成型技術(shù)對成型材料有不同的要求，但是均要有利于快速精確的成型，成型材料決定了快速成型技術(shù)的成敗，因此需要花大量心思進行研究開發(fā)， 以求各方 面達到性能所需。 表 11 常用快速成型材料的分類 形態(tài) 液態(tài) 固態(tài)粉末 固態(tài)片材 固態(tài)絲材 非金屬 金屬 名稱 光固化樹脂 蠟粉 塑料粉 覆膜陶瓷粉 覆膜砂 金屬粉 覆膜金屬粉 紙 塑料 +粘結(jié)劑 陶瓷箔 +粘結(jié)劑 金屬箔 +粘結(jié)劑等 蠟絲 ABS 絲 等 成型方法 SLA SLS 3DP LOM FDM 快速成型技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 美國、歐洲和日本等發(fā)達國家和地區(qū)較早開始了快速成型技術(shù)的研究工作。20 世紀 80 年代， 美國和日本的企業(yè)分別提出了用選擇性逐層固化光敏聚合物制造三維物體的快速成型概念，隨后美國組建了 3D System 公司，推出了第一套SLA 設(shè)備。日本、新加坡、挪威等國外其他機構(gòu)也紛紛投入該技術(shù)研究，目前己開發(fā)出各種類型成熟的快速成型技術(shù)。我國也于 20 世紀 90 年代開始了快速成型技術(shù)的研究，取得了部分成果，北京隆源自動成型系統(tǒng)有限公司、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、華北工學(xué)院等在成型理論、工藝方法、設(shè)備、材料、軟件等方面做了大量的研究、開發(fā)工作。如北京隆源公司開發(fā)的 AFS300激光快速成型機、清華大學(xué)研 制的多功能快速造型系統(tǒng) MRPMS、上海交通大學(xué)開發(fā)的具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的鑄造模樣計算機輔助快速制造系統(tǒng)等，均己商業(yè)化。但是，雖然研究成果比較豐碩，仍基本處于跟蹤國外先進技術(shù)和工藝的初級階段。 3D 快速成型打印技術(shù) 三維快速成型打印技術(shù)特點 三維快速成型打印技術(shù)具有很多優(yōu)點，主要如下所述 : 成本低，體積小。由于 3DP 技術(shù)不需要復(fù)雜的激光系統(tǒng)，使得整體造價大大降低，噴射結(jié)構(gòu)高度集成化，整個設(shè)備系統(tǒng)簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，可以將以往只能在工廠進行的成型過程搬到普通的辦公室中。 材料類型選擇廣泛 。 3DP 技術(shù)成型材料可以是熱塑性材料、光敏材料、也可以是一些具備特殊性能的無機粉末，如陶瓷、金屬、淀粉、石膏及其他各種復(fù)合材料，還可以是成型復(fù)雜的梯度材料。 打印過程無污染。打印過程中不會產(chǎn)生大量的熱量，也不會產(chǎn)生 VOC，無毒無污染，是環(huán)境友好型技術(shù)。 成型速度快。打印頭一般具有多個噴嘴，成型速度比采用單個激光頭逐點掃描要快得多。單個打印噴頭的的移動速度十分迅速，且成型之后的干燥硬化速度很快。 運行維護費用低、可靠性高。打印噴頭和設(shè)備維護簡單，只需要簡單地定期清理，每次使用的成型材料少，剩余材料 可以繼續(xù)重復(fù)使用，可靠性高，運行費用和維護費用低。 高度柔性。這種成型方式不受所打印模具的形狀和結(jié)構(gòu)的任何約束，理論上可打印任何形狀的模型，可用于復(fù)雜模型的直接制造。 但是，三維快速成型打印技術(shù)也存在制件強度和制件精度不夠高等不足之處。由于該技術(shù)采用分層打印黏結(jié)成形，制件強度較其他快速成型方式稍低。因此，一般需要加入一些后處理程序 (如干燥、涂膠等 )以增強最終強度，延長所成型模具的使用壽命。雖然該技術(shù)己具備一定的成型精度，但是比起其他的快速成型技術(shù)，精度還有待提高，特別是液滴茹結(jié)粉末的三維快速成形打印技術(shù) ，其表面精度受粉末成型材料特性和成型設(shè)備的約束比較明顯。 三維快速成型打印技術(shù)成型原理 由于 3DP 技術(shù)有多種種類，而每種技術(shù)使用的成型設(shè)備不盡相同，而本項 目研究主要針對粘接材料三維快速成型打印技術(shù)進行，故重點對該類技術(shù)的成型原理進行描述和分析。 粉末成型三維快速成型打印技術(shù)的原理及工藝過程是使用噴頭噴出粘結(jié)劑，按計算機設(shè)計選擇性地將粉末材料逐層粘結(jié)起來?？梢允褂玫某尚筒牧嫌惺喾?、淀粉、陶瓷粉、金屬粉、熱塑材料等。圖 11 為 3DP 技術(shù)成型的工藝圖，通過撒布第一層粉末，噴灑粘結(jié)劑，下降平臺，繼續(xù)打印 ，周而復(fù)始。圖 12 所示為 3DP 的成型原理示意圖。先由鋪粉餛從左往右移動，將供粉缸里的粉末均勻地在成型缸上鋪上一層，然后按照設(shè)計好的零件模型，由打印頭在第一層粉末上噴出零件最下一層截面的形狀，然后成型缸平臺向下移動一定距離，再由鋪粉餛從供粉缸中平鋪一層粉末到剛才打印完的粉末層上，然后再由打印頭按照第二層截面的形狀噴灑粘結(jié)劑，層層遞進，最后得到的零件整體是由各個橫截面層層重疊起來的。這種技術(shù)的好處是不但可以制作出內(nèi)部空心的零件，而且還能制作出各種形狀復(fù)雜、要求精細的零件模型，將原本只能在成型車間才能進行的工藝搬到了普通辦公室，增加了設(shè)計應(yīng)用面。 圖 11 3DP 技術(shù)工藝圖 圖 12 3DP 技術(shù)成型原理 三維快速成型打印技術(shù)種類 三維快速成型打印技術(shù)，是上世紀 80 年代末由美國麻省理工學(xué)院開發(fā)的一種基于微滴噴射的技術(shù)，該技術(shù)簡化了一般成型過程的程序，采用類似于噴墨打印機的獨特的噴墨技術(shù)，只是將噴墨打印機墨盒中的墨水換成了液體粘結(jié)劑或者成型樹脂。噴頭將粘結(jié)劑按照之前設(shè)計的模型數(shù)據(jù)按照輪廓噴射逐層出來，將成型材料凝結(jié)成二維截面，重復(fù)此過程，并將各個截面堆積并重疊粘接在一起，最后得到所需要的完整的三維 模具。支持多種材料類型，可以制作出具有石膏、塑料、橡膠、陶瓷等屬性的產(chǎn)品模型。不僅可以在設(shè)計時制作概念模型，而且可以工業(yè)化制作較大規(guī)格的產(chǎn)品模型。在生物領(lǐng)域，骨頭或器官的成型也可通過 3DP技術(shù)完成，不僅形狀合適，而且選擇適當?shù)牟牧线€能解決其生物相容性等問題，甚至能將細胞排序直接成型出所需要的人體器官，而美國人提出的研制目標是 :要讓三維快速成型打印機能夠復(fù)制出從運動鞋到人體器官等各種物體。 目前，根據(jù)成型過程中使用的材料可將三維快速成型打印技術(shù)分為三種 :粘接材料三維快速成型打印技術(shù)、熔融材料三維快速成型打印技 術(shù)和光固化三維快速成型打印技術(shù)。目前國外對 3DP 各種類型技術(shù)展開研究和開發(fā)工作并商業(yè)化的企業(yè)較多，其中以美國的 Z Corporation 公司、 3D Systems 公司和 Solidscape 公司，以及以色列的 OBJETGeometries 等公司作為主要代表。 (1)粘接材料三維快速成型打印技術(shù) 此類 3DP 技術(shù)是最早開發(fā)的一類三維快速成型打印技術(shù)，最初是由麻省理工學(xué)院于上世紀 80 年代開發(fā)。其成型原理是由噴墨打印頭按照計算機所設(shè)計的模具輪廓向粉末成型材料噴射液體粘結(jié)劑，使粉末逐層打印并重疊粘結(jié)成型制件，可通過對墨 盒數(shù)量及顏色的控制打印出多色三維零件。此技術(shù)以 Z Corporation公司制造的 Z 系列三維打印機為代表，能打印彩色原型件，可以更大限度的適應(yīng)市場需求，應(yīng)用更加廣泛。 (