【正文】 的 CAD 模型進(jìn)行分層切片，把三維實體分解成一系列二維平面的薄片，每一薄片稱為一個切片，每個切片具有一定的厚中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 論文 第 6 頁 共 37 頁 度，并包含二維輪廓信息；再用掃描軌跡生成軟件將切片的輪廓信息轉(zhuǎn)化成激光的掃描軌跡信息。如圖 所示，利用 SLS 工藝制造實體零件的基本過程包括CAD 模型的建立及分層處理、燒結(jié)過程以及后處理等部分 ［ 19］ 。 3） 運行成本較低，材料重復(fù)利用率高，未燒結(jié)粉末可重復(fù)使用。 2） 加工柔性高，有自然支撐。與其它 RP技術(shù)相比， SLS 最顯著的特征是 ［ 18］ ： 1） 材料適用范圍廣。根據(jù)原型，可對設(shè)計的正確性、造型合理性、可裝配性和干涉，進(jìn)行具體的檢驗 ［ 17］ 。目前已有 10 多種比較成熟的 工藝方法用于原型零件的制造。 目前，快速成型技術(shù)在模具、家用電器、汽車、航空航天、軍工制造、材料工程、玩具、輕工產(chǎn)品、工業(yè)造型、建筑模型、醫(yī)療器械、人體器官模型、生物材料組織、考古、電影制作等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。從 RP 技術(shù)的發(fā)展歷程來看，最初主要應(yīng)用于原型制造，隨著研究的深入，現(xiàn)在很多研究者都致力于研究快速制造金屬零件。 4） 用于制造功能零件 ［ 816］ 。 3） 用于制造模具或其原型。 2） 用于功能測試的原型。 快速成型技術(shù)的應(yīng)用概況 根據(jù)不同的應(yīng)用場合和需求，快速成型技術(shù)主要有 4 種層次的應(yīng)用： 1） 用于概念設(shè)計的原型。這里的粉末材料主要有 蠟、聚碳酸脂、水洗砂等非金屬粉，以及金屬粉如鐵、鈷、鉻以及它們的合金。所謂直接熔結(jié)是將粉末直接熔化面連接；間接熔結(jié)是指僅熔化粉末表面的粘結(jié)涂層，以達(dá)到互相粘結(jié)的目的。這里所說的箔材可以是涂覆紙（涂有粘結(jié)劑覆層的紙），涂覆陶瓷箔、金屬箔或其它材質(zhì)基的箔材。通過升降平臺的移動和箔材的送給可以切割出新的層片并將其與先前的層片粘結(jié)在一起。 2）分層實體制造（ Laminated Object Manufacturing， LOM） 該技術(shù)采用激光或刀具對箔材進(jìn)行切割。根據(jù)其應(yīng)用情況和商品化程度，最為典型的快速成型技術(shù)有以下四種。 RP 技術(shù)屬于環(huán)保型技術(shù)，能源和原材料的利用率高，從理論上講，原料利用率可達(dá) 100%，而且產(chǎn)生的噪音小，環(huán)境污染少。其 含義有兩點，一是指可以根據(jù)原型或零件的形狀，無需使用工具、模具 而自由 的成型；二是指不受形狀復(fù)雜程度的限制，能夠制造任意復(fù)雜形狀與結(jié)構(gòu)、不同材料復(fù)合的原型或零件。因此，從理論上講 RP 技術(shù)可以制造任意復(fù)雜形狀的原型產(chǎn)品。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 論文 第 3 頁 共 37 頁 2）加工柔性高。這項技術(shù)尤其適于新產(chǎn)品的開發(fā)，適合小批量 、復(fù)雜（如凹槽、凸肩和空心、嵌套等）、異形產(chǎn)品的直接生產(chǎn)而不受產(chǎn)品形狀復(fù)雜程度的限制。與傳統(tǒng)的加工技術(shù)相比， RP 技術(shù)實現(xiàn)了 CAD 模型直接驅(qū)動，成型時間短。 快速成型技術(shù)的基本原理與優(yōu)勢 快速成型技術(shù)是一種將原型（或零件、部件）的幾何形狀、結(jié)構(gòu)和所選材料的組合信息建立 數(shù)字化描述模型，之后把這些信息輸出到計算機(jī)控制的機(jī)電集成制造系統(tǒng)進(jìn)行材料的“添加”加工 ［ 6］ ，通過逐點、逐線、逐面進(jìn)行材料的三維堆砌成型，再經(jīng)過必要的處理，使其在外觀、強(qiáng)度和性能等方面達(dá)到設(shè)計要求，實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地制造原型或?qū)嶋H零件、部件的現(xiàn)代化方法。 快速成型技術(shù)就是在這樣的社會背景下，在 80 年代后期產(chǎn)生于美國，并迅速擴(kuò)展到歐洲和日本。 2）技術(shù)推動 新技術(shù)的發(fā)展為快速成型技術(shù)的產(chǎn)生奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。 隨著市場一體化的發(fā)展，市場競爭越來越激烈，產(chǎn)品的開發(fā)速度成為競爭的主要矛盾。 因此，制造企業(yè)要想在 21 世紀(jì)求得生存和發(fā)展，就必須面對這一新的形勢，不斷研究或融合新的技術(shù) ，并采取靈活多變的管理策略，適時向市場推出滿足顧客需求的新產(chǎn)品 、 產(chǎn)品創(chuàng)新技術(shù)成為提高企業(yè)競爭力的關(guān)鍵。 與此同時，經(jīng)濟(jì)全球化趨勢正不斷加強(qiáng)，各個領(lǐng)域的技術(shù)交流、經(jīng)貿(mào)交流日益擴(kuò)大，世界上發(fā)生的這些進(jìn)步、變革與發(fā)展使 當(dāng)代制造業(yè)的生態(tài)環(huán)境、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與發(fā)展模式等都發(fā)生了深刻變化，科學(xué)發(fā)展觀對制造業(yè)提出了新的要求，我國制造業(yè)正面臨著新的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)。它是一種基于離散堆積成型的數(shù)字化制造技術(shù)，集激光技術(shù)、計算機(jī)輔助設(shè)計（ CAD）、計算機(jī)輔助制造（ CAM）、計算機(jī)數(shù)控技術(shù)（ CNC）、精密檢測技術(shù)、精密 機(jī)械、精密伺服驅(qū)動和新材料技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)于一體的綜合高新技術(shù)。中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 論文 第 1 頁 共 37 頁 1 引言 快速成型技術(shù)簡述 快速原型制造（ Rapid Prototyping，簡稱 RP）技術(shù)，又稱快速成型技術(shù)，是 20世紀(jì) 80 年代后期首先在美國產(chǎn)生并商品化， 90 年代在全球迅速發(fā)展起來的制造新技術(shù)?？焖俪尚图夹g(shù)與 50 年代的數(shù)控技術(shù)和最近 20 年發(fā)展起來的特種加工技術(shù)一樣是一種全新的制造技術(shù)，是制造領(lǐng)域的又一重大突破，是先進(jìn)制造技術(shù)群中的重要組成部分。它能根據(jù) CAD 模型（電子模型）自動、直接、快速、精確地將設(shè)計思想物 轉(zhuǎn) 化為具有一定功能的原型或直接制造零件，在不用模具和工具的條件下生成幾乎任意復(fù)雜的零部件，解決了從設(shè)計到制造的快速對接問題，從而可以對產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行快速評價、修改及功能試驗，有效地縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，滿足了當(dāng)今競爭日益激烈的市場對新產(chǎn)品快速開發(fā)和快速制造的要求 ［ 1］［ 2］ 。 當(dāng)前，制造業(yè)呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢 ［ 3］ ： 1）生產(chǎn)、經(jīng)營及市場全球化； 2）顧客需求個性化、多樣化； 3）產(chǎn)品生命周期縮短，更新?lián)Q代加速化； 4）產(chǎn)品高科技化； 5）市場競爭激烈化。 快速成型技術(shù)的產(chǎn)生背景 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 論文 第 2 頁 共 37 頁 快速成型技術(shù)的誕生主要有兩方面的原因： 1）市場拉動 市場全球化和用戶需求個性化為先進(jìn)制造技術(shù)提出了新的要求 ［ 4］ 。同時用戶需求多樣化的趨勢日益明顯，因此要求產(chǎn)品制造技術(shù)有較強(qiáng)的靈活性，在不增加成本的前提下能夠以小批量生產(chǎn)甚至單件生產(chǎn)產(chǎn)品。 信息技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、 CAD/CAM 技術(shù)的發(fā)展、材料科學(xué)的發(fā)展、新材料的出現(xiàn)、激光技術(shù)的 發(fā)展為快速成型技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。由于 RP 技術(shù)的成型原理突破了傳統(tǒng)加工中的塑性成形（如鍛、沖、拉伸、鑄、注塑加工等）和切削成形的工藝方法，可以在沒有工裝夾具或模具的條件下，迅速制造出任意復(fù)雜形狀又具有一定功能的三維實體原型或零件，因此被認(rèn)為是近二十年來制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破 ［ 5］ 。 快速成型技術(shù)的優(yōu)勢 ［ 7］ ： 1）響應(yīng)速度快。從產(chǎn)品 CAD 或從實體反求而獲得數(shù)據(jù)到制成原型，一般只需要幾小時至幾十個小時，速度比傳統(tǒng)成型加工方法快得多。還改善了設(shè)計過程中的人機(jī)交流，使產(chǎn)品設(shè)計和模具生產(chǎn)并行，從而縮短了產(chǎn)品設(shè)計、開發(fā)的周期，加快了產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度，大大地降低了新產(chǎn)品的開發(fā)成本和企業(yè)研制新產(chǎn)品的風(fēng)險。 RP 技術(shù)將復(fù)雜的三維加工技術(shù)分解成簡單的二維加工的組合，制造工藝大大簡化。從這個角度來講， RP 技術(shù)屬于自由成型制造。 3）節(jié)能、環(huán)保、綠色制造。 快速成型技術(shù)分類 RP 技術(shù)的具體工藝不下 30 余種。 1）光固化成型（ Stereo Lithography Apparatus， SLA） 光固化成型的原理是：將激光聚焦到液態(tài)光固化材料（如光固化樹脂）表 面、令其有規(guī)律地固化，由點到線到面 完成一個層面的建造，而后升降平臺移動一個 層片厚度的距離，重新覆蓋一層液態(tài)材料，再建造一個層面，由此層層疊 加成為一個三維實體。首先切割出工藝邊框和原型的邊緣輪廓線，而后將不屬于原型的材料切割成網(wǎng)格狀。這樣層層 疊 加后得到一個塊狀物，最后將不屬于原型的材料小塊剝除，就獲得所需的 三維實體。 3）選區(qū)激光燒結(jié)（ Selective Laser Sintering， SLS） 此技術(shù)采用激光對有很好密實度和平整度的粉末鋪成的層面，有選擇地直接或間接將粉末熔化或粘結(jié)，形成一個層面，鋪粉壓實，再熔結(jié)或粘結(jié)成另一層并與前一層熔接或粘結(jié)，如此層層疊加為一個三維實體。粘結(jié)則是指將粉末采用粘結(jié)劑粘結(jié)。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 論文 第 4 頁 共 37 頁 4）熔融沉積制造（ Fused Deposition Modeling， FDM） FDM 是指將熱熔性材料（ ABS、尼龍或蠟）通過加熱器熔化，擠壓噴出并堆積一個層面，然后將第二個層面用同樣的方法建造出來，并與第一個層面粘結(jié)在一起，如此層層堆積而獲得一個三維實體。這種原型對精度和物理化學(xué)特性要求不高，主要要求成型速度快 、 精度適中 、 設(shè)備小巧 、 運行可靠、清潔、無噪音 、 操作方便。此原型對強(qiáng)度、剛度、耐溫性、抗腐蝕性有一定的要求，以滿足測試要求；如果用于裝配測試，則對材料成型的精度還有一定要求。模具原型要求材料適應(yīng)特定模具的制造要求，如對于消失模鑄造用原型，要求材料易于去除。功能零件則要求材料具有較好的力學(xué)性能和化學(xué)性能。國際統(tǒng)計資 料表明，原型中的四分之一被用來作為可視化的手段，用于評估設(shè)計、協(xié)助設(shè)計模具 、 溝通設(shè)計者與制造商及工程投標(biāo)；四分之一被用來進(jìn)行裝配和性能測試；四分之一以上用于協(xié)助完成模具制造?？焖俪尚图夹g(shù)是目前先進(jìn)制造技術(shù)中發(fā)展最為迅速的一種，在短短一、二十年的時間里，已經(jīng)由最初的原理研究發(fā)展到大規(guī)模實際生產(chǎn)應(yīng)用。 RP 技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中的關(guān)鍵作用和重要意義在實際應(yīng)用中得到了很好的印證，不受形狀或結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的限制，可以迅速地將示于計算機(jī)屏幕上的設(shè)計變?yōu)榭蛇M(jìn)一步評估的實物。 選擇性激光燒結(jié)快速成型技術(shù) 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)特征 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 論文 第 5 頁 共 37 頁 選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)造型速度快， 一般制品僅需 1～ 2 天即可完成。從原理上說， 這種方法可采用任何能與激光 相互作用的粉末 材料，通過材料或各類含粘結(jié)劑的涂層顆粒制造出任何造型， 適應(yīng)不同的需要。選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)可以直接制造任意復(fù)雜形狀的原型、型模三維構(gòu)件或部件及工具，能廣泛適應(yīng)設(shè)計和變化等。 選擇性激光燒結(jié)工藝過程 SLS 工藝的基本思想是基于離散－堆積成型的制造方式，實現(xiàn)從三維 CAD 模型到實體零件的轉(zhuǎn)變。 圖 工藝制造實體零件的基本過程 1） CAD 模型的建立及分層處理 這一階段的作用是在計算機(jī)上實現(xiàn)零件模型的三維造型和數(shù)據(jù)處理過程。 2）燒結(jié)過程 這一階段是實現(xiàn)零件的層面制造、堆積成 型的過程。粉末材料由供料缸頂起，輥筒水平鋪粉，由于輥筒與粉末之間的摩擦力以及粉末與粉末之間的作用，粉末被推送到成型缸。預(yù)熱之后，在控制系統(tǒng)的控制下，激光束以一定的掃描速度和功率在鋪好的粉層上掃描，被激光掃描過的區(qū)域內(nèi)，粉末燒結(jié)成具有一定厚度的實體結(jié)構(gòu)，未掃過的地方仍然是松散的粉末，這樣得到零件的第一層。如此逐層地添加粉末材料有選擇地?zé)Y(jié)堆積，最終生成三維實體模型或零件。采用塑料材料制成的原型零件一般用來作為功能性零件或樣品試件，其機(jī)械性能如強(qiáng)度等要求不是很高，因此只需要對其外觀進(jìn)行一些簡單的處理，如打磨、有機(jī)物微溶 、 去除零件表面明顯的層面痕跡等。也稱殼型（芯）砂。其工藝過程是將粉狀的熱固性酚醛樹脂與原砂機(jī)械混合，加熱時固化。覆膜砂一般為干態(tài)顆粒狀，近年來我國已 有廠家開發(fā)出濕態(tài)和粘稠狀覆膜砂。用覆膜砂既可制作鑄型，又可制作砂芯（實體芯和殼芯），覆膜砂的型或芯既可以互相配合使用，又可以與其它砂型（芯）配合使用；覆膜砂不僅可以用于金屬型重力鑄造或低壓鑄造也可以用于鐵模覆砂鑄造，還可用于熱法離心鑄造；不僅可以用于生產(chǎn)黑色金屬鑄件，還可以用于有色金屬鑄件等等。 利用激光快速成型（選擇性激光燒結(jié)）技術(shù)可以制造各種零件和模型，如果選擇合適的燒結(jié)材料，也可以直接制造鑄型，即在此鑄型中同時形成鑄件的內(nèi)外輪廓結(jié)構(gòu)的型腔，而不需要型芯，也不需要砂箱，澆注金屬冷卻落砂后就可得到完整的鑄件。 采用覆膜砂作為燒結(jié)材料，選擇性激光燒結(jié)（ SLS）快速成型技術(shù)直接形成鑄造用型（芯），開創(chuàng)了不用模型、不用芯 盒直接制造砂型（芯）的先河，使用此方法可在數(shù)小時至數(shù)十小時內(nèi)將 CAD 數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化成可澆注各類金屬鑄件的型（芯），給鑄造業(yè)帶來了現(xiàn)代化的新氣息 ［ 20］ 。從零件圖紙到工藝設(shè)計、鑄型（芯）的二維實體造型等都山計算機(jī)完成。 3）型、芯可整體制作，也可以型、芯分別制作。 4）不需要拔模斜度，鑄件的壁厚小。但用 SLS 法也有它的局限性。 用 SLS 法快速生產(chǎn)鑄件的工藝過程可分為三步： 1） SLS 鑄型（芯）的工藝設(shè)計及計算機(jī)三維造型； 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 論文 第 8 頁 共 37 頁 2） SLS 鑄型（芯）的成型； 3） SLS 鑄型（芯）的后續(xù)處理及澆注。燒結(jié)原型件的強(qiáng)度質(zhì)量是選擇性激光燒結(jié)試驗最基本的要求，如果制件強(qiáng)度不高將嚴(yán)重影響燒結(jié)質(zhì)量和燒結(jié)進(jìn)程；大量試驗結(jié)果表明，用 SLS 法燒結(jié)的覆膜砂試件的燒結(jié)強(qiáng)度較低，不能直接用于澆注金屬鑄件，必須對燒結(jié)后的制件進(jìn)行后處理。這些性能的好壞，將影響到金屬液體在充型過程中沖砂、砂眼、粘砂、氣孔等鑄件缺陷的產(chǎn)生，以及型腔中的殘留型砂清理較為困難等方面的問題。并結(jié)合鑄造實驗分析影響覆膜砂燒結(jié)成型件精度的因素及其它性能 的 考核。待其冷卻至室溫后，將其放到杠桿式強(qiáng)度試驗機(jī)上測量“ 8”字試件的抗拉強(qiáng)度，并記錄數(shù)值。