1. 常用快速成型的工藝方法
目前快速成型的主要工藝方法包括:
1. 熔積成型法(Fused Deposition Modeling, FDM)
在FDM工藝中,機械臂搭載的噴頭沿工作台兩個主要方向移動,同時工作台上下移動以鋪設熔絲。熱塑性塑料或蠟制熔絲通過加熱擠出,形成層狀結構。每層完成後,工作台下降並疊加新層。控制熔絲溫度略高於熔點(通常高1℃左右)是關鍵。FDM適合製作復雜零件,但需添加支撐結構。支撐材料通常使用低密度絲材,可在成型後去除。層厚由擠出絲直徑決定,影響垂直方向的公差。FDM的優勢在於材料利用率高、成本低,材料選擇多,工藝環境友好。但存在精度較低、復雜結構件難以製造、表面質量較差、效率不高以及不適合大型零件生產的缺點。適用於產品原型製作和測試,尤其是醫用器械,因其使用的甲基丙烯酸ABS材料可經伽馬射線消毒。
2. 光固化法(Stereolithography, SLA)
光固化法是應用最廣泛的快速成型技術之一,使用液態光敏樹脂,通過紫外激光逐點掃描固化,形成零件的每一層。成型開始時,工作台位於最高位置,液面高於工作台一個層厚。第一層固化後,工作台下降,塗抹新液態樹脂並重復掃描。如此循環,逐層固化,形成圓柱體環形零件。到達一定高度後,可在已成型部分上生成凸緣,需添加支撐結構。零件由下至上逐層固化,未使用的樹脂可回收利用。光固化成型同樣需要支撐結構,通常採用網狀形式。完成後去除支撐,即可得到三維零件。
2. 快速成型材料種類及工藝方法
目前快速成型主要工藝方法。本文僅介紹目前工業領域較為常用的工藝方法。
1熔積成型法(Fused DePOSTTTION Modeling)
在熔積成型法( FDM)的過程中,龍門架式的機械控制噴頭可以在工作台的兩個主要方向移動,工作台可以根據需要向上或向下移動。熱塑性塑料或蠟制的熔絲從加熱小口處擠出。最初的一層是按照預定的軌跡以固定的速率將熔絲擠出在泡沫塑料基體上形成的。當第一層完成後,工作台下降一個層厚並開始迭加製造一層。FDM工藝的關鍵是保持半流動成型材料剛好在熔點之上,通常控制在比熔點高1℃左右。
FDM製作復雜的零件時,必須添加工藝支撐。下一層熔絲將鋪在沒有材料支撐的空間。解決的方法是獨立於模型材料單獨擠出一個支撐材料,支撐材料可以用低密度的熔絲,比模型材料強度低,在零件加工完成後可以將它拆除。
在FDA4機器中層的厚度由擠出絲的直徑決定,通常是從0. 50mm到0. 25mm(從0. 02in到0. O1 in)這個值代表了在垂直方向所能達到的最好的公差范圍。在x-y平面,只要熔絲能夠擠出到特徵上,尺寸的精確度可以達到0. 025mm(O.OO1in)。
FDM的優點是材料的利用率高,材料的成本低,可選用的材料種類多,工藝干凈、簡單、易於操作且對環境的影響小。缺點是精度低,結構復雜的零件不易製造,表面質量差,成型效率低,不適合製造大型零件。該工藝適合於產品的概念建模以及它的形狀和功能測試,中等復雜程度的中小成型,由於甲基丙烯酸ABS材料具有較好的化學穩定型,可採用伽馬射線消毒,特別適於醫用。
2光固化法(Stereolithography )
光固化法是目前應用最為廣泛的一種快速成型製造工藝,它實際上比熔積法發展的還早。光固化採用的是將液態光敏樹脂固化(硬化)到特定形狀的原理。以光敏樹脂為原料,在計算機控制下的紫外激光按預定零件各分層截面的輪廓為軌跡對液態樹脂逐點掃描,使被掃描區的樹脂薄層產生光聚合反應,從而形成零件的一個薄層截面。
成型開始時工作台在它的最高位置(深度a),此時液面高於工作台一個層厚,零件第一層的截面輪廓進行掃描,使掃描區域的液態光敏樹脂固化,形成零件第一個截面的固化層。然後工作台下降一個層厚,使先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態樹脂然後重復掃描固化,與此同時新固化的一層牢固地粘接在前一層上,該過程一直重復操作到達到b高度。此時已經產生了一個有固定壁厚的圓柱體環形零件。這時可以注意到工作台在垂直方向下降了距離ab。到達b高度後,光束在x-y面的移動范圍加大從而在前面成型的零件部分上生成凸緣形狀,一般此處應添加類似於FDM的支撐。當一定厚度的液體被固化後,該過程重復進行產生出另一個從高度b到c的圓柱環形截面。但周圍的液態樹脂仍然是可流動的,因為它並沒有在紫外線光束范圍內。零件就這樣由下及上一層層產生。而沒有用到的那部分液態樹脂可以在製造別的零件或成型時被再次利用。可以注意到光固化成型也像FDM成型法一樣需要一個微弱的支撐材料,在光固化成型法中,這種支撐採用的是網狀結構。零件製造結束後從工作台上取下,去掉支撐結構,即可獲得三維零件。
光固化成型所能達到的最小公差取決於激光的聚焦程度,通常是0.00125mm(0.0005in)。傾斜的表面也可以有很好的表面質量。光固化法是第一個投人商業應用的RF(快速成型)技術。目前全球銷售的SL(光固化成型)設備約佔Rl'設備總數的70%左右。SL(光固化成型)工藝優點是精度較高,一般尺寸精度控制在10. 1 mm;表面質量好,原材料的利用率接近100%,能製造形狀特別復雜、特別精細的零件,設備的市場佔有率很高。缺點是需要設計支撐,可以選擇的材料種類有限,容易發生翹曲變形,材料價格較貴。該工藝適合成型製造比較復雜的中小件。
3激光選區燒結(Selective Laser Sinering)
激光選區燒結(Selective Laser Sintering,簡稱SLS)是一種將非金屬(或普通金屬)粉末有選擇地燒結成單獨物體的工藝。該法採用CO:激光器作為能源,目前使用的在加工室的底部裝備了兩個圓筒:
1)一個是粉末補給筒,它內部的活塞被逐漸地提升通過一個滾動機構給零件造型筒供給粉末;
2)另一個是零件造形筒,它內部的活塞(工作台)被逐漸地降低到熔結部分形成的地方。
首先在工作台上均勻鋪上一層很薄(l00~200μm)的粉末,激光束在計算機控制下按照零件分層輪廓有選擇性地進行燒結,從而使粉末固化成截面形狀,一層完成後工作台下降一個層厚,
3. 什麼是快速成形技術
快速成形技術是一種新型的加工技術,它可以將原材料快速成形成所需的零件。它主要利用熱能、電能、光能等能源,將原材料快速成形成所需的零件。快速成形技術的特點是快速、精確、經濟,可以大大提高加工效率,減少加工成本。
快速成形技術主要有熱壓成形、沖壓成形、擠壓成形、熔融成形、熱成型、激光成形、電火花成形、粉末冶金成形等。熱壓成形是將原料加熱到一定溫度,然後用壓力將原料壓成所需形狀的一種技術;沖壓成形是將原料放在模具中,用沖擊力將其壓成所需形狀的一種技術;擠壓成形是將原料放在模具中,用擠壓力將其壓成所需形狀的一種技術;熔融成形是將原料加熱到一定溫度,然後用壓力將其壓成所需形狀的一種技術;熱成型是將原料加熱到一定溫度,然後用壓力將其壓成所需形狀的一種技術;激光成形是將原料放在模具中,用激光將其壓成所需形狀的一種技術;電火花成形是將原料放在模具中,用電火花將其壓成所需形狀的一種技術;粉末冶金成形是將原料放在模具中,用粉末冶金將其壓成所需形狀的一種技術。
快速成形技術的優勢是可以快速、精確、經濟地將原材料成形成所需的零件,可以大大提高加工效率,減少加工成本。但是,快速成形技術也有一定的局限性,比如,它不能用於復雜的零件,也不能用於較厚的原料,而且它的加工精度也有一定的限制。
4. 簡述四種快速成行技術的原理及應用
四種快速成行技術主要工藝有四種基本類型:光固化成型法、分層實體製造法、選擇性激光燒結法和熔融沉積製造法。
1、光固化成形
SLA(Stereo lithography Apparatus)工藝也稱光造型、立體光刻及立體印刷,其工藝過程是以液態光敏樹脂為材料充滿液槽,由計算機控制激光束跟蹤層狀截面軌跡,並照射到液槽中的液體樹脂,而使這一層樹脂固化,之後升降台下降一層高度,已成型的層面上又布滿一層樹脂,然後再進行新一層的掃描,新固化的一層牢固地粘在前一層上,如此重復直到整個零件製造完畢,得到1個三維實體模型。該工藝的特點是:原型件精度高,零件強度和硬度好,可制出形狀特別復雜的空心零件,生產的模型柔性化好,可隨意拆裝,是間接制模的理想方法。缺點是需要支撐,樹脂收縮會導致精度下降,另外光固化樹脂有一定的毒性而不符合綠色製造發展趨勢等。
2、分層實體製造
LOM(Laminated Object Manufacturing)工藝或稱為疊層實體製造,其工藝原理是根據零件分層幾何信息切割箔材和紙等,將所獲得的層片粘接成三維實體。其工藝過程是:首先鋪上一層箔材,然後用CO,激光在計算機控制下切出本層輪廓,非零件部分全部切碎以便於去除。當本層完成後,再鋪上一層箔材,用滾子碾壓並加熱,以固化黏結劑,使新鋪上的一層牢固地粘接在已成形體上,再切割該層的輪廓,如此反復直到加工完畢,最後去除切碎部分以得到完整的零件。該工藝的特點是工作可靠,模型支撐性好,成本低,效率高。缺點是前、後處理費時費力,且不能製造中空結構件。
3、選擇性激光燒結
SLS(Selective Laser Sintering)工藝,常採用的材料有金屬、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作為成形材料。其工藝過程是:先在工作台上鋪上一層粉末,在計算機控制下用激光束有選擇地進行燒結(零件的空心部分不燒結,仍為粉末材料),被燒結部分便固化在一起構成零件的實心部分。一層完成後再進行下一層,新一層與其上一層被牢牢地燒結在一起。全部燒結完成後,去除多餘的粉末,便得到燒結成的零件。該工藝的特點是材料適應面廣,不僅能製造塑料零件,還能製造陶瓷、金屬、蠟等材料的零件。造型精度高,原型強度高,所以可用樣件進行功能試驗或裝配模擬。
4、熔融沉積成形
FDM(Fused Deposition Manufacturing)工藝又稱為熔絲沉積製造,其工藝過程是以熱塑性成形材料絲為材料,材料絲通過加熱器的擠壓頭熔化成液體,由計算機控制擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓准確運動,使熔化的熱塑材料絲通過噴嘴擠出,覆蓋於已建造的零件之上,並在極短的時間內迅速凝固,形成一層材料。之後,擠壓頭沿軸向向上運動一微小距離進行下一層材料的建造。這樣逐層由底到頂地堆積成一個實體模型或零件。該工藝的特點是使用、維護簡單,成本較低,速度快,一般復雜程度原型僅需要幾個小時即可成型,且無污染。
5. 快速成型技術主要包括哪些方法
主要有SLA(激光快速成型),成型材料:光敏樹脂;
FDM(熔融堆積成型),成型材料:ABS,PC,PPSF等;
OBJET(高精度快速成型),和SLA成型原理類似,材料:光敏樹脂。
CNC手板模型;
真空復模,運用硅膠材料製作簡易模具,進行小批量的澆注成型。
低壓灌注,適用於結構接單的大件製作。