快速成型:制造業企業新産品開發服務的關鍵共性技術-中文百科頻道

工作原理

RP系統可以根據零件的形狀，每次制做一個具有一定微小厚度和特定形狀的截面，然後再把它們逐層粘結起來，就得到了所需制造的立體的零件。當然，整個過程是在計算機的控制下，由快速成形系統自動完成的。不同公司制造的RP系統所用的成形材料不同，系統的工作原理也有所不同，但其基本原理都是一樣的，那就是"分層制造、逐層疊加"。這種工藝可以形象地叫做"增長法"或"加法"。

每個截面數據相當于醫學上的一張CT像片；整個制造過程可以比喻為一個"積分"的過程。

SLA原理

"StereolithographyAppearance"的縮寫，即立體光固化成型法。

用特定波長與強度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由點到線，由線到面順序凝固，完成一個層面的繪圖作業，然後升降台在垂直方向移動一個層片的高度，再固化另一個層面.這樣層層疊加構成一個三維實體。

SLA是最早實用化的快速成形技術，采用液态光敏樹脂原料，工藝原理如圖所示。其工藝過程是，首先通過CAD設計出三維實體模型，利用離散程序将模型進行切片處理，設計掃描路徑，産生的數據将精确控制激光掃描器和升降台的運動；激光光束通過數控裝置控制的掃描器，按設計的掃描路徑照射到液态光敏樹脂表面，使表面特定區域内的一層樹脂固化後，當一層加工完畢後，就生成零件的一個截面；然後升降台下降一定距離，固化層上複蓋另一層液态樹脂，再進行第二層掃描，第二固化層牢固地粘結在前一固化層上，這樣一層層疊加而成三維工件原型。将原型從樹脂中取出後，進行最終固化，再經打光、電鍍、噴漆或着色處理即得到要求的産品。

SLA技術主要用于制造多種模具、模型等；還可以在原料中通過加入其它成分，用SLA原型模代替熔模精密鑄造中的蠟模。SLA技術成形速度較快，精度較高，但由于樹脂固化過程中産生收縮，不可避免地會産生應力或引起形變。因此開發收縮小、固化快、強度高的光敏材料是其發展趨勢。

SLA的發展趨勢與前景

立體光固化成型法的的發展趨勢是高速化，節能環保與微型化。

不斷提高的加工精度使之有最先可能在生物，醫藥，微電子等領域大有作。.

SLS原理

選擇性激光燒結（以下簡稱SLS）技術最初是由美國德克薩斯大學奧斯汀分校的Carlckard于1989年在其碩士論文中提出的。後美國DTM公司于1992年推出了該工藝的商業化生産設備SinterSation。幾十年來，奧斯汀分校和DTM公司在SLS領域做了大量的研究工作，在設備研制和工藝、材料開發上取得了豐碩成果。德國的EOS公司在這一領域也做了很多研究工作，并開發了相應的系列成型設備。

國内也有多家單位進行SLS的相關研究工作，如西安交通大學機械學院，快速成型國家工程研究中心，教育部快速成型工程研究中心，華中科技大學、南京航空航天大學、西北工業大學、中北大學和北京隆源自動成型有限公司等，也取得了許多重大成果，如南京航空航天大學研制的RAP-I型激光燒結快速成型系統、北京隆源自動成型有限公司開發的AFS一300激光快速成型的商品化設備。

選擇性激光燒結是采用激光有選擇地分層燒結固體粉末，并使燒結成型的固化層層層疊加生成所需形狀的零件。其整個工藝過程包括CAD模型的建立及數據處理、鋪粉、燒結以及後處理等。SLS技術的快速成型系統工作原理見圖1。

整個工藝裝置由粉末缸和成型缸組成，工作時粉末缸活塞（送粉活塞）上升，由鋪粉輥将粉末在成型缸活塞（工作活塞）上均勻鋪上一層，計算機根據原型的切片模型控制激光束的二維掃描軌迹，有選擇地燒結固體粉末材料以形成零件的一個層面。粉末完成一層後，工作活塞下降一個層厚，鋪粉系統鋪上新粉.控制激光束再掃描燒結新層。如此循環往複，層層疊加，直到三維零件成型。最後，将未燒結的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。對于金屬粉末激光燒結，在燒結之前，整個工作台被加熱至一定溫度，可減少成型中的熱變形，并利于層與層之間的結合。

與其它快速成型（RP）方法相比，SLS最突出的優點在于它所使用的成型材料十分廣泛。從理論上說，任何加熱後能夠形成原子間粘結的粉末材料都可以作為SLS的成型材料。可成功進行SLS成型加工的材料有石蠟、高分子、金屬、陶瓷粉末和它們的複合粉末材料。由于SLS成型材料品種多、用料節省、成型件性能分布廣泛、适合多種用途以及SLS無需設計和制造複雜的支撐系統，所以SLS的應用越來越廣泛。

SLS技術的金屬粉末燒結方法

金屬粉末和粘結劑混合燒結

首先将金屬粉末和某種粘結劑按一定比例混合均勻，用激光束對混合粉末進行選擇性掃描，激光的作用使混合粉末中的粘結劑熔化并将金屬粉末粘結在一起，形成金屬零件的坯體。再将金屬零件坯體進行适當的後處理，如進行二次燒結來進一步提高金屬零件的強度和其它力學性能。這種工藝方法較為成熟，已經能夠制造出金屬零件，并在實際中得到使用。南京航空航天大學用金屬粉末作基體材料（鐵粉），加人适量的枯結劑，燒結成形得到原型件，然後進行後續處理，包括燒失粘結劑、高溫焙燒、金屬熔滲（如滲銅）等工序，最終制造出電火花加工電極（見圖2）。并用此電極在電火花機床上加工出三維模具型腔（見圖3）。

金屬粉末激光燒結

激光直接燒結金屬粉末制造零件工藝還不十分成熟，研究較多的是兩種金屬粉末混合燒結，其中一種熔點較低，另一種較高。激光燒結将低熔點的粉末熔化，熔化的金屬将高熔點金屬粉末粘結在一起。由于燒結好的零件強度較低，需要經過後處理才能達到較高的強度。美國Texas大學Austin分校進行了沒有聚合物粘結劑的金屬粉末如CuSnNiSn青銅鎳粉複合粉末的SLS成形研究，并成功地制造出金屬零件。

他們對單一金屬粉末激光燒結成形進行了研究，成功地制造了用于F1戰鬥機和AIM9導彈的工NCONEL625超合金和Ti6A14合金的金屬零件。美國航空材料公司已成功研究開發了先進的欽合金構件的激光快速成形技術。中國科學院金屬所和西安交通大學等單位正緻力于高熔點金屬的激光快速成形研究，南京航空航天大學也在這方面進行了研究，用Ni基合金混銅粉進行燒結成形的試驗，成功地制造出具有較大角度的倒錐形狀的金屬零件（見圖4）。

金屬粉末壓坯燒結

金屬粉末壓坯燒結是将高低熔點的兩種金屬粉末預壓成薄片坯料，用适當的工藝參數進行激光燒結，低熔點的金屬熔化，流人到高熔點的顆粒孔隙之間，使得高熔點的粉末顆粒重新排列，得到緻密度很高的試樣。吉林大學郭作興等用此方法對FeCu,FeC等合金進行試驗研究，發現壓坯激光燒結具有與常規燒結完全不同的緻密化現象，激光燒結後的組織随冷卻方式而異，空冷得到細珠光體，淬火後得到馬氏體和粒狀。

SLS技術金屬粉末成型存在的問題

SLS技術是非常年輕的一個制造領域，在許多方面還不夠完善，如制造的三維零件普遍存在強度不高、精度較低及表面質量較差等問題。SLS工藝過程中涉及到很多參數（如材料的物理與化學性質、激光參數和燒結工藝參數等），這些參數影響着燒結過程、成型精度和質量。零件在成型過程中，由于各種材料因素、工藝因素等的影響，會使燒結件産生各種冶金缺陷（如裂紋、變形、氣孔、組織不均勻等）。

粉末材料的影響

粉末材料的物理特性，如粉末粒度、密度、熱膨脹系數以及流動性等對零件中缺陷形成具有重要的影響。粉末粒度和密度不僅影響成型件中缺陷的形成，還對成型件的精度和粗糙度有着顯着的影響。粉末的膨脹和凝固機制對燒結過程的影響可導緻成型件孔隙增加和抗拉強度降低。

工藝參數的影響

激光和燒結工藝參數，如激光功率、掃描速度和方向及間距、燒結溫度、燒結時間以及層厚度等對層與層之間的粘接、燒結體的收縮變形、翹曲變形甚至開裂都會産生影響。上述各種參數在成型過程中往往是相互影響的，如YongAkSong等研究表明降低掃描速度和掃描間距或增大激光功率可減小表面粗糙度，但掃描間距的減小會導緻翹曲趨向增大。

因此，在進行最優化設計時就需要從總體上考慮各參數的優化，以得到對成型件質量的改善最為有效的參數組。制造出來的零件普遍存在着緻密度、強度及精度較低、機械性能和熱學性能不能滿足使用要求等一些問題。這些成型件不能作為功能性零件直接使用，需要進行後處理（如熱等靜壓HIP、液相燒結LPS、高溫燒結及熔浸）後才能投人實際使用。此外，還需注意的是，由于金屬粉末的SLS溫度較高，為了防止金屬粉末氧化，燒結時必須将金屬粉末封閉在充有保護氣體的容器中。

總結與展望

快速成型技術中，金屬粉末SLS技術是人們研究的一個熱點。實現使用高熔點金屬直接燒結成型零件，對用傳統切削加工方法難以制造出高強度零件，對快速成型技術更廣泛的應用具有特别重要的意義。展望未來，SLS形技術在金屬材料領域中研究方向應該是單元體系金屬零件燒結成型，多元合金材料零件的燒結成型，先進金屬材料如金屬納米材料，非晶态金屬合金等的激光燒結成型等，尤其适合于硬質合金材料微型元件的成型。此外，根據零件的具體功能及經濟要求來燒結形成具有功能梯度和結構梯度的零件。我們相信，随着人們對激光燒結金屬粉末成型機理的掌握，對各種金屬材料最佳燒結參數的獲得，以及專用的快速成型材料的出現，SLS技術的研究和引用必将進入一個新的境界。

LOM原理

分層實體制造（LOM——LaminatedObjectManufacturing）法，LOM又稱層疊法成形，它以片材（如紙片、塑料薄膜或複合材料）為原材料，其成形原理如圖所示，激光切割系統按照計算機提取的橫截面輪廓線數據，将背面塗有熱熔膠的紙用激光切割出工件的内外輪廓。切割完一層後，送料機構将新的一層紙疊加上去，利用熱粘壓裝置将已切割層粘合在一起，然後再進行切割，這樣一層層地切割、粘合，最終成為三維工件。LOM常用材料是紙、金屬箔、塑料膜、陶瓷膜等，此方法除了可以制造模具、模型外，還可以直接制造結構件或功能件。該方法的特點是原材料價格便宜、成本低。

成形材料：塗敷有熱敏膠的纖維紙；

制件性能：相當于高級木材；

主要用途：快速制造新産品樣件、模型或鑄造用木模。

FDM原理

熔積成型（FDM——FusedDepositionModeling）法，該方法使用絲狀材料（石蠟、金屬、塑料、低熔點合金絲）為原料，利用電加熱方式将絲材加熱至略高于熔化溫度（約比熔點高1℃），在計算機的控制下，噴頭作x-y平面運動，将熔融的材料塗複在工作台上，冷卻後形成工件的一層截面，一層成形後，噴頭上移一層高度，進行下一層塗複，這樣逐層堆積形成三維工件。該方法污染小，材料可以回收，用于中、小型工件的成形。下圖為FDM成形原理圖。

成形材料：固體絲狀工程塑料；

制件性能：相當于工程塑料或蠟模；

主要用途：塑料件、鑄造用蠟模、樣件或模型。

特點：1、優點：（1）操作環境幹淨，安全，在辦公室課進行；（2）工藝幹淨、簡單、易于操作且不産生垃圾；（3）尺寸精度高，表面質量好，易于裝配，可快速構建瓶狀或中空零件；（4）原材料以卷軸絲的形式提供，易于搬運和金額快速更換；（5）原料價格便宜；（6）材料利用率高；（7）可選用的材料較多，如染色的ABS、PLA和醫用ABD、PC、PPSF、人造橡膠、鑄造用蠟。

2、缺點：（1）精度較低，難以構建結構複雜的零件；（2）與截面垂直方向的強度小；（3）成型速度相對較慢，不适合構建大型零件。

研究現狀

國外

美國3DSystems公司1988年生産出世界上第一台SLA250型光固化快速造型機，開創了LRP技術迅速發展和推廣應用的新紀元。美國在設備研制、生産銷售方面占全球主導地位，其發展水平及趨勢基本代表了世界的發展水平及趨勢。歐洲和日本也不甘落後，紛紛進行相關技術研究和設備研發。香港和台灣比内地起步早，台灣大學擁有LOM設備，台灣各單位及軍方安裝多台進口SL系列設備。香港生産力促進局和香港科技大學、香港理工大學、香港城市大學等都擁有RP設備，其重點是有關技術的應用與推廣。

國内

國内自20世紀90年代初開始進行研究，現有西安交通大學、華中科技大學、清華大學、北京隆源公司多所研究單位自主開發了成型設備并實現産業化。其中，西安交大生産的紫外光CPS系列光固化成型系統快速成型機等新技術，引起了國内外的高度重視；華中科技大學研究LOM、SLS工藝，推出了系列成型機和成型材料；清華大學主要研究RP方面的現代成型學理論，并開展了基于SL工藝的金屬模具的研究；北京隆源公司主要研究SLS系列成型設備和配套材料并承接相關制造工程項目。