1、 本 科 毕 业 设 计 第 1 页 共 36 页1 引言1.1 快速成型技术的产生和发展1.11 快速成型（RP）技术简介快速原型制造技术，又叫快速成型技术，英文：RAPID PROTOTYPING（简称 RP 技术），RAPID PROTOTYPING MANUFACTURING，简称 RPM。快速成型（RP）技术是在 90 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。它于 20 世纪 80 年代后期产生于美国，很快扩展到日本及欧洲，比喻 20 世纪 90 年代初期引进我国，是近
2、20 年来制造技术领域的一项重大突破，并由此产生一个新兴的技术领域。它借助计算机、激光、精密传动、数控技术等现代手段，将 CAD 和 CAM 技术、数控技术、材料科学、机械工程、电子技术及激光技术的技术集成以实现从零件到三维实体原型制造一体化的系统技术。它是一种基于离散堆积成型思想的新型成型技术，是又 CAD 模型直接驱动的快速完成任意复杂形状三维实体零件制造的技术的总称。快速成形 （Rapid Prototyping， RP） 技术基于离散 /堆积原理， 采用多种直写 （Direct Writing）技术控制单元材料状态，将传统上相互独立的材料制备和材料成形过程合，建立了零件成形信息及材料功
3、能信息数字化到物理实现数字化之间的直接映射，实现了从材料和零件的设计思想到物理时间的一体化1。进入 21 世纪以来，间接快速制模技术成为 RP 最重要的应用领域；生物活性材料快速成形成为 RP 研究中一个新的热点，快速成形的生物材料进入细胞和大分子层次；RP 技术的研究重点逐步转移到快速制造（Rapid Manufacturing） ，主要是直接金属件的制造，快速成形技术的概念也由快速原型向快速制造转化2。而基于喷射技术的熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）正是当前最活跃使用最广泛的 RP 技术之一。1.1.2 快速成型技术的基本原理传统的零件加工过程是先
4、制造毛坯，然后经切削加工，从毛坯上去除多余的材料，从而达到设计所要求的形状、尺寸和公差，这种方法统称为材料去除制造。本 科 毕 业 设 计 第 2 页 共 36 页快速原型制造技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法，而基于“材料逐层堆积”的制造理念，将复杂的三维加工分解为简单的材料二维添加的组合，它能在 CAD 模型的直接驱动下，快速制造任意复杂形状的三维实体，是一种全新的制造技术。1.1.3 快速成型（RP）技术的特点RP 技术将一个实体的复杂的三维加工离散成一系列层片的加工，大大降低了加工难度，具有如下特点：（1）成型全过程的快速性，适合现代激烈的产品市场；（2）可以制造任意复杂形状的三维实体
5、；（3）用 CAD 模型直接驱动，实现设计与制造高度一体化，其直观性和易改性为产品的完美设计提供了优良的设计环境；（4）成型过程无需专用夹具、模具、刀具，既节省了费用，又缩短了制作周期。（5）技术的高度集成性，既是现代科学技术发展的必然产物，也是对它们的综合应用，带有鲜明的高新技术 特征。以上特点决定了 RP 技术主要适合于新产品开发，快速单件及小批量零件制造，复杂形状零件的制造，模具与模型设计与制造，也适合于难加工材料的制造，外形设计检查，装配检验和快速反求工程等。1.1.4 快速成型（RP）技术的研究背景自美国 3D 公司 1988 年推出第一台商品 SLA 快速成形机以来，已经有十几种不
6、同的成形系统，其中比较成熟的有 UV、SLA、SLS、LOM 和 FDM 等方法。本次毕设的任务就是基于各种快速成型技术中的 FDM 技术提出来的2.快速成型的分类及其应用1.4 快速成型技术的分类目前快速成型技术在“分层制造”思想的基础上，已出现了数十种工艺方法，并且新的工艺还在不断涌现。根据所使用的材料和建造技术的不同，目前应用比较广泛的方法有选择性激光烧结法（SLS） 、光固化成型法（SLA） 、熔融沉积制造法（FDM） 、叠层实体制造法（LOM）等。1) 选择性激光烧结法(Selective Laser Sintering, SLS)工艺 本 科 毕 业 设 计 第 3 页 共 36
7、页SLS 工艺是采用粉末状材料成型的。用激光束在计算机的控制下有选择地进行烧结，被烧结部分固化在一起构成了零件的实心部分。一层完成后再进行下一层，新的一层则与上一层牢固地结合在一起。所有层完成后，去除多余未烧结的粉末，再经过打磨、烘干等后处理，便得到烧结后的零件。如下图所示：图 1 选择性激光烧结原理图2） 光固化成型法(Stereo lithography Apparatus, SLA)工艺SLA 工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。激光束在控制系统的控制下按零件的各分层截面信息在光敏树脂表面进行逐点扫描，使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。一层固化完毕后，
8、工作台下移一个层厚的距离，以使在原先固化好的树脂表面再铺上一层新的液态树脂，刮板将粘度较大的树脂液面刮平，然后进行下一层的扫描加工，新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复直至整个零件制造完毕，得到一个三维实体原型。如下图所示:本 科 毕 业 设 计 第 4 页 共 36 页图 2 立体光固化成型工艺原理图3) 熔融沉积制造法(Fused Deposition Manufacturing, FDM)工艺FDM 工艺一般采用热塑性材料。材料在喷头内被加热融化。喷头在计算机的控制下沿零件截面进行填充轨迹运动，同时将融化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结。材料挤压后堆积出一个层面，然后将
9、第二个层面用同样的方法制造出来，并与前一个层面熔接在一起，如此层层堆积而获得一个三维实体。如下图所示：本 科 毕 业 设 计 第 5 页 共 36 页图 3 熔融沉积制造原理图4) 叠层实体制造法(Laminated Object Manufacturing, LOM)工艺LOM 工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。LOM 工艺将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起，位于上方的激光器按照 CAD 分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓然后新的一层纸再叠加在上面，通过热压装置和下面已切割层粘合在一起。激光束再次切割这样反复逐层切割一粘合一切割，直至整个零件模型。如下图所示
10、：图 4 Helisys 公司的 LOM 系统装置原理图本 科 毕 业 设 计 第 6 页 共 36 页5） 其他工艺：还有许多快速成型工艺已经投入商品化，如三维喷涂粘结（Three Dimensional Printing and Gluing, 3DPG） 、焊接成型（Welding Forming, WF） 、光屏蔽工艺（Photomasking, SGC） 、直接壳法（Direct Shell Production Casting, DSPC） 、直接烧结技术、数码累积成型、热致聚合、全息干涉制造、模型熔、弹道微粒制造光束干涉固化等。1.5 快速成型技术的应用1） 在产品设计上的应用一
11、直以来，在 CAD 和 CAM 之间都存在着一个缝隙，即产品的 CAD 总不能在 CAM 之前尽善尽美。快速成型技术的出现恰到好处地弥补了产品 CAD 与 CAM 之间的这个缝隙。正因为如此，RP 模型的早期应用主要集中在产品设计阶段的外观评估、装配与功能检验方面，而且这几方面的应用至今仍然占据着较大的需求。2) 在快速模具上的应用由于现代社会产品竞争十分激烈,产品快速响应市场往往是竞争制胜的关键,所以模具快速制造显得尤为重要。传统模具制造的方法工艺复杂、时间长、费用高、精度低、寿命短,很难完全满足用户的要求。即使是传统的快速模具,也常常因为模具的设计与制造中出现的问题无法改正,而不能做到真正
12、的“快速” 。因此,应用 RP 技术制造快速模具,在最终生产模具开模之前进行产品的试制与小批量生产,可以大大提高产品开发的一次成功率,有效地节约开发时间和费用。在 RP 原型制造出来之后,以此原型作为基础,采用一次转换或多次转换工艺,制造出实际的大批量生产中或产品试制中零件使用的模具,称为间接模技术,目前是 RP 技术最重要的应用领域。3) 在医学领域上的应用RP 技术已经运用于种植体原型、监视系统和很多其他医疗设备原型的制作，运用生理数据采用 SLA、LOM、SLS、FDM 等技术快速制作物理模型，对想不通过开刀就可观看病人骨结构的研究人员、种植体设计师和外科医生等能够提供非常有益的帮助。这
13、些技术在很多专科如颅外科、神经外科、口腔外科、整形外科和头颈外科等得到了广泛的应用。本 科 毕 业 设 计 第 7 页 共 36 页1.2 熔融沉积技术12.1 FDM 熔融沉积造型概述熔融沉积造型（Fused Deposition Modeling ,FDM）又称为融化堆积法，熔融挤出成模（Melted Extrusion Manufacturing ,MEM）等 .FDM 工艺由美国学者 Dr.Scott Crump 于 1988 年研制成功，并由美国 Stratasys 公司推出商品化的设备3。FDM 工艺不使用激光器，其关键技术在于喷头，其基本工作原理是：喷头在计算机控制下作 X-Y联
14、动扫描以及 Z 向运动，制作材料在喷头中被加热并略高于熔点；喷头在扫描运动中喷出熔融的材料，快速冷却形成一个加工层，并与上一层连接在一起；这样层层扫描叠加便形成一个空间实体。类似的工艺还有 MJS（Multiple Jet Solidification） 、MEM（Melted Extrusion Manufacturing）等。研究 FDM 工艺的主要有 Stratasys 公司和 Med Modeler 公司。Stratasys 公司于1993 年开发出第一台 DDM1650 机型后，又先后推出了 FDM-2000、FDM-3000 和 FDM-8000 机型。近年来，美国 3D Syst
15、ems 公司在 FDM 技术的基础上开发出了多喷头（Multi-Jet Manufacture,MJM）技术，即使用多个喷头同时造型，从而提高了造型速度。1.2.2 FDM 国内外发展现状目前研究 FDM 最主要的是美国 Stratasys 公司。该公司成立于 1990 年，总部位于美国明尼苏达州，拥有 FDM 专利技术。该公司于 1993 年开发出第一台 FDM-1650 机型后，先后推出了 FDM-2000、FDM-3000 和 FDM-8000 机型；1998 年又推出了采用挤出头磁浮定位（Magna Drive）系统，可同时控制两个喷出头的 FDM-Quantum 机型；1999 年推
16、出可使用使用聚脂热塑性塑料的 Genisys 型改进机型 GenisysXs1；目前该公司最新的机型有 Dimension 三维打印机、FDM Prodigy plus、FDM Vantage、FDM Titan、FDM Maxum 快速成形机。该公司自 2002 年起在年 RP 设备销售台数上超过美国3D System 公司，成为世界上最大的 RP 设备销售商，目前 Stratasys 公司每年销售的RP 设备占到全球销售总量的一半左右。国内，华中科技大学、北京殷华公司等单位也从事 FDM 方面的研究。北京殷华公司对熔融挤压喷头进行了改进，提高了喷头可靠性。并在此基础上新推出了面向办公应用的
17、 MEM200 型小型设备，面向工业应用的 MEM350 型设备以及基于光固化工艺的AURO-350 型设备。此外，殷华公司近几年推出了专门用于人体组织工程支架的快速成本 科 毕 业 设 计 第 8 页 共 36 页形设备 Medtiss。该型设备以清华大学激光快速成形中心发明的低温冷冻成形（LDM）工艺为基础，最多可同时装备 4 个喷头。该设备成形材料广泛，可成形PLLA、PLGA、PU 等多种人体组织工程用高分子材料。成形的支架孔隙率高，贯通性好，在组织工程中有良好的应用前景2。在 FDM 材料方面，熔丝线材料主要是 ABS、人造橡胶、铸蜡和聚脂热塑性塑料。1998 年澳大利亚的 Swin
18、burne 工业大学研究了一种金属-塑料复合材料丝。1999 年Stratasys 公司开发出水溶性支撑材料，有效地解决了复杂、小型孔中的支撑材料难除或无法去除的难题3。从 2003 年至今，Stratasys 公司为扩大 FDM 工艺在 RM 领域的应用，先后推出 PC、PC/ABS、PPSF 等三种材料，使成形的零件可直接用作汽车仪表盘、电子产品外壳甚至塑料注塑模具等。根据 Stratasys 技术报告提供的数据，采用 PPSF材料制造的注塑模具可生产 150 件 POM 零件或者 201 件 PA 零件4。此外，目前Stratasys 公司推出的工程塑料 ABS 有六种标准颜色，包括：白
19、、蓝、黄、黑、红、绿色，允许客户定制。1.2.3 新工艺、新材料和新方法的研究丹麦科技大学（Technical University of Denmark）的 Bellini Anna 开发了一种用于 FDM 设备的新型挤出系统5。该装备将一个微型挤出器安装在一个精确定位系统上，它能使直接使用颗粒状原料，而代替传统 FDM 工艺中的丝状材料，从而使得 FDM工艺可以使用更广泛的特殊材料（如陶瓷等） ，提高 FDM 制件的性能，达到使用 FDM工艺制造特殊原型和快速制造的目的。目前，该系统和使用该系统的制件已经制作出来，但是一些工艺参数（如颗粒度等）还需要进一步优化。西安交通大学将传统 FDM工
20、艺中材料挤出过程作了改进，将被加热到一定温度的低粘性材料(该材料可由不同相组成,如粉末粘结剂的混合物) ,通过空气压缩机提供的压力由喷头挤出,其他均与传统 FDM 工艺相同，他们将这种工艺称之为气压式熔融沉积快速成形(AJS)6。他们的研究结论是：以气压作为挤压动力有效可行,系统工艺简单,成形材料选择范围广泛,可完成传统 FDM 的快速设计任务,还可完成制造人工生物活性骨的模型加工。澳大利亚 Swinburne 科技大学（Swinburne University of Technology）继续了他们在金属/塑料复合材料上面的研究。2005 年他们开发一种新的铁/尼龙的复合材料，该材料比其他用
21、于快速制模的金属/塑料复合材料拥有更好的性能7。在 FDM 工艺的基础上，苏格兰 Glagow Caledonian 大学（Glagow Caledonian本 科 毕 业 设 计 第 9 页 共 36 页University）提出了一种新的成形方法 SALM（Shell Assisted Layer Manufacturing） 。该方法的每一层制作分为两步：首先用 FDM 工艺做作制件外壳，然后用 UV 光固化树脂填充外壳，重复制作直至完成。该方法有潜力来提高制件质量、生产效率和工艺速度8。1.2.4 工艺实验方面的研究马来西亚科学大学（University Sains Malaysia）
22、的 Lee B.H.等人提出一种Taguchi method 来获得使用 FDM 工艺制作 compliant ABS 原型时的最优加工参数。最后通过实验得到的结论是：layer thickness，raster angle 和 air gap 对 compliant ABS 原型的弹性性能有很重要的影响9。丹麦科技大学（Technical University of Denmark）的 Bellini Anna 等人针对FDM 的最新发展使得 FDM 工艺已经用于直接快速制造零件，对挤出过程提出更高的要求的形式下，通过分析材料挤出阶段的液化器动力学（Liquefier dynamics） ，
23、提出了挤出过程的控制策略10。大连理工大学的郭东明教授、贾振元教授等人也进行了 FDM 工艺参数优化设计。他们使用一个包含 22 个尺寸、几何精度及表面粗糙度特征的测试件，采用一个具有最少试验次数的正交试验得到 27 个 FDM 原型；通过使用三坐标测量仪和表面粗糙度轮廓仪来测量原型件的各种特征，并使用 MATLAB 软件进行试验数据处理，据此结果来评估FDM 原型件的质量；取并进行了工艺参数的优化。研究结果表明，工艺参数的优化设置能大幅度改善原型件的质量11。1.2.5 各应用领域的研究澳大利亚 Swinburne 大学的 Masood S. H.教授等人使用 FDM 工艺直接喷射金属制作注
24、塑模嵌件。它首先用 FDM 工艺制作一个尼龙模型，然后在尼龙的外表面喷射一层锌合金保护膜。目前，他们正在对这种新工艺，以及使用这种注塑模制作出来的塑料件进行研究12。荷兰 TNO 国家应用科学研究组织在 FDM 技术的基础上，使用一直 semi-solidmetals（EDSSM）来直接制作金属件。他们还对这中合金材料的微观组织及其在挤出和沉积过程中的流变力学性质等进行了研究13。得出了加工工艺参数与原型件质量之间的关系，清华大学的颜永年教授等人利用喷射/挤出沉积成形方法制作了骨模型和耳状软骨，并在狗和兔子上进行了实验14。颜永年教授还于 2005 年正式提出生物制造本 科 毕 业 设 计 第
25、 10 页 共 36 页工程的概念15，目前他们的研究工在国际上处于领先水平。Srezelec Rebecca A.和 Varreck Andrew N.在美国工程教育协会 2005 年年会报告中，就 FDM 技术在机电工程技术教育中的应用、FDM 的操作、优点和局限性及 FDM 教学应用项目进行了讨论18。在他们的教学应用项目中，在 Penn State Altoona 机电工程系的学生开设 Senior Capstone Course，此外还专门开设了一门“CAD for Artists”课程。值得注意的是，在他的报告中指出，美国宾州中南部的几十名 11 到13 岁的女中学生也使用 FDM
26、 系统进行她们的研究。她们在设计了用户产品之后，使用FDM 去制作原型，然后进行讨论。1.2.6 FDM 系统组成FDM 系统主要包括喷头、送丝机构、运动机构、加热成型室、工作台五个部分。（1）喷头。喷头是最复杂的部分。材料在喷头中被加热融化，喷头底部有一喷嘴供熔融的材料以一定的压力挤出，喷头沿零件界面轮廓和填充轨迹运动是挤出材料，与前一层粘结并在大气中迅速固化。如此反复进行即可得到实体零件。（2）送丝机构。送丝机构为喷头输送原料，进丝要求平稳可靠。一般和喷头采用推拉相结合的方式，以保证进丝稳定可靠，避免断丝或积瘤。（3）运动机构。运动机构包括 X，Y,Z 三个轴的运动。X-Y 轴的联动完成喷
27、头对截面的平面扫描，Z 轴则带动工作台实现高度方向上的进给。（4）加热成型室。加热成型室用来给成型过程提供一个恒温的环境。熔融状态的丝挤出成型后如果骤然冷却，容易造成翘曲和开裂，适当的环境温度可最大限度的减小这种缺陷，以提高成型质量和精度。（5）工作台。工作台主要由台面和泡沫垫板组成，每完成一层成型，工作台便下降一层高度。1.27 FDM 成型特点： 1)标准的工程热塑性塑料。如 ABS 可以用来生成带有结构功能的模型。 2)可以使用两种材料，可选栅格结构充当填空。 3)加热后的热塑性塑料细丝像挤牙膏一样从喷嘴中挤出。 4)热塑性塑料到达较低温度的工作环境平面后迅速冷却固化。 5)近年来发展迅速，广受用户青睐。
