第一篇：3D打印快速成型技術及其應用

3D打印快速成型技術及其應用

3D打印快速成型技術及其應用

摘要：本文介紹了3D打印技術的基本原理及其制造流程。通過一些實例說明了3D打印的應用主要是說明在現代軍事方面的應用。

一．引言

3D打印（3D PRINTING）即3D打印技術，又3D打印制造是20世紀80年代才興起的一門新興的技術，是21世紀制造業最具影響的技術之一。隨著計算機與網絡技術的發展，信息高速公路加快了科技傳播的速度，產品的生命周期越來越短，企業之間的競爭不再只是質量和成本上的競爭，而更重要的是產品上市時間的競爭。因此，通過計算機仿真和3D打印增加產品的信息量，以便更快的完成設計及其制造過程，將產品設計和制造過程的時間周期盡量縮短，防止投產后發現問題造成不可挽回的損失。

3D打印技術是由CAD模型直接驅動的快速制造復雜形狀的三維實體的技術總稱。簡單的講，3D打印制造技術就是快速制造新產品首版樣件的技術，它可以在沒有任何刀具、模具及工裝夾具的情況下，快速直接的實現零件的單件生產。該技術突破了制造業的傳統模式，特別適合于新產品的開發、單件或少批量產品試制等。它是機械工程、計算機CAD、電子技術、數控技術、激光 技術、材料科學等多學科相互滲透與交叉的產物。它可快速，準確地將設計思想轉變為具有一定功能的原型或零件，以便進行快速評估，修改及功能測試，從而大大縮短產品的研制周期，減少開發費用，加快新產品推向市場的進程。

自從美國3D公司在1987年推出世界上

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二．3D打印技術的簡介

2.1 3D打印系統的工作原理和制造工藝

3D打印技術是一種逐層制造技術，它采用離散/堆積成型原理，其過程是：先得到所需零件的計算機三維曲面或實體模型；然后根據工藝要求，將其按一定厚度進行分層，將原來的三維模型變成二維平面信息，即離散過程；再將分層后的數據進行一定的處理，加入加工參數，產生數控代碼；在微機控制下，數控系統以平面加工方式，有序地連續加工出每個薄層，并使它們自動粘接而成型，從而制造出所需產品的實物樣件或成品，這就是材料的堆積過程。已知自由曲面CAD模型，如果使用傳統的方法和數控機床進行加工，那么復雜的自由曲面，成本高，效率低。近年來，3D打印即廣泛的被運用于工業生產中。各種3D打印技術的過程都包括CAD模型建立、生成STL文件格式、3D打印制作、模型分層切片和后置處理五個步驟，其制造過程如圖1所示

（1）利用激光固化樹脂材料的光造型法（Stereolithography）。光造型裝置一直以美國3DSYSTEMS公司的ＳＬＡ型產品獨占鰲頭,并形成壟斷市場。其工作原理如下：由激光器發出的紫外光,經光學系統匯集成一支細光束,該光束在計算機控制下有選擇的掃描液體光敏樹脂表面,利用光敏樹脂遇紫外光凝固的機理,一層一層固化光敏樹脂,每固化一層后,工作臺下降一精確距離,并按新一層表面幾何信息使激光掃描器對液面進行掃描,使新一層樹脂固化并緊緊粘在前一層已固化的樹脂上,如此反復,直至制作生成零件實體模型。激光立體造型制造精度目

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前可達±0.1ｍｍ,主要用作為產品提供樣品和實驗模型。此外,日本的帝人制機開發的SOLIFORM可直接制作注射成型模具和真空注塑模具。

（2）紙張疊層造型法。紙張疊層造型法目前以HELISYS公司開發的LOM裝置應用最廣。該裝置采用專用滾筒紙,由加熱輥筒使紙張加熱聯接,然后用激光將紙切斷,待加熱輥筒自動離開后,再由激光將紙張裁切成層面要求形狀。

（3）熔融造型法熔融造型法（FDM）。以美國STRATASYS公司開發的產品FDM(FUSED DEPOSITION MODELLING)應用最為廣泛。工作時,直接由計算機控制。噴頭擠出熱塑材料并按照層面幾何信息逐層由下而上制作出實體模型。ＦＤＭ技術的最大特點是速度快(一般模型僅需幾小時即可成型)、無污染,在原型開發和精鑄蠟模等方面得到廣泛應用。FDM生產可選成型材料種類較多，原材料費用低，因而的到廣泛的應用。但是FDM也有其固有的缺點。精度低，熱融制造中很難控制精度，難以制造結構復雜的構件，且材料的制造是處于熔點附近，因而構件的強度小，也不適合制造大型的制件，這些特點都限制了FDM的應用范圍。

（4）熱可塑造型法（SLS）。以DTM公司開發的選擇性激光燒結即SLS(SELECTIVE LASER SINTERING)應用較多。該方法是用CO2激光熔融燒結樹脂粉末的方式制作樣件。工作時,由CO2激光器發出的光束在計算機控制下,根據幾何形體各層橫截面的幾何信息對材料粉末進行掃描,激光掃描處粉末熔化并凝固在一起。然后,鋪上一層新粉末,再用激光掃描燒結,如此反復,直至制成所需樣件。

2.2 3D打印制造的優點

3D打印技術的加工特點:3D打印技術突破了“毛坯→切削→加工品”傳統的零件加工模式,開創了不用刀具制作零件的先河,是一種利用的薄層疊加的加工方法。與傳統的切削加工方法相比,3D打印加工至少具有以下優點:(1)可迅速制造出具有自由曲面和更為復雜形態的零件,如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，這些利用傳統工藝很難加工的,從而大大降低了新產品的開發成本和開發周期。在時間尤其重要的今天，它可以為企業節省大量的研發時間。

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(2)它屬于非接觸加工,不需要切削加工所必需的刀具和夾具,無刀具磨損和切削力影響。只需要一套特定的設備，工序簡單，沒有傳統加工的煩瑣的工序。傳統的加工中每一個工序都需要機床等復雜加工設備，且加工過程復雜，對操作人員的技術要求很高。

(3)無振動、噪聲和切削廢料。可以為企業節省寶貴的試制原料，簡化生產。傳統的制造中由于多是機械制造，噪音較大。且加工時邊角料多。造成資源的浪費。

(4)可實現完全自動化生產。操作可以由電腦控制，無需人的過多干預。真正實現了自動化。

(5)加工效率高,能快速制作出產品實體模型及模具。精度高，生產的產品質量好。

(6)3D打印技術在產品開發中的關鍵作用和重要意義是很明顯的，它不受復雜形狀的限制，可迅速地將示于計算機屏幕上的設計變為進一步評估的實物。根據原型，可對設計的正確性、造型的合理性、可裝配性和干涉性，進行具體的檢驗。通過原型的檢驗可使開發產品中的風險減到最底的限度。

三．3D打印技術在軍事方面的應用

當前，3D打印技術在軍事領域的應用主要是武器裝備受損部件的維修和復雜結構件的生產。

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3D打印成型技術打印出的手槍及零部件

4．1武器裝備受損部件維修

美國國防部曾采用激光近凈成型進行受損零件現場維修，以及專用零件的小批量生產。安妮斯頓陸軍基地采用激光近凈成型成功維修M1艾布拉姆斯坦克的燃氣渦輪。美國海軍水下作戰中心（NUWC）實施了快速制造與維修（RMR)計劃，該計劃采用選擇性激光燒結，直接金屬激光燒結、熔融堆積成型以及電子束。4．2武器裝備復雜結構件生產

紅石兵工廠的美國陸軍航空與導彈研究開發與工程中心（AMRDEC）通過立體光刻成型技術、熔融沉積建模、分層制造、激光近凈成型、選擇性激光燒結等技術，進行設計驗證和最優化研究。為了評估人機工程特性與性能，AMEDEC 采用立體光刻成型技術制造導彈控制操縱桿，避免了傳統生產設備所需花費的大量時間和設備成本，降低了總生產成本，縮短了開發周期。美國國防部與工業界聯合實施了采用類似立體光刻成型的方法合金結構件快速生產的項目，其生產效率比傳統的鐵合金加工工藝高80%。F-15獵鷹噴氣式戰斗機鐵合金外掛架冀肋備件采用激光3D打印工藝，使零件的需求能夠在2個月內得到快速滿足，并最大限度保持飛機的可用性。正是由于這些優點，選擇性激光燒結工藝被授予2003 年國防制造技術成就獎。使用3D打印技術制造UH-60直升機門把手，相比傳統

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工藝節省了140萬美元，從而驗證了3D打印技術在成本方面具有一定優勢。除了美國，歐洲宇航防務集團（EADS）的一個科研小組也致力于使用3D打印技術制造飛機的整個機翼。截止2011年3月研究者已使用該技術制造出了飛機起落架的支架和其它飛機零件。

四．結束語

最近兩年，3D打印技術概念引起了國內外政府、軍方、企業的高度重視，但其實3D打印技術已經發展有30余年。美國著名智庫高德納（Gartner）公司2012年度《高德納新興IT技術顯示度周期特別報告》認為，3D打印技術正處于高循環曲線顯示度頂點。預計該技術在未來2～5年內到達生產力成熟期。然而，通過分析發現，3D打印技術卻很難取代傳統制造工藝，在軍事領域的應用主要集中在對受損部件的修復、復雜結構部件的生產以及小批量部件生產等方面，與傳統制造工藝形成了較好的互補關系。例如，美國計劃使用3D打印技術在太空空間站上制造空間站部件備件。因此，未來3D打印技術可能會在武器裝備制造、航空航天中的一些特定領域有所應用，但大面積，全方位的替代傳統工藝的可能性不大。

3D打印快速成型技術及其應用

參考文獻

［1］顏永年，張人佶．快速制造技術的發展道路與發展趨勢［J］．電加工與模具，2007，2：25-29 ［2］朱輝杰．融入載人航天精神的Dimension3D打印機———推動中國空間事業的持續發展［J］．CAD/CAM與制造業信息化，2011，8：58 ［3］張德勝．利用太陽能的三維打印線聚光光源和打印方法：中國，102886901A[p]．2013-01-23．

第二篇：快速成型技術及應用學習心得

《快速成型技術及應用》學習心得

對于本學期黃老師的《快速成型技術及應用》學習心得，主要從RP技術的應用現狀和發展趨勢、主要的RP成型工藝分析和RP技術在當代模具制造行業的應用三個方面進行說明：

一、RP技術的應用現狀與發展趨勢

快速成型（Rapid Prototyping）技術是由三維CAD模型直接驅動的快速制造任意復雜形狀三維實體的總稱。它集成了CAD 技術、數控技術、激光技術和材料技術等現代科技成果，是先進制造技術的重要組成部分。

目前，快速成型技術已在工業造型、機械制造、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫學、考古、文化藝術、雕刻、首飾等領域都得到了廣泛應用。

RP技術雖然有其巨大的優越性，但是也有它的局限性，由于可成型材料有限，零件精度低，表面粗糙度高，原型零件的物理性能較差，成型機的價格較高，運行制作的成本高等，所以在一定程度上成為該技術的推廣普及的瓶頸。從目前國內外RP 技術的研究和應用狀況來看，快速成型技術的進一步研究和開發的方向主要表現在以下幾個方面：

（1）大力改善現行快速成型制作機的制作精度、可靠性和制作能力，提高生產效率，縮短制作周期。尤其是提高成型件的表面質量、力學和物理性能，為進一步進行模具加工和功能試驗提供平臺。

（2）開發性能更好的快速成型材料。材料的性能既要利于原型加工，又要具有較好的后續加工性能，還要滿足對強度和剛度等不同的要求。

（3）提高RP 系統的加工速度和開拓并行制造的工藝方法。目前即使是最快的快速成型機也難以完成象注塑和壓鑄成型的快速大批量生產。

（4）RPM 與CAD、CAM、CAPP、CAE 以及高精度自動測量、逆向工程的集成一體化。該項技術可以大大提高新產品的第一次投入市場就十分成功的可能性，也可以快速實現反求工程。

（5）研制新的快速成型方法和工藝。除了目前SLA、LOM、SLS、FDM 外，直接金屬成型工藝將是以后的發展焦點。

二、幾種常見RP工藝

1、FDM，絲狀材料選擇性熔覆（Fused Deposition Modeling）快速原型工藝是一種不依靠激光作為成型能源、而將各種絲材（如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等）加熱熔化進而堆積成型方法，簡稱FDM。

2、SLA，光敏樹脂選擇性固化是采用立體雕刻（Stereolithography）原理的一種工藝，簡稱SLA，是最早出現的一種快速成型技術。

3、SLS，粉末材料選擇性燒結（Selected Laser Sintering）是一種快速原型工藝，簡稱SLS。粉末材料選擇性燒結采用二氧化碳激光器對粉末材料（塑料粉等與粘結劑的混合粉）進行選擇性燒結，是一種由離散點一層層堆集成三維實體的快速成型方法。

4、LOM，箔材疊層實體制作（Laminated Object Manufacturing）快速原型技術是薄片材料疊加工藝，簡稱LOM。箔材疊層實體制作是根據三維CAD模型每個截面的輪廓線，在計算機控制下，發出控制激光切割系統的指令，使切割頭作X和Y方向的移動，最后疊加成型。

三、RP技術在模具制造中的應用

傳統的模具制造方法可分為兩種,一種是借助母模翻制模具,另一種就是用數控機床直接制造模具。在新產品開發過程中,減少模具制造所需成本和時間對縮短整個產品開發時間及降低成本是最有效的步驟,快速成型技術的一個飛躍就是進入模具制造領域,其潛力所在正是能降低模具制造成本并減少模具開發時間。將快速成型技術引入模具制造過程后的模具開發制造就是快速模具制造。

快速成型技術在模具制造領域的應用主要是用來制作模具設計制造過程中所用的母模,有時也用快速成型技術直接制造模具。因此可以將基于RP的快速模具制造分為兩類，即：直接制模法和間接制模法。（這里就不一一闡述了）

利用RP 技術發展快速模具制造技術還存在以下主要問題需要解決或者說需要進一步提高。

(1)表面質量如何滿足模具的要求,否則無法承受如注射成型這樣的高壓。分層制造法不可避免會產生臺階,斜面時更嚴重,后處理是目前通用的作法。

(2)尺寸精度如何滿足模具制造的要求,尤其是制造較大模具時,尺寸更不穩定。

(3)用作母模時的強度,耐熱和耐腐蝕性,形狀和尺寸的時效問題。

(4)塑料或樹脂類模具的導熱性很差，導熱差雖然帶來了可用較低注射壓力的好處,但生產周期太長也必須考慮。

(5)多數所謂金屬模具都需要最后滲銅,這就造成這種金屬模具的使用溫度不可太高,可能超過500 ℃就不行了。

(6)使用壽命的進一步延長和使用成本的進一步降低。

(7)目前所能制造的模具的體積都很小,怎樣制造大型模具?

(8)受不可缺少的后處理工序的限制,目前還不能制造具有很小細節特征的模具,尤其是具有內凹形狀的模具。

(9)目前快速成型方法所能成型的材料種類及其有限,需要開發新型材料。

第三篇：快速成型技術在鑄造中的應用

快速成型技術在鑄造中的應用

快速成形制造技術是目前國際上成型工藝中備受關注的焦點。鑄造作為一項傳統的工藝，制造成本低、工藝靈活性大，可以獲得復雜形狀和大型的鑄件。充分發揮兩者的特點和優勢，可以在新產品試制中取得客觀的經濟效益。

快速成形制造技術又稱為快速原型制造技術(Rapid Prototyping Manufacturing，簡稱RPM)，是一項高科技成果。它包括SLS、SLA、SLM等成型方法,集成了CAD技術、數控技術、激光技術和材料技術等現代科技成果，是先進制造技術的重要組成部分。與傳統制造方法不同，快速成型從零件的CAD幾何模型出發，通過軟件分層離散和數控成型系統，用激光束或其他方法將材料堆積而形成實體零件，所以又稱為材料添加制造法(Material Additive Manufacturing 或 Material Increase Manufacturing)。由于它把復雜的三維制造轉化為一系列二維制造的疊加，因而可以在不用模具和工具的條件下幾乎能夠生成任意復雜形狀的零部件，極大地提高了生產效率和制造柔性。與數控加工、鑄造、金屬冷噴涂、硅膠模等制造手段一起，快速自動成型已成為現代模型、模具和零件制造的強有力手段，是目前適合我國國情的實現金屬零件的單件或小批量敏捷制造的有效方法，在航空航天、汽車摩托車、家電等領域得到了廣泛應用。

快速成型技術能夠快捷地提供精密鑄造所需的蠟模或可消失熔模以及用于砂型鑄造的木模或砂模，解決了傳統鑄造中蠟模或木模等制備周期長、投入大和難以制作曲面等復雜構件的難題。而精密鑄造技術（包括石膏型鑄造）和砂型鑄造技術，在我國是非常成熟的技術，這兩種技術的有機結合，實現了生產的低成本和高效益，達到了快速制造的目的。

RPM技術的特點

快速成型的過程是首先生成一個產品的三維CAD實體模型或曲面模型文件，將其轉換成特定的文件格式，再用相應的軟件從文件中“切” 出設定厚度的一系列片層，或者直接從CAD文件切出一系列的片層。這些片層按次序累積起來仍是所設計零件的形狀。然后，將上述每一片層的資料傳到快速自動成型機中去，用材料添加法并以激光為加熱源，依次將每一層燒結或熔結并同時連結各層，直到完成整個零件。成型材料為各種可燒結粉末，如石蠟、塑料、低熔點金屬粉末或它們的混合粉末。

快速成型技術與傳統方法相比具有獨特的優越性，其特點如下：

1.方便了設計過程和制造過程的集成，整個生產過程數字化，與CAD模型具有直接的關聯性，零件所見即所得，可隨時修改、隨時制造，緩解了復雜結構零件CAD/CAM過程中CAPP的瓶頸問題。

2.可加工傳統方法難以制造的零件材質，如梯度材質零件、多材質零件等，有利于新材料的設計。

3.制造復雜零件毛坯模具的周期和成本大大降低，用工程材料直接成形機械零件時，不再需要設計制造毛坯成形模具。

4.實現了毛坯的近凈型成形，機械加工余量大大減小，避免了材料的浪費，降低了能

源的消耗，有利于環保和可持續發展。

5.由于工藝準備的時間和費用大大減少，使得單件試制、小批量生產的周期和成本大大降低，特別適用于新產品的開發和單件小批量零件的生產。

6.與傳統方法相結合，可實現快速鑄造、快速模具制造、小批量零件生產等功能，為傳統制造方法注入新的活力。

RPM技術在鑄造中的應用

（1）精密鑄造

精密鑄造是所有鑄造方法中最精確的一種，精度一般優于0.5％，且可重復性好，鑄件只需少量的機加工就可以投入使用。由于鑄模是一次性使用，使得制造內部結構復雜的零件成為了可能，能生產鍛造或機加工不能生產的零件。盡管精密鑄造有著很多的優越性，但其生產過程復雜且冗長。壓制蠟模的鋁模制作，視其復雜程度和尺寸大小，一般要花幾周到幾個月時間。得到鋁模后，還要幾周時間才能得到鑄件。這幾周主要是用于制作型殼。除了耗時外，精密鑄造還很費工，50％～80％的費用都出自于人工。此外，小批量生產中的模具費用分攤至使單價昂貴。快速成型和精密鑄造是互補的，這兩種方法都適用于復雜形狀零件的制造。如果沒有快速自動成型，鑄模的生產就是精密鑄造的瓶頸過程；然而沒有精密鑄造，快速自動成型的應用也會存在很大的局限性。快速成型技術在精密鑄造中的應用，可以分為三種：一是消失成型件（模）過程，用于小批量件生產；二是直接型殼法，用于小量生產；三是快速蠟模模具制造，用于大批量生產。

圖1 快速蠟模模具制造流程圖

（2）快速鑄造

在制造業特別是航空、航天、國防、汽車等重點行業，其基礎的核心部件一般均為金屬零件，而且相當多的金屬零件是非對稱性的、有著不規則曲面或結構復雜而內部又含有精細結構的零件。這些零件的生產常采用鑄造或解體加工的方法，快速鑄造是所有采用快速成型件做母模或過渡模來復制金屬件的方法中最具吸引力的一種。這是因為鑄造工藝能生產復雜形狀的零件。

在鑄造生產中，模板、芯盒、壓蠟型、壓鑄模的制造往往是用機加工的方法來完成的，有時還需要鉗工進行修整，周期長、耗資大，從模具設計到加工制造是一個多環節的復雜過程，略有失誤就可能會導致全部返工。特別是對一些形狀復雜的鑄件，如葉片、葉輪、發動機缸體和缸蓋等，模具的制造更是一個難度非常大的過程，即使使用數控加工中心等昂貴的設備，在加工技術與工藝可行性方面仍存在很大困難。

RPM 技術與傳統工藝相結合，可以揚長避短，收到事半功倍的效果。利用快速成型技術直接制作蠟模，快速鑄造過程無需開模具，因而大大節省了制造周期和費用。圖2為采用快速鑄造方法生產的四缸發動機的蠟模及鑄件，按傳統金屬鑄件方法制造，模具制造周期約需半年，費用幾十萬；用快速鑄造方法，快速成型鑄造熔模3天，鑄造10天，使整個試制任務比原計劃提前了5個月。

（3）石膏型鑄造

精密鑄造通常被用來從快速成型件制造鋼鐵件。但對低熔點金屬件，如鋁鎂合金件、石膏型鑄造，效率更高。同時鑄件質量能得到有效的保證，鑄造成功率較高。在石膏型鑄造過程中，快速成型件仍然是可消失模型，然后由此得到石膏模進而得到所需要的金屬零件。

石膏型鑄造的第一步是用快速成型件制作可消失模，然后再將快速成型消失模埋在石膏漿體中得到石膏模，再將石膏模放進培燒爐內培燒。這樣將快速成型消失模通過高溫分解，最終完全消失干凈，同時石膏模干燥硬化，這個過程一般要兩天左右。最后在專門的真空澆鑄設備內將熔溶的金屬鋁合金注入石膏模，冷卻后，破碎石膏模就得到金屬件了。這種生產金屬件的方法成本很低，一般只有壓鑄模生產的2％～5％。生產周期很短，一般只需2～3周。石膏型鑄件的性能也可與精鑄件相比，由于是在真空環境完成澆注，所以性能甚至更優于普通精密鑄造。

第四篇：快速成型技術復習重點

1.快速成型：簡稱RP,即將計算機輔助設計CAD計算機輔助制造CAM計算機數字控制CNC、激光、精密伺服驅動和新材料等先進技術集于一體，依據計算機上構成的工件三維設計模型，對其進行分層切片，得到各層截面的二維輪廓信息，快速成型機的成形頭按照這些輪廓信息在控制系統的控制下，選擇性地固化或切割一層層的成形材料，形成各個截面輪廓，并逐步順序疊加成三維工件。．

快速成形技術全過程步驟：a.前處理b.分層疊加成型c.后處理 快速成形制造流程：CAD模型→面型化處理→分層→層信息處理→層準備→層制造→層粘接→實體模型 2． 什么是快速模具制造技術？該技術有何特點？ 快速模具制造就是以快速成形技術制造的快速成型零件為母模，采用直接或間接的方法實現硅膠模、金屬模、陶瓷模等模具的快速制造從而形成新產品的小批量制造，降低新產品的開發成本。特點：制模周期短、工藝簡單、易于推廣，制模成本低，精度和壽命都能滿足特定的功能需要，綜合經濟效益好，特別適用于新產品開發試制、工藝驗證和功能驗證以及多品種小批量生產

LOM涂布工藝

采用薄片型材料，如紙 塑料薄膜 金屬箔等，通過計算機控制激光束，按模型每一層的內外輪廓線切割薄片材料，得到該層的平面輪廓形狀，然后逐層堆積成零件原型。

SLS技術（選擇性激光燒結成型技術）利用粉末材料如金屬粉末 非金屬粉末，采用激光照射的燒結原理，在計算機控制下進行層層堆積，最終加工制作成所需的模型或產品。4． 快速成形與傳統制造方法的區別？

傳統方法根據零件成形過程分為兩大類：一類是以成型過程中材料減少為特征，通過各種方法將零件毛胚上多余材料去除，即材料去除法，二類是材料的質量在成型過程中基本保持不變，成型過程主要是材料的轉移和毛胚形狀的改變即材料轉移法，但此類方法生產周期長速度慢。快速成型技術可以以最快的速度、最低的成本和最好的品質將新產品迅速投放市場。

硅膠模及制作方法 硅膠模具是制作工藝品的專用模具膠。

制作工藝 原型表面處理 制作型框和固定型框 硅橡膠計量，混合并真空脫泡 硅橡膠澆注及固化 拆除型框，刀剖并取出原型 7.構造三維模型的主要方法：a應用計算機三維設計軟件，根據產品的要求設計三維模型b應用計算機三維設計軟件，將已有產品的二維三視圖轉換為三維模型c防制產品時，應用反求設備和反求軟件，得到產品的三維模型d利用網絡將用戶設計好的三維模型直接傳輸到快速成形工作站 光固化快速成形（SLA）有那幾種形式的支撐？

a.角板支撐b.投射特征邊支撐c.單臂板支撐d.臂板結構支撐e.柱形支撐

6.目前比較成熟的快速成型技術有哪幾種？它們的成型原理上分別是什么？

液態光固化聚合物選擇性固化成形簡稱SLA，粉末材料選擇性燒結成形簡稱SLS，薄型材料選擇性切割成形簡稱LOM，絲狀材料選擇性熔覆成形簡稱FDM

⑦SLA原理：1利用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逐點掃描，使被掃描區的光敏樹脂薄層產生光聚合反應，從而形成零件的一個薄層截面；2當一層固化完畢，移動升降臺，在原先固化的樹脂表面上再敷上一層新的液態樹脂，刮刀刮去多余的樹脂；3激光束對新一層樹脂進行掃描固化，使新固化的一層牢固地粘合在前一層上；4重復2、3步，至整個零件原型制造完畢。『或SLA是基于液態光敏樹脂的光聚合原理工作的。這種液態材料在一定波長（λ=325nm）和功率（P=30mW）的紫外光照射下能迅速發生光聚合反應，分子量急劇增大，材料也從液態轉變成固態』

⑦SLS原理： 1在先開始加工之前，先將充有氮氣的工作室升溫，溫度保持在粉末的熔點之下；2成型時，送料筒上升，鋪粉滾筒移動，先在工作臺上鋪一層粉末材料；3激光束在計算機控制下，按照截面輪廓對實心部分所在的粉末進行燒結，使粉末融化并相互黏結，繼而形成一層固體輪廓，未經燒結的粉末仍留在原處，作為下一層粉末的支撐；4第一層燒結完成后，工作臺下降一截面層的高度，再鋪上一層粉末，進行下一層燒結，如此循環，直至完成整個三維模型 FDM原理：加熱噴頭正在計算機的控制下，可根據界面輪廓的信息作X—Y平面運動和高度Z方向的運動絲狀熱塑性材料由供絲機構送至噴頭，并在噴頭中加熱至熔融態，然后被選擇性涂覆在工作臺上，快速冷卻后形成界面輪廓。一層截面完成后，噴頭上升一截面層的高度在進行下一層的涂覆，如此循環，最終形成三維產品。

LOM:LOM快速成形系統由計算機原材料存儲及送進機構、熱粘壓機構、激光切割系統、可升降工作臺、數控系統、模型取出裝置和機架等組成。計算機用于接受和存儲工件的三維模型沿模型的成型方向截取一系列的截面輪廓信息發出控制指令原材料存儲及送進機構將存于其中的原材料。熱黏壓機構將一層層成形材料粘合在一起。可升降工作臺支撐正在成型的工件并在每層成形完畢之后，降低一個材料厚度以便送進、粘合和切割新的一層成形材料。數控系統執行計算機發出的指令，使材料逐步送至工作臺的上方，然后粘合、切割，最終形成三維工件。b 原型制件過程

模型剖分 基底制作原型制作 余料，廢料去除 后繼處理

8.哪些成形方法需要支撐材料？為什么？

SLA、FDM需要制作支撐，LOM、SLS不需要制作支撐。原因：在SLA成形過程中為了確保制件的每一部分可靠固定，同時減少制件的翹曲變形，僅靠調整制件參數遠不能達到目的，必須設計并在加工中制作一些柱狀或筋狀的支撐結構；LOM：工件外框與截面輪廓間的多余材料在加工中起到支撐作用，故不需支撐材料；SLS：未燒結的松散粉末可以作為自然支撐，故不需要支撐材料。

10.常用的快速成形技術所用的成形材料分別是什么？分別有什么要求？

SLA：材料為光固化樹脂。要求：a.成形材料易于固化，且成形后具有一定的粘接強度b.成形材料的粘度不能太高，以保證加工層平整并減少液體流平時間c.成形材料本身的熱影響區小，收縮應力小d.成形材料對光有一定的透過深度，以獲得具有一定固化深度的曾片。

SLS：材料為所有受熱后能相互粘結的粉末材料或表面覆有熱塑（固）性黏結劑的粉末。要求：a.具有良好的燒結成形性能，即無需特殊工藝即可快速精確地成形原理b.對直接用作功能零件或模具的原型，其力學性能和物理性能要滿足使用要求c.當原型間接使用時，要有利于快速、方便的后續處理和加工工藝。

LOM：薄層材料多為紙材，黏結劑一般多為熱熔膠。對紙材要求：a.抗濕性b.良好的浸潤性c.收縮率小d.一定的抗拉強度e.剝離性能好f.易打磨g.穩定性好。對熱熔膠的要求：a.良好的熱熔冷固性b.在反復熔化-固化條件下，具有較好的物理化學穩定性c.熔融狀態下與紙材具有良好的涂掛性與涂勻性d.與紙具有足夠的粘結強度e.良好的廢料分離性能 FDM：材料為絲狀熱塑性材料。材料要求：a.黏度低b.熔融溫度低c.黏結性要好d.收縮率對溫度不能太敏感 11.這四種快速成形技術的優缺點分別是什么？

SLA優點：技術成熟應用廣泛，成形速度快精度高，能量低。缺點：工藝復雜，需要支撐結構，材料種類有限，激光器壽命短原材料價格高。

SLS優點：不需要支撐結構，材料利用率高，選用的材料的力學性能比較好，材料價格便宜，無氣味。缺點：能量高，表面粗糙，成形原型疏松多孔，對某些材料需要單獨處理。LOM優點：對實心部分大的物體成形速度快，支撐結構自動的包含在層面制造中，低的內應力和扭曲，同一物體中可包含多種材料和顏色。缺點：能量高，對內部空腔中的支撐物需要清理，材料利用率低，廢料剝離困難，可能發生翹曲 FDM優點：成形速度快，材料利用率高，能量低，物體中可包含多種材料和顏色。缺點：表面光潔度低，粗糙。選用材料僅限于低熔點的材料。

12.主要快速成形系統選用原則：A：成形件的用途（a檢查并核實形狀、尺寸用的樣品b性能考核用的樣品c模具d小批量和特殊復雜零件的直接生產e新材料的研究）B：成形件的形狀C：成形件的尺寸大小D成本（a設備購置成本b設備運行成本c人工成本）E技術服務（a保修期b軟件的升級換代c技術研發力量）F用戶環境

13.快速成形的全處理主要包括：CAD三維模型的構建、CAD三維模型STL格式化以及三維模型的切片處理等

14.在快速成型的前處理階段為什么要把三維模型轉化為STL文件格式？STL格式文件的規則和常見錯誤有哪些？ 由于產品上有一些不規則的自由曲面，為方便的獲得曲面每部分的坐標信息，加工前必須對其進行近似處理，此近似處理的三維模型文件即為STL格式文件

規則：a共頂點規則b取向規則c取值規則d合法實體規則 常見錯誤：a出現違反共頂點規則的三角形b出現違反取向規則的三角形c出現錯誤的裂縫或孔洞d三角形過多或過少e微小特征遺漏或出錯

分析SLS SLA FOM LOM 質量及精度的影響因素及解決措施

答

從快速成型三個過程討論

首先是前處理，四大成型工藝前處理工作基本相似，模型建立和切片。影響精度主要是切片，厚度越厚，疊加后工件側面的臺階缺陷越明顯，厚度越小，精度越高

SLA 1 樹脂收縮及原因

樹脂會發生收縮 導致零件成型過程中產生變形：翹曲

收縮原因;固化收縮和溫度變化的熱脹冷縮機器誤差

設備自身精度所帶來的誤差 加工參數設置誤差

激光功率 掃描速度 掃描間距設置誤差 FDM 1 設備精度誤差 由于設備自身有一定的加工范圍以及其加工精度，對最后加工工件有一定的誤差 2 成型過程的誤差a 不一致約束 由于相鄰兩層的輪廓有所不同 成型軌跡也不同 每層都要受到相鄰層的約束 導致內應力 從而產生翹曲 b 成型功率控制不當 功率過大 會導致刮破前一層 同時會燒紙 機器壽命降低 過小 粘結不好c工藝參數不穩定

會導致層與層制件或同層不同位置成型狀況的差異 從而導致翹曲 或度不均

SLS 主要是激光的參數 1 激光功率密度過大 掃描速度過小 則局部溫度過高 導致粉末氣化 燒結表面凹凸不平反之 則粉末燒結不充分甚至不能燒結 建立的制件強度低或者不能成行 2 激光束掃描間距與激光束半徑配合會影響激光燒結的質量

LOM 過程中誤差造成的缺陷 1 噴頭起停誤差 2 路間缺陷 解決方法 控制相鄰路間的粘結溫度使得接觸牢固 控制材料的橫向流動填補空洞

后處理影響精度主要有 人為修整帶來的缺陷 有支持結構的成型工藝在除去支付結構時對工件表面的破壞等

第五篇：3D打印快速成型技術

特種加工論文

題目3D打印快速成型技術

姓名 專業 班級 學號

3D打印快速成型技術

摘要：

本文主要介紹了特種加工中3D打印快速成型技術，首先介紹它的加工原理，然后分析它的特點、加工方式，然后說明其在實際生產中的主要應用以及發展方向。

關鍵詞：特種加工技術，3D打印快速成型，特點，應用。

Abstract：

This article mainly introduced the special processing of 3 d printing rapid prototyping technology, introduces its processing principle, and analyzes its characteristics, processing methods, and then explain the main application in practical production and the development direction.Key words：Special processing technology, 3 d printing rapid prototyping, characteristics, application.一、引言

3D打印（3D PRINTING）即3D打印技術，又3D打印制造是20世紀80年代才興起的一門新興的技術，是21世紀制造業最具影響的技術之一。隨著計算機與網絡技術的發展，信息高速公路加快了科技傳播的速度，產品的生命周期越來越短，企業之間的競爭不再只是質量和成本上的競爭，而更重要的是產品上市時間的競爭。因此，通過計算機仿真和3D打印增加產品的信息量，以便更快的完成設計及其制造過程，將產品設計和制造過程的時間周期盡量縮短，防止投產后發現問題造成不可挽回的損失。

3D打印技術是由CAD模型直接驅動的快速制造復雜形狀的三維實體的技術總稱。簡單的講，3D打印制造技術就是快速制造新產品首版樣件的技術，它可以在沒有任何刀具、模具及工裝夾具的情況下，快速直接的實現零件的單件生產。該技術突破了制造業的傳統模式，特別適合于新產品的開發、單件或少批量產品試制等。它是機械工程、計算機CAD、電子技術、數控技術、激光技術、材料科學等多學科相互滲透與交叉的產物。它可快速，準確地將設計思想轉變為具有一定功能的原型或零件，以便進行快速評估，修改及功能測試，從而大大縮短產品的研制周期，減少開發費用，加快新產品推向市場的進程。

自從美國3D公司在1987年推出世界上第一臺商用快速原形制造設備以來，快速原形技術快速發展。投入的研究經費大幅增加，技術成果豐碩。原形化系統產品的銷量高速增長。在這方面美國，日本一直處于領先地位，我國在這方面起步較晚，但是奮起直追，開展研究并取得一定成果，國內也有些成熟的產品問世，他們正在各種生產領域上發揮著作用。

二、打印系統的工作原理

3D打印技術是一種逐層制造技術，它采用離散/堆積成型原理，其過程是：先得到所需零件的計算機三維曲面或實體模型；然后根據工藝要求，將其按一定厚度進行分層，將原來的三維模型變成二維平面信息，即離散過程；再將分層后的數據進行一定的處理，加入加工參數，產生數控代碼；在微機控制下，數控系統以平面加工方式，有序地連續加工出每個薄層，并使它們自動粘接而成型，從而制造出所需產品的實物樣件或成品，這就是材料的堆積過程。已知自由曲面CAD模型，如果使用傳統的方法和數控機床進行加工，那么復雜的自由曲面，成本高，效率低。近年來，3D打印即廣泛的被運用于工業生產中。各種3D打印技術的過程都包括CAD模型建立、生成STL文件格式、3D打印制作、模型分層切片和后置處理五個步驟。

三、打印過程

（1）三維設計

三維打印的設計過程是：先通過計算機建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區成逐層的截面，即切片，從而指導打印機逐層打印。

設計軟件和打印機之間協作的標準文件格式是STL文件格式。一個STL文件使用三角面來近似模擬物體的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一種通過掃描產生的三維文件的掃描器，其生成的VRML或者WRL文件經常被用作全彩打印的輸入文件。（2）切片處理

打印機通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實體。這種技術的特點在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。

打印機打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米來計算的。一般的厚度為100微米，即0.1毫米，也有部分打印機如ObjetConnex 系列還有三維 Systems' ProJet 系列可以打印出16微米薄的一層。而平面方向則可以打印出跟激光打印機相近的分辨率。打印出來的“墨水滴”的直徑通常為50到100個微米。用傳統方法制造出一個模型通常需要數小時到數天，根據模型的尺寸以及復雜程度而定。而用三維打印的技術則可以將時間縮短為數個小時，當然其是由打印機的性能以及模型的尺寸和復雜程度而定的。

傳統的制造技術如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產品，而三維打印技術則可以以更快，更有彈性以及更低成本的辦法生產數量相對較少的產品。一個桌面尺寸的三維打印機就可以滿足設計者或概念開發小組制造模型的需要。（3）完成打印

三維打印機的分辨率對大多數應用來說已經足夠（在彎曲的表面可能會比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣），要獲得更高分辨率的物品可以通過如下方法：先用當前的三維打印機打出稍大一點的物體，再稍微經過表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。有些技術可以同時使用多種材料進行打印。有些技術在打印的過程中還會用到支撐物，比如在打印出一些有倒掛狀的物體時就需要用到一些易于除去的東西（如可溶的東西）作為支撐物。

四、打印造型法主要種類

（1）利用激光固化樹脂材料的光造型法（Stereolithography）。在樹脂槽中盛滿液態光敏樹脂，它在紫外激光束的照射下會快速固化。成型過程開始時，可升降的工作臺處于液面下一個截面層厚的高度，聚焦后的激光束，在計算機的控制下，按照截面輪廓的要求，沿液面進行掃描，使被掃描區域的樹脂固化，從而得到該截面輪廓的樹脂薄片。然后，工作臺下降一層薄片的高度，以固化的樹脂薄片就被一層新的液態樹脂所覆蓋，以便進行第二層激光掃描固化，新固化的一層牢粘結在前一層上，如此重復不已，直到整個產品成型完畢。最后升降臺升出液體樹脂表面，取出工件，進行清洗、去處支撐、二次固化以及表面光潔處理等。激光立體造型制造精度目前可達±0.1ｍｍ,主要用作為產品提供樣品和實驗模型。光敏樹脂選擇性固化快速成型技術適合于制作中小形工件，能直接得到樹脂或類似工程塑料的產品。主要用于概念模型的原型制作，或用來做簡單裝配檢驗和工藝規劃。

（2）粉末材料選擇性燒結（Selected Laser Sintering）是一種快速原型工藝，簡稱SLS。

粉末材料選擇性燒結采用二氧化碳激光器對粉末材料（塑料粉等與粘結劑的混合粉）進行選擇性燒結，是一種由離散點一層層堆集成三維實體的快速成型方法。粉末材料選擇性燒結采用二氧化碳激光器對粉末材料（塑料粉、陶瓷與粘結劑的混合粉、金屬與粘結劑的混合粉等）進行選擇性燒結，是一種由離散點一層層對集成三維實體的工藝方法。

在開始加工之前，先將充有氮氣的工作室升溫，并保持在粉末的熔點一下。成型時，送料筒上升，鋪粉滾筒移動，先在工作平臺上鋪一層粉末材料，然后激光束在計算機控制下按照截面輪廓對實心部分所在的粉末進行燒結，使粉末溶化繼而形成一層固體輪廓。第一層燒結完成后，工作臺下降一截面層的高度，在鋪上一層粉末，進行下一層燒結，如此循環，形成三維的原型零件。最后經過5-10小時冷卻，即可從粉末缸中取出零件。未經燒結的粉末能承托正在燒結的工件，當燒結工序完成后，取出零件。粉末材料選擇性燒結工藝適合成型中小件，能直接的到塑料、陶瓷或金屬零件，零件的翹曲變形比液態光敏樹脂選擇性固化工藝要小。但這種工藝仍需對整個截面進行掃描和燒結，加上工作室需要升溫和冷卻，成型時間較長。此外，由于受到粉末顆粒大小及激光點的限制，零件的表面一般呈多孔性。在燒結陶瓷、金屬與粘結劑的混合粉并得到原型零件后，須將它置于加熱爐中，燒掉其中的粘結劑，并在孔隙中滲入填充物，其后處理復雜。粉末材料選擇性燒結快速原型工藝適合于產品設計的可視化表現和制作功能測試零件。由于它可采用各種不同成分的金屬粉末進行燒結、進行滲銅等后處理，因而其制成的產品可具有與金屬零件相近的機械性能，但由于成型表面較粗糙，滲銅等工藝復雜，所以有待進一步提高。

（3）熔融造型法熔融造型法（FDM）。工作時直接由計算機控制。噴頭擠出熱塑材料并按照層面幾何信息逐層由下而上制作出實體模型。ＦＤＭ技術的最大特點是速度快(一般模型僅需幾小時即可成型)、無污染,在原型開發和精鑄蠟模等方面得到廣泛應用。FDM生產可選成型材料種類較多，原材料費用低，因而的到廣泛的應用。但是FDM也有其固有的缺點。精度低，熱融制造中很難控制精度，難以制造結構復雜的構件，且材料的制造是處于熔點附近，因而構件的強度小，也不適合制造大型的制件，這些特點都限制了FDM的應用范圍。

（4）熱可塑造型法（SLS）。該方法是用2CO激光熔融燒結樹脂粉末的方式制作樣件。工作時,由2CO激光器發出的光束在計算機控制下,根據幾何形體各層橫截面的幾何信息對材料粉末進行掃描,激光掃描處粉末熔化并凝固在一起。然后,鋪上一層新粉末,再用激光掃描燒結,如此反復,直至制成所需樣件。

五、3D打印制造特點

3D打印技術突破了“毛坯→切削→加工品”傳統的零件加工模式,開創了不用刀具制作零件的先河,是一種利用的薄層疊加的加工方法。與傳統的切削加工方法相比,3D打印加工至少具有以下特點:

(1)可迅速制造出具有自由曲面和更為復雜形態的零件,如零件中的凹槽、凸肩和空心部分等，這些利用傳統工藝很難加工的,從而大大降低了新產品的開發成本和開發周期。在時間尤其重要的今天，它可以為企業節省大量的研發時間。

(2)它屬于非接觸加工,不需要切削加工所必需的刀具和夾具,無刀具磨損和切削力影響。只需要一套特定的設備，工序簡單，沒有傳統加工的煩瑣的工序。傳統的加工中每一個工序都需要機床等復雜加工設備，且加工過程復雜，對操作人員的技術要求很高。

(3)無振動、噪聲和切削廢料。可以為企業節省寶貴的試制原料，簡化生產。傳統的制造中由于多是機械制造，噪音較大。且加工時邊角料多。造成資源的浪費。

(4)可實現完全自動化生產。操作可以由電腦控制，無需人的過多干預。真正實現了自動化。

(5)加工效率高,能快速制作出產品實體模。精度高，生產的產品質量好。(6)3D打印技術在產品開發中的關鍵作用和重要意義是很明顯的，它不受復雜形狀的限制，可迅速地將示于計算機屏幕上的設計變為進一步評估的實物。根據原型，可對設計的正確性、造型的合理性、可裝配性和干涉性，進行具體的檢驗。通過原型的檢驗可使開發產品中的風險減到最底的限度。

六、主要限制因素

（1）材料限制：雖然高端工業印刷可以實現塑料、某些金屬或者陶瓷打印，但無法實現打印的材料都是比較昂貴和稀缺的。另外，打印機也還沒有達到成熟的水平，無法支持日常生活中所接觸到的各種各樣的材料。雖然研究者們在多材料打印上已經取得了一定的進展，但除非這些進展達到成熟并有效，否則材料依然會是3D打印的一大障礙。

（2）機器限制：3D打印技術在重建物體的幾何形狀和機能上已經獲得了一定的水平，幾乎任何靜態的形狀都可以被打印出來，但是那些運動的物體和它們的清晰度就難以實現了。這個困難對于制造商來說也許是可以解決的，但是3D打印技術想要進入普通家庭，每個人都能隨意打印想要的東西，那么機器的限制就必須得到解決才行。

七、3D打印技術成型主要應用

應用領域：

3D打印機的應用對象可以是任何行業，只要這些行業需要模型和原型。以色列的Stratasys公司認為，3D打印機需求量較大的行業包括政府、航天和國防、醫療設備、高科技、教育業以及制造業。

八、結束語

最近兩年，3D打印技術概念引起了國內外政府、軍方、企業的高度重視，但其實3D打印技術已經發展有30余年。美國著名智庫高德納（Gartner）公司2012《高德納新興IT技術顯示度周期特別報告》認為，3D打印技術正處于高循環曲線顯示度頂點。預計該技術在未來2～5年內到達生產力成熟期。然而，通過分析發現，3D打印技術卻很難取代傳統制造工藝，在軍事領域的應用主要集中在對受損部件的修復、復雜結構部件的生產以及小批量部件生產等方面，與傳統制造工藝形成了較好的互補關系。例如，美國計劃使用3D打印技術在太空空間站上。

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