快速成型的主要工艺方法优化方案

目前，已有多种RPT 工艺，下面分别作简要介绍。

1.立体印刷

立体印刷也称为液态光敏树脂选择性固化（Stereo Lithography Apparatus，SLA），这是最早出现的RPT 工艺。它是以光敏树脂为原料，通过计算机控制紫外线激光束扫描使其发生聚合、联合等反应，由液态转化为固态，由此逐层固化成型。这种方法能简捷、全自动地制造出表面质量和尺寸精度较高、几何形状复杂的原型。1988 年美国的3D 公司就研制出SLA-350 型快速成型机，目前仍占有较大市场份额。

图15-3　SLA 快速成型的原理图

1—激光器；2—工作台；3—液槽；4—光敏树脂；5—实体原型

SLA 工艺是基于液体光敏树脂的光聚合原理。这种液态材料在一定的波长（325 nm）和功率（30 mW）的紫外线照射下迅速发生光聚合反应，相对分子质量急剧增大，材料也由液态转变为固态。

SLA 工艺激光快速成型机主要由控制系统、激光器、光路系统、激光扫描头、液槽、可升降工作台等组成。其原理如图15-3 所示：先在液槽中盛满液态光敏树脂，氦—镉激光器或氩离子激光器发出紫外线激光，液态光敏树脂在紫外线激光束的照射下快速固化。成型开始时，可升降工作台处于液面下一个层厚的地方。经过聚焦后的激光束在计算机控制系统的控制下按模型截面轮廓进行扫描，使扫描区域的液态光敏树脂固化，形成该层面的固化层。一层固化完毕后，工作台下降一层的高度（约0.1 mm），其上覆盖另一层液体树脂，再进行下一层的光固化扫描，与此同时新固化的一层树脂材料牢固地黏结在前一层上，如此反复直到整个产品完成。

SLA 方法适合成型小件，能直接得到塑料产品。其优点是原型尺寸精度高，表面粗糙度小；可制造结构复杂的模型，尤其是对内表面结构复杂、切削刀具难以达到的模型，也能够一次成型。缺点是成型过程中有物理和化学变化，原型有可能产生变形，所以需要设计支撑结构；液态树脂固化后性能一般，原型较脆，容易断裂，不适宜进行机械加工和抗力、耐热等测试，且原料有污染。

SLA 成型工艺的应用有很多方面，可直接制作各种树脂功能件，用作结构验证和功能测试；可制作比较精细和复杂的零件；制造出来的原型可快速翻制各种模具，如硅橡胶模、合金模、电铸模和消失模等。SLA 成型工艺主要应用于航空、电器、铸造、医疗等领域。

2.分层实体制造

分层实体制造也称薄层材料选择性切割（Laminated Object Manufacturing，LOM），是几种最成熟的RPT 技术之一。LOM 方法自1991 年问世以来，发展迅速。由于LOM 技术多使用纸张，成本低、精度高，而且制作出来的类木质原型具有外在的美感和一些特殊的品质，因此受到广泛关注，在产品概念设计、造型设计、装配检验、熔模铸造型芯、砂型铸造木模、快速制作母模和直接制模等方面应用日益广泛。

图15-4 所示为LOM 成型的原理图。成型设备由计算机、原材料存储和送料机构、热黏压机构、激光器及光路系统、可升降工作台和数控系统等组成。成型前先在计算机中对工件三维模型进行处理，沿模型成型高度方向将模型按一定厚度（0.1～0.2 mm）分成若干层，并计算出每一层的截面轮廓。成型时由计算机发出控制指令，由送料机构转动储料轴和收料轴把单面涂有热熔胶的薄层材料（如纸）从储料轴送至可升降工作台上方，热黏压机构将一层层材料黏合在一起。CO2 激光束在计算机控制下沿计算机提供的模型截面轮廓外缘进行切割得到一个层面，并将无轮廓区切割成小方格，以便成型后易于剔除废料。可升降工作台在一层做完之后，下降一个层厚的高度（一般为0.1～0.2 mm），后一层材料铺到前一层上后由加热辊加压黏合，再切割第二层。如此反复直到实体完成。

图15-4　LOM 成型的原理图

1—可升降工作台；2—叠加层；3—当前层轮廓线；4—激光器；5—热压辊；6 薄片材料；7—送料滚筒；8—产品；9—网格废料；10—内轮廓线；11—外轮廓线

LOM 制造工艺适合成型大、中型零件。其特点是翘曲变形小，无须设计支撑，成型时间短，材料便宜、成本低；但尺寸精度不高，工件表面有台阶纹，成型后需要打磨，工件抗拉强度差，材料浪费大。

3.选择性激光烧结

选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）成型工艺是利用激光对粉末材料（高分子材料粉末或以高分子材料为黏结剂的粉末材料）进行扫描，精确地定位粉末材料的熔融和黏结，从而得到具有一定几何形状的三维实体的一种RPT 工艺方法。从理论上来讲受热后能够黏结的粉末都可以用作SLS 烧结的原材料，目前研制成功的可实用的SLS 原材料有十几种，其范围已覆盖高分子、陶瓷、金属粉末和金属制件，这是其他几种RPT 技术目前还做不到的。另外，SLS 无材料浪费现象，未烧结的粉末可重复使用。由于成型材料的多样化，使得SLS 的应用范围非常广泛。

SLS 的原理如图15-5 所示，设备主要由激光器、激光光路系统、扫描镜、工作台、铺粉辊和工作缸构成。成型时先在工作台上铺一层粉末材料，激光束在计算机的控制下，按照模型的截面轮廓信息进行扫描，使轮廓内粉末材料的温度升到熔化点进行烧结。一层完成后，工作台下降一个层厚，铺粉辊又在上面铺上一层均匀密实的粉末，再进行后一层的烧结。如此循环，最终形成三维实体。

图15-5　SLS 的原理图

1—粉料输送和回收系统；2—工作台；3—铺粉辊；4—激光器；5—激光光路系统；6—扫描镜；7—未烧结粉末；8—零件(www.xing528.com)

当实体构建完成并在原型部分充分冷却后，将其从工作台上的粉末中拿出，用刷子刷去表面粉末，露出原型部分。

SLS 方法适合成型中、小型零件，能直接制造蜡模、塑料、陶瓷和金属零件，制件变形小，但成型时间较长。烧结陶瓷粉末或金属粉末得到制件后，在加热炉中烧掉黏结剂可在孔隙中渗入铜等填充物。它的最大优点在于可使用的材料很广，几乎所有的粉末材料都可以使用，材料利用率高，且制造工艺简单、无须设计支撑，所以其应用范围也最广。

4.三维打印

三维打印（3DP）也称粉末材料选择性黏结，其工作过程类似于喷墨打印机，与SLS 工艺类似，都采用粉末材料成型，材料有金属粉末、陶瓷粉末、塑料粉末、蜡粉、砂等。所不同的是粉末材料不是通过激光烧结在一起，而是通过喷头喷涂黏结剂将粉末材料黏结在一起，形成三维实体。

图15-6　三维打印工艺原理图

1—铺粉辊；2—粉末材料；3—喷头；4—产品

三维打印工艺原理如图15-6 所示，先在可升降工作台上铺好一层粉末材料，计算机控制喷头按照截面轮廓信息喷射黏结剂，使部分粉末材料黏结形成一个层面，一层完成后工作台下降一个层厚，再铺粉、喷黏结剂进行后一层的黏结，如此循环直到三维实体完成。黏结得到的制件要置于加热炉中，做进一步的固化或烧结，以提高黏结强度。

5.熔丝沉积成型

熔丝沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）也称熔融沉积成型工艺，是由美国学者Scott Crump 于1988年率先提出，随后于1991 年开发出第一台商用成型机。FDM 工艺的材料一般是丝状热熔性材料，如ABS 塑料丝、蜡丝、人造橡胶和聚酯热塑性塑料丝等。该技术无须激光系统，是利用喷头将丝状材料加热熔化，再从喷头的微细喷嘴挤压出来。喷头可沿着X、Y 轴向扫描，从而在工作台上堆积成型三维实体。

FDM 工艺原理图15-7 所示。成型机主要由喷头装置、送丝装置、运动机构、成型室、工作台等组成。成型前喷头和成型室预先升温，达到预定温度。成型时丝状材料由送丝装置送至喷头内，在喷头内被加热熔化，喷头在计算机的控制下沿零件截面轮廓和填充轨迹进行扫描运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与工作台周围的材料黏结。一层成型完毕后工作台下降一个层厚的高度（0.1～0.2 mm），喷头再进行下一层的涂敷加工。如此反复直到实体完成为止。

图15-7　FDM 工艺原理图

（a）工艺原理图；（b）原型和支撑

FDM 的每一个层片都是在前一层上堆积而成，前一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当形状发生较大的变化时，上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用，这就需要设计一些辅助结构—— “支撑”，对后续层提供定位和支撑，以保证成型过程的顺利实现。

FDM 工艺不用激光，使用、维护简单，成本较低，用ABS 等制造的FDM 原型具有较高强度，目前，已被广泛应用于汽车、机械、电子、家用电器、玩具制造、铸造、医学等领域产品的设计开发过程，如产品的外观评估、装配检验、功能测试、市场需求测试及零件制造。近年来又开发出PC、PC/ABS、PPSF 等更高强度的成型材料，使得该工艺有可能直接制造功能性零件。由于这种工艺具有一些显著优点，所以发展极为迅速，目前FDM 系统在全球已安装RPT 系统中的份额大约为30%。与其他使用粉末和液态材料的工艺相比，丝材更加清洁，易于更换、保存，不会在设备中或附近形成粉末或液体污染；后处理简单，仅需要几分钟到一刻钟的时间剥离支撑后，原型即可使用，成型速度较快。