3D打印成型工艺及材料整套教学课件.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/12/24,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/12/24,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/12/24,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/12/24,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/12/24,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/12/24,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/12/24,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/12/24,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/12/24,#,3D,打印成型工艺及材料,3D,打印技术研究所,第,1,章,绪论,2,基本原理与流程,分类,3,发展历程,1,4,材料,6,优势与局限,数据建模与处理,5,第,1,章 绪论,第,1,章 绪论,材料累加制造（Material Increrse Manufacturing）,快速成型（Rapid Prototyping）,分层制造（Layered Manufacturing）,实体自由制造（Solid Freeform Fabrication）,增材制造（Additive Manufacturing）,减材制造,等材制造,增材制造,制造技术,（按照,制造原理分类,）,3D打印技术是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，是一种“,自下而上,”的材料累加的制造方法。,第,1,章 绪论,美国材料与试验协会（American Society for Testing and Materials，ASTM）F42国际委员会将,3D打印,定义为：“,Process of joining materials to make objects from 3D model data，usually layer upon layer，as opposed to subtractive manufacturing methodologies.,”即一种利用三维模型数据通过连接材料获得实体的工艺，通常为逐层叠加，是与去除材料的制造方法截然不同的工艺。,1.1,3D打印的发展历程（国外）,首次提出层叠成型方法的是Blanther，他于1892年利用分层制造的方法来构成地形图。该方法的原理是：将地形图的各轮廓线通过某些方法压印在一些蜡片上，然后再按照轮廓线切割各蜡片，并将切割后的各蜡片黏接在一起，从而得到对应的三维地形图。,1.1,3D打印的发展历程（国外）,1902年，Car,lo,Baese提出了一种用光敏聚合物来制造塑料件的方法，这是光固化成型(SL)的最初设想。,1982年，Char,l,es W.Hu,ll,完成了第一个3D打印系统光固化成型系统(stere,o l,ith,o,graphy apparatus，SLA或简称SL)。于1986年获得专利，是3D打印发展历程中的一个里程碑。,同年，Char,l,es成立了3D Systems公司，研发了著名的,STL文件格式,。,将CAD模型进行三角化处理，,成为CAD/CAM系统接口文件格式的工业标准之一,。,1.1,3D打印的发展历程（国外）,1988年，3DSystems公司推出了世界上第一台基于SL技术的商用3D打印机SLA,-,250，称为立体平板印刷机。它的面世标志着3D打印商业化的起步。,“3D打印技术之父”,1.1,3D打印的发展历程（国外）,Michael Feygin于1984年发明了叠层实体制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）技术，Helisys于1991年推出第一台LOM系统；,Scott Crump于1988年发明了熔融沉积制造（Fused Deposition Modeling，FDM）技术，并于1989年成立了Stratasys公司，三年后推出了第一台基于FDM技术的3D工业级打印机；,1.1,3D打印的发展历程（国外）,C.R.Dechard于1989年发明了选区激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）技术，同年，美国Stratasys、德国EOS公司成立。DTM公司于1992年推出首台SLS打印机；,美国麻省理工学院（MIT）的Emanual Sachs于1993年发明了三维印刷（Three Dimensional Printing，3DP）技术，Z Corporation于1995年获得MIT的许可，并开始开发基于3DP技术的打印机。,1.1,3D打印的发展历程（国外）,2005年，Z Corporation推出世界第一台彩色3D打印机Spectrum Z510，标志着3D打印从单色开始迈向多色时代。,1.1,3D打印的发展历程（国外）,2008年以色列Objet Geometries公司推出其革命性的Connex500TM快速成型系统，它是有史以来第一台能够同时使用几种不同的打印原料的3D打印机，开创了混合材料打印的先河。,1.1,3D打印的发展历程（国外）,2009年ASTM F42增材制造技术委员会成立；FDM关键专利到期；MakerBot推出基于RepRap开源系统的产品；3D Systems推出ProParts打印服务业务。,2010年美国Organovo公司研制出了全球首台3D生物打印机。这种打印机能够使用人体脂肪或骨髓组织制作出新的人体组织，使得3D打印人体器官成为可能。,1.1,3D打印的发展历程（国外）,2012年英国经济学人发表专题文章，称3D打印将是第三次工业革命。这篇文章引发了人们对3D打印的重新认识，3D打印开始在社会普通大众中传播开来。同年，美国建立国家增材制造创新研究院(NAMII)；Statasys和Objet完成行业内最大规模合并；GE收购3D打印服务商Morris Technologies。,1.1,3D打印的发展历程（国外）,2013年美国前总统奥巴马发表国情咨文演讲强调3D打印的重要性；第一届Inside 3D大会召开；耐克公司设计出第一款3D打印运动鞋；美国Solid Concepts公司设计制造出全球首支3D打印金属枪；3D Systems公司完成对法国3D打印企业Phenix Systems公司的收购；SLA关键专利到期。,1.1,3D打印的发展历程（国外）,据3D打印领域的年度权威报告Wohlers Report 2018，2017年全球3D打印产业增长了21%，达73.36亿美元，其中金属3D打印尤其突出。根据报告显示，2017年销售约1768套金属打印系统，而2016年仅为983套，增幅近80%,。,1.1,3D打印的发展历程（国内）,我国自20世纪90年代初，在国家科技部等多部门持续支持下，在西安交通大学、华中科技大学、清华大学、北京隆源公司等在典型的成型设备、软件、材料等方面研究和产业化方面获得了重大进展。随后国内许多高校和研究机构也开展了相关研究，如西北工业大学、北京航空航天大学、华南理工大学、南京航空航天大学、上海交通大学、大连理工大学、中北大学、中国工程物理研究院等单位都在做探索性的研究和应用工作。,1995年，3D打印技术被列为我国未来十年十大模具工业发展方向之一，国内的自然科学学科发展战略调研报告也将3D打印技术研究列为重点研究领域之一。,2012年10月，由亚洲制造业协会联合华中科技大学、北京航空航天大学、清华大学等权威科研机构和3D行业领先企业共同发起的中国3D打印技术产业联盟正式宣告成立。,2012年11月，中国宣布是世界上唯一掌握大型结构关键件激光成型技术的国家。,1.1,3D打印的发展历程（国内）,2015年2月由国家工信部、发改委和财政部联合发布了,国家增材制造（3D打印）产业发展推进计划（2015-2016年）,2017年11月由由国家工信部、发改委、教育部、财政部等十二部委继续联合发布了,增材制造产业发展行动计划（2017-2020年）,1.2,3D打印基本原理与流程,3D打印技术的基本原理是：首先设计出所需产品或零件的计算机,三维模型,（如CAD模型）；然后根据工艺要求，按照一定的规则将该模型,离散为一系列有序的二维单元,，一般在Z向将其按一定厚度进行离散（也称为分层），把原来的三维CAD模型变成一系列的二维层片；再根据每个层片的轮廓信息，进行,工艺规划,，,选择合适的加工参数,，自动,生产数控代码,；最后由成型系统接受控制指令，,将一系列层片自动成型并将它们连接起来,，得到一个三维物理实体。有必要的话，对完成的三维产品进行,后处理,，如深度固化、修磨、着色等，使之达到原型或零件的要求。,1.2.1 基本原理,图,1-2 3D,打印技术基本原理示意图,1,-,CAD,实体模型,；,2,-,Z,轴向分层,；,3,-,CAD,模型分层数据文件,；,4,-,层层堆积、加工,；,5,-,后处理,1.2,3D打印基本原理与流程,3D打印技术与传统制造技术的特征比较。,1.2.1 基本原理,1.2,3D打印基本原理与流程,3D打印的加工过程包括,前处理、成型加工和后处理,三个阶段，其中，前处理是获得良好成型产品的关键所在。,1.2.,2,基本流程,前处理阶段,三维建模,模型载入与数据处理,模型切片处理,成型加工阶段,后处理阶段,图,1-3 3D,打印的数据处理流程,1.3 3D打印技术的分类,1.3.1 按成型工艺分类,01,按照成型工艺分为类,基于激光或其他光源的成型技术,包括光固化成型（SLA）工艺、选区激光烧结（SLS）工艺、分层实体制造（LOM）工艺等。,02,基于喷射的成型技术,包括熔融沉积制造（FDM）工艺、三维印刷成型（3DP）工艺等。,1.3 3D打印技术的分类,1.光固化成型（SLA）工艺,以光敏树脂为加工材料，在计算机控制下，紫外激光束按各分层截面轮廓的轨迹进行逐点扫描，被扫描区内的树脂薄层产生光聚合反应后固化，形成制件的一个薄层截面。每一层固化完毕之后，工作平台移动一个层厚的高度，然后在之前固化的树脂表面再铺上一层新的光敏树脂以便进行循环扫描和固化。如此反复，每形成新的一层均粘附到前一层上，直到完成零件的制作。,SLA所用激光器的激光波长有限制，一般采用UV He-Cd激光器（325nm）、UV Ar+激光器（351nm，364nm）和固体激光器（355nm）等。,优点：,零件有较高的精度，且表面光洁。,缺点：,可用材料的范围较窄，材料成本较高，激光器价格昂贵，从而导致零件制作成本较高。,1.3 3D打印技术的分类,2,.分层实体制造（LOM）工艺,采用激光器和加热辊，按照二维分层模型所获得的数据，采用激光束，将单面涂有热熔胶的纸、塑料薄膜、陶瓷膜、金属薄膜等切割成产品模型的内外轮廓，同时加热含有热熔胶的纸等材料，使得刚刚切好的一层和下面的已切割层粘结在一起。切割时工作台连续下降。切割掉的纸片仍留在原处，起支撑和固定作用。如此循环，逐层反复地切割与粘合，最终叠加成整个产品原型。薄膜的一般厚度为0.07-0.1mm。,优点：,LOM工艺的层面信息只包含加工轮廓信息，因此可以达到很高的加工速度。,缺点：,材料范围很窄，每层厚度不可调整。以纸质的片材为例，每层轮廓被激光切割后会留下燃烧的灰烬，且燃烧时有较大的有毒烟雾；而采用PVC薄膜作为片材的工艺，由于材料较贵，利用率较低，导致模型成本太高。,1.3 3D打印技术的分类,3.熔融沉积制造（FDM）工艺,该技术不采用激光作能源，而是采用热熔喷头装置，使得熔融状态的塑料丝，在计算机的控制下，按模型分层数据控制的路径从喷头挤出，并在指定的位置沉积和凝固成型，逐层沉积和凝固，从而完成整个零件的加工过程。,优点：,FDM的能量传输和材料传输方式使得系统成本较低。,缺点：,由于喷头的运动是机械运动，速度有一定限制，所以加工时间稍长，成型材料适用范围不广，喷头孔径不可能很小，因此，原型的成型精度较低。,1.3 3D打印技术的分类,4.选区激光烧结（SLS）工艺,采用高能激光器作能源，按照计算机输出的产品模型的分层轮廓，在选择区域内扫描和熔融工作台上已均匀铺层的粉末材料，处于扫描区域内的粉末被激光束熔融后，形成一层烧结层。逐层烧结后，再去掉多余的粉末即获得产品原型。为了提高产品原型的力学性能和热学性能，一般还需要对其进行高温烧结、热等静压、熔浸和浸渍等后处理。,优点：,SLS的材料适用范围很广，特别是在金属和陶瓷材料的成型方面有独特的优点。,缺点：,所成型的零件精度和表面光洁度较差,。,1.3 3D打印技术的分类,5.选区激光熔化（SLM）工艺,该工艺是在选区激光烧结（SLS）工艺的基础上发展起来的，利用激光的高能光束对材料有选择地扫描，使金属粉末吸收能量后温度快速升高，发生熔化并接着进行快速固化，实现对金属粉末材料的激光加工。SLM金属粉末包括铜、铁、铝及铝合金、钛及钛合金、镍及镍合金、不锈钢（309L、316L）、工具钢等。,优点：,SLM成型的零件致密度好，接近100%，成型精度高，形状不受限制。,缺点：,设备投入成本较高,。,1.3 3D打印技术的分类,6,.,三维印刷成型（3DP）工艺,三维印刷成型原理与日常办公用喷墨打印机的原理近似，首先在工作仓中均匀地铺粉，再用喷头按指定路径将液态的粘结剂喷涂在粉层上的指定区域，随着工作仓的下降逐层铺粉并喷涂粘结剂，待粘结剂固化后，除去多余的粉末材料，即可得到所需的产品原型。3DP工艺涉及的粉末材料包括石膏粉末、塑料粉末、石英砂、陶瓷粉末、金属粉末等。,该工艺可分为三种：,粉末粘结3DP工艺,喷墨光固化3DP工艺,粉末粘结与喷墨光固化复合3DP工艺,SLA、LOM、FDM、SLS、SLM和3DP等六种常见3D打印成型工艺之间的比较见表1-2。,工艺,光固化成型,分层实体制造,熔融沉积制造,选区激光烧结,选区激光熔化,三维印刷成型,缩写,SLA,LOM,FDM,SLS,SLM,3DP,材料类型,液体（光敏聚合材料）,片材（塑料、纸、金属）,丝材（PLA、ABS、PC、PPSF等）,粉末（聚合材料、金属、陶瓷）,粉末（金属）,粉末（石膏、蜡、金属、铸造砂、聚合材料）,精度（mm）,0.050.2,0.10.2,0.150.25,0.10.2,0.050.1,0.10.2,速度,一般,快,慢,快,快,很快,是否需要支撑,是,是,是,否,否,否,代表性公司,3DSystems、Envisiontec、Shining3d,Fabrisonic、He1isys、Kira,Stratasys、Shining3d,EOS、3DSystems、Arcam,EOS、3DSystems、Arcam,3D Systems、Objet、ExOne、Solidscape、Voxelet,表1-2 六种常见3D打印成型工艺比较,1.3 3D打印技术的分类,3D打印技术可按照加工材料的不同进行分类，快速成型材料包括液态材料、离散颗粒和实体薄片，,如图1-4所示。,1.3.2 按加工材料分类,图1-4 3D打印技术按加工材料分类,1.4 3D打印材料,3D打印的材料根据实体建造原理、技术和方法的不同进一步细分为液态材料、丝状材料、薄层材料和粉末材料等。,表1-3 打印材料与工艺,材料形态,成型工艺,打印材料,液态材料,立体光刻技术（SLA）,光敏树脂,数字光处理（DLP）,光敏树脂,三维印刷成型（3DP）,聚合材料、蜡,石膏3D打印（PP）,UV墨水,丝状材料,熔融沉积成型（FDM）,热塑性材料、低熔点金属、食材,电子束自由成型制造（EBF）,钛合金、不锈钢等,薄层材料,分层实体制造（LOM）,纸、金属膜、塑料薄膜,粉末材料,直接金属激光烧结（DMLS）,镍基、钴基、铁基合金、碳化物复合材料、氧化物陶瓷材料等,电子束熔化成型（EBM）,钛合金、不锈钢等,激光熔化成型（SLM）,镍合金、钛合金、钴铬合金、不锈钢、铝等,激光烧结（SLS）,热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末,选择性热烧结（SHS）,热塑性粉末,激光近净成型（LENS）,钛合金、不锈钢、复合材料等,1.4 3D打印材料,3D打印技术对其成型材料的要求一般有以下几点：,（1）适应逐层累加方式的3D打印建造模式。,（2）在各种3D打印的建造方式下能快速实现层内建造及层间连接。,（3）制造的原型零件具有一定尺寸精度、表面质量和尺寸稳定性。,（4）制造的原型零件具有一定力学性能及性能稳定性或组织性能，且无毒、无污染。,（5）应该有利于后续处理工艺。,1.5 3D打印的数据建模与处理,三维建模是用计算机系统来表示、控制、分析和输出描述三维物体的几何信息和拓扑信息，最后经过数据格式的转换输出可打印的数据文件。,三维建模实际上是对产品进行数字化描述和定义的一个过程。目前，产品的三维建模途径有三种：,第一种：,是根据设计者的数据、草图、照片、工程图纸等信息在计算机上利用CAD软件人工构建三维模型，常被称为,正向设计,。目前，应用较多的具有三维建模功能的传统的CAD软件有Catia、UG、Pro/E、Inventor、SolidEdge、3DS MAX、Solidworks、Rhinoceros以及数字雕刻软件Mudbox、Zbrush等，还有专门针对3D打印的三维设计软件，如Autodesk 123D、Tinker CAD、Blender、Sketch Up、3DTin、Free CAD、3DOne等。,1.5.1 三维建模方法,1.5 3D打印的数据建模与处理,第二种：,第二种是在对已有产品（样品或模型）进行三维扫描或自动测量，再由计算机生成三维模型。这是一种自动化的建模方式，常被称为,逆向工程或反求设计,。,图1-5 正向与逆向三维建模,这种建模途径用到三维扫描仪，三维扫描仪大体分为接触式扫描和非接触式扫描。常见的三维扫描仪品牌有：Breuckmann、Steinbichler、Gom、Artec3d、Cyberware、Shining3d等。逆向工程测得的离散数据需要结合一定功能的数据拟合软件来处理，包括3-matic、Imageware、PolyWorks、RapidForm、Geomagic等。,1.5 3D打印的数据建模与处理,第三种：,以建立的专用算法（,过程建模,）生成模型，主要针对不规则几何形体及自然景物的建模，用分形几何描述（通常以一个过程和相应的控制参数描述）。三维建模过程也称为几何造型，几何造型就是用一套专门的数据结构来描述产品几何形体，供计算机进行识别和信息处理。比较有代表性的3D打印建模软件是OpenSCAD，不仅支持快速、精确地创建基本几何对象，还支持条件、循环等编程逻辑，可以快速创建矩阵式的结构，如柵格、散热孔等。由于OpenSCAD采用函数驱动，只需修改相应的参数就可以自动进行相关部分的调整。,1.5 3D打印的数据建模与处理,STL（光固化快速成型Stereolithography的缩写）是由3D Systems公司为光固化CAD软件创建的一种文件格式，也被称为标准镶嵌语，广泛用于快速成型和计算机辅助制造领域。STL文件只描述三维对象表面几何图形，不含有任何色彩、纹理或者其他常见CAD模型属性的信息。STL数据的精度直接取决于离散化时三角形的数目。,1.5.,2,STL数据和文件输出,STL文件有两种格式，即,文本格式（ASC码）,和,二进制（Binary）,两种类型，文本格式文件是相应二进制文件的3倍，二进制文件由于简洁而更加常见。,（a）原始三维模型 （b）三角化后数据模型,图1-6 三维模型的三角化,1.5 3D打印的数据建模与处理,一个STL文件通过存储法线和顶点（根据右手法则排序）信息来构成三角形面，从而拟合坐标系中物体的轮廓表面。STL文件中的坐标值必须是正数，并没有缩放比例信息，但单位可以是任意的。除了对取值要求外，STL文件还必须符合以下三维模型描述规范。,（1）共顶点规则,每相邻的两个三角形只能共享两个顶点，即一个三角形的顶点不能落在相邻的任何一个三角形的边上。,（2）取向规则,对于每个小三角形平面的法向量必须由内部指向外部，小角形三个顶点排列的顺序同法向量符合右手法则。每相邻的两个三角形面片所共有的两个顶点在它们的顶点排列中都是不相同的。,（3）充满规则,在STL三维模型的所有表面上必须布满小三角形面片。,1.5 3D打印的数据建模与处理,（4）取值规则,每个顶点的坐标值必须是非负的，即STL模型必须落在第一象限。,在三维模型生成后，要进行STL文件的输出。几乎所有CAD/CAM软件都具有STL文件的输出接口，操作非常方便。在输出过程中，根据模型复杂程度，相应地选择所要求的的精度指标。,由于STL文件在生成过程中会出现一些错误，导致不满足上述四点描述规范，以及坏边、壳体、重叠与交叉三角面片等问题，需要对STL文件进行浏览和处理。目前，有多种用于浏览和处理STL格式文件的软件和打印数据处理专用软件，比较典型的有Solidview、Meshlab、NetFabb、Autofab、Magics RP、Mimics等。,1.6 3D打印的优势与局限,3D打印技术已经应用到各行各业，并在工业设计、文化艺术、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家电、医学、考古、首饰等领域得到广泛应用。3D打印技术的优势主要表现为：,（1）降低制造成本；,（2）适于产品多样化和个性化、便携制造；,（3）产品无需组装、缩短交付时间；,（4）产品按需打印、即时生产；,（5）降低技能门槛；,（6）拓展设计空间；,（7）大幅降低材料耗损、多材料无限组合；,（8）精确的实体复制。,1.6.1 3D打印的优势,1.6 3D打印的优势与局限,（1）产品原型的制造精度相对低；,（2）材料性能差，产品机械性能有限；,（3）可打印材料有限，成本高昂。,1.6.2 3D打印的局限,思考题,1,、增材制造技术与传统的减材制造和等材制造从原理上有哪些不同之处？,2,、3D打印的基本流程可以分为哪几个步骤？,3,、3D打印的优势与局限有哪些？,4,、通过网络、文献、报刊等途径，查阅3D打印成型工艺，分析各工艺之间的区别。,第,1,章 绪论,3D,打印成型工艺及材料,第,2,章 光固化成型工艺及材料,3D,打印技术研究所,2,成型原理及工艺,成型系统,3,概述,1,4,成型材料,6,典型应用,成型影响因素,5,第2章 光固化成型工艺及材料,光固化成型,（,立体光刻成型），,S,tereo,L,ithography,A,pparatus（,SLA,）,，,利用,液态光敏材料,的光敏特性，在,特定波长的光源,或其他如电子束、可见光或不可见光等的照射能量刺激下,由液态转变为固态聚合物,，实现三维物体的快速成型。,2.1,概述,1902年，Carlo Baese，美国专利（#774549）提出,SLA的最初设想,。,1982,年，,Charles W.Hull,完成了,第一个3D打印系统光固化成型系统,。并于,1986,年获得美国专利，是,3D,打印史上的里程碑,。,1988年，3D Systems公司推出SLA商品化快速成型机,SLA-250,。,2.1,概述,3D System公司开发的ProX,TM,950 SLA系统,先临三维iSLA-650 Pro,2.1,概述,光固化过程,是指,液态树脂,经光照后变成,固态,的过程，大多数,光固化反应,是,光引发的链式聚合反应,。,（,1,）光引发自由基聚合,自由基聚合反应通常包括,引发、链增长、链转移和链终止,过程。,自由基聚合示意图,2.2,成型原理及工艺,2,.2.,1,成型原理,2.2,成型原理及工艺,2,.2.,1,成型原理,1）光引发阶段,适当波长及强度的光能被光引发剂吸收后，光引发剂（）将会发生光物理过程至某一激发态，如果该激发态的能量比化学键断裂所需要的总能量大就能产生初级自由基（）,2.2,成型原理及工艺,2,.2.,1,成型原理,2）链增长阶段,该阶段即为单体分子与自由基迅速合成大分子自由基的过程。,3）链终止阶段,自由基有极强的相互作用倾向，当两个自由基相遇时就会终止反应，从而丧失活性最终形成稳定的大分子，支架材料由液态转化为固态成型,R*+nRCH=CH2 R,（,RCHCH2,）,n RCHC*H2,（2）光引发阳离子聚合,光引发阳离子聚合一般是利用,阳离子光引发剂,在光照下产生的质子酸催化环氧基的开环聚合或富电子碳碳双键(如乙烯基醚)的阳离子聚合。这类阳离子光引发剂主要有硫盐、,碘盐,。,光解过程及引发环氧聚合过程,光解结果,2.2,成型原理及工艺,图2-4 SLA成型过程,2,.2.,2,成型工艺,1.工艺原理,（1）SLA成型工艺,2.2,成型原理及工艺,三维实体原型,反复扫描固化,2,3,4,5,6,1,紫外激光束按分层截面信息逐点扫描,树脂固化为一个薄层,工作台下移一个层厚的距离,刮平树脂液面,进行下一层的扫描,新固化,2.2,成型原理及工艺,（1）SLA成型工艺,2.2,成型原理及工艺,（,2,）,DLP,成型工艺,数字投影成型（Digitallighting Processing，DLP）也称掩模曝光快速成型，主要依赖于数字微镜（Digital Micromirror Divice，DMD）技术的发展。,当小微镜处于,“,+1,”态时，偏转至,+12,；当小微镜处于“-1”态时，偏转至-12；不工作时小微镜处于“0”态。,图2-6 DLP成型过程,2.2,成型原理及工艺,（,2,）,DLP,成型工艺,计算机根据切片图像控制数字微镜，光照射到数字微镜上生成二维截面轮廓，光束传输系统将二维轮廓投射到树脂面上，使树脂按零件的截面轮廓固化成型。一层制作完成后，工作台向下移动一层厚度的距离，新的液态树脂覆盖在已制作的结构上方，继续下一层的制作。层层堆叠完成三维模型的制作。,图2-6 DLP成型过程,图2-7 下置式DLP成型过程,2.2,成型原理及工艺,（3）PolyJet成型工艺,整个系统包括原料喷撒器、控制器、CAD、硬化光源、打印头以及喷嘴等装置。与其他3D打印技术相比，PolyJet的运动系统相对比较简单，如图2-10所示，只需要X，Y，Z三个方向的直线运动和定位，且3个方向上的运动都是独立进行的，不需要实现联动。,图2-9 PolyJet结构示意图,图2-10 PolyJet机械结构总体布局图,2.2,成型原理及工艺,（3）PolyJet成型工艺,通过压电式喷头将液态光敏树脂喷射到工作台上，形成给定厚度的具有一定几个轮廓的一层光敏树脂液体，然后由紫外灯发射紫外光对工作台上的这层液态光敏树脂进行光照固化；完成固化后，工作台精准下降一个成型层厚，然后进行第二层具有一定几何轮廓的液态光敏树脂固化成型；如此循环进行多层固化成型，形成三维实体模型。,图2-11 PolyJet成型过程,2.,后处理,晾干滞留树脂,1,后固化,4,去除支撑,3,清洗原型,2,光固化成型的后处理主要包括原型的,清洗,、,去除支撑,、,后固化,以及必要的,打磨,等工作。,2.2,成型原理及工艺,赛车模型的光固化成型过程,2.2,成型原理及工艺,（,1,）成型过程自动化程度高。,（,2,）尺寸精度高。,（,3,）表面质量较好。,（,4,）系统分辨率较高。,（,5,）可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失模。,（,6,）制作的原型可以在一定程度上替代塑料件。,优点：,2.2.3 工艺特点,2.2,成型原理及工艺,（,1,）成型制件外形尺寸稳定性差。,（,2,）需要设计模型的支撑结构。,（,3,）SLA设备运转及维护费用高。,（,4,）可使用的材料种类较少。,（,5,）液态树脂有一定的气味和毒性。,（,6,）成型制件需要二次固化。,（,7,）,SLA,成型件不便进行机械加工。,缺点：,2.2,成型原理及工艺,2.2.3 工艺特点,SLA系统的组成一般包括：光源系统、光学扫描系统、托板升降系统、涂覆刮平系统、液面及温度控制系统、控光快门系统等,。,2.3 成型系统,2.3.1 SLA成型系统,图2-13 振镜扫描式SLA系统示意图,DLP,整个系统包括四大模块：光学系统、数据处理系统、控制系统和机械系统，各部分相互协作保证系统良好的工作。,2.3 成型系统,2.3.2 DLP成型系统,图2-23 DLP系统原理图,PolyJet系统与SLA系统的主要区别在喷头部分,。,2.3 成型系统,2.3.3 PolyJet成型系统,图2-25 PolyJet喷头系统机构,2.4 成型材料,2.4.1 光敏树脂的性能要求,光敏性高分子材料，是指在吸收光能后，能在分子内或分子间产生化学、物理变化的一类功能高分子材料。在一定波长的紫外光(250400 nm)照射下立刻引起聚合反应，完成固化。,它是一种具有多方面优越性的特殊树脂，,是从UV涂料配方基础上发展起来的，固化后又具有工程塑料的性能，因此其性能与一般的光敏树脂有所不同，一般应符合以下要求：,2.4 成型材料,2.4.1 光敏树脂的性能要求,1,固化速度快,2,4,6,8,固化收缩小,一次固化程度高,黏度低,固化产物的力学,性能好,固化产物溶胀小，,耐溶剂性好,透射深度合适,存储稳定性良好,3,5,7,9,毒性低,2.4 成型材料,2.4.2 光敏树脂的组成,名称,功能,常用含量/%,类型,光引发剂,吸收紫外光能，引发聚合反应,10,自由基型、阳离子型,低聚物,材料的主体，决定固化后材料的主要功能,40,环氧烯酸酯、聚酯丙烯酸酯等,稀释单体,调整粘度并参与固化反应，影响固化膜性能,2050,单官能度、双官能度、多官能度,其他,根据不同用途而异,030,2.4 成型材料,2.4.3 光敏树脂的分类,按照光固化树脂参加光固化交联过程中的反应机理，可以起把光固化树脂分为：,（1）自由基型光固化树脂,（2）阳离子型光固化树脂,（3）混合型光固化树脂,2.4 成型材料,2.4.3 光敏树脂的分类,自由基型光固化树脂,1.环氧树脂丙烯酸酯,2.聚酯丙烯酸酯,3.聚氨酯丙烯酸酯,分 类,自由基光固化树脂具有原材料广、价格低、光响应快、固化速度快等优点，因此最早的光固化成型树脂选用的都是这类树脂。,2.4 成型材料,2.4.3 光敏树脂的分类,阳离子型光固化树脂,优点：,1.,固化收缩小，预聚物环氧树脂的固化收缩率为,2%,3%,，而自由基光固化树脂的预产物丙烯酸酯的固化收缩率为,5%,左右；,2.,产品精度高；,3.,阳离子聚合物是活性聚合，在光熄灭后可继续引发聚合；,4.,氧气对自由基聚合有阻聚作用，而对阳离子树脂无影响；,5.,黏度低；,6.,生坯强度高；,7.,产品可以直接用于注塑模具。,主要成分,：,环氧化合物,2.4 成型材料,2.4.3 光敏树脂的分类,混合型光固化树脂,自由基光固化树脂虽然成本低、固化速度快，但是固化收缩大，表层易受氧阻聚而固化不充分，而阳离子型光固化性树脂也存在成本高，固化速度慢、固化深度不够的缺点。为了解决这些问题，利用混合型光固化树脂实现两者的互补，混合型光固化树脂是未来光固化成型树脂发展的趋势。,2.5 成型影响因素,光固化原型的精度指成型件在形状、尺寸和表面相互位置三个方面与设计要求的符合程度。,形状精度,包括翘曲变形、扭曲变形、椭圆度误差及局部缺陷等；,尺寸精度,指成型件与,CAD,模型相比，在,X,、,Y,、,Z,三个方向上的尺寸相差值；,表面精度,包括由叠层累加产生的台阶误差及表面粗糙度等。,2.5 成型影响因素,SLA,工艺成型误差,原理性误差,数字模型转换误差,分层切片误差,机器误差,托板,Z,方向运动误差,X-Y,方向,同步带变形,X-Y,方向,定位误差,扫描路径误差,光学系统误差,工艺性误差,树脂收缩变形引起的误差,成型工艺参数引起的误差,激光功率、扫描速度、扫描间距设置误差,树脂涂层厚度设置误差,光斑直径大小设置误差,扫描方式产生的误差,后处理误差,去除支撑引起的变形误差,后固化及表面处理产生的误差,2.5 成型影响因素,2.5.1 原理性误差,1.数字模型转化误差,圆柱上下表面无误差,曲面有误差,圆柱体的STL格式,弦差导致截面轮廓线误差,圆球的STL格式,2.5 成型影响因素,2.5.1 原理性误差,2.分层切片误差,图2-30,b,自适应分层,图2-30,a,台阶效应,大斜度，小层厚，提高精度,小斜度，大层厚，提高效率,2.5 成型影响因素,2.5.1 原理性误差,3.扫描路径误差,图2-31 用短线段近似曲线造成的扫描误差,对于扫描设备来说，一般很难真正扫描曲线，但可以用许多短线段近似表示曲线，这样就会产生扫描误差。,2.5 成型影响因素,2.5.1 原理性误差,4.光学系统误差,（1）激光器和振镜扫描头由于温度变化和其他因素的影响，会出现零漂或增溢漂移现象，造成扫描坐标系统偏移,，使下层的坐标原点与上层的坐标原点不一致，致使各个断面层间发生相互错位。这可以通过对光斑进行在线检测，并对偏差量进行补偿校正消除误差。,（2）振镜扫描头结构本身造成原理性的扫描路径枕形误差，振镜扫描头安装误差造成的扫描误差,，可以用一种X/Y平面的多点校正法消除扫描误差。,（3）激光器功率如果不稳定，使被照射的树脂接受的曝光量不均匀。,光斑的质量不好、光斑直径不够细等都会影响制件的质量。,2.5 成型影响因素,2.5.2 工艺性误差,1.树脂收缩变形引起的误差,液态光敏树脂在固化过程中都会发生收缩，收缩会在工件内产生内应力，沿层厚从正在固化的层表面向下，随固化程度不同，层内应力呈梯度分布。在层与层之间，新固化层收缩时要受到层间粘合力限制。,层内应力,和,层间应力,的合力作用致使工件产生翘曲变形。,措施如下：,（,1,）树脂配方的改进,（,2,）软件设计时对体积收缩进行补偿,2.5 成型影响因素,2.5.2 工艺性误差,1.树脂收缩变形引起的误差,液态光敏树脂在固化过程中都会发生收缩，收缩会在工件内产生内应力，沿层厚从正在固化的层表面向下，随固化程度不同，层内应力呈梯度分布。在层与层之间，新固化层收缩时要受到层间粘合力限制。,层内应力,和,层间应力,的合力作用致使工件产生翘曲变形。,措施如下：,（,1,）树脂配方的改进,（,2,）软件设计时对体积收缩进行补偿,2.5 成型影响因素,2.5.2 工艺性误差,2.成型工艺参数引起的误差,（1）激光扫描方式,顺序往复扫描,（,Z,字形、光栅式扫描）,扫描过程中，扫描器会以跨越速度快速跨越型腔。,缺点,：,空行程多，会出现“拉丝”现象；,扫描系统速度频繁变换，产生振动和噪声；,激光器频繁进行开关切换，降低加工效率。,拉丝,图2-32,a,顺序往复扫描,2.5 成型影响因素,2.5.2 工艺性误差,2.成型工艺参数引起的误差,（1）激光扫描方式,分区往复扫描,优点,：,省去激光开关，提高成型效率；,分散收缩应力，减小收缩变形，提高成型精度。,图2-32,b,分区往复扫描,2.5 成型影响因素,2.5.2 工艺性误差,2.成型工艺参数引起的误差,（2）树脂涂层厚度,当聚合深度小于层厚时，层与层之间将粘合不好，甚至会发生分层；,当聚合深度大于层厚时，将引起过固化而产生较大的残余应力，引起翘曲变形。,在扫描面积相等的条件下，固化层越厚，则固化的体积越大，层间产生的应力就越大，因此为了提高成型精度，减小层间应力，应尽可能,减小单层固化深度,。,2.5 成型影响因素,2.5.2 工艺性误差,2.成型工艺参数引起的误差,（3）光斑直径大小,圆形光斑有一定的直径，固化的线宽等于实际光斑的直径大小。,实体尺寸大了一个光斑直径,扫描路径向实体内部缩进一个光斑半径,（a）未采用光斑补偿 （b）采用