Objet三维快速成型技术的应用现状及展望

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快速成型(rapid prototyping)技术源于 20世纪 80年代后期的美国，是基于材料堆积法的-种高新制造技术。它是由CAD、快速成型、反求工程和材料科学技术形成的-套快速制造系统的技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有-定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了-种高效低成本的实现手段 。而作为三维打屿速成型领军企业 Objet公司推出的Alaris、Eden和 Connex等系列三维快速成型打愈，因其轻巧、高质量、高精确度、高速等特点深受国内用户欢迎。本文将简要论述 Objet三维快速成型技术的工作原理、使用材料、应用领域及其发展方向。

1 快速成型技术的主要类型Objet公司生产的Alafis30三维快速成型打愈见图 1。

图1 Objet公司生产的Alaris 30三维快速成型打愈快速成型技术发展至今，以其技术的高集成性、高柔性、高速性而得到了迅速发展。目前，快速成型的工十基金项目：教育部资助项 目特色专业办学理念及特色建设研究”(编号：O9YJA880o55)。

作者简介：薛 平 1982年生，硕士，实验师。从事模具、材料成型方面的教学研究。

李 尧 1957年生，博士，教授，院长。研究方向为金属的塑性及合金化。

杨寇 1974年生，硕士，副教授。研究方向为金属的塑性及舍金化。

余五新 1969年生，本科，副教授，副院长。研究方向为先进制造技术。

付乐荣 1955年生，本科，副教授。研究方向为金属材料与热处理。

2013.2 I机电-体化 19Objet三维快速成型技术的应用现状及展望艺方法已有几十种之多，其中主要工艺有 4种基本类型：分层实体制造法、选择性激光烧结法、熔融沉积制造法和光固化成型法。

1.1 分层 实体制造LOM(1aminated object manufacturing)工艺或称为叠层实体制造，其工艺原理是根据零件分层几何信息切割箔材和纸等，将所获得的层片黏接成三维实体。

该工艺的特点是工作可靠，模型支撑性好，成本低，效率高；缺点是前、后处理费时费力，且不能制造中空结构件。

1.2 选择性激 光烧结SLS(selective laser sintering)工艺，常采用的材料有金属、陶瓷、ABS塑料等材料的粉末作为成型材料。

该工艺的特点是材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、金属、蜡等材料的零件；造型精度高，原型强度高，所以可用样件进行功能试验或装配模拟。

1.3 熔融 沉积 制造FDM(fused deposition manufacturing)工艺又称为熔丝沉积制造。FDM喷头受水平分层数据控制，作X-y方向联动扫描及 z方向运动；丝材在喷头中被加热至略高于其熔点，呈半流动状态，从喷头中挤压出来，很快凝固，形成精确的层。该工艺的特点是使用、维护简单，成本较低、速度快，-般复杂程度原型仅需几个小时即可成型，且无污染。

1.4 光 固化成型SLA(stereo lithography apparatus)工艺也称光造型、立体光刻及立体印刷。该工艺的特点是原型件精度高，零件强度和硬度好，可制出形状特别复杂的空心零件，生产的模型柔性化好，可随意拆装，是间接制模的理想方法。SLA以其方便、生产周期短而在铸造、模具与塑料加工行业得到了越来越广泛的应用。

除了上述4种最为成熟的技术外，还有许多技术也已经实用化，如三维打蛹术 (three dimensionalprinting，即3D-P)、直接烧结技术、全息干涉制造等。

2 Objet三维快速成型技术应用现状 2.I Objet快速成型技术的工作原理Objet接受来 自三维模型 CAD的 STL文件，并对STL文件进行切片，每层厚度为0.016 mm，由喷头将光聚合物材料喷射在建立托盘上。喷头前后来回运动，20 机电-体化 l 2013.2类似于线性打愈，沿 方向建立-层截面。如果制件的宽度大于喷头宽度，则工作台可以沿Y方向移动，以便连续建立这-层。在建立下-层之前，必须用紫外光完全固化当前层。在每-层建立完毕后，托盘沿z方向下移-个层厚的距离，然后，喷头开始喷射下-层截面所需的光敏聚合物材料。当建立过程完成后，模型立即就可以使用。如图 2所示。

图 2 Objet快速成型机的工作原理2.2 Objet快速成型技术使用材料简介2.2.1 Full Cure系列Ful Cure系列三维打印材料在颜色、机械性能方面为客户提供了多重选择，这令客户在快速获得样件实物的同时，也可以在质感、外观、装配关系、整体功能性等诸多方面进行同时评估。

2.2.2 Vero系列分别为 Vero Blue，Vero White和 Vero Black∩以直接打印与设计要求颜色相同的非透明成型件，令客户在检查结构、装配关系的同时进行外观评估。Vero系列材料具有极佳的弹性，可响应某些有特殊要求的快速成型样件的制作。其性能优势非常明显，非透明的材料表面强化了细节、边缘的可视性，较好的强度、弹性提供了更充分的功能测试，多种材料的选择等于多种解决方案。

2.2.3 Tango系列分别为Tango Black和 Tango Gray，具有类似橡胶弹性性能的材料，适合于打舆有弹性要求的部件。

两种材料具有极高的延伸率，具有橡胶、硅胶-样的质感，可与其他材料打印的样件进行装配测试。TangoBlack硬度为 61 shore，弹性相对较大。Tango Gray略硬，硬度为75 shore，弹性相对较校2.3 Objet快速成型技术的应用领域2.3.1 外形设计新产品对外形的美观和新颖性要求极高。-般检验外形的方法是将产品图形显示于计算机终端，但经常发生画出来好看而做出来不好看”的现象。原型供设计人员和用户审查，使得外形设计及检验更直观有效快捷。

2.3.2 功能检测设计者可以利用原型快速进行功能测试以判明是否最好地满足设计要求，从而优化产品设计。

2.3.3 装配干涉检验原型可以用来做装配模拟，观察工件之间如何配合、是否相互影响。

2.3.4 结构设计利用快速原型方法可在开模前真实而准确制造出零件原型，检查设计，这就大大减少了开模风险。

2.3.5 直接应用直接应用领域很广泛，包括硅橡胶模具、真空成型、金属镀层、流道测试和小批量直接制造零件等。

2.4 Objet快速成型技术的优势2.4.1 无需后续处理该快速成型打愈使用专用的Ful Cure系列光敏树脂，以超薄 16 m的层厚、600×600 dpi的成型分辨率进行打樱喷射打印头沿 轴方向往返移动，喷射出-层非常薄的树脂在构建托盘上。uV紫外固化灯沿着喷头工作的平台发射出uV紫外光，成型和固化每层的光敏树脂材料，无需后续加工处理。

2.4.2 直接用于装配使用快速成型打愈同步喷射 Vero White模型材料和类似胶状的Ful Cure支撑材料在单个托盘上构建所需模型，完成整个打印过程后，可以直接用手或用Water Jet水枪很容易就去除这些无毒性的支撑材料，留下的部分可直接用于装配、功能测试、喷漆、钻孔、镀铬或者用作模具等。

2.4.3 高精度，表面光滑完成-层的喷射打印固化后，设备内置的成型托盘会极其精确地下降-个高度，打印头继续喷射光敏树脂进行下-层的打油固化，这样-层接-层，如此反复，直到整个模型打印制作完成。精密的内置控制软件使所有喷头完美地协同工作，严格的控制喷头在Review.Prospect l成型托盘上喷射出所需精确数量的树脂，这样就可以得到非常光滑和平顺的成型表面。

3 objet三维快速成型技术发展方向从目前 Objet三维快速成型技术的研究和应用现状来看，该技术的进-步研究和开发工作主要有以下几方面 ：(1)开发低成本的快速成型材料和易耗部件 近十年来，随着 Objet快速成型机的发展和普及，以及高校设备的突击式的扩展，国内很多高校拥有快速成型机的比例已经相当可观。但是令人担忧的是，Objet快速成型机在高校中的实际使用率非常低，设备闲置情况非常严重。其中最主要原因是快速成型材料费用过高，以及部分易耗部件如打印喷头更换麻烦且相当昂贵。

(2)改善性能 提高 Objet快速成型系统的可靠性以及生产率和制作大件能力，优化设备结构，尤其是提高成型件的精度、表面质量、力学和物理性能，为进- 步进行模具加工和功能实验提供基矗(3)开发快速成型的高性能 RPM软件 提高数据处理速度和精度，研究开发利用 CAD原始数据直接切片的方法，减少由STL格式转换和切片处理过程所产生的精度损失。

4 结束语快速成型制造技术是-种先进的制造技术，在工业和其他许多行业都得到了广泛的应用与推广。Objet三维快速成型技术的发展对提高国家制造能力及市场竞争力有极大影响，Objet三维快速成型技术的发展尤其对汽车、生物医学行业的发展有巨大的推进作用。