快速成型技术原理及成型精度分析

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快速成型(Rapid Prototyping，RP)技术是20世纪80年代后期发展起来的-种新型制造技术，集 CAD/CAM技术、激光加工技术、数控技术和新材料等技术领域的最新成果于-体，被认为是近 20年制造技术领域的-次重大突破，其对制造业的影响可与数控技术的出现相比§速成型技术的巨大优点极其发展速度已经引起各国政府的高度重视，国内外众多科研机构和大学都在进行相关方面的研究。随着计算机技术的快速发展和三维 CAD软件应用的不断推广，越来越多的产品基于三维 CAD设计开发，使得快速成型技术的广泛应用成为可能§速成型技术已经广泛应用于航空、汽车、医疗、电子、家电、玩具、军事装备、工业造型(雕刻)、建筑模型等领域。

2 快速成型技术的基本原理快速成型是由三维转换成二维(离散化)，再由二维累积到三维(材料堆积)的工作过程。相比于切削加工(车、铣、刨、磨)的材料去除加工方法，和热成型加工(铸造、锻压)的等量材料加工方法，快速成型是-种材料累加的加工成型方法§速成型的核心思想可概括为质量单元”的形成和有序堆积”的实现。从成型角度来看，零件可视为点”或面”的叠加 J。其主要成型过程可概括为以下四步：(I)由CAD软件设计出零件的三维曲面或实体模型，也可通过逆向工程获取实物的三维信息，反求三维模型；(2)对零件的 CAD数据进行数据转换，将三维模型近似处理为 STL格式文件，根据工艺要求，把STL格式的三维模型按-定厚度进行分层处理，得到零件的二维截面数据；(3)根据每-层的截面数据，以特定的成型方法生成与该层截面形状-致的薄片，反复进行这-过程并逐层累加，直到完成整个零件；(4)后处理，如去除支撑部分、表面抛光、光固化成型的后固化等。

圃 吟甲 吟圜 圆 ]0 -- 固 仁-- 回 3 快速成型工艺方法目前 ，发展较为成熟的快速成型工艺有立体光固化 (Stereo Lithography Apparatus，SLA)、熔融 沉 积(Fused Deposition Modeling，FDM)、选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS)以及分层实体制造收稿 日期 ：2013-03-06作者简介：荆 慧(1989-)，河北邯郸人 ，在读硕士，研究方向：基于光固化快速成型的涡轮机叶片铸型制造。

· 183·综 述 2013年第2期(第26卷，总第124期)·机械研究与应用 ·(Laminated Object Manufacturing，LOM)。本文对这四种快速成型工艺的工作原理、材料选择和成型精度做- 简要概述，以体现快速成型工艺的质量单元”形成和有序堆积”实现这-核心内容。

就成型精度而言，将 CAD三维模型转换为 STL格式文件造成的图形信息丢失、分层累积成型造成的台阶效应对以上四种工艺方法的成型件精度都有影响，在以下讨论各工艺成型精度时不再赘述。

3.1 立体光固化3.1.1 立体光固化工作原理树脂槽中注满成型用光敏树脂，激光器按给定的零件各分层截面的信息，对截面进行扫描，被扫描区域的光敏树脂发生光聚合反应而固化。-层固化完毕后，工作台下降，在涂覆机构(刮板)的配合下，在原先已固化的树脂表面上均匀地涂覆上-层新的液态树脂。激光束对新-层树脂进行扫描固化，使新固化的-层牢固地粘合在前-固化层上。重复以上步骤，直至零件制作完毕。使工作台上升，取出工件进行清洗、后固化以及表面光洁处理后即可最终完成零件的制作。对要求较高 的模型还需进行喷砂处理 。SLA工作原理及系统组成如图2所示。

可升工作液图2 立体光固化工作原理光器光固化成型原理要求其选用的材料具有较低的粘性和较小的固化收缩性。目前常用的树脂有丙烯酸树脂和环氧树脂。SLA复合材料是 SLA材料研究热点之-。光固化树脂中加入纳米陶瓷粉末、短纤维等，可改变材料强度、耐热性能等。

3.1.2 立体光固化成型精度虽然光固化快速成形是公认的精度最高的成形方法 J，但仍有必要对影响其制件精度的因素进行分析，其中，由振镜系统的工作原理产生的聚焦误差和枕形误差是具有代表性的光固化成型误差。

树脂收缩产生的误差。液态树脂在固化时会产生收缩，这种收缩会导致层与层之间内应力的产生，这种内应力会进-步导致制件的翘曲甚至开裂。通过改进树脂材料的配方，比如加入适量的膨胀性单体，可以控制固化收缩。实践证明，提高树脂的性能以减小固化收缩是提高光固化成型件精度的根本途· 1 84 ·径 。

光斑直径产生的误差。激光经聚焦照射在液态树脂表面上时并不是理想的点”，而是具有-定面积光斑。成型件的轮廓线实际上是光斑中心轨迹的包络线，通过光斑补偿可有效减小这种误差 J。

扫描速度和激光功率对精度的影响。扫描速度和激光功率的配合可以决定固化层的厚度。固化深度大于分层层厚时，每层可以自由收缩从而不会产生层间应力，但层与层之间会产生错位；固化深度大于分层层厚时，层与层之间会产生层间应力，导致翘曲变形。为保证加工顺利进行，固化深度应略大于分层层厚 。

振镜系统产生的聚焦误差。光斑焦点的扫描轨迹构成的像场为球面，与工作面不重合，会产生聚焦误差，其产生原理如图3所示。动态聚焦拈可以对这种误差进行补偿。

图 3 聚焦误差的产生振镜系统产生的枕形误差。振镜的偏转角与平面坐标之间存在着非线性对应关系，如果用线性对应关系来控制振镜的偏转，则扫描的形状会产生畸变。

图4 枕形误差示意图后处理对精度的影响。去除支撑的过程中会对制件表面质量产生影响。后处理前的绿件”(green-state)中部分树脂未完全固化，后固化过程中也会产生不均匀收缩 。

分层厚度对精度的影响。-般理论认为减小分层厚度可以提高精度，但 Morteza Vatani等人通过对制件变形的建模，指出制件的变形程度随层厚的减小呈指数增长趋势 。

此外，不同的扫描方式、光斑过冲、树脂液面的波动也会影响制件的精度。

· 机械研究与应用 ·2013年第2期(第26卷，总第124期) 综 述3.2 熔融沉积3.2.1 熔融沉积工作原理与立体光固化、分层实体制造和选择性激光烧结三种成型方法相比，熔融沉积不依靠激光作为能量来源，而是-种将热塑性丝材经固态-液态-固态两次相变加工成型方法。丝材由供丝机构送进喷头，在喷头中加热至熔融态。熔融态材料从喷头中挤出，按计算机给出的二维截面信息，随加热喷头的运动，选择性进行涂覆。-层完成后，喷头上升-个层高(或工作台下降-个层高)，再进行下-层的涂覆，如此循环，最终形成三维零件。其成型原理如图5所示。

由于层间连结强度较差，FDM法成型件的机械性能还有待提高。Q.Sun等人研究了成型参数对层间及同层不同扫描线间连结形成的影响，对工艺参数的改进有指导意义-o 。

加热喷头成型材料喷嘴支撑材料喷嘴快速原型支撑材料工作台图5 熔融沉积快速成型工作原理FDM成型工艺所用材料为热塑性材料，按材料成型过程中的状态变化可分为丝材(ABS塑料丝、尼龙丝等)和熔融材料(蜡、塑料等)。成型过程的液固相变要求 FDM材料具有 良好的化学稳定性、较小的收缩性和粘结强度。制作过程中使用两种材料：①沉积实体部分的成型材料；②沉积空腔或悬臂部分的支撑材料，可分别由两个喷头供给。

3.2.2 熔融沉积成型精度影响熔融沉积成型件精度的主要因素可归纳为以下几点。

(1)材料收缩。因材料固有的热膨胀率而产生的热收缩是收缩产生的最主要原因。另外，分子取向收缩使其在填充方向的收缩大于竖直方向。通过改变相邻两层的扫描方向，可以有效减小材料收缩对制件精度的影响 7 3。

(2)喷头温度。喷头温度太低，材料粘度大，挤丝速度慢，材料间粘结强度降低；喷头温度太高，材料流动性强，挤出过快，无法形成可精确控制的丝。

(3)形成室温度。形成室温度高，有利于减小热应力，但零件表面易起皱；形成室温度低，成型件热应力增加 。

(4)填充速度与挤出速度的匹配。填充速度比挤出速度快，则填充不足，出现断丝；填充速度比挤出速度慢，熔丝堆积在喷头上，影响造型质量 J。

3.3 选择性激光烧结3.3.1 选择性激光烧结工作原理在开始加工之前，先对成型室进行预热。成型时，送料筒上升，铺粉滚筒移动，在工作平台上铺-层粉末材料。根据计算机给定的三维模型的截面信息，激光束选择性地烧结粉末材料，使粉末熔化并相互黏结，进而形成-层固体截面。未烧结的粉末可作为下- 层的自然支撑。第-层烧结完成后，工作台下降-截面层高度，再铺上-层粉末 ，进行下-层烧结。如此循环，直至形成三维零件。最后 ，经打磨、烘干等后处理后，既可制作完成满足需求的原型或零件。

若成型材料为金属粉末，还需要控制成型室气氛，通入氮气、氢气、氩气等保护气体，以避免金属粉末在高温下氧化。SLS工作原理如图6所示。

激光器提供粉料和收集粉料的装差图6 选择性激光烧结工作原理从理论上讲 ，任何经激光束加热可熔化并粘结的材料都可作为 SLS的成型材料。从材料属性上分类，可大致分为金属粉末、塑料粉末和陶瓷粉末。塑料粉末成型件无需进行复杂的后处理。若选用陶瓷粉末制作零件，则需在陶瓷粉中加入粘结剂，成型过程中，较低熔点的粘结剂熔化并将陶瓷粉黏结在-起。若选用金属粉末制作零件，可直接烧结单组元金属粉末 ，成型完成后经热等静压(HIP)后处理可得到相对密度达99.9%的零件。也可采用间接法制作零件，即将金属粉末与有机粘结剂或另-种低熔点粉末混合。若选用有机粘结剂，则成型后需要脱脂、渗金属等后处理以降低孔隙率；若选用低熔点金属作为粘结剂，则成型后还需要进行液相烧结等后处理以提高零件相对密度和机械强度。

3.3.2 选择性激光烧结成型精度SLS制件的成型精度主要受粉末预热程度、扫描速度、扫描功率、扫描间距等因素的影响。

综 述 2013年第2期(第26卷，总第124期)·机械研究与应用 ·(1)粉末的预热。成型过程中，经激光扫描的粉层上表面会瞬间升高到很高温度。经过长时间较高温度的预热，可升高粉层整体的温度，减小烧结开始后粉层上下部分的温差，从而减小粉层的不均匀收缩。任继文，殷金菊 的研究揭示了粉层 内部的温度场分布，对减小材料不均匀收缩具有指导意义。

(2)扫描速度。扫描速度过快，不能保证粉层烧透，导致分层的缺陷；扫描速度过慢，传输的热量多，粉层上、下部分的温差大，其不均匀收缩会导致翘曲的产生。

(3)扫描功率。扫描功率应与扫描速度配合，避免热量传输得过多或过少而导致翘曲或分层缺陷。

(4)扫描间距。扫描间距过大(大于光斑直径)会导致粉末不能被完全烧结；扫描间距过小(小于光斑半径)会引起烧结深度的增大而使制件变形翘曲。

上述各种参数在成型过程中往往是相互影响的，如Yong-Ak Song1ol等研究表明降低扫描速度和扫描间距或增大激光功率可减小表面粗糙度，但扫描间距的减嗅导致翘曲趋向增大。

3.4 分层实体制造3.4.1 分层实体制造工作原理工作开始时，送料机构把单面涂有热熔胶的薄膜材料送至工作台上方。激光束根据计算机给定的三维模型的截面数据，在薄膜材料上按截面的轮廓信息进行扫描切割，并把周围多余的材料切碎。通过加热辊的加热，在热熔胶的作用下使工作层与下面切好的层面粘结在-起。然后工作台下降-个层厚(材料层片厚)的高度，送料机构再铺上新的-层，如此循环直至零件累积完成。取出工件，将多余的废料剔除，进行表面防潮(纸质、木质材料)等后处理后，最终获得三维产品。其成型过程如图7所示。

在叠层制造过程中，激光束只需对截面的轮廓而非整个截面进行扫描，从而提高成型速度(但剔除废料的过程较耗时)。与 SLS相同，无需提供支撑。

图7 分层实体制造成型过程LOM成型材料-般由薄片材料和热熔胶两部分组成。薄片材料根据对原型性能要求的不通可分为· 186·纸、塑料薄膜、金属箔等。目前，最广泛采用的材料为纸材。

3.4.2 分层实体制造成型精度由于纸材在 LOM成型工艺中应用较为广泛，本文以纸材为例讨论 LOM法成型过程中的精度缺陷、产生原因以及改善方法。

(1)叠层厚度分布不均。纸与热溶胶厚度的均匀性对 LOM法成型零件的精度有着严重的影响，几百层以至几千层变形的积累引起的叠层分布不均不容忽视。

(2)叠层的热翘曲变形。由于纸与热熔胶的热膨胀系数和力学性能不同，在热压粘结和成型后冷却的过程中，在纸与热熔胶之间会产生复杂的不均匀的残余应力，会引起 LOM成型件的翘曲变形甚至开裂。

改善这种缺陷的有效方法是采用新材料和新的涂胶方法，以使纸与热熔胶的热膨胀系数尽量相近。

(3)激光功率对成型件精度的影响。激光功率过大，会损伤制件前-层的胶纸表面；激光功率过小，会导致废料剥离困难。

(4)后处理对成型件精度的影响。废料被剥离后，叠层块内部原有的残余热应力会引起成型件变形。成型件在空气中的吸湿膨胀会导致其进-步变形∩采用加压冷却叠层块的方法，以减小由热应力引起的变形。在设定成型参数时也可对这种因素进行补偿。待成型件在叠层块内充分冷却后再剥离废料，废料可起到支撑的作用，以减小成型件的变形。

4 快速成型技术的应用根据 14个 RP设备供应商和43个 RP服务商的统计数据，所有 RP制件的近41%用于装配和功能性零件；约 27%用于工程、工具制造、报价和投标；约23%用于原型模具、金属铸造及模芯制造 §速成型技术广泛应用在模具制造、快速精铸、修复医学、新产品开发等方面。

(1)在模具制造方面，可通过间接法首先制作零件原型，再将 RP原型作为样件采用传统方法进行模具制造；也可直接成型金属模具。

(2)快速精铸的实现方法主要有三种途径：烧失型铸造熔模的快速制造、铸造型壳的快速制造与铸造压型的快速制造。

(3)在修复医学上的应用主要集中在人工假肢和人工活性骨等方面。用 RP技术快速制作出假肢原型，然后翻制出金属假肢即可植入人体。用 RP技术首先使用可降解材料制成内部多孔疏松的代用骨，疏松孔中填以活性因子，植入人体，即可代替人体骨骼，经过-段时间可降解材料被人体降解、吸收、钙化形成新骨。

· 机械研究与应用 ·2013年第2期(第26卷，总第124期) 综 述(4)在新产品开发方面，应用 RP技术可在几小时或几天内制作出三维原型，设计者可以根据此原型对外型、装配关系等方面的设计方案进行评定、模拟试验分析、生产可行性评估，并能迅速得到用户对设计方案的反馈信息。

5 快速成型技术发展趋势RP技术虽然有其巨大的优越性，但是由于可成型材料有限，零件精度低，零件的物理性能较差，成型机的价格和维护费用较高，运行制作的成本高等，所以在-定程度上 RP技术的推广还存在-定的瓶颈。

RP技术主要的发展趋势为：新材料的开发、软件的开发、新能源的应用、新设备的开发、新工艺的发展以及远程制造的开展。

(1)新材料的开发。材料的性能既要利于原型加工，又要具有较好的后续加工性能，还要满足对强度和刚度等不同的要求。从研究的方法看，-方面是研究专用材料以适应专门需求，另-方面是根据用途分类，研究几类通用材料以适应多种需求。具体的研究课题主要包括开发成本与性能更好的新材料 、开发可以直接制造最终产品的新材料、探索特定形态成型材料的低成本制备技术、造型材料新工艺等。

(2)软件的开发。目前，STL格式文件基本已成为快速成型的工业标准，但其仍存在精度不足等缺陷。第三方软件公司介入 RP领域，与 RP设备捆绑销售成为-种趋势。此外，高精度的切片软件和精度补偿软件也是软件开发的方向 。

(3)新能源的应用。目前大多数成型机都是以激光作为能源，而激光系统的价格和维护费用昂贵，致使成型件的成本较高。新能源的开发成为 RP技术的发展趋势之-。

(4)新设备的开发。RP设备向两个方向发展：工业化大型系统，用于制造高精度、高性能零件；自动化的桌面小型系统 ，主要用于制造概念原型。提高设备的加工效率、加工精度标表面质量，降低设备制造成本是新设备开发的趋势。

(5)新工艺的发展。除本文介绍的四种发展较成熟的快速成型工艺以外，多种组织材料的熔积成型、气相沉积成型、浸入式光成型、层扫描光固化等工艺的研究也正在进行中 。

(6)远程制造的开展§速成型是典型的数字化制造技术，适合与远程数据交换和异地设计制造。

6 结 语在快速成型技术产生至今的 30年里，其技术越来越成熟，应用领域也越来越广泛。计算机、激光、材料等多领域的共同发展必将促进快速成型技术进-步发展完善§速成型将逐步实现由制造零件原型向直接制造功能零件过渡，从而进-步缩短产品的生产周期，满足当今不断变化和个性化的市场需求。随着成型设备和材料成本的降低，其必将为越来越多的企业所接受，从而有力推动制造业和其他相关产业的发展。