快速成型技术讲解

    快速成型技术(Rapid Prototyping Technology-RPT)属于先进制造技术范畴,机械工程学科非传统加工工艺(或称为特种加工),是将CAD、CAM、CNC、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集成的一种全新制造技术。它通过叠加成型方法可以自动而迅速地将设计的三维CAD模型转化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零件。与传统的制造方法相比，它具有生产周期短，成本低的优势，并且可以灵活地改变设计方案，实现柔性生产，在新产品的开发中具有广阔的应用前景。

　　目前世界上投入应用的快速成形的方法有十多种，主要包括立体印刷 (SLA-StereoLithgraphy Apparatus)、分层实体制造(LOM-Laminated Object Manufacturing)、选择性激光烧结(SLS—Selective Laser Sintering)、熔化沉积制造(FDM－Fused Deposition Modeling)、固基光敏液相 (SGC-Solid Ground Curing)等方法。

　　其中选择性激光烧结(SLS)技术具有成型材料选择范围宽、应用领域广的突出优点，得到了迅速发展，正受到越来越多的重视。

　　SLS方法具有以下的优点：由于粉末具有自支撑作用，不需另外支撑；材料广泛，不仅包括各种塑料材料、蜡和覆膜砂，还可以直接生产金属和陶瓷零件。且材料可重复使用，利用率高。

快速成型技术工作原理

    使用CO2 激光器烧结粉末材料(如蜡粉、PS粉、ABS粉、尼龙粉、覆膜陶瓷和金属粉等)。成型时先在工作台上铺上一层粉末材料, 激光束在计算机的控制下, 按照截面轮廓的信息, 对制件实心部分所在的粉末进行烧结。一层完成后, 工作台下降一个层厚, 再进行下一层的铺粉烧结。如此循环，最终形成三维产品。

快速成型技术应用

    选择性激光烧结快速成型(Selective Laser Sintering Rapid Prototyping) 技术（简称SLS技术）由于具有成型材料选择范围宽、应用领域广的突出优点，得到了迅速的发展，正受到越来越多的重视。它的应用已从单一的模型制作向快速模具制造（Rapid Tooling, 简称 RT）及快速铸造（Quick Casting, 简称QC）等多用途方向发展。其应用领域涉及航空、航天、机械、汽车、电子、建筑、医疗及美术等行业。目前，SLS技术的应用主要包括以下几个方面。

1、快速原型制造

　　利用快速成型方法可以方便、快捷地制造出所需要的原型，主要是塑料（PS、PA、ABS等）原型。它在新产品的开发中具有十分重要的作用。通过原型，设计者可以很快地评估设计的合理性、可行性，并充分表达其构想，使设计的评估及修改在极短的时间内完成。因此，可以显著缩短产品开发周期，降低开发成本。具体地讲，它主要有以下三个方面的用途。

（1）外形设计考查

　　很多产品特别是家用电器、移动通讯工具及汽车等对外形的美观和新颖性要求极高。传统检验外形的方法是用 CAD 将产品图形显示于计算机屏幕，但这种方法实际直观性太差。采用快速原型制造方法可以在极短的时间内，用低廉的造价直接做出设计模型，供设计人员及用户审查，修改设计后再进行检验，直到满意为止。

（2）功能检测

　　设计者使用 RP原型可以迅速进行功能检测，如流动分析、应力分析、空气动力学分析等，确定是否最好地满足设计的要求，从而优化产品设计。如风扇、风鼓等的设计，可获得最佳扇叶曲面、最低噪音的结构。

（3）装配干涉检验

　　对新产品的开发，尤其是在有限空间内的复杂系统，其装配干涉检验是十分必要的。SLS原型可以用来制作装配模拟件，观察各零部件之间是否协调配合，如何相互影响。通过上述检验可以在最短时间内成功地完成设计。

2、快速模具制造

　　利用SLS技术制造模具有直接法和间接法两种。直接制模是用SLS工艺方法直接制造出树脂模、陶瓷模和金属模具；间接制模则是用快速成形件做母模或过渡模具，再通过传统的模具制造方法来制造模具。

（1）直接制模

① 直接制造树脂模

　　使用 SLS 方法利用尼龙等成型材料可直接制作树脂模。上述材料经快速成型机制作出模具，然后将制作完成的模具，组合在注射模的模座上，用于实际的注射成型。也可制作出中空模具，以金属树脂灌注之，以强化内部结构，并且在模具表面，渗上一层树脂进行表面结构强化，即可承受注射成型的压力、温度，从模具烧结成型至注射塑料产品只需花费5～6天的时间。上述树脂模也可以作为吸塑模和型腔模使用。

②直接制造金属模具

　　利用SLS工艺直接制造金属模具是目前世界发达工业国家都在研究的领域，主要有以下三种途径：

　　第一，金属粉末大功率激光烧结成型技术

　　利用高功率激光（1000 W以上）对金属粉末进行扫描烧结，逐层叠加成型，成型件经表面后处理（打磨、精加工）即完成模具制作，制作的模具可作为压铸模、锻模使用。该方法与激光熔敷的工艺原理是一致的。

　　第二，混合金属粉末激光烧结成型技术

　　成型粉末为两种金属粉末的混合体，其中的一种熔点较低，起粘结剂的作用，利用低功率激光快速成型机对混合粉末进行激光烧结即可直接制作金属模具，用于批量较大的塑料零件和蜡模的生产。

　　第三，金属—树脂粉末激光烧结成型法

　　使用 SLS 方法，以覆膜金属粉末或金属与树脂的机械混合粉末为成形原料，通过选区烧结得到金属粘结实体，再经后处理（脱脂、高温烧结、渗金属等），直接形成金属模具。

（2）间接制模

　　间接制模的方法较多， 比较常用的有以下三种。

① 金属喷涂制模法

　　采用喷枪将金属喷涂到快速成形的原型上形成一个金属硬壳层，将其分离下来，用填充铝粉的环氧树脂或硅橡胶支撑，即可制成注塑模具的型腔。这一方法省略了传统加工工艺中的详细画图、数控加工和热处理等三个耗时费钱的过程，因而成本只有传统方法的几分之一。

②硅橡胶模法

　　硅胶模的制备方法是将液体硅胶按照快速成形母模的分型线依次浇铸，待硅胶固化后， 再将母模脱去，形成一副橡胶模具。硅胶模的特点是制模过程简单，不需专门设备，脱模容易。硅胶模适宜于蜡、树脂、石膏等浇铸成型方法。广泛应用于精铸蜡模的制作、艺术品的仿制和生产样件的制备。

③振动研磨法

　　振动研磨法是一种利用快速成形原型母模直接加工石墨电极(电火花加工用)的方法。首先利用原型制作一个 Sin 环氧树脂的负型做为研磨头，将研磨头和石墨块安放在专用的石墨电极研磨机上，研磨头产生微小旋振， 不断研磨石墨本体，在石墨块上研磨出与研具形状相反, 而与零件形状相同的石墨电极。

　　用振动研磨法加工石墨电极，使电极的加工自动化。一个研磨头可以反复用来研磨电极。一个损耗了的电极经过研磨头的修复即可复原。

用快速成型制作电极的母模具有快速、精度高、尺寸易修改的特点。

3、快速铸造

　　铸造是制造业中常用的方法。在铸造生产中，模板、芯盒、蜡模压模等一般都是机加工和手工完成的，不仅加工周期长、费用高，而且精度不易保证。对于一些形状复杂的铸件，模具的制造一直是个老大难问题，快速成型技术为实现铸造的短周期、多品种、低费用、高精度提供了一条捷径。可以通过以下三种方法实现快速铸造。

（1）用快速成形技术直接制造精铸用蜡模和树脂消失模

　　SLS 方法可以用蜡或可消失性树脂为原料，直接制造精铸用的蜡模和树脂消失模，再用传统的精铸工艺，进行涂壳、脱蜡、焙烧等，得到铸造型壳。对于树脂消失模，采用高温闪烧法，迅速将树脂分解脱去。残留灰分少，不涨壳、精度高，非常适宜于薄壁的复杂结构铸件生产。

　　采用快速成型技术， 可以对收缩造成的尺寸误差进行校正，如果铸出成品的尺寸超差，可以立即对 CAD 模型进行修改，再做出第二件蜡模与树脂模。这种方法尤其适用于形状复杂的单件或小批量的铸件生产，如飞机叶片、叶轮等等特殊件。国外公司已用此方法制造了飞机叶轮、摩托车汽缸头、无链条自动车中轴等铸件。

（2）用快速成形原型代替铸造中的木模或制造铸造模具。

　　用SLS技术制作的树脂原型或陶瓷原型代替木模，不仅大大缩短了制模时间，而且激光成型的原型水平远比木模要高， 强度和尺寸稳定性优于木模。特别是对于难以加工、需要多种组合的木模用快速成型模的优点就更为突出。

　　快速成形原型还可用于制造硅胶模或石膏模、陶瓷模的母模，翻制成模具再制作蜡型芯壳或直接浇铸，这种方法适合于小批量铸件的生产， 用翻硅胶模的方法，借助快速成形原型生产出了人造骨、人体头像、涡轮等零件的蜡模和铸件。

（3）用快速成形技术直接成型铸造型壳、型芯和蜡模的压型

　　用铸造用覆膜陶瓷为原料， 可以一步制成铸造用的型壳，在 CAD 环境中, 直接将零件模型转换为壳型, 再配以浇冒口系统。烧结过程中，非零件部分进行烧结，零件部分仍是粉末。烧结完成后，将粉末倒出再经过固化处理就或为铸造用的型壳。此方法省去了传统精铸过程中蜡型制作、涂壳、脱蜡等多道工艺过程，是对传统铸造过程的重大变革。