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印刷快速成型技术的原理及特点

印刷快速成型技术的原理及特点

印刷快速成型技术的原理及特点

      快速成型技术RP(Rapid Prototyping)是20世纪90年代迅速发展起来的一种高新技术,它基于逐层材料添加的原理,由CAD数据直接驱动生成实体模型或零件。RP技术本质在于被加工对象的几何拓补关系,通过CAD模型加以描述和确定,高散处理得到驱动工具和材料的数控指令,利用RP技术的设备完成成型制造。该技术具有鲜明特点是:可快速生产模型或制件,周期短,成本低;对制件的复杂性几乎无任何限制;制作过程中不用模具、夹具、刀具,不需任何机械加工。下面就目前比较成熟可用于工业领域的RP技术原理做一介绍。

      1.立体平版印刷SL(Stero-lithography)或光固化成型立体平版印刷技术原理即由软件对CAD创建的三维数据进行平面分层,得到每一层的截面形状,用一定波长的紫外线激光束按每个切层的二维截面形状对液态光固化树脂进行扫描,从而形成一层特定形状的固化层。由于存在一定的固化深度,每层固化后粘在以前的固化层上(最初的一层粘在升降平台上表面),然后升降台下沉一个分层厚度(0.01~0.02mm),再进行新一层成形。这样激光束照射一层,固化一层,粘结一层,下沉一层,最终堆砌起来的固化物即为根据CAD数据所设计的三维模型实体。其成型材料为光固化树脂。若用热固化树脂代替,用激光束扫描液面,在激光点的热作用下产生热聚合固化,也可得到据CAD所设计的三维模型实体。两种树脂固化前为液体,均有流动、可塑、易涂布的特点,但光固化树脂能在常温下操作、保存时稳定、固化时间短且搭接性能好,因此光固化技术必将迅速发展。产品作为实用样品使用时,由于现有树脂的机械性能所限,不能用于制造承受负荷大、有交变应力以及磨擦力大的产品。为提高材料的机械性能,目前采取使用硅酮橡胶材料及高性能的聚氨脂系材料的方法。
    成型精度是RP技术在工业应用上的关键问题之一。在SL过程中,树脂固化收缩特性、固化深度、涂层质量、激光扫描线宽、扫描误差及CAD模型网络化等因素均影响成型精度。
    2.分层物体制造LOM(Lominated Object Manufacturing)分层物体制造技术是采用激光束和薄层材料(纸片、塑料薄膜或复合材料等)生成任意形状三维物体的方法。即工作开始时,上料卷筒把原料平铺在工作台的基面上,热压滚筒将料压平并粘在底层上,二维数控激光切割头的激光束,按计算机数据系统给出的信息指令,切出工件的截面形状,并把周围多余材料切碎。然后工作台下降一个层厚的高度,上料卷筒再铺新层。如此反复逐层粘切,直到工件制造出来为止。
    3.熔融淀积成型FDM(Fused Deposition Modeling)熔融淀积成型是采用电加热和热塑材料在计算机控制下快速成型的方法,其系统由数控喷头、可升降工作台和供料装置组成,以半流体状或线状熔融的热塑材料为成型原料(如:ABS塑料、铸造蜡、橡胶等)。即工作开始,工作台处于高位,原料通过喷头加热熔融后,按计算机的控制指令连续挤喷在选定的区域(即工件的截面)上,随之冷却固化成型。工作台下降一个层厚的高度,再挤喷第二层,如此反复直到工件全部成型。
    4.选择性激光烧结SLS(Selective Laser Sintering)选择性激光烧结技术与SL技术相似,也用激光束扫描各层材料,但用粉末(塑料粉、金属粉、陶瓷粉)代替液体聚合物。粉末被预热到稍低于其熔点的温度,然后采用激光扫描加热粉末至其烧结温度,从而把它和基体材料连结一起,未被激光扫描的粉末仍留在原处。烧结好一层后将工作台下降一层高度,再烧结长二层,直到制造出整个制件。由于未烧结的粉末围绕未烧结好的零件,对它有一支撑作用,所以制作中不需复杂的支撑系统。
    选择性激光烧结系统中,激光器种类、激光扫描形式、计算机切片薄层厚度、激光扫描器的计算机控制以及粉末材料的选择均影响工件的成型精度和性能。大多数粉末在烧结时会发生收缩,结果是引起内部残余应力并发生应变变形,影响精度。粉末颗粒的粗细也会影响制件的表面质量。陶瓷粉经激光烧结成型后,为提高其机械性能和耐热性能,必须进行后置处理,即烧结好的陶瓷坯体放入温控炉,在较高的温度下进行烧制。