激光快速成型系统技术性能描述

rockston

(1)成型原理　　快速成形技术是20世纪80年代开始商品化的一种高新制造技术。自出现以来，就以全新的制造思想、迅速的产品制造速度、灵活多变的产品模型，受到了学术界和制造业的极大关注。快速成形技术适应了现代先进制造技术的发展需求，发展十分迅猛，在发达国家已经成为一个新的产业分支和先进制造技术的一门支柱产业。
  G5 [8 \$ u1 f$ [: }( i  t　　快速成形技术是利用二维的制造方法作出一系列的薄切片，然后将二维薄切片按需要一层层的粘结在一起，迭加形成所要求的三维零件。制作过程如下：利用计算机CAD软件设计制作工件的三维模型，将模型切片，计算机对切片进行数据处理，形成零件的二维层片信息(横截面的平面轮廓和内部扫描路径)。计算机根据这些信息，通过控制系统驱动成形激光束按照所要求的路径运动，选择性的固化一层层的树脂(或者切割一层层的薄纸、烧结一层层的粉末材料、喷涂一层层的热熔材料或者粘结剂等)，形成各个截面的二维固体层片，一层制作完毕，在该层的基础上再进行下一层的制作，层层迭加，直至各层片按顺序迭加成三维零件。
" s5 g" l" t/ @; ?　　1986年美国的Charles W Hull首次提出用激光照射液态光敏树脂，固化分层制作三维物体的快速成形概念，并申请了专利。1988年，美国的3D Systems公司根据该专利商业化了第一台现代快速成形机—SLA250，以液态树脂选择性地固化成形零件，开创了快速成形技术的新纪元。由于快速成形技术的诸多优点适应于现代社会市场需求和先进制造技术的发展要求，自诞生之日起就引起了人们的极大关注，许多大公司都购买或应用了该技术，各国也投入了大量的人力物力进行开发研究，在制作方法、零件性能、制作速度和精度上以及制作零件的材料上都取得了显著的研究成果。除SLA外，还涌现出了许多其它形式的快速成形技术和快速成形机，如LOM(分层实体制造)，SLS(选择性激光烧结)，FDM(熔丝沈积制造)等。
" l9 T9 V; L: W  O　　光固化(Stereolithography,简称SL)成型技术基本工作原理如图所示，以光敏树脂为加工材料，加工从最底部开始，紫外激光根据模型分层的截面数据在计算机的控制下在光敏树脂表面进行扫描，每次产生零件的一层。在扫描的过程中只有激光的曝光量超过树脂固化所需的阈值能量的地方液态树脂才会发生聚合反应形成固态，因此在扫描过程中，对于不同量的固化深度，要自动调整扫描速度，以使产生的曝光量和固化某一深度所需的曝光量相适应。扫描固化成的第一层粘附在工作平台上，此时工作平台的位置比树脂表面稍微低一点，每一层固化完毕之后，工作平台向下移动一个层厚的高度，然后将树脂涂在前一层上，如此反复，每形成新的一层均粘附到前一层上，直到制作完零件的最后一层(零件的最顶层)。这样整个制作过程就完成了。
% _2 _, f' w0 Y( B. a& F( O　　(2)、成型特点
　　与其它成型工艺方法(FDM、LOM、SLS等)相比，光固化法快速成型的特点是精度高、表面质量好，表面粗糙度可达到Ra3.25μm，经过抛光，表面粗糙度可达到Ra1.17μm，是目前公认的成型精度最高的工艺方法(100mm以内±0.1mm或±0.1%)；
　　原材料的利用率近100%，无任何毒副作用；
: U. [5 z; Z. e% A+ f　　原材料的可烧蚀性，原材料由C、H、O组成，在700℃以上温度下，可完全烧蚀，没有任何残留物。能成型形状特别复杂(如发动机缸体，发动机进排气管)，能成型薄壁(如汽车覆盖件、装饰件、空心零件等)，特别精细(如汽车缸体装配件、家电产品)，在几种成型方法得到的制件中，光固化成型是唯一一种具有装配功能的快速成型方法，能够检验产品设计的可装配性能。
) i) w' z. P8 i　　成型速度高，最高扫描速度可达8000mm/s，其它工艺方法(FDM、LOM、SLS等)无法达到。
0 A# A, B  y: L　　l 简单省时的后处理 SPR-3010型光敏树脂粘度低，成型操作非常方便，零件制作完毕的清理也非常容易，只要用酒精或其它有机溶液清洗制件表面即可。
　　光固化法快速成型是目前公认的众多基于材料累加法快速成型中最为广泛使用的一种方法。其应用领域集中在航空航天、模具、汽车、家电、建筑、轻工、医疗等领域，其主要作用为促进企业的产品快速创新开发，帮助制造业迎接入关挑战。
+ u4 l# |$ i$ a1 m　　迄今为止，据不完全统计，全世界共安装各类快速成型机近五千台，而其中超过75%为光固化法快速成型机(SLA)，在我国使用与安装的快速成型机中70%为光固化法快速成型机。
/ G$ J5 A. B6 e7 G  M/ Q+ [! f　　(3)、激光快速成形在产品创新过程中的应用
　　瞬息万变的市场使交货期成为竞争力诸因素中的首要因素。竞争环境的压力迫使生产者采取快速反应措施，快速反应市场需求，满足消费者不断萌发的需求。随着社会需要和科学技术的发展，产品的竞争越来越激烈，更新的周期越来越短，因而要求设计者不但能够根据市场的要求很快地设计出新产品，而且能够在尽可能短的时间内制造出产品的样品，进行必要的性能测试，征求顾客的意见并进行修改，最后形成能投放市场的定型产品。
% ~, u! I: \, m9 c　　快速成形技术的出现为制造企业满足个性化的需求和产品的快速推出提供了可能性，由于快速成形技术不采用传统的加工机床和工具模具，零件自由成形，只要通过计算机作出零件的三维模型，就能在工作台上实现零件的制造，如果产品设计有改动，只需在计算机中修改模型，不需要重新设计工装夹具，很快制造出实体零件，大大缩短了产品的制作时间和投放市场的时间，几个星期甚至几天内就可交出样品，为传统工艺的10~30%，成本降为20~35%。
　　快速成形技术的作用：
: ]1 b# H3 h& H　　(1) 产品设计评估与审核
　　为提高设计质量，缩短生产试制周期，RP&M快速成形系统可在几个小时或几天内将设计人员的图纸或CAD模型转变成看得见、摸得着的实体模型。这样就可根据设计原型进行设计评定和功能验证，迅速地取得用户对设计的反馈信息。同时也有利于产品制造者加深对产品的理解，合理地确定生产方式、工艺流程和费用。与传统模型制造相比，快速成型方法不仅速度快、精度高，而且能够随时通过CAD进行修改与再验证，使设计走向尽善尽美。
　　(2) 产品功能试验
  E0 P1 t; w+ M) J( w2 l　　在RP系统中使用新型光敏树脂材料制成的产品零件原型具有足够的强度，可用于传热、流体力学试验。用某些特殊光敏固化材料制成的模型还具有光弹特性，可用于产品受载应力应变的实验分析。例如美国的GM(通用汽车公司)在为其97年推出的某车型开发中，直接使用RP生成的模型进行车内空调系统、冷却循环系统及冬用加热取暖系统的传热学试验，较之以往的同类试验节省花费40%以上。Chrysler(克赖斯勒汽车公司)则直接利用RP制造的车体原型进行高速风洞流体动力学试验，节省成本达70%。
　　(3)与客户或订购商的交流手段
1 c4 |. M) a- r1 E! y1 x　　在国外，RP原型成为某些制造商家争夺订单的手段。例如位于Detroit的一家仅组建两年的制造商，由于装备了2台不同型号的快速成型机及以此为基础的快速精铸技术，仅在接到Ford公司标书后的4个工作日内便生产出了第一个功能样件，从而在众多的竞争者中夺到为Ford公司生产年总产值达3000万美元的发动机缸盖精铸件的合同。另一方面，客户总是更乐意对实物原型“指手划脚”，提出对产品的修改意见，因此RP模型是设计制造商就其产品与客户交流沟通的最佳手段。 (4)通过快速精铸和翻砂铸造制造金属件
　　由RP方法可以提供可完全气化的光敏树脂原型，故可用消失法铸造，铸出精密铸件。为了减少消失法铸造产生过多的气体，RP原型可制成中空结构，中空部分还可以加以蜂窝状支撑，以增强RP原型刚度。由于RP原型可以很容易附加上冷却管道等结构，由RP原型甚至可以直接作为注塑模，制造出少量塑料件，以供产品开发阶段使用。在航天、航空、兵器等领域,对复杂形状的零件非常适用。
! _' l" j  ?; w; U3 [　　相对形状结构简单的零件可用光敏树脂原型直接代替木模进行翻砂铸造。
　　(5)快速模具制造
; W* W" f2 K/ D: L- o　　以RP生成的实体模作模芯或模套，结合精铸、粉未烧结或电极研磨等技术可以快速制造出企业产品所需要的功能模具或工装设备，其制造周期一般为传统的数控切削方法的1/5～1/10，而成本却仅为其1/3～1/5。模具的几何复杂程度愈高，这种效益愈显著。据一家位于美国Chicago的模具供货商(仅有20名员工)声称，其车间在接到客户CAD设计文件后1周内可提供任意复杂的注塑模具，而实际上80%的模具则可在24～48小时内完工。
- f, q* J7 f# V) v. S　　最新的研究成果显示，快速成形技术在其它领域的应用也显示出极大的优越性，西安交通大学在骨替代物的仿生定制化设计与制造中成功地制造出了具有生物活性功能并具有高强度的人工下颌骨，并成功地应用于临床。西安交通大学先进制造技术研究所面对我国西部缺水现状开展的节水灌溉、精准农业项目的研究也取得了实用性的成果，利用光固化快速成形机制造内镶柱式压力补偿滴头可与输水管合二为一形成滴灌带，可在几小时内直接成型出压力补偿滴头样件(不需要模具)，装入调节膜片装配起来可以直接在管路上进行试验，可使压力补偿滴头实验分析周期缩短4/5以上，费用降低3/4以上。西安交通大学先进制造技术研究所最新推出的SPS600固体激光器快速成形机，以其成形速度快，精度高，在汽车制造行业获得了成功应用。
: Q- R7 P! n, i2 }: o　　新产品快速开发：
7 y* E) F+ D  l3 S/ a9 X8 W　　1、 激光快速成形
% @2 R) V  g9 Z) ~8 ?) y$ K　　2、 三维激光数字化仪
8 ~- ?7 Q/ f4 \9 Z$ F& y　　三维激光测量系统是一种全自动非接触几何测量三维测量系统。它基于主动式三角测量原理，通过将一激光束照射到物体表面上，利用两台CCD摄取物体表面上的二维变形线图像，就可以求出相应的三维坐标，每个测量周期可获取一条扫描线；物体的全轮廓测量式通过LSH机台上的步进式三轴直线运动和一轴回转运动辅助实现的。根据测量对象和实际需要，软件可选择点测量、线测量、平面扫描、双面扫描、四面扫描、回转扫描等测量方式。
$ Y5 e5 K- z# Z8 n　　最大测量范围：
　　LSH800：600mm(X)×800mm(Y)×400mm(Z)×360度
; \4 ~* P6 r/ H* g8 G( V" H! c　　控制方式：PC控制三轴平移，一轴旋转
　　设备体积：1,300(X)×1,300(Y)×2,000(Z)
: T- D+ i  w5 R( r　　PC：Pentium3以上
5 W! s4 C* i3 U8 }. o( t: M5 W　　操作系统：Windows98/2000/NT
+ [- g' q; \; H9 |　　技术特点：
* G# x% h: M1 ?　　l 四轴自动测量系统；
　　l 旋转轴中心自动定位；
　　l 激光功率可用软件调整；
; c! O; R8 x6 B1 X+ H8 g　　l 定位误差自动补偿；
& l) q# c+ ]& z+ x　　l 扫描速度比传统接触式测量快10-100倍；
　　l 可测量柔软或不可接触的工件；
0 O: t9 V. @: c7 ^: i  ]9 J　　l 多种扫描方式、无死角。
　　3、 真空硅胶注模
2 s( n2 x  C8 v" N% A　　(1)、技术原理与应用领域
0 i! B7 i! s* S9 d　　近年来，随着快速成型技术应用和普及，越来越多的企业感受到该项技术在产品开发和设计过程中所带来的效益。然而，随着该项技术的普及以及应用领域的扩大，很多企业对小批量生产及制模(已有原型)的需求越来越迫切，利用真空浇注成型机则可以直接用工程塑料制作小批量零件或者制造简易模具。快速模具制造应用非常广泛，发展也非常迅速，特别是在新产品研发阶段，以及一些通过复型获得表面形状的场合，其作用显著。国内现有各种快速成型机近百台，国家级应用服务中心五个，各省的生产力促进中心也在纷纷上马快速成型技术及快速制模技术，还有一批拥有快速成型设备的企业也对外进行快速成型及快速模具的服务，所以对该设备的需求很大。
$ h' m. M4 v8 k- a　　真空浇注成型机可用于制造业领域的快速模具制造，可完成硅橡胶模具、聚氨酯模具及小批量注塑零件的真空浇注成型，广泛用于汽车、家电、轻工、医疗、农业机械及军工等行业的研发和小批量生产。 　真空浇铸成型的原理：根据成型模具材料或零件材料的固化要求，将材料按一定的比例混合后放入容器中，然后将容器放入在真空浇铸机中，抽真空，搅拌混合材料，抽真空的目的是为了排除在搅拌过程中和化学反应中所产生的气泡。材料被充分搅拌后，在真空的状态下将待硅橡胶及工程塑料的浇注到模框或模具中，材料在负压力的作用下，抽出气泡，使成型材料牢固地贴敷在原型或模具表面固化，从而保证模具或零件的浇注成型具有高的复形精度。
6 E2 V1 u3 h+ X9 P　　(2) 性能指针
　　l 真空室尺寸：580×500×1050(mm)
0 B% j5 _* h: c　　l 抽真空时间：< 3min
　　l 最大真空度：<-0.095Mpa
　　l 浇铸件最大重量：2.5Kg