北京殷华

FDM/MEM快速成型工艺

熔融挤出成型--高性能的快速成型工艺 

熔融挤出成型(FDM)工艺的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、PC、尼龙等，以丝状供料。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结。每一个层片都是在上一层上堆积而成，上一层对当前层起到定位和支撑的作用。随着高度的增加，层片轮廓的面积和形状都会发生变化，当形状发生较大的变化时，上层轮廓就不能给当前层提供充分的定位和支撑作用，这就需要设计一些辅助结构－“支撑”，对后续层提供定位和支撑，以保证成形过程的顺利实现。 

这种工艺不用激光，使用、维护简单，成本较低。用蜡成形的零件原型，可以直接用于失蜡铸造。用ABS制造的原型因具有较高强度而在产品设计、测试与评估等方面得到广泛应用。近年来又开发出PC，PC/ABS，PPSF等更高强度的成形材料，使得该工艺有可能直接制造功能性零件。由于这种工艺具有一些显著优点，该工艺发展极为迅速，目前FDM系统在全球已安装快速成形系统中的份额大约为30％适于三维打印机的特点 

不使用激光，维护简单，成本低：价格是成型工艺是否适于三维打印的一个重要因素。多用于概念设计的三维打印机对原型精度和物理化学特性要求不高，便宜的价格是其能否推广开来的决定性因素。 

塑料丝材，清洁，更换容易：与其他使用粉末和液态材料的工艺相比，丝材更加清洁，易于更换、保存，不会在设备中或附近形成粉末或液体污染。  

后处理简单：仅需要几分钟到一刻钟的时间剥离支撑后，原型即可使用。而现在应用较多的SL，SLS，3DP等工艺均存在清理残余液体和粉末的步骤，并且需要进行后固化处理，需要额外的辅助设备。这些额外的后处理工序一是容易造成粉末或液体污染，二是增加了几个小时的时间，不能在成型完成后立刻使用。 

成型速度较快：一般来讲，FDM工艺相对于SL，SLS，3DP工艺来说，速度是比较慢的。但针对三维打印应用，其也有一定的优势。首先，SL，SLS，3DP都有层间过程（铺粉/液，挂平），因而它们一次成型多个原型是速度很快，例如3DP可以做到一小时成型25mm左右高度的原型。三维打印机成型空间小，一次多成型1至2个原型，相对来讲，他们的速度优点就不甚明显了。其次三维打印机对原型强度要求不高，所以FDM工艺可通过减小原型密实程度的方法提高成型速度。通过试验，具有某些结构特点的模型，最高成型速度已经可以达到60立方厘米/小时。通过软件优化及技术进步，预计可以达到200立方厘米/小时的高速度。  

快速塑料零件制造  

材料性能一直是FDM工艺的主要优点，其ABS原型强度可以达到注塑零件的三分之一。今年来又发展出PC，PC/ABS，PPSF等材料，强度已经接近或超过普通注塑零件，可在某些特定场合（试用，维修，暂时替换等）下直接使用。虽然直接金属零件成型（近年来许多研究机构和公司都在进行这方面的研究，是当今快速原型领域的一个研究热点）的材料性能更好，但在塑料零件领域，FDM工艺是一种非常适宜的快速制造方式。随着材料性能和工艺水平的进一步提高，我们相信，会有更多的FDM原型在各种场合直接使用。

SL快速成型工艺

立体光刻(SL)----高精度的快速成型工艺

SL工艺，由Charles Hull于1984年获美国专利。1986年美国3D Systems公司推出商品化样机SLA—1，这是世界上第一台快速原形系统。SLA系列成形机占据着RP设备市场的较大份额。SL工艺是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长（325或355nm）和强度(w=10～400mw)的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应, 分子量急剧增大, 材料也就从液态转变成固态。液槽中盛满液态光固化树脂，激光束在偏转镜作用下, 能在液态表面上扫描, 扫描的轨迹及激光的有无均由计算机控制, 光点扫描到的地方, 液体就固化。成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度，液面始终处于激光的焦平面，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描，即逐点固化。当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂。然后升降台带动平台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，刮平器将粘度较大的树脂液面刮平，然后再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕, 得到一个三维实体模型。 SL工艺原理

SL方法是目前RP技术领域中研究得最多的方法，也是技术上最为成熟的方法。一般层厚在0.1到0.15mm，成形的零件精度较高。多年的研究改进了截面扫描方式和树脂成形性能，使该工艺的加工精度能达到0.1mm，现在最高精度已能达到0.05mm。但这种方法也有自身的局限性，比如需要支撑、树脂收缩导致精度下降、光固化树脂有一定的毒性等。

PCM快速成型工艺

无模铸型制造技术（PCM）－制作大型铸件的快速成型工艺

无模铸型制造技术（PCM，Patternless Casting Manufacturing）是由清华大学激光快速成形中心开发研制。该将快速成形技术应用到传统的树脂砂铸造工艺中来。首先从零件CAD模型得到铸型CAD模型。由铸型CAD模型的STL文件分层，得到截面轮廓信息，再以层面信息产生控制信息。造型时，第一个喷头在每层铺好的型砂上由计算机控制精确地喷射粘接剂，第二个喷头再沿同样的路径喷射催化剂，两者发生胶联反应，一层层固化型砂而堆积成形。粘接剂和催化剂共同作用的地方型砂被固化在一起，其他地方型砂仍为颗粒态。固化完一层后再粘接下一层，所有的层粘接完之后就得到一个空间实体。原砂在粘接剂没有喷射的地方仍是干砂，比较容易清除。清理出中间未固化的干砂就可以得到一个有一定壁厚的铸型，在砂型的内表面涂敷或浸渍涂料之后就可用于浇注金属。

和传统铸型制造技术相比，无模铸型制造技术具有无可比拟的优越性，它不仅使铸造过程高度自动化、敏捷化，降低工人劳动强度，而且在技术上突破了传统工艺的许多障碍，使设计、制造的约束条件大大减少。具体表现在以下方面：制造时间短、制造成本低、无需木模、一体化造型， 型、芯同时成形、无拔模斜度、可制造含自由曲面（曲线）的铸型。

在国内外，也有其它一些将RP技术引入到砂型或陶瓷型铸造中来的类似工艺。其中较为典型的有：MIT开发研制的3DP（Three Dimensional Printing）工艺、德国Generis公司的砂型制造工艺等。美国Sloigen公司的DSPC（Direct Shell Production Casting）工艺就是在MIT的3DP基础上发展起来的。一定的毒性等。

SLS快速成型工艺

选择性激光烧结(SLS)－－材料广泛的快速成型工艺

SLS工艺又称为选择性激光烧结，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R. Dechard于1989年研制成功。SLS工艺是利用粉末状材料成形的。将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面；材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面。

SLS工艺最大的优点在于选材较为广泛，如尼龙、蜡、ABS、树脂裹覆砂（覆膜砂）、聚碳酸脂（poly carbonates）、金属和陶瓷粉末等都可以作为烧结对象。粉床上未被烧结部分成为烧结部分的支撑结构，因而无需考虑支撑系统（硬件和软件）。SLS工艺与铸造工艺的关系极为密切，如烧结的陶瓷型可作为铸造之型壳、型芯，蜡型可做蜡模，热塑性材料烧结的模型可做消失模。

LOM快速成型工艺

分层实体制造(LOM)－没落的快速成型工艺

LOM工艺称为分层实体制造，由美国Helisys公司的Michael Feygin于1986年研制成功。该公司已推出LOM-1050和LOM-2030两种型号成形机。LOM工艺采用薄片材料，如纸、塑料薄膜等。片材表面事先涂覆上一层热熔胶。加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成形的工件粘接；用CO2激光器在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框，并在截面轮廓与外框之间多余的区域内切割出上下对齐的网格；激光切割完成后，工作台带动已成形的工件下降，与带状片材(料带)分离；供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域；工作台上升到加工平面；热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚；再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完，得到分层制造的实体零件。

LOM工艺只须在片材上切割出零件截面的轮廓，而不用扫描整个截面。因此成形厚壁零件的速度较快，易于制造大型零件。零件的精度较高（< 0.15mm）。工件外框与截面轮廓之间的多余材料在加工中起到了支撑作用，所有LOM工艺无需加支撑。

研究LOM工艺的公司除了Helisys公司，还有日本Kira公司、瑞典Sparx公司、新加坡Kinergy精技私人有限公司、清华大学、华中理工大学等。但因为LOM工艺材料仅限于纸，性能一直没有提高，以逐渐走入没落，大部分厂家已经或准备放弃该工艺

3DP快速成型工艺

三维印刷(3DP)－－高速多彩的快速成型工艺

三维印刷(3DP)工艺是美国麻省理工学院Emanual Sachs等人研制的。E.M.Sachs于1989年申请了3DP（Three-Dimensional Printing）专利，该专利是非成形材料微滴喷射成形范畴的核心专利之一。3DP工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接剂粘接的零件强度较低，还须后处理。具体工艺过程如下：上一层粘结完毕后，成型缸下降一个距离（等于层厚：0.013～0.1mm）,供粉缸上升一高度，推出若干粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实。喷头在计算机控制下，按下一建造截面的成形数据有选择地喷射粘结剂建造层面。铺粉辊铺粉时多余的粉末被集粉装置收集。如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维粉体的粘结。未被喷射粘结剂的地方为干粉，在成形过程中起支撑作用，且成形结束后，比较容易去除。

该工艺的特点是成形速度快，成形材料价格低，适合做桌面型的快速成形设备。并且可以在粘结剂中添加颜料，可以制作彩色原型，这是该工艺最具竞争力的特点之一，有限元分析模型和多部件装配体非常适合用该工艺制造。缺点是成形件的强度较低，只能做概念型使用，而不能做功能性试验。

典型快速成型工艺比较

以上四种典型RP工艺由于具有不同的优劣特点，所以应用于不同的领域。 

	SLA  光固化成型	FDM  熔融沉积成型	SLS  选择性激光烧结	LOM  分层实体制造
优点	(1) 成形速度极快，成形精度、表面质量高；  (2) 适合做小件及精细件。	(1) 成形材料种类较多，成形样件强度好，能直接制作ABS塑料；  (2) 尺寸精度较高，表面质量较好，易于装配；  (3) 材料利用率高；  (4) 操作环境干净、安全可在办公室环境下进行。	(1) 有直接金属型的概念，可直接得到塑料、蜡或金属件；  (2) 材料利用率高；造型速度较快。	(1) 成形精度较高；  (2) 只须对轮廓线进行切割，制作效率高，适合做大件及实体件；  (3) 制成的样件有类似木质制品的硬度，可进行一定的切削加工。
缺点	(1) 成形后要进一步固化处理；  (2) 光敏树脂固化后较脆，易断裂，可加工性不好；  (3) 工作温度不能超过100℃，成形件易吸湿膨胀，抗腐蚀能力不强。	(1) 成形时间较长；  (2) 做小件和精细件时精度不如SLA。	(1) 成形件强度和表面质量较差，精度低。  (2) 在后处理中难于保证制件尺寸精度，后处理工艺复杂，样件变型大，无法装配。	(1) 不适宜做薄壁原型；  (2) 表面比较粗糙，工件表面有明显的台阶纹，成型后要进行打磨；  (3) 易吸湿膨胀，成形后要尽快表面防潮处理；  (4) 工件强度差，缺少弹性。
设备购置费用	高昂	低廉	高昂	中等
维护和日常使用费用	激光器有损耗，光敏树脂价格昂贵，运行费用很高。	无激光器损耗，材料的利用率高，原材料便宜，运行费用极低。	激光器有损耗，材料利用率高，原材料便宜，运行费用居中。	激光器有损耗，材料利用率很低，运行费用较高。
发展趋势	稳步发展	飞速发展	稳步发展	渐趋淘汰
应用领域	复杂、高精度、艺术用途的精细件	塑料件外形和机构设计	铸造件设计	实心体大件
适合行业	快速成形服务中心	科研院校、生产企业	铸造行业	铸造行业

　无人值守 

　　 LOM和SLS使用的CO2激光器是依靠热量对成形材料进行切割和融化的，因此在机构发生机械故障时（如：传动失灵，激光器无法自动关闭等），有发生火灾的可能，因此工作时必需有专人值守。SLA的紫外光激光器是利用光敏树脂对紫外光敏感凝固的特性进行成形，不产生高热；FDM的热压喷头温度远低于成形材料的燃点；因此SLA和FDM在安全性方面可实现无人值守。 

　办公环境下使用 

　　 LOM和SLS使用时产生烟尘，SLA、LOM和SLS使用激光，具有危险性，因此在严格意义上说SLA、LOM和SLS均不适合在办公室内使用。

CAD造型软件输出STL文件方法

Alibre	File（文件） -> Export（输出）-> Save As（另存为，选择.STL）-> 输入文件名-> Save（保存）
AutoCAD	输出模型必须为三维实体，且XYZ坐标都为正值。在命令行输入命令“Faceters” -> 设定FACETRES为1 到10 之间的一个值 (1为低精度，10为高精度) -> 然后在命令行输入命令“STLOUT” -> 选择实体 -> 选择“Y”，输出二进制文件 -> 选择文件名
CADKey	从Export（输出）中选择Stereolithography（立体光刻）
I-DEAS	File（文件）-> Export（输出）-> Rapid Prototype File（快速成形文件）-> 选择输出的模型 ->Select Prototype Device（选择原型设备）> SLA500.dat -> 设定absolute facet deviation（面片精度） 为 0.000395 -> 选择Binary（二进制）
Inventor	Save Copy As（另存复件为） -> 选择STL类型 -> 选择Options（选项），设定为High（高）
IronCAD	右键单击要输出的模型 -> Part Properties（零件属性）> Rendering（渲染） -> 设定 Facet Surface Smoothing（三角面片平滑）为 150 -> File（文件）> Export（输出）-> 选择 .STL
Mechanical Desktop	使用AMSTLOUT命令输出STL文件。  下面的命令行选项影响STL文件的质量，应设定为适当的值，以输出需要的文件。  1.　Angular Tolerance（角度差）―― 设定相邻面片间的最大角度差值，默认15度，减小可以提高STL文件的精度。  2.　Aspect Ratio（形状比例）―― 该参数控制三角面片的高/宽比。1标志三角面片的高度不超过宽度。默认值为0，忽略。  3.　Surface Tolerance（表面精度）―― 控制三角面片的边与实际模型的最大误差。设定为0.0000 ，将忽略该参数。  4.　Vertex Spacing（顶点间距）―― 控制三角面片边的长度。默认值为0.0000, 忽略。
ProE	1. 　File（文件）-> Export（输出）-> Model（模型）  2. 　或者选择File（文件）-> Save a Copy（另存一个复件） -> 选择 .STL  3.　设定弦高为0。然后该值会被系统自动设定为可接受的最小值。  4.　设定Angle Control（角度控制）为 1
ProE Wildfire	1.　File（文件）-> Save a Copy（另存一个复件）-> Model（模型）-> 选择文件类型为STL (*.stl)  2.　设定弦高为0。然后该值会被系统自动设定为可接受的最小值。  3.　设定Angle Control（角度控制）为 1
Rhino	File（文件）-> Save As（另存为 .STL）
SolidDesigner (Version 8.x)	File（文件）-> Save（保存） -> 选择文件类型为STL
SolidDesigner (not sure of version)	File（文件）-> External（外部）-> Save STL （保存STL）-> 选择Binary（二进制）模式 ->选择零件-> 输入0.001mm作为Max Deviation Distance（最大误差）
SolidEdge	1.　File（文件）-> Save As（另存为） -> 选择文件类型为STL  2.　Options（选项）  设定 Conversion Tolerance（转换误差）为 0.001in 或 0.0254mm  设定Surface Plane Angle（平面角度）为 45.00
SolidWorks	1.　File（文件）-> Save As（另存为） -> 选择文件类型为STL  2.　Options（选项）-> Resolution（品质）-> Fine（良好） -> OK（确定）
Think3	File（文件）-> Save As（另存为） -> 选择文件类型为STL
Unigraphics	1.　File（文件）> Export（输出）> Rapid Prototyping（快速原型） -> 设定类型为 Binary （二进制）  2.　设定Triangle Tolerance（三角误差）为 0.0025  设定Adjacency Tolerance（邻接误差）为 0.12  设定Auto Normal Gen（自动法向生成）为 On（开启）  设定Normal Display（法向显示）为 Off（关闭）  设定Triangle Display（三角显示）为On（开启）