快速成型技术

　　快速成型技术简介

　　快速成型技术又称快速原型制造技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术。它集机械工程、逆向工程技术、分层制造技术、CAD、数控技术、材料科学和激光技术于一身，可以直接、快速、自动、精确地将根据设计者的设计思想，设计者话出的图纸转变为具有一定功能的原型或零部件的直接制造，从而为新设计思想的校验和零部件原型制作等方面提供了一种高效的并且低成本的实现手段。快速成形技术就是利用设计者画出的三维CAD数据，输入到输入端中，然后解析、再通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型，实现原型的快速成型。

　　特点：①制造原型所需要的材料种类繁多，各种非金属材料和金属材料都可使用;②原型的互换性和复制性能高;③制造原型的几何形状与制造工艺无关，秩序给出图纸，在加工复杂曲面时效果更加优越;④ 加工周期相对传统工艺而言比较短，而且成本低，产品复杂程度和成本无关，成本可节约50%左右，生产时间可节约的时间更是高达70%;⑤高度技术集成，可实现了设计制造一体化。

　　产生背景：①随着全球市场经济一体化的形成，制造行业的竞争一直非常激烈，产品的开发成本与开发速度日益成为主要矛盾。在这种情况下，产品的自主快速开发(快速设计和快速工模具)能力将成为整个制造行业竞争的实力基础。②制造业为满足日益变化的用户需求，要求制造技术有较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产而不增加产品的成本。因此，产品的开发速度和制造技术的柔性就十分关键。③从现今社会技术飞速发展的角度看，计算机科学、编程语言的发展、CAD技术、激光技术和材料科学的发展和普及，推进了新的技术的发展，为新的制造技术的产生奠定了技术和物质基础。

　　快速成型技术原理

　　快速成型属于离散，然后堆积成型。它从成型原理上提出一个全新的思维模式模型，即将用画图软件设计好的三维模型，进行网格化处理并存储为特定格式，对其进行分层处理，得到每一层截面的二维图形，按照二维图形的轮廓生成加工路径，由喷头在控制系统的控制下，选择性地将材料进行液化，然后适量的喷出，形成一层，然后粘合，一层一层的堆积，制作完毕，然后进行物品的后处理，除去支撑物和毛刺，形成零件。

　　快速成型的过程是首先由设计者设计出一个产品的三维CAD实体模型或其他曲面模型文件，将其转换成STL文件格式，再用软件将STL文件一层一层的切出来，形成一个个二维图形，也就是切成一个个片层。然后，将上述每一片层的资料传到3D打印机中去，类似于计算机向打印机传递打印信息，逐个打印每一片层，然后粘合在一起，直到完成整个零件。因此，快速自动成型可定义为一种将计算机中储存的三维模型的信息通过特定的机器，将材料逐层添加直接制造出所需物品，而不需要特殊的器械、固定的模具的新型制造技术。

　　总体方案及结构设计

　　工作原理及特点

　　3D打印机工作原理

　　3D打印是将需要打印的三维模型切成一片一片，然后再一片一片的打印，最后叠加到一起，成为一个立体物体。其运作原理和传统打印机工作原理基本相同，也是用喷头一点点“磨”出来的。只不过3D打印机它的喷的不是墨水，所需的也不是纸张，而是粉末或塑料等“打印材料”，利用光固化和逐层堆叠等技术的快速成型装置。三维打印技术是将输入的三维模型切片，然后使用喷头喷出粘结剂，粘合每一片层，最后将物品打印出来。可用于制造复杂形状的模型或者中空模型，还可以制造非均匀材料和复合材料的模型等。

　　特点

　　特点：

　　1.3D打印带来了世界性制造业革命，一个产品的设计，不用再去考虑制作工艺是否能实现，带来了制造业创新的新突破。

　　2.3D打印机打印精度高，可以打印出外形曲线上的设计，精度能达到0.01mm。还可以用来打印一些机械零部件，比如齿轮、轴承和拉杆等都可以正常活动，而拼接的地方、沟槽等位置形态特征准确，甚至可以满足装配要求，并且3D打印出的实体还可通过进一步加工，比如打磨、钻孔、电镀等。

　　3.3D打印无需机械加工或者模具，就能直接从计算机的三维图形数据中生成任何形状的物体(只有你想不到，没有做不到)，从而极大地所缩短了产品的生产周期，提高了生产率。即使现在的3D打印技术还不太完善，但3D打印的潜力市场巨大，在不久的将来，3D打印技术势必会成为制造业的众多突破技术之一。

　　4.3D打印技术对于美国太空总署的太空探索任务来说至关重要，现今国际空间站已有的三成以上的备用部件，都可由3D打印机来进行打印制造。这台设备将使用聚合物和其他材料，利用挤压增量制造技术逐层制造物品。3D打印的实验是美国太空总署未来重点研究的项目之一，3D打印零部件和工具将增强太空任务的安全性和可靠性，由于不用从地球运输，可以大大降低太空任务的成本。

　　总体框架的设计

　　整个系统由输人设备制定部分参数,从存储设备(U盘或SD卡)或者直接从计算机中得到事先建好的三维模型,由单片机系统对这个三维模型进行分析,然后进行切片(把三维模型切成一片一片，堆积在一起还是原来的形状),然后建立起必要的支撑结构(支撑物品，打印完毕可以撤除),再从单片机输出控制指令,控制喷头中材料的融化，将材料适量喷出,并通过驱动电路驱动电机,带动喷头进行X、Y、Z三个方向的移动。每打好一层,从外部设备读取到需要打印的下一层的参数,再进行下一层的打印,直到打印完成。完成模型物品的打印之后,还需要后期的材料回收工作。

　　系统框架：输入设备(电脑)、存储外设(U盘或SD卡)、上位机、温度传感器的测量值、XYZ各方向电机控制、喷出量控制、单片机分析、温度控制回路、显示设备。

　　传感器的选择

　　温度传感器：热电阻传感器或热电偶将被测温度转换成电信号，再将该信号送入变送器的输入网络中，该网络包含热电偶和调零补偿等相关的电路。经调零后的信号输入到运算放大器进行信号放大，放大的信号一路经V/I转换器计算处理后以4-20mA直流电流输出;另一路经A/D转换器处理后到表头显示。变送器的线性化电路有两种均采用反馈方式。对热电偶传感器，用多段折线逼近法进行校正，对热电阻传感器，用正反馈方式校正。

　　压力传感器：压力传感器用于测定料槽与墨盒中是否有料，无料则示警的装置，压力传感器安装于原料槽底部和墨盒底部。力学传感器的种类比较多，比如半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电阻应变片压力传感器、电感式压力传感器、谐振式压力传感器、电容式压力传感器及电容式加速度传感器等。现今应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有较高的精度和极低的价格，并且具有较好的线性特性。我们采用压力传感器来测定墨盒与原料槽中压力传感器原料充足，不会因原料不足而对加工过程产生影响。

　　位移传感器：位移传感器用于测定x、y、z轴的定位,x、y轴传感器用于喷头后面z轴传感器则安装于原料槽推板和工作平面推板。这里所需要的位移传感器的精度要求很高。工作原理：电感式位移传感器具有工作时不受灰尘等非金属因素的影响、无滑动触点的优点，并且寿命长，功耗低，可在各种恶劣条件下使用。位移传感器主要是应用于自动化装备生产线对模拟量智能的控制。光电式位移传感器利用激光三角反射法利用激光三角反射法进行测量，进行测量，对被测物体材质没有任何要求，主要影响为环境光强和被测面是否平整。位移是和物体的位置在运动过程中相对于起始位置的距离有关的量，位移的测量方式是相当广泛的。小位移通常用电感式、应变式、涡流式、差动变压器式、霍尔传感器来检测，大的位移常用光栅、容栅、感应同步器、磁栅等传感技术来测量。其中因为光栅传感器具有易实现数字化、安装方便、使用可靠、精度高(目前分辨率最高的可达到纳米级、抗干扰能力强、没有人为读数的误差等优点，在检测仪表和机床加工等行业中得到广泛的使用。

　　喷头移动及喷出量调节的设计

　　熔融挤出系统对喷头系统的基本要求是:将成型的料丝送进液化器中,在液化器中及时而充分地熔化,由固态变为熔融态,然后再从更小直径的喷嘴中以极细的丝状挤出来,根据电脑对三维图纸的扫描路径堆积成型，从而打印出所需物品。要注意的是送丝的速度要与电脑扫描的速度相匹配,以保证材料的均匀堆积。成型工艺对喷头系统的功能要求可以分解为以下几点:

　　1) 供应功能:将料丝从丝筒上拉出,提供成型材料;

　　2) 熔丝功能与料丝送进功能:将送进的固态料丝适量及时且充分地熔化成为熔融状态并将料丝送人液化器;

　　3) 流道功能:提供熔融状态材料稳定流动的通道;

　　4) 出丝起停控制与出丝速度匹配功能: 出丝应随着路径扫描要求及时起停,以保证高质量的成型物品,尤其是在路径的起停处。出丝速度以控制,并且能根据电脑扫描的扫描速度进行调整,实现同步。

　　在采用熔丝挤出方式的工艺原理时,就是借助在液化器中未融化的丝质材料的活塞作用,将熔融的材料挤出喷嘴,出丝推力近似等于送丝驱动力,以使送丝功能和基础功能等效。

　　机械结构

　　传动方式的选择

　　滚珠丝杆是将直线运动转化为回转运动的理想的产品，或将回转运动转化为直线运动的理想的产品。滚珠丝杠是精密机械和工具机上最常使用的传动元件，其主要功能是将扭矩转换成轴向反复作用力，或将旋转运动转换成线性运动，同时兼具高效率、可逆性和高精度的特点。

　　1、摩擦损失小、传动效率高

　　由于滚珠丝杠副的丝杠螺母与丝杠轴之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能够得到较高的转动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩减小到三分之一以下,也就是在达到同样运动结果时，所需的能耗为使用滑动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。

　　2、精度高

　　滚珠丝杠副一般是用世界最高水平的机械设备连续生产出来的，特别是在组装、打磨、检查各工序的工厂环境方面,对湿度、温度进行了严格的把控，就是因为完善的品质管理体制，才能使它的精度得以充分保证。

　　3、高速进给和微进给可能

　　滚珠丝杠副由于是使用滚珠运动,所以启动时的力矩极小,不会出现滑动运动那样的滑行现象,从而保证实现精确的微进给。

　　4、轴向刚度高

　　滚珠丝杠副可以加予预压,由于预压力可使轴向之间的空隙达到负值,从而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际运行过程中,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性得到增强)。

　　5、不能自锁、具有传动的可逆性

　　电机的选择

　　伺服电机和步进电机的对比

　　步进电机和伺服电机的区别在于：1、控制精度不同。步进电机的相数和拍数越多，它的精确度就越高，伺服电机取决于自带的编码器，编码器的刻度越多，精度就越高。2、控制方式不同。一个是开环控制，一个是闭环控制。3、低频特性不同。伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象，步进电机在低速时易出现低频振动现象，当它工作在低速时一般采用细分技术或阻尼技术来克服低频振动现象。交流伺服系统内部具有频率解析机能(FFT)，并且系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，可检测出机械的共振点便于系统调整。4、矩频特性不同。步进电机的输出力矩会随转速升高而下降，交流伺服电机为恒力矩输出。5、过载能力不同。步进电机一般不具有过载能力，而交流电机具有较强的过载能力。6、运行性能不同。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成速度环和位置环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象;步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高容易出现过冲现象，因此伺服电机控制性能更为可靠。7、速度响应性能不同。步进电机从静止加速到工作转速需要上百毫秒，而交流伺服系统的加速性能较好，一般只需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

　　由上述可见，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机，但是价格比就不一样了。

　　直流交流伺服电机的对比

　　交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有： ⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。 ⑵定子绕组散热比较方便。 ⑶惯量小，易于提高系统的快速性波纹管联轴器。 ⑷适应于高速大力矩工作状态。 ⑸同功率下有较小的体积和重量。因此，选择交流伺服电机。

　　3.3 喷头的选择

　　喷头可分为单喷头和多喷头。

　　单喷头的特点是稳定、精确、更方便使用，在技术上更容易控制。选用西锐Smart300MB单喷头，打印精度：0.1mm，这款3D单喷头打印机比市面上的一些入门级打印机稍微价格高一点，但是它的质量稳定，有19种材料颜色可以选择，而且他的打印材料也比较便宜。

　　双喷头最大的优势是，可以用两种材料，一个喷头用水溶性材料，就解决了支撑不好去除的问题。另外是可以用两种颜色，让拥有丰富创意精神的创客们有了施展的舞台。但在精度上，由于驱动的控制，会在精度上较单喷头低一些。选用西锐Smart300MB双喷头。

　　对于双喷头和单喷头的选择，在价格上面，几乎所有双喷头都只比单喷多五百元左右，如果你是想尝试精度高产品的设计，单喷头无异于更适合你，而双喷头能帮助你实现更多创意化设计，这两款实用的3D打印机都是不错的选择，根据自身的需求，选取合适的喷头。

　　3D打印机打印材料

　　3D打印材料的分类

　　1. 按材料的物理状态分类

　　可以分为液体材料、薄片材料、粉末材料、丝状材料等。

　　2. 按材料的化学性能分类

　　按材料的化学性能不同又可分为金属材料、石蜡材料、树脂类材料、陶瓷材料及它们的复合材料等。

　　3. 按材料成型方法分类

　　按成型方法的不同可以分为：SLA材料、LOM材料、SLS材料、FDM材料等。

　　3D打印材料的基本性能

　　1. 3D打印对材料性能的一般要求：

　　有利于快速、精确地加工原型零件;快速成型制件应当接近最终要求，应尽量满足对强度、刚度、耐潮湿性、热稳定性能等的要求;应该有利于后续处理工艺。

　　2. 不同应用目标对材料性能的要求：

　　3D打印的四个应用目标：测试型、概念型、模具型、功能零件，对成型材料的要求也有所不同。概念型对材料成型精度和物理化学特性要求不高，主要要求成型速度快。如对光敏树脂，要求较低的临界曝光功率、较大的穿透深度和较低的粘度。测试型对于物品成型后的强度、耐温性、刚度、抗蚀性能等有一定的要求，以满足使用者测试的要求。如果用于装配测试，则要求成型件有一定的精度要求。模具型要求材料适应具体模具制造要求，如强度、硬度。如对于消失模铸造用原型，要求材料易于去除，烧蚀后残留少、灰分少。功能零件则要求材料具有较好的力学和化学性能。

　　打印材料的选择

　　3D打印光固化成型材料

　　光固化成形树脂的固化机理及组成： 应用于SLA技术的光敏树脂，通常由树脂和光引发剂两部分组成，其中树脂又由稀释剂、预聚物及少量助剂组成。 当光敏树脂中的光引发剂被光源(特定波长的紫外光或激光) 照射吸收能量时，会产生自由基或阳离子，自由基或阳离子使单体和活性齐聚物活化，从而发生交联反应而生成高分子固化物。

　　光固化成形树脂需具备的特性：固化收缩小，固化收缩导致零件变形、翘曲、开裂等，影响成型零件的精度，低收缩性树脂有利于成型出高精度零件;杂质少，固化过程中没有气味，毒性小，有利于操作环境;粘度低，利于成型树脂较快流平，便于快速成型;湿态强度高，较高的湿态强度可以保证后固化过程不产生变形、膨胀及层间剥离。

　　3D打印粉末烧结成型材料

　　从理论上讲，所有表面覆有热塑(固)性粘结剂的粉末材料或者受热后能相互粘结的粉末材料都能用作SLS材料。但要真正适合SLS烧结，要求粉末材料有良好的热塑(固)性能，一定的导热性，并且粉末经激光烧结后要有一定的粘结强度;粉末材料的粒度不宜过大，否则会降低成型物品的质量;而且SLS材料还应有较小的“软化-固化”温度范围 ，如果温度范围较大，物品的制作精度将会受到影响。

　　大体来讲，3D打印激光烧结成型工艺对成型材料的基本要求是：具有良好的烧结性能，并且无需特殊工艺即可快速精确地成型原型;对于直接用作功能零件或模具的原型 ，机械性能和物理性能(刚性、热稳定性、强度、导热性及加工性能)要满足使用要求。常用的有：腊粉、工程塑料(ABS) 、覆膜砂粉末、尼龙粉末(PA)、聚苯乙烯(PS)、覆膜陶瓷粉末、聚碳酸酯材料等。