增材制造技術(shù)

第1章增材制造的發(fā)展歷程12增材制造與減材制造的區(qū)別增材制造的發(fā)展增材制造的定義及特點34增材制造的機遇與挑戰(zhàn)第一章增材制造的發(fā)展歷程增材制造的定義及特點增材制造、減材制造和等材制造的區(qū)別增材制造的發(fā)展歷程本章重點本章重難點本章難點增材制造的特點增材制造的發(fā)展歷程第一節(jié)

增材制造的定義及特點1.1增材制造的定義及特點

增材制造技術(shù)（AdditiveManufacturing，AM）是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來的高、新技術(shù)。美國材料試驗協(xié)會（AmericanSocietyforTestingMaterials，ASTM）將其定義為“利用三維模型數(shù)據(jù)從連續(xù)的材料中獲得實體的過程”，該三維模型數(shù)據(jù)通常層疊在一起。其有別于去除材料的制造方法和工藝。AM技術(shù)以計算機三維模型的形式為開端，它可以經(jīng)過幾個階段直接轉(zhuǎn)化為成品，也不需要使用模具、附加夾具和切削工具。從成型原理出發(fā)，提出一個分層制造、逐層疊加成型的全新思維模式：將計算機輔助設(shè)計（CAD）、計算機輔助制造（CAM）、計算機數(shù)字控制（CNC）、激光伺服驅(qū)動和新材料等先進技術(shù)集于一體，基于計算機上構(gòu)成的三維設(shè)計模型，分層切片，得到各層截面的二維輪廓信息。在控制系統(tǒng)的控制下，增材制造設(shè)備的成型頭按照這些輪廓信息，選擇性地固化或切割一層層的成型材料，形成各個截面輪廓，并按順序逐步疊加成三維制件，圖1-1所示為增材制造流程。圖1-1增材制造流程圖

AM技術(shù)有以下優(yōu)點：（1）設(shè)計靈活性

AM技術(shù)的顯著特征是它們的分層制造方法，這個方法可以創(chuàng)建任何復(fù)雜的幾何形狀。這與切削（減材制造）工藝形成對比，切削（減材制造）工藝由于需要工裝夾具和各種刀具以及當(dāng)制造復(fù)雜幾何形狀時刀具達到較深或不可見區(qū)域等原因會造成加工困難甚至無法加工成型。從根本上說，AM技術(shù)為設(shè)計人員提供了將選擇性（多）材料精確地放置在實現(xiàn)設(shè)計功能所需位置的能力。這種能力與數(shù)字生產(chǎn)線相結(jié)合，就能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化，從而減少材料的用量。（2）節(jié)省成本目前的AM技術(shù)為設(shè)計師在實現(xiàn)復(fù)雜幾何形狀方面提供了最大的自由發(fā)揮空間。由于AM技術(shù)不需要額外的工具、不需要重新修復(fù)、不需要增加操作員的專業(yè)知識，甚至制造時間。因此使用AM技術(shù)時，零件的復(fù)雜性不會增加額外的成本。盡管傳統(tǒng)的制造工藝也可以制造復(fù)雜部件，但其幾何復(fù)雜性與模具成本之間仍存在直接的關(guān)系，如大批量生產(chǎn)時利潤可達到預(yù)期。（3）尺寸精度與原始數(shù)字模型相比，尺寸精度（打印公差）決定了最終推導(dǎo)的模型。在傳統(tǒng)制造系統(tǒng)中，需要基于國家標(biāo)準(zhǔn)的一般尺寸公差和加工余量來保證零件的加工質(zhì)量。大多數(shù)AM設(shè)備可用于制造幾厘米或更大的部件時，具有較高的形狀精度，但尺寸精度較差。尺寸精度在AM早期開發(fā)中并不重要，主要用于原型制作。然而，隨著對AM技術(shù)制品的期望越來越高，對于AM制品的尺寸精度要求也越來越高。（4）裝配需要AM技術(shù)能夠直接生產(chǎn)幾何形狀，如果按常規(guī)生產(chǎn)，則需要組裝多個部件。此外，可以使用AM生產(chǎn)具有集成機制的“單件組件”產(chǎn)品。（5）生產(chǎn)運行時間和成本效益

一些常規(guī)工藝（如注塑成型），不管啟動成本多少，批量生產(chǎn)都需要消耗大量的時間和成本。雖然AM工藝比注塑成型要慢得多，但是由于不需要進行生產(chǎn)啟動的環(huán)節(jié)，所以它們更適合于單件小批量的生產(chǎn)。此外，按訂單需求采用AM生產(chǎn)可以降低庫存成本，也可能降低與供應(yīng)鏈和交付相關(guān)的成本。通常，用AM制造部件時，浪費的材料很少。雖然由于粉末熔融技術(shù)中的支撐結(jié)構(gòu)和粉末回收而產(chǎn)生一些廢料，但是所購物料的量與最終的材料量的比率對于AM工藝來說非常低。12增材制造與減材制造的區(qū)別增材制造的發(fā)展增材制造的定義及特點34增材制造的機遇與挑戰(zhàn)第一章增材制造的發(fā)展歷程1.2增材制造與減材制造的區(qū)別按制造過程的形式分類可將制造過程分為增材制造、減材制造、等材制造（合成制造）三種，圖1-2所示為三種基本制造工藝。增材制造工藝是通過不斷增加材料來獲得最終形狀，增材制造過程的最終產(chǎn)品與最初的原材料的質(zhì)量相當(dāng)，有時因為熔融凝固過程的化學(xué)反應(yīng)甚至?xí)?dǎo)致質(zhì)量增加。減材制造工藝是將多余材料去除以得到最終形狀，如毛坯通過車刀進行車削，得到與圖樣要求相符的合理工件。等材制造工藝是將材料進行機械擠壓或者形狀約束以獲得實際要求的形狀，在加工過程中，并未減少或增加材料用量。a）減材制造b）增材制造c）等材制造（合成制造）

圖1-2三種基本制造工藝常見的減材制造：大部分形式的機械加工、計算機數(shù)控加工（CNC）、其他傳統(tǒng)加工（如銑削、磨削、鉆孔、刨削、鋸、電火花、激光切割等）。常見的增材制造：光固化立體成型（SLA）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、熔融沉積技術(shù)（FDM）、電子束熔融（EBM）等。等材制造（合成制造）：有折彎、沖壓成型、電磁成型、注塑成型、鈑金板材彎面及塑造熔融液體固化成型等。增材制造技術(shù)可以快速實現(xiàn)一些設(shè)計概念，將設(shè)計模型真實化，得到有形、可見的三維固體樣品，稱這種應(yīng)用為快速成型技術(shù)。生產(chǎn)單件或小批量樣品的本質(zhì)是在非常短的時間內(nèi)，不使用工具、夾具、模具和輔助材料來實現(xiàn)設(shè)計的實體化?？焖僭图夹g(shù)主要用于新產(chǎn)品的快速開發(fā)與注塑成型工藝相比，AM需要的固定成本更低，因為它不需要昂貴的模具。因此在小批量生產(chǎn)運行中，具有較好的成本效益。與減材制造加工工藝相比，AM的廢料少，無材料研磨或打磨過程。據(jù)了解，與AM相關(guān)的金屬制造應(yīng)用中的廢料與減材制造相比減少了40％。此外，95％~98％的廢料可以在AM中回收利用。12增材制造與減材制造的區(qū)別增材制造的發(fā)展增材制造的定義及特點34增材制造的機遇與挑戰(zhàn)第一章增材制造的發(fā)展歷程1.3增材制造的發(fā)展增材制造的出現(xiàn)最早可以追溯到20世紀(jì)80年代。最初，增材制造被用來制作產(chǎn)品的外觀模型，材料僅限于塑料。研究者在1996年至1998年期間對增材制造的出現(xiàn)和發(fā)展做了初步的歸納和分類，有關(guān)增材制造技術(shù)的專利也逐漸增多，其中PaulLDirnatteo在其專利中明確地提出了增材制造的基本思路如圖1-3所示，先用輪廓跟蹤器將三維物體轉(zhuǎn)化成許多二維輪廓薄片，然后用激光切割成型這些薄片，再用螺釘、銷釘?shù)葘⒁幌盗斜∑B接成三維物體。

圖1-3Paul的分層成型法現(xiàn)在增材制造所涉及的材料不再限于塑料，金屬同樣可以利用這一制造工藝。無論是科研院所、大學(xué)還是公司都研發(fā)了數(shù)種增材制造技術(shù)。產(chǎn)品的尺寸從最初的小零件發(fā)展到可以制造較大尺寸的零件，包括飛機上的梁。纖維纏繞成型技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)40年代美國的曼哈頓原子能計劃，用于纏繞火箭發(fā)動機殼體及導(dǎo)彈等軍用產(chǎn)品。該技術(shù)機械化與自動化程度高，工件適應(yīng)性強，最大的優(yōu)點是可以充分發(fā)揮纖維的強度與模量優(yōu)勢，在美國申請專利之后，迅速發(fā)展成為復(fù)合材料制品的重要成型方法。復(fù)合材料纖維鋪放成型技術(shù)是20世紀(jì)70年代作為對纖維纏繞、自動鋪帶技術(shù)（ATL）、自動鋪絲技術(shù)（AFP）的改革而發(fā)展起來的一種全自動復(fù)合材料加工技術(shù)，也是近年來發(fā)展最快、效率最高的復(fù)合材料自動化成型制造技術(shù)之一。1989年，美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校提出了選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS），其工作原理為利用高強度激光將尼龍、蠟、ABS、陶瓷甚至金屬等材料粉末高溫熔化燒結(jié)成型，如圖1-4所示。

隨著SLS工藝的不斷應(yīng)用，各種改型技術(shù)不斷出現(xiàn)，

比較有代表性的有：直接金屬激光燒結(jié)（DMLS），

選擇性激光熔融（SLM）和電子束熔融（EBM）是

最具有代表性的金屬粉末融合技術(shù)。20世紀(jì)90年代

中期，在SLS工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的選擇性激光熔

融工藝（SLM）克服了SLS工藝在制造金屬零件工藝

過程復(fù)雜的困擾，可利用高強度激光熔融金屬粉末的

快速成型出致密且力學(xué)性能良好的金屬零件。

圖1-4SLS示意圖

目前增材制造技術(shù)最熱門的應(yīng)用領(lǐng)域就是3D打印。2005年是3D打印行業(yè)的蓬勃之年，ZCorporation推出了世界上第一臺高精度彩色3D打印機Spectrum2510。英國巴恩大學(xué)的AdrianBowyer發(fā)起了開源3D打印機項目RepRap，目標(biāo)是通過3D打印機本身，制造出另一臺3D打印機。正是這一項目吸引了更多投資者的目光，3D打印企業(yè)開始像雨后春筍般出現(xiàn)。2010年11月，第一臺3D打印轎車出現(xiàn)。它的所有外部組件都由3D打印制作完成，其中的玻璃面板使用Dimension3D打印機和由Stratasys公司數(shù)字生產(chǎn)服務(wù)項目RedEyeonDemand提供的Fortus3D成型系統(tǒng)制作。2011年8月，英國南安普敦大學(xué)的工程師研發(fā)了世界上第一架3D打印飛機，如圖1-5所示。

圖1-5世界上第一架3D打印飛機12增材制造與減材制造的區(qū)別增材制造的發(fā)展增材制造的定義及特點34增材制造的機遇與挑戰(zhàn)第一章增材制造的發(fā)展歷程1.4增材制造的機遇與挑戰(zhàn)AM技術(shù)有著巨大的發(fā)展前景，它會改變制造業(yè)的生產(chǎn)模式和生產(chǎn)現(xiàn)場，減少供應(yīng)鏈。就目前的發(fā)展?fàn)顩r來說，要實現(xiàn)該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，還有許多問題有待解決。這里列舉出幾個主要的問題。（1）高昂的制造成本問題AM技術(shù)當(dāng)前適用于制造具有定制特征、小批量或幾何形狀復(fù)雜度高的產(chǎn)品，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括航空航天、高端汽車和生物醫(yī)學(xué)，同時也可以滿足個人需求，如制造收藏品、首飾和家居飾品等。然而采用AM技術(shù)批量制造標(biāo)準(zhǔn)化零件來實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟的成本明顯大于注塑工藝。注塑成型塑料的價格只有150元/kg，而大多數(shù)3D印刷光敏樹脂和塑料價格在850~1500元/kg之間。以金屬粉末為例，3D打印鈦和鈦合金價格為2040~5280元/kg，遠高于傳統(tǒng)工藝與原材料價格。同時，當(dāng)前的生產(chǎn)速度過于緩慢，導(dǎo)致機器和廠房的折舊率很高，這進一步增加了3D打印的制造成本。（2）尺寸范圍和層間分辨率的局限問題在層間分辨率和打印部件的尺寸范圍之間，AM技術(shù)存在內(nèi)在的局限性。雖然較高的層間分辨率（即較小的層厚度）能提供更好的表面質(zhì)量，但是這需要建立更多層來創(chuàng)建所期望的幾何形狀，因此會增加了總的制造時間。正是因為這個原因，商業(yè)上的一些AM系統(tǒng)，在層間分辨率小于0.1mm時所能制造出產(chǎn)品的最大尺寸一般小于25mm。目前，根據(jù)機型和加工工藝的不同，3D打印產(chǎn)品的尺寸范圍一般小于1m（平均200~350mm）在生產(chǎn)一些大型零件時不適合采用3D打印技術(shù)。對于大尺寸范圍的3D打印機，一般采用較大的層間厚度來提高打印速度，而其表面質(zhì)量則可通過工藝規(guī)劃來保障，或者是通過后處理工藝（打磨）。3）材料的局限性問題由于高昂的材料成本，研究新的可用材料以降低生產(chǎn)成本對提高增材制造技術(shù)的市場競爭力至關(guān)重要。因此，必須增加可用材料的范圍。再者，在加工過程中節(jié)省材料也十分重要。對于一些貴重材料來說，材料的高效利用是降低生產(chǎn)成本的重要方法。同時，研究新材料已經(jīng)成為3D打印一大熱門研究方向，新材料的出現(xiàn)將進一步優(yōu)化打印效果。材料的研究范圍包括現(xiàn)有材料（如金屬、聚合物、復(fù)合材料、陶瓷）和未來的材料（如食品、生物結(jié)構(gòu)）。近年來出現(xiàn)的多色彩打印滿足了創(chuàng)意行業(yè)對色彩的需求（圖1-12），但就多彩的世界而言，未來彩色3D打印還有很漫長的道路要走。

圖1-12Objet500Connex3彩色多材料3D打印機打印出的產(chǎn)品（4）材料異質(zhì)性和結(jié)構(gòu)可靠性問題在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中需要采用不同材料時，AM系統(tǒng)在選擇材料時就會出現(xiàn)困難。因為現(xiàn)有技術(shù)的AM系統(tǒng)所生產(chǎn)的產(chǎn)品由于層間結(jié)合缺陷會導(dǎo)致零件的各向異性。此外，大多數(shù)AM系統(tǒng)一次只能打印一種材料。雖然部分AM系統(tǒng)可以同時打印多種不同的材料，如打印金屬和聚合物，但由于材料之間其界面行為的不確定性以及缺乏設(shè)計軟件的支持，所以這些系統(tǒng)的應(yīng)用也十分有限。也就是說，現(xiàn)有的商業(yè)軟件包不能為設(shè)計者模擬和分析多種材料的功能。（5）AM標(biāo)準(zhǔn)化和知識產(chǎn)權(quán)問題為了確保零件質(zhì)量、重復(fù)性以及整機和機器的一致性，AM行業(yè)必須對材料、工序、校準(zhǔn)、測試和文件格式進行統(tǒng)一，由于現(xiàn)有的機器、材料和工藝的種類繁多，而且各設(shè)備制造商（類似于文字印刷行業(yè)）在定制耗材和配件方面存在著巨大的經(jīng)濟利益驅(qū)動，這導(dǎo)致了AM行業(yè)很難有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。從知識產(chǎn)權(quán)的角度來看，3D打印市場和可供下載的開源項目的出現(xiàn)，挑戰(zhàn)了當(dāng)前保護發(fā)明家免受侵權(quán)的法律環(huán)境和社會法規(guī)。將來，AM領(lǐng)域可能會出現(xiàn)設(shè)計類的專利的申請和導(dǎo)致其保護方式發(fā)生根本性的變化。為了保護CAD模型的知識產(chǎn)權(quán)，研究人員通過在3D信息內(nèi)嵌入頻譜域來進行加密，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)僅在太赫茲波下可見。（6）商業(yè)化障礙問題當(dāng)前3D打印技術(shù)的專業(yè)培訓(xùn)不夠完善，大多數(shù)愛好者都只停留在認(rèn)識階段，這對技術(shù)的進一步優(yōu)化成熟無疑是相當(dāng)不利的。技術(shù)準(zhǔn)備水平（TRL）由美國國家航空航天局于1969年首次提出，是技術(shù)開發(fā)成熟度（包括材料、零部件、設(shè)備等）的衡量標(biāo)準(zhǔn)，其核心思想是滿足成熟技術(shù)的科技研究規(guī)律，評估科技研究進程及其創(chuàng)新階梯。一般來說，當(dāng)發(fā)明或提出新技術(shù)時，不適合在實際環(huán)境中立即使用。需要經(jīng)過大量的實驗測試，進行完善，在充分證明了其可行性之后才推廣應(yīng)用。因此，TRL將整個技術(shù)研發(fā)過程分為9級3階段，9級分別為3個“實驗室”階段，3個“試點”階段，以及3個“工業(yè)化”階段。根據(jù)TRL評估標(biāo)準(zhǔn)，對于許多應(yīng)用來說，增材制造技術(shù)準(zhǔn)備水平仍處于低位。因此，這種技術(shù)要成為革命性的力量需要社會各階層制定合適的規(guī)劃進行推廣。3D打印的主要局限性見表1-1。

表1-13D打印的主要局限性特性大規(guī)模制造3D打印制造制造技術(shù)各種傳統(tǒng)工藝的組合，可用實現(xiàn)大部分產(chǎn)品的大規(guī)模制造3D打印技術(shù)目前尚且不具備直接生產(chǎn)像汽車、電腦、手表等復(fù)雜的混合材料產(chǎn)品的能力供應(yīng)鏈集成需求需要高度集成的供應(yīng)鏈管理，以確保在合適的時間從多種供應(yīng)中獲得正確的貨物使用來自多個供應(yīng)商的現(xiàn)成可用的供應(yīng)經(jīng)濟效益能夠以較低的價格大規(guī)模生產(chǎn)產(chǎn)品。但庫存的風(fēng)險較高，需要提高營運資金管理因材料研發(fā)難度大、而使用量不大等原因，導(dǎo)致3D打印制造成本較高，且制造效率不高產(chǎn)品范圍電腦、手表、窗戶、鞋子、牛仔褲原型、模型、替換零件、牙冠、假肢

（1）簡述增材制造、減材制造和等材制造的定義，三者有何區(qū)別，各舉出三個例子。（2）用列表的形式回顧一下增材制造的發(fā)展史。（3）AM技術(shù)有哪些優(yōu)點，列出并簡述。（4）目前，增材制造還有哪些問題需要解決？針對每個問題發(fā)表自己的看法。

本章作業(yè)

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[4]黎宇航,董齊,邰清安,等.熔融沉積增材制造成形碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能[J].塑性工程學(xué)報,2017,24(3):225-30.[5](新加坡)蔡志楷(CheeKaiChua)，(新加坡)梁家輝(KahFaiLeong).3D打印和增材制造的原理及應(yīng)用.北京：國防工業(yè)出版社,2017.

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第2章增材制造技術(shù)的常見工藝方法及其裝備增材制造的定義及特點各類成型方法的特點及應(yīng)用場合典型3D打印機的結(jié)構(gòu)特點本章重點本章重難點本章難點SLS、SLM、EBM、FDM等工藝原理及成型過程各類成型方法的特點及應(yīng)用場合12選擇性激光熔融（SLM）電子束熔融（EBM）選擇性激光燒結(jié)（SLS）3654熔融沉積（FDM）纖維纏繞三維打印快速成型（3DP）7纖維鋪放第2章增材制造技術(shù)的常見工藝方法及其裝備

選擇性激光燒結(jié)（SelectiveLaserSintering，SLS）是利用粉末狀材料成型的。2.1.1選擇性激光燒結(jié)（SLS）2.1選擇性激光燒結(jié)（SLS）圖2-1選區(qū)激光燒結(jié)的原理

該工藝的基本原理如圖2-1所示。SLS工藝的原理是預(yù)先在工作臺上鋪一層粉末材料（金屬粉末或非金屬粉末），在計算機控制下，按照界面輪廓信息，利用大功率激光對實心部分粉末進行掃描燒結(jié)，然后不斷循環(huán)，層層堆積成型，直至模型完成。選擇性激光燒結(jié)由CarlRobertDeckard于1988年發(fā)明。SLS工藝是利用粉末狀材料成型的。由于該類成型方法有著制造工藝簡單、柔性度高、材料選擇范圍廣、材料價格便宜，成本低、材料利用率高、成型速度快等特點，針對以上特點SLS主要應(yīng)用于鑄造業(yè)，并且可以用來直接制作快速模具。2.1選擇性激光燒結(jié)（SLS）2.1.2SLS的成型過程圖2-2基于SLS工藝的金屬零件直接制造過程

SLS成型過程一般可以分三個階段：前處理、粉層激光燒結(jié)疊加和后處理。（1）前處理前處理階段中，主要完成模型的三維CAD造型。將繪制好的三維模型文件導(dǎo)入特定的切片軟件進行切片，最后將切片數(shù)據(jù)輸入燒結(jié)系統(tǒng)。（2）粉層激光燒結(jié)疊加激光燒結(jié)的過程原理如圖2-1所示。加熱前對成型空間進行預(yù)熱，然后將一層薄薄的熱可熔粉末涂抹在部件建造室。在這一層粉末上用CO2激光束選擇性地掃描CAD部件最底層的橫截面。當(dāng)橫截面被完全掃描后，通過滾軸機將新一層粉末涂抹到前一層之上。這一過程為下一層的掃描做準(zhǔn)備。重復(fù)操作，每一層都與上一層融合。每層粉末依次被堆積，重復(fù)上述過程直至打印完畢。（3）后處理激光燒結(jié)后的原型件，由于本身的力學(xué)性能比較低，表面粗糙度也比較低，既不能滿足作為功能件的要求，又不能滿足精密鑄造的要求，因此需要進行后處理。有時需進行多次后處理來達到零部件工藝所需要求。

根據(jù)坯體材料的不同，以及對制造件性能要求的不同，我們可以對燒結(jié)件采用不同的后處理方法。燒結(jié)件的后處理方法有多種，如高溫?zé)Y(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、熔浸和浸漬等。2.1.2SLS的成型過程2.1選擇性激光燒結(jié)（SLS）（1）高溫?zé)Y(jié)高溫?zé)Y(jié)階段形成大量閉孔，并持續(xù)縮小，使孔隙尺寸和孔隙總數(shù)有所減少，燒結(jié)體密度明顯增加。在高溫?zé)Y(jié)后，坯體密度和強度增加，性能也得到改善。（2）熱等靜壓燒結(jié)熱等靜壓燒結(jié)工藝是將制品放置到密閉的容器中，使用流體介質(zhì)，向制品施加各向同等的壓力，同時施以高溫，在高溫高壓的作用下，制品的組織結(jié)構(gòu)致密化。（3）熔浸熔浸是將金屬或陶瓷制件與另一個低熔點的金屬接觸或浸埋在液態(tài)金屬內(nèi)，讓液態(tài)金屬填充制件的孔隙，冷卻后得到致密的零件。經(jīng)過熔浸后處理的制件致密度高，強度大，基本不產(chǎn)生收縮，尺寸變化小。（4）浸漬浸漬工藝類似于熔浸，不同之處在于浸漬是將液體非金屬材料浸漬到多孔的選擇性激光燒結(jié)坯體的孔隙內(nèi)，并且浸漬處理后的制件尺寸變化更小。

圖2-3基于SLS工藝的金屬零件間接制造過程

1986年第一臺SLS樣機問世，1992年DTM公司推出了商業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備SinterStation，開啟了SLS的商業(yè)化；隨后SinterStation2000、SinterStation2005等相繼問世。2.1.3SLS的相關(guān)設(shè)備2.1選擇性激光燒結(jié)（SLS）

SLS的優(yōu)點和缺點：

SLS的典型應(yīng)用：（1）快速原型制造（2）快速模具和工具制造（3）單件或小批量生產(chǎn)

圖2-4Sintratec公司的SINTRATECKIT優(yōu)點材料的多樣性缺點原型制作易變形過程易操作后處理復(fù)雜材料利用率高需要預(yù)熱、冷卻無須支撐結(jié)構(gòu)成型表面粗糙多孔模具的強度極高污染環(huán)境12選擇性激光熔融（SLM）電子束熔融（EBM）選擇性激光燒結(jié)（SLS）3654熔融沉積（FDM）纖維纏繞三維打印快速成型（3DP）7纖維鋪放第2章增材制造技術(shù)的常見工藝方法及其裝備

選擇性激光熔融（SelectiveLaserMelting，SLM）是20世紀(jì)90年代中期在SLS工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。SLM工藝克服了SLS工藝在制造金屬零件工藝過程相對復(fù)雜的困擾。SLM工藝可利用高強度激光熔融金屬粉末的快速成型出致密且力學(xué)性能良好的金屬零件。2.2.1SLM的原理2.2選擇性激光熔融（SLM）

圖2-7SLM熔化機的工作原理

SLM的原理是指在高激光能量密度作用下，金屬粉末完全熔化，經(jīng)冷卻凝固層層累積成型出三維實體。常用SLM設(shè)備的工作原理如圖2-7所示。SLM設(shè)備使用激光器，通過掃描反射鏡控制激光束熔融每一層的輪廓。金屬粉末則被完全熔化，而不是金屬粉末黏結(jié)在一起。因此成型件的致密度可達到100%。強度和精度都高于激光燒結(jié)成型。2.2選擇性激光熔融（SLM）2.2.2SLM的成型過程

圖2-8SLM技術(shù)的成型過程

SLM的成型過程與SLS非常相似，均由前處理、分層激光燒結(jié)和后處理組成。其主要區(qū)別是SLM熔融金屬材料溫度極高，通常要使用惰性氣體，如氬氣或氫氣來控制氧氣的氣氛。其次SLM使用單純金屬粉末，而SLS使用添加了黏結(jié)劑的混合粉末，使得成品質(zhì)量差異較大。SLM成型過程如圖2-8所示。

目前，歐美等發(fā)達國家在激光選區(qū)熔化（SLM）設(shè)備的研發(fā)及商業(yè)化進程上處于世界領(lǐng)先地位。早在1995年，德國的Fraunhofer就提出SLM技術(shù)，并于2002年研制成功。隨后，于2003年底，德國MCP-HEK公司生產(chǎn)出第一臺SLM機器，利用該機器加工出來的工件致密度達到了100%，可以直接應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。2.2.3SLM的相關(guān)設(shè)備2.2選擇性激光熔融（SLM）

SLM的優(yōu)點：（1）零件成型精度高（2）零件致密性好SLS的典型應(yīng)用：SLM增材制造的應(yīng)用范圍比較廣，主要用于機械領(lǐng)域的工具及模具、生物醫(yī)療領(lǐng)域的生物植入零件或替代零件、電子領(lǐng)域的散熱元器件、航空航天領(lǐng)域的超輕結(jié)構(gòu)件、梯度功能復(fù)合材料零件。

圖2-9可定制化金屬3D打印機FS271M

SLM的缺點：（1）加工制造工藝相對復(fù)雜（2）需要用高功率密度的激光（3）SLM工藝成本高

12選擇性激光熔融（SLM）電子束熔融（EBM）選擇性激光燒結(jié)（SLS）3654熔融沉積（FDM）纖維纏繞三維打印快速成型（3DP）7纖維鋪放第2章增材制造技術(shù)的常見工藝方法及其裝備

電子束熔融（ElectronBeamMelting，EBM）是瑞典ARCAM公司最先開發(fā)的一種增材制造技術(shù)。EBM類似于SLM工藝，利用電子束在真空室中逐層熔化金屬粉末，并可由CAD模型直接制造金屬零件。2.3.1EBM的原理2.3電子束熔融（EBM）

①電子束②聚焦線圈③偏轉(zhuǎn)線圈④粉料粉盒⑤鋪粉構(gòu)件⑥建造構(gòu)件⑦鋪粉平面圖2-7SLM熔化機的工作原理

電子束熔融技術(shù)是在真空環(huán)境下以電子束為熱源，以金屬粉末為成型材料，高速掃描加熱預(yù)置的粉末，通過逐層化疊加，獲得金屬零件。EBM的工作原理如圖2-12所示。在鋪粉平面上鋪上粉末，將高溫絲極釋放的電子束通過陽極加速到光速的一半，通過聚焦線圈使電子束聚焦，在偏轉(zhuǎn)線圈的控制下，電子束按照截面輪廓信息進行掃描，高能電子束將金屬粉末熔化并在冷卻后成型。2.3電子束熔融（EBM）2.3.2EBM的成型過程

圖2-13電子束熔融技術(shù)成型過程

EBM工藝過程中，建模存在多種不同的方法。例如利用EBM工藝加工Ti6Al4V粉末時就有兩種方法，第一種方法是采用格子波爾茲曼方法（LBM）計算加工Ti6Al4V粉末時達到的溫度。第二種方法是有限元法（FEM），考慮到粉末作為具有自身特征的連續(xù)體，這種方法更為合適。

EBM成型過程如圖2-13所示。首先，一層薄層粉末放置在工作臺上，在電磁偏轉(zhuǎn)線圈的作用下，電子束由計算機來控制?；谥萍母鲗咏孛娴腃AD數(shù)據(jù)，電子束選擇性地對粉末層進行掃描熔化，熔化的粉末形成冶金結(jié)合。未被熔化的粉末仍是松散狀，可作為支撐。一層加工完成后，工作臺下降一個層厚的高度，再進行下一層鋪粉和熔化，同時新熔化層與前一層金屬體熔合為一體，重復(fù)上述過程直至零件加工結(jié)束。

目前，世界上典型的EBM工藝商用化設(shè)備由瑞典的Arcam公司提供。該公司主要生產(chǎn)三種類型的產(chǎn)品，ArcamQ10、ArcamQ10plus、ArcamQ20和ArcamA2X。2.3.3EBM的相關(guān)設(shè)備2.3電子束熔融（EBM）

EBM的優(yōu)點：（1）污染少，防氧化（2）較高的延展性（3）可制備復(fù)雜部件

EBM的典型應(yīng)用：EBM主要應(yīng)用于航空航天和骨科移植方面。EBM制造的骨科植入物其最常用的材料是Ti6Al4V和CrCo。因為EBM的適用性，使得EBM工藝可運用于生產(chǎn)制造矯形植入物。

圖2-14ArcamQ10plus成型機

EBM的缺點：表面質(zhì)量較低。由于粉末層的粒度和較大的厚度，相較于SLM，EBM工藝通常會造成較低的分辨率和較高的表面粗糙度。

12選擇性激光熔融（SLM）電子束熔融（EBM）選擇性激光燒結(jié)（SLS）3654熔融沉積（FDM）纖維纏繞三維打印快速成型（3DP）7纖維鋪放第2章增材制造技術(shù)的常見工藝方法及其裝備

熔融沉積（FusedDepositonModeling，F(xiàn)DM）增材制造技術(shù)由美國學(xué)者Dr.ScottCrump于1988年研發(fā)成功的，并由美國Stratasys公司推出了商業(yè)化的設(shè)備。FDM是將各種熱熔性的絲狀材料（如蠟、工程塑料和尼龍等）加熱熔化，然后通過由計算機控制的精細(xì)噴嘴按CAD分層截面數(shù)據(jù)進行二維填充，噴出的絲材經(jīng)冷卻黏結(jié)固化生成薄層截面形狀，層層疊加形成三維實體。2.4.1FDM的原理2.4熔融沉積（FDM）

圖2-16FDM工藝原理

FDM工藝原理類似于熱膠槍。如圖2-16所示，為FDM工藝原理圖。熱熔性材料的溫度始終稍高于固化溫度，而成型的部分溫度稍低于固化溫度。熱熔性材料通過加熱噴嘴噴出后，隨即與前一個層面熔結(jié)在一起。一個層面沉積完成后，工作臺按預(yù)定的增量下降一個層的厚度，再繼續(xù)熔噴沉積，直至完成整個實體零件。2.4熔融沉積（FDM）2.4.2FDM的成型過程

圖2-17FDM工藝過程

FDM成型工藝在原型制作同時需要制作支撐，為了節(jié)省材料成本和提高制作效率，新型的FDM設(shè)備采用雙噴頭，如圖2-17所示。一個噴頭用于成型原型零件，另一個噴頭用于成型支撐。

FDM的成型過程是在供料輥上，將實心絲狀原材料進行纏繞，由電動機驅(qū)動輥子旋轉(zhuǎn)，輥子和絲材之間的摩擦力是絲材向噴嘴出口送進的動力。噴嘴在XY坐標(biāo)系運動，沿著軟件指定的路徑生成每層的圖案。待每層打印完畢后，擠壓頭再開始打印下一層，直至加工結(jié)束。

美國Stratasys公司為絲材熔融沉積成型設(shè)備的著名廠商，多年來在FDM機型開發(fā)上具有絕對優(yōu)勢。近年來，在小型桌面級打印機盛行的形勢下，Stratasys公司也適時推出基于FDM建造方式的個人打印機等。如圖2-18所示，給出的是Stratasys公司基于FDM工藝開發(fā)的系列設(shè)備。2.4.3FDM的相關(guān)設(shè)備2.4熔融沉積（FDM）

FDM的優(yōu)點：（1）該技術(shù)污染小,材料可以回收（2）成型材料廣泛（3）成型效率高（4）可以成型任意復(fù)雜程度的零件。

圖2-18Stratasys公司開發(fā)的基于FDM工藝設(shè)備

FDM的缺點：（1）需要設(shè)計制作支撐結(jié)構(gòu)（2）工件表面比較粗糙（3）加工過程的時間較長。FDM的典型應(yīng)用:

FDM工藝在桌面化辦公用品、制作模具、家用電器等領(lǐng)域都有應(yīng)用。12選擇性激光熔融（SLM）電子束熔融（EBM）選擇性激光燒結(jié)（SLS）3654熔融沉積（FDM）纖維纏繞三維打印快速成型（3DP）7纖維鋪放第2章增材制造技術(shù)的常見工藝方法及其裝備

三維打印成型（ThreeDimensionalPrinting，3DP）由麻省理工學(xué)院開發(fā)。3DP是基于增材制造技術(shù)基本的堆積建造模式，從而實現(xiàn)三維實體的快速制作。因其材料較為廣泛，設(shè)備成本較低且可小型化到辦公室使用等，近年來發(fā)展較為迅速。2.5.13DP的原理2.5三維打印快速成型（3DP）

3DP的工作原理是首先按照設(shè)定的層厚進行鋪粉，隨后利用噴嘴按指定路徑將黏結(jié)劑噴在預(yù)先鋪好的粉層特定區(qū)域，之后工作臺下降一個層厚的距離，繼續(xù)進行下一疊層的鋪粉，逐層黏結(jié)后去除多余底料便得到所需形狀的制件。該方法可以用于制造幾乎任何幾何形狀的金屬、陶瓷。3DP工藝與SLS工藝類似，采用粉末材料成型，如陶瓷基粉末，金屬基粉末。所不同的是材料粉末不是通過燒結(jié)連接起來的，而是通過噴頭用黏結(jié)劑（如硅膠）將零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用黏結(jié)劑黏結(jié)的零件強度較低，還須進行后處理。2.5三維打印快速成型（3DP）2.5.23DP的成型過程

圖2-203DP成型過程

3DP工藝成型過程如圖2-20所示：上一層黏結(jié)完成后，成型缸的托盤下降一定距離，這個距離一般為0.1mm左右；然后供粉缸的托盤上升一高度，推出若干粉末，并被滾壓機推到成型缸，粉末鋪平并被壓實。滾壓機鋪粉時，多余的粉末被左側(cè)集粉裝置收集。未被噴射黏結(jié)劑的地方為干粉，在成型過程中起支撐作用，且成型結(jié)束后，也比較容易去除。

3DP工藝成型過程如圖2-20所示：上一層黏結(jié)完成后，成型缸的托盤下降一定距離，然后供粉缸的托盤上升一高度，推出若干粉末，并被滾壓機推到成型缸，粉末鋪平并被壓實。噴頭在計算機控制下，按下一截面的成型數(shù)據(jù)有選擇性地噴射黏結(jié)劑來建造層面。

在以色列Objet公司推出了Connex、Eden、Objet等系列機型，隨后，美國3DSystems公司也推出了ProJet系列機型。并且Zcorp公司（現(xiàn)已并入3DSystems公司）也推出了Z系列3DP設(shè)備。2.5.33DP的相關(guān)設(shè)備2.5三維打印快速成型（3DP）

3DP的優(yōu)點：成型速度快成型材料價格低可在黏結(jié)劑中添加顏料，可以制作彩色原型

圖2-21ProJet1000三維打印機

3DP的缺點：成型部件的強度低對于石膏粉作為成型材料，表面粗糙度會受影響3DP的典型應(yīng)用：

3DP技術(shù)成型速度非?？欤m用于制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件，也適用于制作復(fù)合材料或非均勻材質(zhì)材料的零件。12選擇性激光熔融（SLM）電子束熔融（EBM）選擇性激光燒結(jié)（SLS）3654熔融沉積（FDM）纖維纏繞三維打印快速成型（3DP）7纖維鋪放第2章增材制造技術(shù)的常見工藝方法及其裝備

纖維纏繞成型技術(shù)（FilamentWinding）最早出現(xiàn)于20世紀(jì)40年代美國的曼哈頓原子能計劃，用于纏繞火箭發(fā)動機殼體及導(dǎo)彈等軍用產(chǎn)品。2.6.1纖維纏繞的原理2.6纖維纏繞

纖維纏繞的原理是在控制張力和預(yù)定線型的條件下，以浸有樹脂膠液的連續(xù)絲纏繞到芯模或模具上來成型增強塑料制品。纖維纏繞成型工藝制造出來的制件纖維體分比、強度等性能更好，生產(chǎn)技術(shù)要求較低，適用于連續(xù)生產(chǎn)，可有效節(jié)約原材料，降低生產(chǎn)成本。纖維纏繞成型工藝被大量應(yīng)用，以滿足各類復(fù)合材料零件或結(jié)構(gòu)的整體成型需求。

圖2-25纖維纏繞示意圖2.6纖維纏繞2.6.2纖維纏繞的成型過程

圖2-24纖維纏繞工藝流程

纖維纏繞成型工藝流程步驟如圖2-24所示，首先是將纖維經(jīng)過浸膠等處理，通過芯模和絲嘴的相對運動，在纖維在纏繞角度、纏繞張力、紗帶特定幾何尺寸等工藝參數(shù)的張力作用下按照一定的規(guī)律纏繞到特定加工的芯模表面，然后加熱或在常溫下固化，經(jīng)過固化脫模后制成一定形狀的制品。纖維纏繞制品的工藝流程在時間上安排如下：（1）原材料樹脂基和纖維的選取和管道結(jié)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)產(chǎn)品性能的要求進行規(guī)劃設(shè)計，獲得纏繞方式、工藝路線和鋪層數(shù)量等；（2）根據(jù)纏繞件生產(chǎn)中需要控制的技術(shù)要求，確定纏繞工藝參數(shù)，如樹脂粘度、纏繞角、小車行走速率和固化度等。最常用的是使用經(jīng)驗與三維模型相結(jié)合的方法分析纏繞件成型質(zhì)量和工藝參數(shù)之間的關(guān)系；（3）最后將樹脂和纖維按預(yù)定的控制參數(shù)在芯模上纏繞鋪排，再在高溫爐中進行固化，最后進行脫模、表面拋光等處理。2.6纖維纏繞2.6.2纖維纏繞的成型過程

圖2-26干法纏繞樹脂浸漬工藝裝置示意圖

根據(jù)纖維纏繞成型時樹脂基體的物理化學(xué)狀態(tài)不同，分為干法纏繞、濕法纏繞和半干法纏繞三種。三種纏繞方法中，以濕法纏繞應(yīng)用最為普遍；干法纏繞僅用于高性能、高精度的尖端技術(shù)領(lǐng)域。

干法纏繞成型工藝如圖2-26所示。將連續(xù)的玻璃纖維卷從紗架上抽出捻成一束浸漬樹脂后，在高溫爐中烘烤一定時間蒸發(fā)溶劑，再經(jīng)過熱壓輥擠壓除氣后收為紗錠保存。使用時將紗錠不經(jīng)其他處理按設(shè)計包裹（一般為手工）于芯模后再經(jīng)熱溶固化。該工藝要求所使用的固化劑，尤其是采用DDS類等高溫固化的樹脂機體體系，紗帶在高溫爐中烘干時不應(yīng)出現(xiàn)揮發(fā)等現(xiàn)象。否則會出現(xiàn)膠液由內(nèi)側(cè)向外側(cè)轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致制品外側(cè)富膠、內(nèi)側(cè)貧膠。有時表面出現(xiàn)不光滑，有氣泡的現(xiàn)象。2.6纖維纏繞2.6.2纖維纏繞的成型過程

圖2-27濕法纏繞樹脂浸漬工藝裝置示意圖

根據(jù)纖維纏繞成型時樹脂基體的物理化學(xué)狀態(tài)不同，分為干法纏繞、濕法纏繞和半干法纏繞三種。三種纏繞方法中，以濕法纏繞應(yīng)用最為普遍；干法纏繞僅用于高性能、高精度的尖端技術(shù)領(lǐng)域。

濕法纏繞成型工藝如圖2-27所示。將連續(xù)玻璃纖維絲經(jīng)浸膠筒浸漬樹脂后，經(jīng)過張力控制器調(diào)節(jié)張力后不做熱處理，直接纏到芯模上固化。因為纖維是浸膠后立即纏繞，纏繞質(zhì)量的把控和檢查都在纏繞中動態(tài)完成，因而質(zhì)量很難精準(zhǔn)控制。同時因為在固化過程中，膠液中的大量溶劑會揮發(fā)，纏繞過程中纖維張力的均勻性很難控制，這導(dǎo)致固化時纏繞件內(nèi)部和表面容易產(chǎn)生氣泡。綜上所述，在濕法纏繞成型中，影響纏繞件質(zhì)量的不可控因素過多，其成型質(zhì)量較差，不適合作精密生產(chǎn)。但濕法纏繞的設(shè)備容易上手，原材料來源廣泛，在我國低端制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。2.6纖維纏繞2.6.2纖維纏繞的成型過程

圖2-28半干法纏繞樹脂浸漬工藝裝置示意圖

根據(jù)纖維纏繞成型時樹脂基體的物理化學(xué)狀態(tài)不同，分為干法纏繞、濕法纏繞和半干法纏繞三種。三種纏繞方法中，以濕法纏繞應(yīng)用最為普遍；干法纏繞僅用于高性能、高精度的尖端技術(shù)領(lǐng)域。

半干法纏繞成型工藝如圖2-28所示，此種工藝以濕法纏繞工藝為基礎(chǔ)在纏繞前做烘干預(yù)熱，二級加熱法加速了纏繞件在芯模上的烘干過程，可在室溫下進行纏繞。這種成型工藝采用多級加熱的方法逐步除去了溶劑，更好的減少了制品中空隙、氣泡的數(shù)量，又較干法纏繞縮短了工藝流程。兼具干法、濕法兩者的優(yōu)點，非常具有應(yīng)用前景。

作為纏繞成型工藝中最重要的設(shè)備，纏繞機也經(jīng)歷了幾個不同的發(fā)展階段。如表2-5所示，列出了纏繞機的發(fā)展歷程。2.6.3纖維纏繞的相關(guān)設(shè)備2.6纖維纏繞

第一階段第二階段第三階段第四階段類型機械傳動式數(shù)字控制式小型通用計算程序控制式微機控制式控制方法齒輪、鏈條、離合器等傳動機械傳動機構(gòu)配合控制控制介質(zhì)（傳動位移）轉(zhuǎn)化成為電脈沖數(shù)字量進行控制存儲器中的系統(tǒng)程序來完成。數(shù)字PID控制，實現(xiàn)多軸聯(lián)動的控制特點機電機械結(jié)構(gòu)、可靠運行。傳動比計算麻煩、非線形纏繞、精度不高能滿足一些特殊構(gòu)型制品的要求。但在特別復(fù)雜結(jié)構(gòu)上仍存在一定困難。編寫程序代碼就能控制各式產(chǎn)品的纏繞，靈活性高。但對于小型計算機，高成本使其未得到普及線形精度更高，運行可靠，操作簡便，制品重復(fù)度高。典型代表美國1974年kellog公司制造第一臺機械式纏繞機W2型簡易數(shù)字程序控制纏繞機以及德國約瑟夫·拜爾公司研制的WE-250型數(shù)字程序控制纏繞機

美國麥林·安德遜公司、約瑟夫·拜爾公司以及英國的科拉斯公司等都生產(chǎn)該型纏繞機纏繞機是實現(xiàn)纏繞成型工藝的主要設(shè)備。纏繞機主要由控制系統(tǒng)和模架系統(tǒng)組成。程序控制纏繞機系統(tǒng)的方框圖如圖2-29所示?？刂葡到y(tǒng)由控制介質(zhì)及控制裝置組成?？刂平橘|(zhì)如纏繞規(guī)律、張力控制等被輸入控制裝置以實現(xiàn)對纏繞制品的控制。

圖2-29纏繞機控制系統(tǒng)的方框圖

纏繞機按照結(jié)構(gòu)可以分為托盤纏繞機、無托盤纏繞機、水平纏繞機、懸臂纏繞機、環(huán)行纏繞機、滾筒纏繞機、鋼帶纏繞機。2.6.3纖維纏繞的相關(guān)設(shè)備2.6纖維纏繞

纖維纏繞的優(yōu)點：（1）強度高（2）可靠性高（3）生產(chǎn)效率高（4）能夠成型巨大的結(jié)構(gòu)

圖2-30全自動纏繞機

纖維纏繞的缺點：（1）應(yīng)用范圍受限（2）設(shè)備要求較高（3）零件形狀受限（4）纏繞角度受限纖維纏繞的典型應(yīng)用：

纖維纏繞可用于很多方面，簡單的有管件，復(fù)雜的可制造飛機殼體，汽車的框架等，常見的制品有管、壓力容器、導(dǎo)彈發(fā)射管、發(fā)動機箱、汽車彈簧片、油箱軸承等。12選擇性激光熔融（SLM）電子束熔融（EBM）選擇性激光燒結(jié)（SLS）3654熔融沉積（FDM）纖維纏繞三維打印快速成型（3DP）7纖維鋪放第2章增材制造技術(shù)的常見工藝方法及其裝備

纖維鋪放的工藝原理（FibrePlacement）是將預(yù)浸紗束繞紗架上送到加工頭內(nèi)，在此，紗束被平直成紗帶，然后被壓實在芯模表面上，這項自動化的工藝可以被看作纖維纏繞和帶子鋪放的協(xié)同疊加，這種協(xié)同組合能提高結(jié)構(gòu)的設(shè)計能力和各種形狀的可實現(xiàn)性。2.7.1纖維鋪放的原理2.7纖維鋪放2.7纖維鋪放2.7.2纖維鋪放的成型過程

圖2-32典型纖維鋪放系統(tǒng)

典型纖維鋪放系統(tǒng)如圖2-32所示，該鋪放系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)芯模和多自由度鋪放頭（手臂）構(gòu)成，具有七個自由度，鋪放頭安裝在六自由度手臂的末端，可以實現(xiàn)多路絲束的重送、切斷、施壓、鋪放等任務(wù)。

典型纖維鋪放系統(tǒng)如圖2-32所示，該鋪放系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)芯模和多自由度鋪放頭（手臂）構(gòu)成，具有七個自由度，鋪放頭安裝在六自由度手臂的末端，可以實現(xiàn)多路絲束的重送、切斷、施壓、鋪放等任務(wù)。纖維鋪放成型過程中，絲束帶需依次通過預(yù)加熱區(qū)、空氣冷卻區(qū)、主加熱區(qū)、熔合區(qū)、空氣冷卻區(qū)和特定冷卻區(qū)共六個區(qū)域。2.7纖維鋪放2.7.2纖維鋪放的成型過程

圖2-33纖維鋪放工藝圖（1）鋪放頭工作原理鋪放頭是纖維帶鋪放機的核心部件。在功能方面，鋪放頭必須具有纖維傳送、夾緊、加熱、壓緊、剪切等裝置。此外，還需要有支撐、導(dǎo)向、傳感、控制、位移、驅(qū)動、張緊等輔助裝置。（2）鋪放頭主要組成①傳送裝置②夾緊裝置③加熱裝置④壓緊裝置⑤剪切裝置（3）纖維鋪放過程中的加熱工藝自動纖維鋪放過程中，為提高鋪放效率，通常設(shè)置預(yù)加熱及主加熱2個加熱環(huán)節(jié)。如圖2-33所示為纖維鋪放工藝簡圖。

目前，纖維鋪放技術(shù)在以美國為代表的西方國家已經(jīng)開始了裝備技術(shù)、材料技術(shù)和CAD/CAM軟件技術(shù)的研究，并得到了應(yīng)用。2.7.3纖維鋪放的相關(guān)設(shè)備2.7纖維鋪放

纖維鋪放的優(yōu)點：（1）鋪放軌跡設(shè)計的自由度大（2）鋪放頭由多自由度手腕驅(qū)動（3）可精度控制鋪放厚度...

圖2-35MTorres公司的自動化纖維鋪放機

纖維鋪放的缺點：（1）纖維絲鋪放設(shè)備較為昂貴（2）預(yù)浸絲及預(yù)浸帶，生產(chǎn)較難，質(zhì)量不穩(wěn)定纖維鋪放的典型應(yīng)用：

纖維鋪放技術(shù)在纖維纏繞和自動鋪帶技術(shù)的基礎(chǔ)上添加了絲束切斷、再次鋪放、壓實等功能。目前，纖維鋪放技術(shù)在飛機制造領(lǐng)域、汽車制造領(lǐng)域有重大應(yīng)用。（1）列出增材制造技術(shù)常用的工藝方法。（2）試畫草圖說明選擇性激光燒結(jié)的工作原理。（3）簡述FDM增材制造的成型原理及其優(yōu)點。（4）簡述SLS增材制造后處理的作用。（5）列出影響SLS增材制造成型精度的因素，以及提高SLS增材制造成型精度的方法。（6）列出SLS和SLM工藝制造的區(qū)別。（7）什么是球化現(xiàn)象？如何消除或減弱這種現(xiàn)象？（8）與其他制造工藝相比，F(xiàn)DM工藝具有哪些優(yōu)點？（9）根據(jù)成型時樹脂基體的物理化學(xué)狀態(tài)不同，纖維纏繞可分為哪幾類？并分別闡述它們的優(yōu)缺點。（10）列出纖維鋪放機中鋪放頭的組成裝置。（11）數(shù)控加工通常被稱為2.5D加工，這意味著什么？為什么？它不被認(rèn)為是完全3D的嗎？

本章作業(yè)文獻推薦[1] 楊占堯，趙敬云.增材制造與3D打印技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,2017[2] 王廣春編著.增材制造技術(shù)及應(yīng)用實例[M].北京：機械工業(yè)出版社,2014.[3]

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熱塑性聚合物常在材料擠出和粉末床熔融工藝中使用。雖然兩種工藝都涉及熱層粘附，但使用的機理不同。無定形熱塑性塑料最適合材料擠出，而半結(jié)晶聚合物通常被用于粉末床熔合。①用于材料擠出的熱塑性塑料對于材料擠出工藝，因其熔體特性，應(yīng)優(yōu)選非晶態(tài)熱塑性塑料。這些聚合物，普遍包括ABS和PLA，在較寬的溫度范圍內(nèi)軟化到熔融溫度，形成了適用于在0.2~0.5mm直徑的噴嘴中擠出的高粘度材料。材料擠出工藝需要通過后處理必須去除支撐突出部位。后處理中一般用以下兩種方法：1）第一種方法是采用相同材料制成低強度的格子結(jié)構(gòu)與零件連接2）第二種是更復(fù)雜的方法，通過雙頭系統(tǒng)采用蠟基或乙烯醇（PVA）材料制成的支撐體，在后處理階段，通過熔化或溶解去除載體。PVA是用于PLA模型材料的水溶性支撐材料。通常，在擠出材料的沉積軌道之間會存在空隙，使得擠出材料機械性能變差，并且存在各向異性效應(yīng)。

3.1材料類型②用于粉末床熔融的熱塑性塑料粉末床熔融使用紅外激光（通常直徑為10μm的CO2激光束）或紅外射線IR或紫外線UV熱源（燈），用于熔化大部分半結(jié)晶粉末原料。用于粉末床熔融最受歡迎的半結(jié)晶材料聚酰胺12（尼龍）的熔融反應(yīng)如圖3-1所示，它的熔點比結(jié)晶溫度高約35℃。通過將AM制造溫度設(shè)置在這兩個溫度點之間，被激光熔化的材料會保持熔融并與周圍未熔化的粉末處于熱平衡，最終在構(gòu)建后均勻地發(fā)生重結(jié)晶，從而降低殘余應(yīng)力。由于有四周的粉末能起到一定的支撐作用，因此塑料在粉末床熔融過程中不需要設(shè)計支撐部件，構(gòu)建的模型可以包括多個嵌套結(jié)構(gòu)，可通過調(diào)整工藝參數(shù)或者增加后處理工序，來獲得致密度較高的零件。圖3-1半結(jié)晶聚酰胺的典型DSC掃描3.1材料類型當(dāng)需要控制零件的性能和結(jié)構(gòu)，且超出了材料的固有熱特性時，原材料制備就比較復(fù)雜。材料的粉碎，可以將不混溶聚合物通過耗散（Dissipation）、低溫研磨或共擠等方式來制備。粉末床熔融原料特性如圖3-2所示。圖3-2粉末床熔融材料特性的相互依賴關(guān)系圖3.1材料類型分辨率主要取決于二氧化碳激光光斑尺寸和電流計偏轉(zhuǎn)角，其定義了XY平面中的視點大小和位置。表面質(zhì)量主要受掃描工藝參數(shù)、掃描速度、分層厚度和粒徑的影響。因為周圍未熔化的粉末溫度很高，零件的尺寸精度也會受熱膨脹等不利因素的影響。加工過程中分子鏈的熱膨脹會導(dǎo)致熔體的粘度出現(xiàn)梯度，這對粉末床熔融加工很不利，最終會導(dǎo)致部件表面的“橙皮”效應(yīng)。嚴(yán)格的粉末回收管理對于防止這一問題至關(guān)重要。通過將新加入的30%~50％粉末與溢流粉末及零件本體混合所產(chǎn)生的粉末混合物，可以有效的優(yōu)化粉末的循環(huán)性和原料性能。另一方面，分子量增加會提高零件的機械性能和層間結(jié)合力。

3.1材料類型現(xiàn)列舉幾種在增材制造中常用的熱塑性材料的性能特點：1）ABSABS是一種用途極廣的熱塑性材料。它是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共生物，A代表丙烯腈，B代表丁二烯，S代表苯乙烯。特點：抗沖擊性、耐熱性、耐低溫性、耐化學(xué)藥品性，且電氣性能優(yōu)良，還具有易加工、制品尺寸穩(wěn)定、表面光澤性好、顏色多樣等特點應(yīng)用：一般用于機械、汽車、電子電器、儀器儀表、紡織和建筑等工業(yè)領(lǐng)域ABS粘附性良好，可以實現(xiàn)高速打印。直接用ABS是困難的，在打印大型零件時材料往往會因為打印路徑較長導(dǎo)致材料冷卻固化而不能形成較好的層間結(jié)合，可以通過使用加熱床來解決該問題。ABS材料的打印溫度為210～240℃，加熱床的溫度為80℃以上，材料的軟化溫度為105℃左右。但ABS材料最大的缺點就是打印時有強烈的氣味。3.1材料類型2）PLAPLA是一種新型的生物降解材料，使用可再生的植物資源（如玉米）所提取的淀粉原料制成。它具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物完全降解，最終生成二氧化碳和水，不污染環(huán)境。PLA在醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用也非常廣泛，如用在一次性輸液器器械、手術(shù)縫合等。打印PLA材料時有棉花糖氣味，不像ABS那樣出現(xiàn)刺鼻的不良?xì)馕?。PLA收縮率較低，打印時能直接從固體變?yōu)橐后w。由于PLA材料的熔點比ABS低，流動較快，相對而言，不易堵塞噴嘴。PLA易受熱受潮，并不適合長期戶外使用或在高溫環(huán)境工作。加熱時，從空氣吸收的水分可能會變成蒸汽泡，這可能會影響某些擠出機的正確加工。圖3-3所示為FDM打印機的打印耗材。圖3-3FDM打印機的打印耗材3）PCPC全名為聚碳酸酯，它具有耐熱、抗沖擊、阻燃、無味無臭對人體無害符合衛(wèi)生安全等優(yōu)點，可作為最終零部件使用。PC材料的強度比ABS材料高出約60%，具備較高的工程材料屬性。PC的性能明顯超過ABS和PLA，所以使用在加熱床上勢在必行。溫度高于60°C的加熱床可以克服其分層問題。同時，PC容易吸收空氣中的水分可能會導(dǎo)致加工過程中出現(xiàn)問題。4）PPSF/PPSUPPSF/PPSU是FDM熱塑性塑料里面強度最高、耐熱性最好、抗腐蝕性最高的材料，能通過gamma、ETO以及高溫滅菌器殺菌，通常作為最終零部件使用。5）ABS-M30iABS-M30i是一種高強度且無毒的材料，通過生物相容性認(rèn)證，用于制作醫(yī)學(xué)概念模型、功能性原型、工具及生物相容性的最終零部件。3.1材料類型6）PC-ABSPC-ABS是一種應(yīng)用最廣泛的熱塑性工程塑料，具備了ABS的韌性和PC材料的高強度及耐熱性。大多應(yīng)用于汽車、家電及通信行業(yè)，主要用于概念模型、制造工具及最終零部件等。7）PA（聚酰胺）PA在商業(yè)上普遍被稱為尼龍。在市場上可以找到不同種類的聚酰胺與其它物質(zhì)的混合物。制件具有柔韌性和耐磨性。與ABS和PLA不同，PA脆性低，因此強度較高。作為半結(jié)晶熱塑性材料，PA在每個單層沉積后冷卻時比其他材料收縮更多。由于這個原因，它比ABS和PLA更容易彎曲。8）PEEK聚醚醚酮是一種性能比較優(yōu)異的半結(jié)晶熱塑性塑料PEEK，具有高強度、耐熱、耐水解、耐化學(xué)性能好以及環(huán)保無毒等優(yōu)點。PEEK對侵蝕性環(huán)境具有化學(xué)抗性，這一性能為醫(yī)療和食品接觸應(yīng)用領(lǐng)域提供了更持久和可消毒的材料。更為特別的是，這種材料可以通過醫(yī)學(xué)認(rèn)證，直接用在人工假體植入體的個性化制造。缺點是成本過高，不適合大規(guī)模應(yīng)用，而且打印溫度過高，需要340℃。3.1材料類型3.1材料類型（2）熱固性塑料加熱后固化，形成交聯(lián)的不熔結(jié)構(gòu)的塑料稱為熱固性塑料。在熱固性塑料中典型代表是光敏樹脂，它是由光引發(fā)劑和樹脂（低聚物、稀釋劑及少量助劑）兩大部分組成。AM中使用的典型光聚合物材料由單體、低聚物、光引發(fā)劑和各種其他添加劑組成，這些添加劑包括抑制劑、染料、消泡劑、抗氧化劑、增韌劑等，它們能有助于調(diào)整光聚合物的特性。首先被用于光聚合的光聚合物是紫外光（UV）引發(fā)劑和丙烯酸酯單體的混合物，Vinylethers是早期樹脂中使用的另一類單體，但是丙烯酸酯和乙烯基醚樹脂的收縮率較大（約5％到20％），當(dāng)零件采用分層制造時，這會導(dǎo)致零件內(nèi)部的殘余應(yīng)力積累，從而引起零件產(chǎn)生明顯的翹曲。丙烯酸酯樹脂的另一個缺點是它們的聚合反應(yīng)容易被大氣中的氧氣所抑制。在90年代初期采用環(huán)氧樹脂來解決這些缺點，它給光聚合制造工藝帶來了巨大變革的同時使樹脂的配方更加復(fù)雜。3.1材料類型環(huán)氧樹脂是常見的陽離子光聚合物。環(huán)氧單體反應(yīng)時，可以開放提供位點（Sites）給其它化學(xué)鍵。因為在反應(yīng)之前和之后化學(xué)鏈的數(shù)量和類型基本相同，所以開環(huán)能夠賦予最小的體積變化。因此，光固化環(huán)氧樹脂（SL樹脂）的收縮通常小于丙烯酸酯，并且較少產(chǎn)生翹曲和卷曲。幾乎所有市售的光固化環(huán)氧樹脂都含有大量的環(huán)氧樹脂。如圖3-4所示，為光聚合反應(yīng)發(fā)生的幾個步驟。第一，暴露于適當(dāng)波長范圍內(nèi)的輻射下，光引發(fā)劑（表示為P-I）被激活。第二，光引發(fā)劑的反應(yīng)部分與單體分子M反應(yīng)生成自由基M·。第三，生成較長的聚合物鏈，并且還引起鏈交聯(lián)。第四步是終止。其聚合結(jié)束，通常是三種機制之一，包括重組、歧化和閉塞。圖3-4自由基光聚合步驟陽離子光聚合以類似的方式進行，與自由基聚合不同的是光引發(fā)機理不同以及用于將電荷轉(zhuǎn)移到單體（代替陰離子）的陽離子引發(fā)劑的差異。3.1材料類型商業(yè)AM樹脂是丙烯酸酯、環(huán)氧樹脂和其它低聚物材料的混合物。丙烯酸酯傾向于快速反應(yīng)，而環(huán)氧樹脂為零件提供強度和韌性。丙烯酸酯屬于自由基聚合，而環(huán)氧樹脂以陽離子聚合來形成聚合物。兩種類型的單體彼此不反應(yīng)，但它們混合后，會反應(yīng)形成互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)（IPN）。IPN是一類特殊類型的聚合物，其中兩種聚合物通常為網(wǎng)絡(luò)形式，其最初由兩個并行反應(yīng)而不是簡單的機械混合過程產(chǎn)生的。丙烯酸酯和環(huán)氧樹脂在固化過程中相互影響。丙烯酸酯的反應(yīng)將增強感光速度，降低環(huán)氧反應(yīng)的能量需求。此外，丙烯酸酯單體的存在可以降低濕度對環(huán)氧聚合的抑制作用。另一方面，在丙烯酸酯單體的早期聚合期間，環(huán)氧單體可作為增塑劑；當(dāng)環(huán)氧樹脂仍處于液體階段時丙烯酸酯已生成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種增塑效應(yīng)，通過增加分子遷移率，可以有利于鏈增長反應(yīng)。最終，丙烯酸酯發(fā)生了更廣泛的聚合反應(yīng)，導(dǎo)致它與純丙烯酸酯單體相比具有更高的分子量。此外，由于環(huán)氧聚合所導(dǎo)致的粘度上升，混合體系中的丙烯酸酯表現(xiàn)出對氧不敏感，這就不會導(dǎo)致大氣中的氧擴散到材料中來。增韌劑經(jīng)常用于商業(yè)樹脂中以改善零件的機械性能，這種增韌劑可以是反應(yīng)性的或非反應(yīng)性的，并且可以是液體或顆粒形式存在。3.1材料類型

光敏樹脂一般為液態(tài)，可用于制作高強度、耐高溫、防水材料。目前，研究光敏樹脂3D打印技術(shù)的有美國的3DSystems和Stratasys公司。3DSystems和Stratasys（原來以色列的Objet）公司占據(jù)了絕大部分3D打印光敏樹脂的市場，他們將這種樹脂作為核心專利加以保護且與打印機捆綁銷售。1）3DSystems的光敏樹脂如表3-2所示，3DSystems的Accura系列應(yīng)用范圍較廣，幾乎所有的SLA技術(shù)都可使用，另外一款光敏樹脂是基于噴射技術(shù)的VisiJet系列。材料型號材料類型特點Accura25模制聚丙烯材料柔軟精準(zhǔn)、富有美感的模制聚丙烯材料Accura48HTR抗溫抗?jié)袼芰嫌糜谛枨罂箿囟群蜐穸鹊乃芰螦ccura55制模ABS塑料精細(xì)美觀，性能優(yōu)良。Accura55材料黏度低，零部件的清潔和加工更加便捷，材料成型率高，大大提升零件加工的效率和質(zhì)量表3-23DSystems的Accura系列（部分）3.1材料類型材料型號材料類型特點Accurae-Stone耐久牙科制模材料制造牙科模型AccuraSapphire珠寶設(shè)計生產(chǎn)材料是新型打印材料，用于珠寶設(shè)計和大批量生產(chǎn)AccuraBluestone工程納米復(fù)合材料精密穩(wěn)定的工程納米復(fù)合材料，用于制造高性能零部件AccuraCastMAXTMComposite剛性陶瓷增強復(fù)合材料剛性陶瓷增強復(fù)合材料，具有優(yōu)良的熱、水分和耐磨性表3-23DSystems的Accura系列（部分）3.1材料類型2）Stratasys的光敏樹脂以色列Objet公司的光敏樹脂材料有三大類實體材料和一種支撐材料。實體材料有Vero系列光敏樹脂、FullCure705水溶性高分子材料、其他助劑。光固化支撐材料也是光敏樹脂，目前Objet公司開發(fā)的Eden系列的3D打印機，使用液態(tài)的光敏樹脂作為支撐材料，并利用紫外光固化，最后用水槍去除支撐材料。Stratasys公司推出了基本PolyJet技術(shù)的“數(shù)字材料”，通過調(diào)整不同的材料比例使生產(chǎn)出來的零件具有不同的材料特性。3）DSM的光敏樹脂DSM公司的SOMOS（帝斯曼速模師）研發(fā)出一系列的SLA耗材，有耐高溫要求的樹脂如Nanotool、ProtoTherm12120，耐沖擊性能優(yōu)異的材料如DMX-SL100，有高透明材料WaterClearUltra10122、WaterShedXC11122，其透光度與亞克力材料類似，還有韌性好的9120樹脂等。SOMOSNEXT材料為白色材質(zhì)，類PC新材料，材料韌性非常好，如電動工具手柄等基本可替代SLS制作的尼龍材料。金屬粉末是激光熔覆沉積（LESN）和直接能量沉積（DED）等AM工藝中用于制造優(yōu)質(zhì)金屬部件的主要原材料，也可以使用金屬絲進料代替DED中的粉末進料，材料噴射（MJP）工藝也可用于生產(chǎn)金屬部件。采用該工藝制造零件件需要用較低熔點的金屬（例如黃銅）進行爐膛燒結(jié)或滲透，以獲得致密的金屬部件。常見的商業(yè)合金包括純鈦、Ti6Al4V、316L不銹鋼、17-4PH不銹鋼、18Ni300馬氏體時效鋼、AlSi10Mg、CoCrMo、鎳基超級合金Inconel718和Inconel625。隨著新元素的不斷進入，可用的金屬材料范圍越來越廣。貴金屬如金、銀和鉑，已經(jīng)通過3D打印消失蠟?zāi)＿M行間接制造，但目前也采用選擇性激光熔融（SLM）工藝進行直接制造。當(dāng)涉及熔融時，金屬通常具有可焊接或可鑄造的特點，以便采用增材制造工藝進行制造。較小的移動熔池明顯小于最終零件的尺寸。這一局部熱影響區(qū)與較大而冷的區(qū)域直接接觸導(dǎo)致較高的溫度梯度，從而產(chǎn)生較大的熱殘余