SLA450快速成型机总体设计文献综述

毕业 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 文献综述 课程题目： SLA 450快速成型机总体设计 学生姓名： 123 学 号： 123 联系电话： 1523 232323 学 院： 理工学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 2013 年 1 月 23 日 SLA(光固化成型)450快速成型机总体设计 摘要：快速成型技术以其独特的特点和长处, 成为加速新产品开发及实现并行工程的有效技术,具有广泛的应用领域和应用价值, 发展十分迅猛, 该技术的重要性已不容忽视。快速成型技术是基于离散/ 堆积的原理。在计算机的控制下快速成型机的成型头选择性地固化一层层的液体材料( 或选择性的切割一层层的纸、烧结一层层的粉末材料、喷涂一层层的热熔性材料等) , 形成各个截面轮廓并逐步顺序叠加成三维工件实体。RP 技术的主要方法有: 光固化立体造型SLA、分层物件制造LOM、选择性激光烧结法SLS、熔融沉积造型FDM, 应用前景十分广阔。 1.课题研究的目的和意义 1.2.1研究背景 虽然SLA是公认的精度最高的RP方法，它具有材料利用率接近100%，制作效率高等优点，能够成形特别精细(如首饰、 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 品等)、形状特别复杂(如空心零件等)的零件;也适用于微小机械加工领域。用SLA制作的快速原型的表面光洁度好、透明晶莹、硬度和强度都很高，可直接作为功能件。但是，阻碍RP技术推广的原因除了即设备价格问题和材料问题外，成型精度是影响RP技术发展的重要因素之一。 SLA技术最突出的问题是:成型制件的几何质量比较差，表现在制件的表面粗糙、几何精度、尺寸精度过低。为此，本课题从提高制件精度，优化成型工艺参数出发，以SPS600激光快速成型机为实验设备，制定光固化成型工艺的实验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，采用实验与理论分析的法，研究SLA工艺过程和加工工艺参数对制件精度的影响规律，并对其加工工艺参数进行优化，为实际应用提供理论和工艺方面的指导性依据。 1.2.2研究目的及意义 本课题来源于江西省教育厅科技项目“逆向工程与快速模具的开发研究”和江西省科技厅科技支撑项目“生物医用材料性能及其快速成形系统软件开发”。由于即工艺研究的不断深入，即零件精度也不断提高，并且随着RP设备的制造商的不断增加，精度问题能够精确地、客观地 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 一台机器或者一种成型工艺所能达到的精度能力，无论是对成形设备的制造商、用户还是研究者们，都具有非常重要的意义。 对于 5LA，零件精度和零件的大小、结构特点具有十分密切的关系，而与复 杂程度关系不大。因为成型工艺、材料的性能对零件精度起着非常重要的作用， 所以为获得高精度零件，既需要比较高的机器精度，也必须有可靠的成型工艺 做保证[81。由于SLA具有多学科的交叉性和多项技术的集成性，其研究涉及的领域非常多，有待解决的问题也很多。 为此，本课题从提高制件精度，优化成型加工工艺参数出发，制定光固化成型工艺的实验方案，采用实验与理论分析的方法，研究SLA工艺过程和加工工艺参数对制件精度的影响规律，并采用人工神经网络和模拟退火一改进遗传算法对工艺参数进行优化。现在对于SLA中的工艺参数的取值基本是靠人的经验来确定的，若树脂材料、成形设备或成形制件的几何形状发生变化，则工艺参数必须重新通过大量的实验确定，而造成材料浪费严重、工作量大、导致成本增高和效率降低，因此将人工智能技术应用于RP技术中，已成为未来即技术发展 的一个重要方向。 本课题所涉及的内容国内外研究现状综述 2.1国外RP技术的研究现状 RP技术是多种技术的高度集成，涉及的研究领域较多。为提高即的质量(包 括原型的强度、精度与制作效率等)，RP设备的开发者和相关技术的研究学者， 进行了大量的研究和实验工作，采取了大量的有效措施，使RP技术日趋成熟。 近年来，对于各种RP技术，成型设备、材料等发面都有很大的发展。从1999 年至今， 3Dsystems公司相继推出sLA700o、 ViperHASLA、 vipersLA等机型， 尤其是最新的VIPrer系统，可同时实现整体与部分两种解决方案。Helisys公司研制出多种LOM工艺所用的成型材料，可以制造用金属薄板制作的成型件。 AUTOSTRADE公司旧本)研制了以约为680刊m波长半导体激光器为光源的即系统和针对该波长的可见光敏树脂。澳大利亚的Swinb二工业大学研制了适用于LoM工艺的金属一塑料复合材料[9]。苏格兰的Dundee大学采用coZ激光器切割薄板，利用焊料或粘接剂制作成型。最近推出的TitanTM，EDEN333TM，FDMMaxumTM， ProdigyPlusTM， TdpletsTMandFnMvantageTM系列生产线，其备的尺寸逐渐减小，适应了当今社会桌面化的发展趋势。DTM公司研制出Sinierstatinn系列成型机和多种成型材料，其中Somos材料具有橡胶特性，抗化学腐蚀、耐热[’0]。 3Dsystems新推出的 sinterstationHIQsystem拥有更高的生产效率与改善制件质量的智能热控系统;EOS公司推出PA32OOGF尼龙粉末材料，用其制作的零件具有较好的表面光洁度与较高的精度。 近年来，有关RP方面的书籍、杂志与国际会议相继出现，例如:Bums、Jacods、 Johnson、Binstock和Wood等分别发表了有关即方面的著作或书籍。新出版的有关RP方面的学术期刊包括 RapidProto帅ing(季刊)、 RaPidPrototyPingJoumal(季刊)、 VirtualprototyPingJoumal和R即 idprototyPingReport(月刊)等。学术会议由全美快速原型制造会议、欧洲快速原型与制造技术会议、国际制造过程自动化会议和国际快速原型与制造会议等。快速原型和制造技术迅速在工业界和学术研究界占有了非常重要的地位，正如其本身所具备的快速特征一样。 2.2国内RP技术的研究现状 国内RP技术的研究始于1991年，近几年，我国RP技术发展迅速，己研制出 与国外SLA、LOM、SLS、FDM和3DP等工艺方法相似的设备，并逐步实现商品 化，其设备性能达到了国际水平【11】，在国家教委、国家自然科学基金委员会、 机械工业部和部分地方政府和科委的支持下，清华大学、华中科技大学、南京 航空航天大学、西安交通大学等高等院校和北京隆源公司等高新技术开发公司 等都在RP技术的研究与应用方面取得了显著成果，这些成果包括即理论、RP工 艺原理、方法和控制技术、CAD数据处理软件、成型材料、成型设备和成型精度等方面。 在基于RP技术的快速模具制造的技术方面，我国也取得了很大的进步，清 华大学最先引进美国 3Dsystems公司的sLA一250设备和技术，并且进行研究、开发，现已开发出“M一RPMs-n”型多功能RP的制造系统。这是我国自主知识产权的世界唯一拥有两种RP工艺的系统 [l2]。此外，清华大学主要研究RP方面的现代成型学理论与FDM工艺，并开展了基于SLA工艺的金属模具研究;南京航空航天大学研制了基于SLS的RAP系统;西安交通大学研制了基于SLA的LPS和CPS系统;华中科技大学开发了以纸为成型材料的基于LOM的HRP系统;北京隆 源公司开发了基于SLS的AFS系统;在基于RP技术的快速制造模具方面，华中科 技大学研究出一种复膜技术快速制造铸模，翻制出了铝合金模具与铸铁模块; 隆源公司的即服务中心为企业研制了多种精密铸模。在模具制造业，可以利用 RP技术制得的快速原型，结合硅胶模、精密铸造、金属冷喷涂、离心铸造、电 铸等方法生产模具;RP技术制造出来的快速原型也可直接作为模具。但总的说 来，与工业化国家相比，我国RP技术的研究和应用仍存在一定的差距。 3.各种快速成型工艺原理综述 3.1光固化SLA快速成型工艺的原理。 光固化立体造型又称SLA ( Ster eo lithog raphyApparatus) 。如图3.1所示SLA技术的发展从80年代中期到90年代后期，出现了十几种不同的RP技术，如:LOM、SLS、FDM、3DP、SGC、SDM和LENS等。由于SLA的一系列优点与用途，自问世以来，发展非常迅速，成为目前世界上技术最成熟、研究最深入、应用最广泛的即方法。从世界砂技术市场的发展与变化来看，SLA设备所占的市场份额最大，SLA技术逐渐在RP领域中占据主导地位。SLA也称为立体光刻、光造型、立体印刷等。SLA的基本原理如图3.2所示，以光敏树脂为原料，首先将三维CAD系统在计算机上构成产品的三维实体模型(图3.2a)，再生成并输出STL文件 格式 pdf格式笔记格式下载页码格式下载公文格式下载简报格式下载 的模型(图3.2b)。然后利用切片软件，沿着模型的高度方向进行分层切片，得到该模型的各层断面的二维数据群s。(n==l，2，…，N)(图3.2e)[，3]。根据这些数据，计算机从下层51开始按照顺序将数据取出，在液态光敏树脂的表面，通过一个扫描头控制紫外激光束，扫描出第一层模型的断面形状，被紫外激光束扫描过的部分，由于光引发剂的作用，引发预聚体和活性单体发生聚合而固化，产生一薄层固化层(图3.2d)。形成了第一层断面的固化层后，将基座下降一个设定高度d，在该固化层表面上再涂敷一层液态树脂。然后重复上述过程，第二层S:断面的数据进行扫描曝光、固化(图3.2e)。当树脂可以固化的厚度大于切片分层的高度d时，下层固化的树脂就可与上一层固化的树脂粘接在一起。然后第三层53、第四层54、……，这样层层固化、粘接，逐步按顺序叠加，直到S。层为止，最终形成一个立体的实体原型(图3.2f)。 图3.1 光固化制造示意图 图3.2 光固化成型过程 3.2光固化快速成型工艺的特点和缺点 3.2.1光固化快速成型工艺的特点 (1)产品生产周期短。模具设计和产品可同步进行，几小时内便可完成传 统加工工艺几个月的工作量。 (2)制作过程智能化，成型速度快，自动化程度高。SLA系统极其稳定， 从加工开始后，整个成型过程完全自动化、快速化、连续化，直至原型制作完 成全部由计算机控制[14][l5]; (3)尺寸精度高。快速激光原型真实、准确、完整地反映出所设计的制件， 包括其内部结构和外形，使原型更逼近于真实的产品。SLA原型的尺寸精度可 达到士0.1~(在100nlrn范围内); (4)表面质量优良。虽然在每层固化时曲面和侧面可能出现台阶，但是上表面仍然可以得到玻璃状的效果，达到磨削加工的表面效果; (5)无噪音、无振动、无切削，可以实现生产办公室化操作; (6)可直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失模; (7)可制造几何形状任意、复杂的零件。不管多么复杂的零件，都可以分解为二维数据进行加工，所以特别适合于传统加工工艺难以加工的形状复杂的零件。 3.2.2光固化快速成型技术的缺点是： （1）需要设计支撑结构，才能确保成型过程中制件的每一个结构部位都可靠定位。（2）成本较高，可使用的材料较少。目前可用的材料主要为光敏液态树脂， 强度较低不能进行力学测试。（3）液态树脂具有刺激气味和轻微毒性，应避光保护并防止发生聚光反应。（4）液态树脂固化后的性能不如常用的工程塑料，一般较脆、易断裂、不适宜机械加工。 3.3 SLA快速成型系统 光固化成型系统由光学装置、容器系统、光敏树脂、涂敷机构和控制系统等重要部分组成，如图2 所示。 3.4 其他快速成型制造的类型，优点及其工作原理。 （1） 分层物件制造LOM ( Laminated Object Manufacturing) , 如图3.3 图3.3 LOM制造示意图 LOM 工艺将单面涂有热溶胶的纸片通过加热滚加热粘接在一起, 位于上方的激光器按照CAD分层模型所获数据, 用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓, 然后新的一层纸再叠加在上面, 通过热压装置和下面已切割层粘合在一起, 激光束再次切割, 这样反复逐层切割- 粘合- 切割-直至整个零件模型制作完成。主要优点是: l)成型精度高; 2)不需要支撑结构; 3)不需要后固化处理; 4)原材料价格便宜，成本低 选择性激光烧结法SLS ( Selectiv e LaserSintering) , 如图3 .4所示 图3.4 SLS制造示意图 该法采用CO2 激光器作能源, 在工作台上均匀铺上一层很薄的粉未, 激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结, 一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结完后去掉多余的粉未,再进行打磨、烘干等处理便获得零件。目前, 成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉。主要优点是: l)材料利用率高，成型速度快; 2)原则上不需要支撑结构; 3)材料选择范围广泛; 4)可以直接得到金属件。 （3）熔融沉积造型FDM ( Fused Deposit ionModeling) , 如图4 所示 图3.5 FDM制造示意图 FDM 工艺是将丝状材料由供丝机构送进喷头,在喷头中加热到熔融态, 按照截面形状涂覆在工作台上, 并快速冷却固化, 一层完成后喷头上升一个层高, 再进行下一层的涂覆, 如此重复直到整个零件原型制造完毕。主要优点是: l)精度高，表面质量好，容易装配; 2)成型材料种类多，成型件强度高; 3)无公害，可以在办公室环境下进行操作。 上述四种RP制造工艺是目前应用最普遍的，四种典型的即工艺比较如表1.1 所示。RP制造方法的优选要从零件的功能要求，对原型精度、表面质量的要求 和制造成本等方面综合考虑。 3.4快速成型技术发展方向 快速成型制造技术是一个具生命力的技术, 近年来研究和开发人员不断探索新 的方法.。本文通过分析快速成型方法阐明快速成型的发展方向。 (1)气相沉积成型( SALD) 　　美国康奈迪格( Connect ict) 大学的Kevin Jakubeas阐述了一种基于活性气体分解沉淀的成型技术, 它称之为“S elect ive area laser deposit ion”(图2) , 即使用高能量激光的热能或光能分解一种活性气体。这种活性气体在激光的作用下发生分解, 沉积出一个材料的薄层进行逐层制造。Jakubeas 认为通过改变活性气体的成分和温度以及激光束的能量, 可以沉积出不同材料的零件, 包括成型陶瓷和金属零件。 (2)侵入式光成型 　　日本大阪Sangyo 大学的Yoji Marutani 描述了一个新的立体光成形技术。它是将激光光束通过一个管子直接插入到光敏树脂槽中( 图3) , 管子可在水平方向上自由运动。为了在光固化时防止树脂流入管子而将工件与管子粘到一起, 可在管子中充入空气, 控制气 压, 在管口部形成气泡, 将管子端口与工件分离开, 激光通过管子中的透镜聚焦在工件上进行逐层加工。这种方法, 可以节省通常的光固化成型的再涂层装置与工艺, 节约加工时间, 提高加工效率。 (3)多种材料组织的熔积成形 　　美国卡内基梅伦( Carnegie Mellon ) 大学的L. E. Weiss 和斯坦福( Stanford) 大学的R. Merz 在1997 年发表的文章中提出了一种多相组织的沉积型制造方法( Shape Deposit ion Manufacturing ofHeterogeneous St ructures) 。与此相似, 西安交通大学卢秉恒教授在1995 年申请国家自然科学基金项目《一种微机械制造的新方法》中也阐述了用多个喷头熔积不 同材料来制造微机械的思想, 该项目1996 年获国家自然科学基金资助。这种方法的原理如下: 利用等离子放电来加热金属丝材料, 加热头的结构如图1 所示, 熔化的材料熔积到工件逐渐成型。制做一个多种材料的工件时需要多个喷头, 各喷头可分别喷出不同的材料。在CAD 设计中, 可以设计出一个完整的器件, 器件中的零件由不同材料组成, 分层后的材料信息将在每个层面中体现出来。在每一层面上, 根据各部分所需要的材料要求, 分别喷上所需材料, 这样逐层制造就可成形出一个多种材料和部件的三位实体器件。这种技术可在一些小型复杂结构器件的一次整体制造中使用, 而无需分件加工和装配, 是一个材料与结构一体化的方法, 是发展微机械制造的一条有效途径。 (4)直接光成形 　　美国德州仪器公司( Tex as Instruments ) 的Susanna Ventura 开发了一种直接光成型系统( Directphoto-shaping) 。该系统以光固化树脂作为粘接剂, 采用光照射光固化树脂与陶瓷的混合物, 将陶瓷粘接起来, 逐层固化, 制造出陶瓷零件, 零件经过培烧后, 将树脂烧掉, 陶瓷烧结成型。通过这种方法可以进行陶瓷或粉末冶金零件的制造, 解决难加工零件的成型。 (5)轮廓成型工艺 美国南加州( Southern California) 大学的BarokKhoshnevis 申请了一个称为“cotour craft ing”的专利技术( 图5) 。它将挤压的工艺与类似于FDM 的成型方法结合起来, 用一个“抹刀”成型零件的上表面和侧表面。这种方法可以光顺零件的内外表面, 消除层层累加制造所产生的台阶效应。这样可允许每一层的厚度在比较厚的情况下仍有光滑的表面, 从而提高加工速度。 从以上所述可以看到: ( 1) 快速成型技术正在向着多种材料复合成型方向发展, 无需装配一次制造多种材料、复杂形状的零件和器件。这种将材料制备与结构成型一体化的快速成型方法, 将为开发复合结构成型提供新途径, 在微机械、电子元器件、电子封装、传感器等领域有广泛的应用前景。( 2) 快速成型将向降低成本、提高效率、简化工艺的方向发展, 其目的是普及快速成型技术和提高快速成型的应用范围。( 3) 提高成型件的精度、表面质量、力学和物理性能, 为进一步进行模具加工和功能实验提供基础。 4.快速成型制造的应用 目前快速成型技术已经广范应用于汽车、航空航天、船舶、家电、工业设计、医疗、建筑、工艺品制作以及儿童玩具等领域, 并且随着这一技术本身的不断发展和完善, 其应用范围将不断拓广。 (1)产品开发: 它是继CAD 之后又一项为设计带来重大变革的技术, 通过快速制造一项新设计的概念模型、功能模型和技术模型, 立体直观地进行设计评价、装配检验、功能测试和市场投标等, 大大提高产品开发的成功率, 开发成本大大降低, 总休的开发时间也大大缩短。典型的应用案例有: 美国汽车制造商克莱斯勒( Chrysler) 采用SLA 制作的车体原型进行空气动力学试验, 取得了较好的试验效果, 不仅节约了新车型的开发费用, 而且也极大地缩短了新车型投放市场的时间。 (2)模具制造: 单件原型采用快速成形方法制造无疑是最好的, 但要进行批量生产制造金属零件, 还是要通过转换技术制造模具。这个领域一般称为快速工具( Rapid T ooling) , 目前它巳成为快速成形技术的一个新研究热点.例如美国DTM公司采用SLS 工艺烧结包覆树脂的钢粉末制成模腔原型, 经过渗铜和其它后处理得到钢铜合金的注塑模腔和模芯镶块。 最近, 间接法制模工艺正逐步转向直接制模工艺。以前着眼于小批量试制的简易模具, 近来转向中等批量、甚至是大批量生产的准耐久模具的制造。这是因为与试制品制作领域相比, 模具制造领域的市场规模更大, 成长率更高[14]。 快速精铸技术( Quick- Casting) 也是快速成型技术较为成熟的应用之一。目前来讲, 快速精铸的实现主要有三种途径: 烧失型铸造熔模的快速制造、铸造型壳的快速制造与铸造压型的快速制造。在烧失型铸造熔模的快速制造方面, 美国3D Systems公司通过SLA 形成了较为成熟的工艺; 在铸造型壳的快速制造方面, Soligen 公司用3D- P 原理制成陶瓷铸壳, DTM 则采用SLS 工艺烧结包覆树脂的陶瓷粉末材料制成陶瓷型壳。 （3）在医学上的应用: 根据CT 或MRI 的数据,应用RP 方法可以快速制造人体的骨路( 如颅督、牙齿) 和软组织( 如肾) 等, 并且不同部位采用不同的颜色成形, 病变组织可以用醒目颜色。这些人体的器官模型对于帮助医生进行病情诊断和确定治疗方案极为有利。在康复工程上, 人体假肢的制造采用RP 技术可以大大缩短制造时间, 假肢和肌体的结合部位能够做到最大程度的吻合, 减轻了假肢使用者的痛苦。[15, 16 ] (4)在建筑上的应用: 建筑设计上, RP 技术可以制作建筑物模型( 如大楼、桥梁) , 帮助设计师进行设计评价和最终方案的确定, 在古建筑的恢复上, 可以根据图片记载, 用RP 技术复制原建筑。 此外, RP 技术还可应用到首饰、灯饰和三维地图的设计制作等方面。 5 结束语 综上所述, 快速成型技术是一种正在进一步发展和完善且已经获得了广泛应用的技术. 随着中国加入世贸组织, 市场竞争的日趋激烈, 该技术将会被越来越多的企业所采用, 对企业的发展, 发挥越来越重要的作用, 并将给企业带来巨大的经济效益。同时, 快速成形技术作为一门多学科交叉的专业技术, 其本身的发展, 也将推动相关技术、产业的发展。可以预见,随着CAD 技术的广泛应用, 市场竞争将日趋激烈, 快速成型技术RP 和快速模具制造RT 成套技术将日趋完善. 快速成型技术将发展为一种能被企业普遍采用的技术手段, 并将给企业带来巨大的经济效益, 这应引起各方面的高度重视. 国家有关部门和企业应充分重视RP 技术, 加快开发我国商品化RP系统并大力推广应用. 注重RP 信息的收集、传播与交流, 拓宽RP 研究的深度和广度. 该项技术完全可以立足于国内, 国产RP 系统有望占有内市场并进入国际市场, 这将使我国企业更有信心面临激烈的国际竞争, 使中国经济飞速向前发展. 6参考文献 [1]陈晓华.快速成型技术[J].电气制造，2006(3). 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