图8-30 光固化立体成形示意图

1.光固化立体成形

光固化立体成形（Stereo Lithography Apparatus，SLA）的工作原理如图8-30所示。在液槽中盛满液态光敏树脂，该树脂可在紫外线照射下快速固化。开始时，可升降的工作台处于液面下一个截面层（CAD模型离散化合的截面层）厚的高度，聚焦后的激光束，在计算机的控制下，在截面轮廓范围内，对液态树脂逐点进行扫描，使被扫描区域的树脂固化，从而得到该截面轮廓的塑料薄片。然后，升降机构带动工作台下降一层薄片的高度，已固化的塑料薄片就被一层新的液态树脂覆盖，以便进行第二层激光扫描固化，新固化的一层牢固地粘结在前一层上，如此重复直到整个模型成形完毕。一般截面薄片的厚度为0.07～0.4mm。

工件从液槽中取出后还要进行后固化，工作台上升到容器上部，排掉剩余树脂，从SLA机取走工作台和工件，用溶剂清除多余树脂，然后将工件放入后固化装置，经过一段时间紫外线曝光后，工件完全固化。固化时间由零件的几何形状、尺寸和树脂特性确定，大多数零件的固化时间不小于30min。从工作台上取下工件，去掉支撑结构，进行打光、电镀、喷漆或着色即成。

此外线可以由HeCd激光器或者UV argon-ion激光器产生。激光的扫描速度可由计算机自动调整，以使不同的固化深度有足够的曝光量。X—Y扫描仪的反射镜控制激光束的最终落点，并可提供矢量扫描方式。

SLA是第一种投入商业应用的RPM技术。其特点是技术日臻成熟，能制造精细的零件，尺寸精度较高，可确保工件的尺寸精度在0.1mm以内；表面质量好，工件的最上层表面很光滑；可直接制造塑料件，产品为透明体。不足之处有：设备昂贵，运行费用很高；可选的材料种类有限，必须是光敏树脂；工件成形过程中不可避免地使聚合物收缩产生内部应力，从而引起工件翘曲和其他变形；需要设计工件的支撑结构，确保在成形过程中工件的每一结构部位都能可靠定位。

2.叠层实体制造

叠层实体制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）是近年来发展起来的又一种快速成形技术，它通过对原料纸进行层合与激光切割来形成零件，如图8-31所示。LOM工艺先将单面涂有热熔胶的胶纸带通过加热辊加热加压，与先前已形成的实体粘结（层合）在一起，此时，位于其上方的激光器按照分层CAD模型所获得的数据，将一层纸切割成所制零件的内外轮廓。轮廓以外不需要的区域，则用激光切割成小方块（废料），这些小方块在成形过程中可以起支撑和固定作用。该层切割完后，工作台下降一个纸厚的高度，然后新的一层纸再平铺在刚成形的面

图8-31 叠层实体制造原理图

上，通过热压装置将它与下面已切割层粘合在一起，激光束再次进行切割。经过多次循环工作，最后形成由许多小废料块包围的三维原型零件。然后取出原型，将多余的废料块剔除，就可以获得三维产品。胶纸片的厚度一般为0.07～0.15mm。由于LOM工艺无需激光扫描整个模型截面，只要切出内外轮廓即可，因此，制模的时间取决于零件的尺寸和复杂程度，成形速度比较快，制成模型后用聚氨酯喷涂即可使用。

LOM的优点如下：

1）设备价格低廉（与SLA相比），采用小功率CO₂激光器，不仅成本低廉，而且使用寿命也长，造型材料成本低。

2）造型材料一般是涂有热熔树脂及添加剂的纸，制造过程中无相变，精度高，几乎不存在收缩和翘曲变形，原型强度和刚度高，几何尺寸稳定性好，可用常规木材加工的方法对表面进行抛光。

3）采用SLA方法制造原型，需对整个截面扫描才能使树脂固化，而LOM方法只需切割截面轮廓，成形速度快，原型制造时间短。

4）无需设计和构建支撑结构。

5）能制造大尺寸零件，工业应用面广。

6）代替蜡材，烧制时不膨胀，便于熔模铸造。

该方法也存在如下一些不足：

1）可供应用的原材料种类较少，尽管可选用若干原材料，如纸、塑料、陶土以及合成材料，但目前常用的只是纸，其他箔材尚在研制中。

2）纸质零件很容易吸潮，必须立即进行后处理、上漆。

3）难以制造精细形状的零件，即仅限于结构简单的零件。

4）由于难以去除里面的废料，该工艺不宜制造内部结构复杂的零件。

3.选择性激光烧结(www.daowen.com)

图8-32 选择性激光烧结原理图

选择性激光烧结（Selected Laser Sintering，SLS）采用CO₂激光器对粉末材料（塑料粉、陶瓷与粘结剂的混合粉、金属与粘结剂的混合粉等）进行选择性烧结，是一种由离散点一层堆积成三维实体的工艺方法，如图8-32所示。

选择性激光烧结在开始加工之前，先将充有氮气的工作室升温，并保持在粉末的熔点以下。成形时，送料筒上升，铺粉滚筒移动，先在工作台上均匀地铺上一层很薄的（100～200μm）粉末材料，然后，激光束在计算机的控制下按照CAD模型离散后的截面轮廓对工件实体部分所在的粉末进行烧结，使粉末熔化继而形成一层固体轮廓。一层烧结完成后，工作台下降一层截面的高度，再铺上一层粉末进行烧结，如此循环，直至整个工件完成为止。最后经过5～10h冷却，即可从粉末缸中取出零件。未经烧结的粉末能承托正在烧结的工件，当烧结工序完成后，取出零件，未经烧结的粉末基本可自动脱落（必要时可用低压压缩空气清理），并重复利用。

SLS与其他快速成形工艺相比，能制造很硬的零件；可以采用多种原料，如绝大多数工程用塑料、蜡、金属和陶瓷等；无需设计和构建支撑结构。

SLS的缺点是预热和冷却时间长，总的成形周期长；零件表面粗糙度的高低受粉末颗粒及激光点大小的限制；零件的表面一般是多孔性的，后处理较为复杂。

选择性激光烧结工艺适合成形中小型零件，零件的翘曲变形比液态光固化立体成形工艺要小，适合于产品设计的可视化表现和制造功能测试零件。由于它可采用各种不同成分金属粉末进行烧结，进行渗铜后置处理，因而其制成的产品具有与金属零件相近的力学性能，故可用于制造EDM电极、金属模具及小批量零件生产。

4.熔丝堆积成形

熔丝堆积成形（Fused Deposition Modeling，FDM）工艺是一种不依靠激光作为成形能源，而将各种丝材加热熔化的成形方法，如图8-33所示。

图8-33 熔丝堆积成形原理图

熔丝堆积成形的原理是：加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作X—Y平面运动，热塑性丝材由供丝机构送至喷头，并在喷头中被加热至略高于其熔点，呈半流动状态，从喷头中挤压出来，很快凝固后形成一层薄片轮廓。一层截面成形完成后，工作台下降一层高度，再进行下一层的熔覆，一层叠一层，最后形成整体。每层厚度范围在0.025～0.762mm。

FDM可快速制造瓶状或中空零件，工艺相对简单，费用较低；不足之处是精度较低，难以制造复杂的零件，且与截面垂直的方向强度小。

这种方法适合于产品概念建模及功能测试。FDM所用材料为聚碳酸酯、铸造蜡材和ABS，可实现塑料零件无注塑模成型制造。

5.三维印刷

三维印刷与选择性激光烧结有些相似，不同之处在于它的成形方法是用粘结剂将粉末材料粘结，而不是用激光对粉末材料进行烧结，在成形过程中没有能量的直接介入。由于它的工作原理与打印机或绘图仪相似，因此，通常称为三维印刷（Three Dimensional Printing，TDP），如图8-34所示。

图8-34 三维印刷原理图

TDP的工作过程是：含有水基粘结剂的喷头在计算机的控制下，按照零件截面轮廓的信息，在铺好一层粉末材料的工作平台上，有选择性地喷射粘结剂，使部分粉末粘结在一起，形成截面轮廓。一层粉末成形完成后，工作台下降一个截面层高度，再铺上一层粉末，进行下一层轮廓的粘结，如此循环，最终形成三维产品的原型。为提高原型零件的强度，可用浸蜡、树脂或特种粘结剂作进一步的固化。

TDP具有设备简单，粉末材料价格较便宜，制造成本低和成形速度快（高度方向可达25～50mm/h）等优点，但TDP制成的零件尺寸精度较低（为0.1～0.2mm），强度较低。TDP法适用的材料范围很广，甚至可以制造陶瓷模，主要问题是制件的表面质量较差。

四种快速成形方法的特点及常用材料见表8-18。

表8-18 四种快速成形方法的特点及常用材料