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1、第三章快速成型材料及设备第三章快速成型材料及设备模具工程技术研究中心 METRC3 快速成型材料及设备快速成型材料及设备第一节 快速成型材料 快速成型材料根据原型建造原理、技术和方法的不同分为薄层材料、液态材料、粉状材料、丝材等。材料形态液 态固态粉末固态片材固态丝材非金属金 属具体材料光固化树脂蜡粉尼龙粉覆膜陶瓷粉高分子材料粉钢粉覆膜钢粉覆膜纸覆膜塑料覆膜陶瓷箔覆膜金属箔蜡丝ABS丝 快速成型材料及其性能不仅影响着所制作原型的性能及精度，而且也影响着与成型工艺相关联的建造过程。快速成型工艺对成型材料性能的总体要求有如下几个方面：（1）适应逐层累加方式的快速成型建造模式；（2）在各种快速成型建
2、造方式下能快速实现层内建造及层间连接；（3）制作的原型具有一定的尺寸精度和尺寸稳定性；（4）确保原型具有一定的力学性能及性能稳定性；（5）无毒无污染。模具工程技术研究中心 METRC3 快速成型材料及设备快速成型材料及设备一、光固化快速成型材料 光固化材料是一种既古老又崭新的材料，与一般固化方法比较，光固化材料有下列优点：（1）固化快，可在几秒钟内固化，可应用于要求立刻固化的场合；（2）不需要加热，这一点对于某些不能耐热的塑料、光学、电子零件来说十分有用；（3）可配成无溶剂产品，使用溶剂会涉及到许多环境问题和审批手续问题，因此每个工业部门都力图减少使用溶剂；（4）节省能量，各种光源的效率要高于
3、烘箱；（5）可使用单组分，无配制问题，使用期较长；（6）可以自动化操作及固化，提高生产的自动化程度，从而提高生产效率和经济效益。模具工程技术研究中心 METRC 用于光固化快速成型的材料为液态光固化树脂，或称液态光敏树脂。随着光固化成型技术的不断发展，具有独特性能的光固化树脂（如收缩率小甚至无收缩，变形小，不用二次固化，强度高等）也不断地被开发出来。下面分别介绍Vantico公司、3D Systems公司以及DSM公司的光固化快速成型材料的性能、适用场合以及选择方案等。3 快速成型材料及设备快速成型材料及设备模具工程技术研究中心 METRC1、Vantico公司的SL系列 下表给出了Vanti
4、co公司提供的光固化树脂在各种3D Systems公司光固化快速成型系统和原型不同的使用性能和要求情况下的光固化成型材料的选择方案。3 快速成型材料及设备快速成型材料及设备模具工程技术研究中心 METRC3 快速成型材料及设备快速成型材料及设备模具工程技术研究中心 METRC2、3D Systems 公司的Accura系列 3D Systems公司的ACCURA系列光固化成型材料主要有用于SLA Viper si2、SLA3500、SLA5000和 SLA7000系 统 的 ACCUGENTM、ACCUDURTM、SI10、SI20、SI30、SI40 Nd系列型号和用于SLA250、SLA5
5、00系统的SI40 Hc&AR型号等。部分3D Systems 公司的ACCURA系列材料的性能如下表所示。3 快速成型材料及设备快速成型材料及设备模具工程技术研究中心 METRC3 快速成型材料及设备快速成型材料及设备模具工程技术研究中心 METRC3、DSM公司的SOMOS系列 DSM公司的SOMOS系列环氧树脂主要是面向光固化快速成型开发的系列材料，部分型号的性能及主要指标如下表所示。3 快速成型材料及设备快速成型材料及设备模具工程技术研究中心 METRC3 快速成型材料及设备快速成型材料及设备模具工程技术研究中心 METRC LOM工艺中的成型材料涉及到三个方面的问题，即薄层材料、粘结
6、剂和涂布工艺。薄层材料可分为纸、塑料薄膜、金属箔等。目前的LOM成型材料中的薄层材料多为纸材，而粘结剂一般为热熔胶。纸材料的选取、热溶胶的配置及涂布工艺均要从保证最终成型零件的质量出发，同时要考虑成本。对于LOM纸材的性能，要求厚度均匀、具有足够的抗拉强度以及粘结剂有较好的湿润性、凃挂性和粘结性等。下面就纸的性能、热熔胶的要求及凃布工艺进行简要的介绍。二、叠层实体快速成型材料3 快速成型材料及设备快速成型材料及设备模具工程技术研究中心 METRC纸的性能：纸的性能：对于LOM成型材料的纸材，有以下要求：（1）抗湿性 保证纸原料(卷轴纸)不会因时间长而吸水，从而保证热压过程中不会因水分的损失而产
7、生变形及粘接不牢。纸的施胶度可用来表示纸张抗水能力的大小。（2）良好的浸润性 保证良好的涂胶性能。（3）抗拉强度 保证在加工过程中不被拉断。（4）收缩率小 保证热压过程中不会因部分水分损失而导致变形，可用纸的伸缩率参数计量。（5）剥离性能好 因剥离时破坏发生在纸张内部，要求纸的垂直方向抗拉强度不是很大。（6）易打磨，表面光滑。（7）稳定性 成型零件可长时间保存。3 快速成型材料及设备快速成型材料及设备模具工程技术研究中心 METRC热溶胶：热溶胶：叠层实体制造中的成型材料多为涂有热熔胶的纸材，层与层之间的粘结是靠热熔胶保证的。热熔胶的种类很多，其中以EVA(乙烯醋酸乙烯酯共聚物)型热熔胶的需求
8、量为最大，占热熔胶消费总量的80%左右。当然在热熔胶中还要添加某些特殊的组分。LOM纸材对热熔胶的基本要求为：良好的热熔冷固性（约70100开始熔化，室温下固化）；在反复“熔融固化”条件下，具有较好的物理化学稳定性；熔融状态下与纸具有较好的涂挂性和涂匀性；与纸具有足够粘结强度；良好的废料分离性能。EVA型热熔胶主要成分为：EVA，松香甘油脂，石蜡等。3 快速成型材料及设备快速成型材料及设备模具工程技术研究中心 METRC涂装工艺：涂装工艺：涂布工艺有涂布形状和涂布厚度两个方面。涂布形状指的是采用均匀式涂布还是非均匀涂布，非均匀涂布又有多种形状。均匀式涂布采用狭缝式刮板进行涂布，非均匀涂布有条纹
9、式和颗粒式。一般来讲，非均匀涂布可以减小应力集中，但涂布设备比较贵。涂布厚度指的是在纸材上涂多厚的胶，选择涂布厚度的原则是在保证可靠粘接的情况下，尽可能涂的薄，以减少变形、溢胶和错移。3 快速成型材料及设备快速成型材料及设备模具工程技术研究中心 METRC表表3-6 KINERGY3-6 KINERGY公司生产的纸基卷材公司生产的纸基卷材型号型号K-01K-02K-03宽度/mm300900300900300900厚度/mm0.120.110.09粘接温度/210250250成型后的颜色浅灰浅黄黑成型过程翘曲变形很小稍大小成型件耐温性好好很好（200）成型件表面硬度高较高很高成型件表面光亮度好
10、很好（类似塑料）好成型件表面抛光性好好很好成型件弹性一般好（类似塑料）一般废料剥离性好好好价格较低较低较高3 快速成型材料及设备快速成型材料及设备模具工程技术研究中心 METRC、影响堆积成型的熔丝材料的相关特性、影响堆积成型的熔丝材料的相关特性FDM技术的关键在于热融喷头，喷头温度的控制要求使材料挤出时既保持一定的形状又有良好的粘结性能。除了热熔喷头以外，成型材料的相关特性（如材料的粘度、熔融温度、粘结性以及收缩率等）也是FDM工艺应用过程中的关键。材料的粘度材料的粘度材料的粘度低、流动性好，阻力就小，有助于材料顺利挤出。材料的流动性差，需要很大的送丝压力才能挤出，会增加喷头的启停响应时间，
11、从而影响成型精度。材料熔融温度材料熔融温度 熔融温度低可以使材料在较低温度下挤出，有利于提高喷头和整个机械系统的寿命。可以减少材料在挤出前后的温差，减少热应力，从而提高原型的精度。材料的粘结性材料的粘结性 FDM工艺是基于分层制造的一种工艺，层与层之间往往是零件强度最薄弱的地方，粘结性好坏决定了零件成型以后的强度。粘结性过低，有时在成型过程中因热应力会造成层与层之间的开裂。材料的收缩率材料的收缩率 由于挤出时，喷头内部需要保持一定的压力才能将材料顺利挤出，挤出后材料丝一般会发生一定程度的膨胀。如果材料收缩率对压力比较敏感，会造成喷头挤出的材料丝直径与喷嘴的名义直径相差太大，影响材料的成型精度。
12、FDM成型材料的收缩率对温度不能太敏感，否则会产生零件翘曲、开裂。由以上材料特性对FDM工艺实施的影响来看，FDM工艺对成型材料的要求是熔融温度低、粘度低、粘结性好、收缩率小。熔融温度低、粘度低、粘结性好、收缩率小。三、熔融沉积快速原型材料3 快速成型材料及设备快速成型材料及设备模具工程技术研究中心 METRC3 快速成型材料及设备快速成型材料及设备表表3-7 FDM工艺成型材料的基本信息工艺成型材料的基本信息材材 料料适用的设备系统适用的设备系统可供选择的颜色可供选择的颜色备备 注注ABS 丙稀腈丁二烯苯乙烯FDM1650，FDM2000，FDM8000，FDMQuantum白黑红绿蓝耐用的
13、无毒塑料ABSi 医学专用ABSFDM1650，FDM2000黑白被食品及药物管理局认可的、耐用的且无毒的塑料E20FDM1650，FDM2000所有颜色人造橡胶材料，与封铅、轴衬、水龙带和软管等使用的材料相似ICW06 熔模铸造用蜡FDM1650，FDM2000N/AN/A可机加工蜡FDM1650，FDM2000N/AN/A造型材料Genisys ModelerN/A高强度聚酯化合物，多为磁带式而不是卷绕式模具工程技术研究中心 METRC3 快速成型材料及设备快速成型材料及设备表表3-8 FDM工艺成型材料的特性指标工艺成型材料的特性指标材材 料料抗拉强抗拉强度度/MPa弯曲强弯曲强度度/M
14、Pa冲击韧性冲击韧性/(J/m2)延伸率延伸率/%肖氏硬度肖氏硬度/D玻璃化温度玻璃化温度/ABS22411076105104ABSi3761101.43.1108116ABSplus3652964ABS-M3036611396109.5108PC-ABS34.8501234.3110125PC529753.393115161PC-ISO528253.395161PPSF5511058.73386230E206.45.534796ICW063.54.31713Genisys Modeling Material19.326.93262模具工程技术研究中心 METRC、FDM工艺对支撑材料的要求工
15、艺对支撑材料的要求FDM工艺对支撑材料的要求是能够承受一定的高温、与成型材料不浸润、具有水溶性或者酸溶性、具有较低的熔融温度、流动性要特别好等，具体说明如下：能承受一定高温度能承受一定高温度由于支撑材料要与成型材料在支撑面上接触，所以支撑材料必须能够承受成型材料的高温，在此温度下不产生分解与融化。由于FDM工艺挤出的丝比较细，在空气中能够比较快速的冷却，所以支撑材料能承受100以下的温度即可。与成型材料不浸润，便于后处理与成型材料不浸润，便于后处理 支撑材料是加工中采取的辅助手段，在加工完毕后必须去除，所以支撑材料与成型材料的亲和性不应太好。具有水溶性或者酸溶性具有水溶性或者酸溶性 由于FDM
16、工艺的一大优点是可以成型任意复杂程度的零件，经常用于成型具有很复杂的内腔、孔等零件，为了便于后处理，最好是支撑材料在某种液体里可以溶解。这种液体必须不能产生污染或有难闻气味。由于现在FDM使用的成型材料一般是ABS工程塑料，该材料一般可以溶解在有机溶剂中，所以不能使用有机溶剂。目前已开发出水溶性支撑材料。具有较低的熔融温度具有较低的熔融温度 具有较低的熔融温度可以使材料在较低的温度挤出，提高喷头的使用寿命。流动性要好流动性要好 由于支撑材料的成型精度要求不高，为了提高机器的扫描速度，要求支撑材料具有很好的流动性，相对而言，对于粘性可以差一些。3 快速成型材料及设备快速成型材料及设备模具工程技术
17、研究中心 METRC四、选择性激光烧结快速原型材料SLS工艺材料适应面广，不仅能制造塑料零件，还能制造陶瓷、石蜡等材料的零件。特别是可以直接制造金属零件，这使SLS工艺颇具吸引力。用于SLS工艺的材料是各类粉末，包括金属、陶瓷、石蜡以及聚合物的粉末，如尼龙粉、覆裹尼龙的玻璃粉、聚碳酸脂粉、聚酰胺粉、蜡粉、金属粉（成型后常须进行再烧结及渗铜处理）、覆裹热凝树脂的细沙、覆蜡陶瓷粉和复蜡金属粉等，近年来更多的采用复合材料。工程上一般采用粒度的大小来划分颗粒等级，如下表所示。SLS工艺采用的粉末粒度一般在50125m之间。3 快速成型材料及设备快速成型材料及设备模具工程技术研究中心 METRC3 快速
18、成型材料及设备快速成型材料及设备表表3-9 工程上粉体的等级及相应的粒度范围工程上粉体的等级及相应的粒度范围 模具工程技术研究中心 METRC3 快速成型材料及设备快速成型材料及设备 间接SLS用的复合粉末通常有两种混合形式：一种是粘结剂粉末与金属或陶瓷粉末按一定比例机械混合；另一种则是把金属或陶瓷粉末放到粘结剂稀释液中，制取具有粘结剂包裹的金属或陶瓷粉末。实践表明，采用粘结剂包裹的粉末的制备虽然复杂，但烧结效果较机械混合的粉末好。当烧结环境温度控制在聚碳酸酯软化点附近时，其线胀系数较小，进行激光烧结后，被烧结的聚碳酸酯材料翘曲较小，具有很好的工艺性能。为了提高原型的强度，用于SLS工艺材料的研究也逐渐转向金属和陶瓷。近年来开发的较为成熟的用于SLS工艺的材料如表3-10所示。模具工程技术研究中心 METRC3 快速成型材料及设备快速成型材料及设备模具工程技术研究中心 METRC3 快速成型材料及设备快速成型材料及设备