增材制造技术版课件第二章-增材制造技术的常见工艺方法及其装备.pptx

1、增材制造技术 第第2 2章章 增材制造技术的常见工增材制造技术的常见工艺方法及其装备艺方法及其装备u增材制造的定义及特点u各类成型方法的特点及应用场合u典型3D打印机的结构特点v 本章重点本章重点本章重难点本章重难点v 本章难点本章难点uSLS、SLM、EBM、FDM等工艺原理及成型过程u各类成型方法的特点及应用场合12选择性激光熔融（选择性激光熔融（SLM）电子束熔融（电子束熔融（EBM）选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLS）3654熔融沉积（熔融沉积（FDM）纤维缠绕纤维缠绕三维打印快速成型（三维打印快速成型（3DP）7纤维铺放纤维铺放第第2 2章章 增材制造技术的常见工艺方增材制造技术

2、的常见工艺方法及其装备法及其装备 选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）是利用粉末状材料成型的。v 2.1.1 选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLS）2.1 2.1 选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLSSLS）图图2-1 选区激光烧结的原理选区激光烧结的原理 该工艺的基本原理如图2-1所示。SLS工艺的原理是预先在工作台上铺一层粉末材料（金属粉末或非金属粉末），在计算机控制下，按照界面轮廓信息，利用大功率激光对实心部分粉末进行扫描烧结，然后不断循环，层层堆积成型，直至模型完成。选择性激光烧结由Carl Robert Deckard于1988年发明。SL

3、S工艺是利用粉末状材料成型的。由于该类成型方法有着制造工艺简单、柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜，成本低、材料利用率高、成型速度快等特点，针对以上特点SLS主要应用于铸造业，并且可以用来直接制作快速模具。2.1 2.1 选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLSSLS）v 2.1.2 SLS的成型过程的成型过程图图2-2 基于基于SLS工艺的金属零件直接工艺的金属零件直接制造过程制造过程 SLS成型过程一般可以分三个阶段：前处理、粉层激光烧结叠加和后处成型过程一般可以分三个阶段：前处理、粉层激光烧结叠加和后处理。理。（1）前处理 前处理阶段中，主要完成模型的三维CAD造型。将绘制好的三维模型

4、文件导入特定的切片软件进行切片，最后将切片数据输入烧结系统。（2）粉层激光烧结叠加 激光烧结的过程原理如图2-1所示。加热前对成型空间进行预热，然后将一层薄薄的热可熔粉末涂抹在部件建造室。在这一层粉末上用CO2激光束选择性地扫描CAD部件最底层的横截面。当横截面被完全扫描后，通过滚轴机将新一层粉末涂抹到前一层之上。这一过程为下一层的扫描做准备。重复操作，每一层都与上一层融合。每层粉末依次被堆积，重复上述过程直至打印完毕。（3）后处理 激光烧结后的原型件，由于本身的力学性能比较低，表面粗糙度也比较低，既不能满足作为功能件的要求，又不能满足精密铸造的要求，因此需要进行后处理。有时需进行多次后处理来

5、达到零部件工艺所需要求。根据坯体材料的不同，以及对制造件性能要求的不同，我们可以对烧结件采用不同的后处理方法。烧结件的后处理方法有多种，如高温烧结、热等静压烧结、熔浸和浸渍等。v 2.1.2 SLS的成型过程的成型过程2.1 2.1 选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLSSLS）（1）高温烧结 高温烧结阶段形成大量闭孔，并持续缩小，使孔隙尺寸和孔隙总数有所减少，烧结体密度明显增加。在高温烧结后，坯体密度和强度增加，性能也得到改善。（2）热等静压烧结 热等静压烧结工艺是将制品放置到密闭的容器中，使用流体介质，向制品施加各向同等的压力，同时施以高温，在高温高压的作用下，制品的组织结构致密化。（3）

6、熔浸 熔浸是将金属或陶瓷制件与另一个低熔点的金属接触或浸埋在液态金属内，让液态金属填充制件的孔隙，冷却后得到致密的零件。经过熔浸后处理的制件致密度高，强度大，基本不产生收缩，尺寸变化小。（4）浸渍 浸渍工艺类似于熔浸，不同之处在于浸渍是将液体非金属材料浸渍到多孔的选择性激光烧结坯体的孔隙内，并且浸渍处理后的制件尺寸变化更小。图图2-3 基于基于SLS工艺的金属零件工艺的金属零件间接制造过程间接制造过程 1986年第一台SLS样机问世，1992年DTM公司推出了商业化生产设备SinterStation，开启了SLS的商业化；随后SinterStation2000、SinterStation200

7、5等相继问世。v 2.1.3 SLS的相关设备的相关设备2.1 2.1 选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLSSLS）SLS的优点和缺点：SLS的典型应用：l（1）快速原型制造l（2）快速模具和工具制造l（3）单件或小批量生产 图图2-4 Sintratec公司的公司的SINTRATEC KIT优点优点材料的多样性缺点缺点原型制作易变形过程易操作后处理复杂材料利用率高需要预热、冷却无须支撑结构成型表面粗糙多孔模具的强度极高污染环境12选择性激光熔融（选择性激光熔融（SLM）电子束熔融（电子束熔融（EBM）选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLS）3654熔融沉积（熔融沉积（FDM）纤维缠绕纤维缠

8、绕三维打印快速成型（三维打印快速成型（3DP）7纤维铺放纤维铺放第第2 2章章 增材制造技术的常见工艺方增材制造技术的常见工艺方法及其装备法及其装备 选择性激光熔融（Selective Laser Melting，SLM）是20世纪90年代中期在SLS工艺的基础上发展起来的。SLM工艺克服了SLS工艺在制造金属零件工艺过程相对复杂的困扰。SLM工艺可利用高强度激光熔融金属粉末的快速成型出致密且力学性能良好的金属零件。v 2.2.1 SLM的原理的原理2.2 2.2 选择性激光熔融（选择性激光熔融（SLMSLM）图图2-7 SLM熔化机的工作熔化机的工作原理原理 SLM的原理是指在高激光能量密度

9、作用下，金属粉末完全熔化，经冷却凝固层层累积成型出三维实体。常用SLM设备的工作原理如图2-7所示。SLM设备使用激光器，通过扫描反射镜控制激光束熔融每一层的轮廓。金属粉末则被完全熔化，而不是金属粉末黏结在一起。因此成型件的致密度可达到100%。强度和精度都高于激光烧结成型。2.2 2.2 选择性激光熔融（选择性激光熔融（SLMSLM）v 2.2.2 SLM的成型过程的成型过程 图图2-8 SLM技术的成型过程技术的成型过程 SLM的成型过程与SLS非常相似，均由前处理、分层激光烧结和后处理组成。其主要区别是SLM熔融金属材料温度极高，通常要使用惰性气体，如氩气或氢气来控制氧气的气氛。其次SL

10、M使用单纯金属粉末，而SLS使用添加了黏结剂的混合粉末，使得成品质量差异较大。SLM成型过程如图2-8所示。目前，欧美等发达国家在激光选区熔化（SLM）设备的研发及商业化进程上处于世界领先地位。早在1995年，德国的Fraunhofer就提出SLM技术，并于2002年研制成功。随后，于2003年底，德国MCP-HEK公司生产出第一台SLM机器，利用该机器加工出来的工件致密度达到了100%，可以直接应用于工业领域。v 2.2.3 SLM的相关设备的相关设备2.2 2.2 选择性激光熔融（选择性激光熔融（SLMSLM）SLM的优点：l（1）零件成型精度高l（2）零件致密性好 SLS的典型应用：SL

11、M增材制造的应用范围比较广，主要用于机械领域的工具及模具、生物医疗领域的生物植入零件或替代零件、电子领域的散热元器件、航空航天领域的超轻结构件、梯度功能复合材料零件。图图2-9 可定制化金属可定制化金属3D打打印机印机FS271M SLM的缺点：l（1）加工制造工艺相对复杂l（2）需要用高功率密度的激光l（3）SLM工艺成本高 12选择性激光熔融（选择性激光熔融（SLM）电子束熔融（电子束熔融（EBM）选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLS）3654熔融沉积（熔融沉积（FDM）纤维缠绕纤维缠绕三维打印快速成型（三维打印快速成型（3DP）7纤维铺放纤维铺放第第2 2章章 增材制造技术的常见工艺方

12、增材制造技术的常见工艺方法及其装备法及其装备 电子束熔融（Electron Beam Melting，EBM）是瑞典ARCAM公司最先开发的一种增材制造技术。EBM类似于SLM工艺，利用电子束在真空室中逐层熔化金属粉末，并可由CAD模型直接制造金属零件。v 2.3.1 EBM的原理的原理2.3 2.3 电子束熔融（电子束熔融（EBMEBM）电子束电子束 聚焦线圈聚焦线圈 偏转线圈偏转线圈 粉料粉盒粉料粉盒 铺粉构件铺粉构件 建造构件建造构件 铺粉铺粉平面平面 图图2-7 SLM熔化机的工熔化机的工作原理作原理 电子束熔融技术是在真空环境下以电子束为热源，以金属粉末为成型材料，高速扫描加热预置的

13、粉末，通过逐层化叠加，获得金属零件。EBM的工作原理如图2-12所示。在铺粉平面上铺上粉末，将高温丝极释放的电子束通过阳极加速到光速的一半，通过聚焦线圈使电子束聚焦，在偏转线圈的控制下，电子束按照截面轮廓信息进行扫描，高能电子束将金属粉末熔化并在冷却后成型。2.3 2.3 电子束熔融（电子束熔融（EBMEBM）v 2.3.2 EBM的成型过程的成型过程 图图2-13 电子束熔融技术电子束熔融技术成型过程成型过程 EBM工艺过程中，建模存在多种不同的方法。例如利用工艺过程中，建模存在多种不同的方法。例如利用EBM工艺加工工艺加工Ti6Al4V粉粉末时就有两种方法，第一种方法是采用格子波尔兹曼方法

14、（末时就有两种方法，第一种方法是采用格子波尔兹曼方法（LBM）计算加工）计算加工Ti6Al4V粉末粉末时达到的温度。第二种方法是有限元法（时达到的温度。第二种方法是有限元法（FEM），考虑到粉末作为具有自身特征的连续体，），考虑到粉末作为具有自身特征的连续体，这种方法更为合适。这种方法更为合适。EBM成型过程如图2-13所示。首先，一层薄层粉末放置在工作台上，在电磁偏转线圈的作用下，电子束由计算机来控制。基于制件的各层截面的CAD数据，电子束选择性地对粉末层进行扫描熔化，熔化的粉末形成冶金结合。未被熔化的粉末仍是松散状，可作为支撑。一层加工完成后，工作台下降一个层厚的高度，再进行下一层铺粉和熔

15、化，同时新熔化层与前一层金属体熔合为一体，重复上述过程直至零件加工结束。目前，世界上典型的EBM工艺商用化设备由瑞典的Arcam公司提供。该公司主要生产三种类型的产品，Arcam Q10、Arcam Q10plus、Arcam Q20和Arcam A2X。v 2.3.3 EBM的相关设备的相关设备2.3 2.3 电子束熔融（电子束熔融（EBMEBM）EBM的优点：l（1）污染少，防氧化l（2）较高的延展性l（3）可制备复杂部件 EBM的典型应用：EBM主要应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。因为EBM的适用性，使得EBM工艺可运用于生产

16、制造矫形植入物。图图2-14 Arcam Q10plus成成型机型机 EBM的缺点：l 表面质量较低。由于粉末层的粒度和较大的厚度，相较于SLM，EBM工艺通常会造成较低的分辨率和较高的表面粗糙度。12选择性激光熔融（选择性激光熔融（SLM）电子束熔融（电子束熔融（EBM）选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLS）3654熔融沉积（熔融沉积（FDM）纤维缠绕纤维缠绕三维打印快速成型（三维打印快速成型（3DP）7纤维铺放纤维铺放第第2 2章章 增材制造技术的常见工艺方增材制造技术的常见工艺方法及其装备法及其装备 熔融沉积（Fused Depositon Modeling，FDM）增材制造技术由美国

17、学者Dr.ScottCrump于1988年研发成功的，并由美国Stratasys公司推出了商业化的设备。FDM是将各种热熔性的丝状材料（如蜡、工程塑料和尼龙等）加热熔化，然后通过由计算机控制的精细喷嘴按CAD分层截面数据进行二维填充，喷出的丝材经冷却黏结固化生成薄层截面形状，层层叠加形成三维实体。v 2.4.1 FDM的原理的原理2.4 2.4 熔融沉积（熔融沉积（FDMFDM）图图2-16 FDM工艺原理工艺原理 FDM工艺原理类似于热胶枪。如图2-16所示，为FDM工艺原理图。热熔性材料的温度始终稍高于固化温度，而成型的部分温度稍低于固化温度。热熔性材料通过加热喷嘴喷出后，随即与前一个层面

18、熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体零件。2.4 2.4 熔融沉积（熔融沉积（FDMFDM）v 2.4.2 FDM的成型过程的成型过程 图图2-17 FDM工艺过工艺过程程 FDM成型工艺在原型制作同时需要制作支撑，为了节省材料成本和提高制作效率，成型工艺在原型制作同时需要制作支撑，为了节省材料成本和提高制作效率，新型的新型的FDM设备采用双喷头，如图设备采用双喷头，如图2-17所示。一个喷头用于成型原型零件，另一个喷头用所示。一个喷头用于成型原型零件，另一个喷头用于成型支撑。于成型支撑。FDM的成型过程是在供料辊上，将实心丝状原

19、材料进行缠绕，由电动机驱动辊子旋转，辊子和丝材之间的摩擦力是丝材向喷嘴出口送进的动力。喷嘴在XY坐标系运动，沿着软件指定的路径生成每层的图案。待每层打印完毕后，挤压头再开始打印下一层，直至加工结束。美国Stratasys公司为丝材熔融沉积成型设备的著名厂商，多年来在FDM机型开发上具有绝对优势。近年来，在小型桌面级打印机盛行的形势下，Stratasys公司也适时推出基于FDM建造方式的个人打印机等。如图2-18所示，给出的是Stratasys公司基于FDM工艺开发的系列设备。v 2.4.3 FDM的相关设备的相关设备2.4 2.4 熔融沉积（熔融沉积（FDMFDM）FDM的优点：l（1）该技术

20、污染小,材料可以回收 l（2）成型材料广泛l（3）成型效率高l（4）可以成型任意复杂程度的零件。图图2-18 Stratasys公司开发的基公司开发的基于于FDM工艺设备工艺设备 FDM的缺点：l（1）需要设计制作支撑结构l（2）工件表面比较粗糙l（3）加工过程的时间较长。FDM的典型应用:FDM工艺在桌面化办公用品、制作模具、家用电器等领域都有应用。12选择性激光熔融（选择性激光熔融（SLM）电子束熔融（电子束熔融（EBM）选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLS）3654熔融沉积（熔融沉积（FDM）纤维缠绕纤维缠绕三维打印快速成型（三维打印快速成型（3DP）7纤维铺放纤维铺放第第2 2章章

21、增材制造技术的常见工艺方增材制造技术的常见工艺方法及其装备法及其装备 三维打印成型（Three Dimensional Printing，3DP）由麻省理工学院开发。3DP是基于增材制造技术基本的堆积建造模式，从而实现三维实体的快速制作。因其材料较为广泛，设备成本较低且可小型化到办公室使用等，近年来发展较为迅速。v 2.5.1 3DP的原理的原理2.5 2.5 三维打印快速成型（三维打印快速成型（3DP3DP）3DP的工作原理是首先按照设定的层厚进行铺粉，随后利用喷嘴按指定路径将黏结剂喷在预先铺好的粉层特定区域，之后工作台下降一个层厚的距离，继续进行下一叠层的铺粉，逐层黏结后去除多余底料便得到

22、所需形状的制件。该方法可以用于制造几乎任何几何形状的金属、陶瓷。3DP工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成型，如陶瓷基粉末，金属基粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用黏结剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用黏结剂黏结的零件强度较低，还须进行后处理。2.5 2.5 三维打印快速成型（三维打印快速成型（3DP3DP）v 2.5.2 3DP的成型过程的成型过程 图图2-20 3DP成型过成型过程程 3DP工艺成型过程如图2-20所示：上一层黏结完成后，成型缸的托盘下降一定距离，这个距离一般为0.1mm左右；然后供粉缸的托盘上升一高度，推出若干粉末，并被滚压机推

23、到成型缸，粉末铺平并被压实。滚压机铺粉时，多余的粉末被左侧集粉装置收集。未被喷射黏结剂的地方为干粉，在成型过程中起支撑作用，且成型结束后，也比较容易去除。3DP工艺成型过程如图2-20所示：上一层黏结完成后，成型缸的托盘下降一定距离，然后供粉缸的托盘上升一高度，推出若干粉末，并被滚压机推到成型缸，粉末铺平并被压实。喷头在计算机控制下，按下一截面的成型数据有选择性地喷射黏结剂来建造层面。在以色列Objet公司推出了Connex、Eden、Objet等系列机型，随后，美国3D Systems公司也推出了ProJet系列机型。并且Zcorp公司（现已并入3D Systems公司）也推出了Z系列3DP

24、设备。v 2.5.3 3DP的相关设备的相关设备2.5 2.5 三维打印快速成型（三维打印快速成型（3DP3DP）3DP的优点：l 成型速度快l 成型材料价格低l 可在黏结剂中添加颜料，可以制作彩色原型 图图2-21 ProJet1000三维打三维打印机印机 3DP的缺点：l 成型部件的强度低l 对于石膏粉作为成型材料，表面粗糙度会受影响3DP的典型应用：3DP技术成型速度非常快，适用于制造结构复杂的工件，也适用于制作复合材料或非均匀材质材料的零件。12选择性激光熔融（选择性激光熔融（SLM）电子束熔融（电子束熔融（EBM）选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLS）3654熔融沉积（熔融沉积（F

25、DM）纤维缠绕纤维缠绕三维打印快速成型（三维打印快速成型（3DP）7纤维铺放纤维铺放第第2 2章章 增材制造技术的常见工艺方增材制造技术的常见工艺方法及其装备法及其装备 纤维缠绕成型技术（Filament Winding）最早出现于20世纪40年代美国的曼哈顿原子能计划，用于缠绕火箭发动机壳体及导弹等军用产品。v 2.6.1 纤维缠绕的原理纤维缠绕的原理2.6 2.6 纤维缠绕纤维缠绕 纤维缠绕的原理是在控制张力和预定线型的条件下，以浸有树脂胶液的连续丝缠绕到芯模或模具上来成型增强塑料制品。纤维缠绕成型工艺制造出来的制件纤维体分比、强度等性能更好，生产技术要求较低，适用于连续生产，可有效节约原

26、材料，降低生产成本。纤维缠绕成型工艺被大量应用，以满足各类复合材料零件或结构的整体成型需求。图图2-25 纤维缠绕示意纤维缠绕示意图图2.6 2.6 纤维缠绕纤维缠绕v 2.6.2 纤维缠绕的成型过程纤维缠绕的成型过程 图图2-24 纤维缠绕工纤维缠绕工艺流程艺流程 纤维缠绕成型工艺流程步骤如图纤维缠绕成型工艺流程步骤如图2-24所示，首先是将纤维经过浸胶等处理，通过芯所示，首先是将纤维经过浸胶等处理，通过芯模和丝嘴的相对运动，在纤维在缠绕角度、缠绕张力、纱带特定几何尺寸等工艺参数的张模和丝嘴的相对运动，在纤维在缠绕角度、缠绕张力、纱带特定几何尺寸等工艺参数的张力作用下按照一定的规律缠绕到特定

27、加工的芯模表面，然后加热或在常温下固化，经过固力作用下按照一定的规律缠绕到特定加工的芯模表面，然后加热或在常温下固化，经过固化脱模后制成一定形状的制品。化脱模后制成一定形状的制品。纤维缠绕制品的工艺流程在时间上安排如下：（1）原材料树脂基和纤维的选取和管道结构设计。根据产品性能的要求进行规划设计，获得缠绕方式、工艺路线和铺层数量等；（2）根据缠绕件生产中需要控制的技术要求，确定缠绕工艺参数，如树脂粘度、缠绕角、小车行走速率和固化度等。最常用的是使用经验与三维模型相结合的方法分析缠绕件成型质量和工艺参数之间的关系；（3）最后将树脂和纤维按预定的控制参数在芯模上缠绕铺排，再在高温炉中进行固化，最后

28、进行脱模、表面抛光等处理。2.6 2.6 纤维缠绕纤维缠绕v 2.6.2 纤维缠绕的成型过程纤维缠绕的成型过程 图图2-26 干法缠绕树脂浸渍干法缠绕树脂浸渍工艺装置示意图工艺装置示意图 根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状态不同，分为干法缠绕、湿法缠绕和根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状态不同，分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。三种缠绕方法中，以湿法缠绕应用最为普遍；干法缠绕仅用于高性能、半干法缠绕三种。三种缠绕方法中，以湿法缠绕应用最为普遍；干法缠绕仅用于高性能、高精度的尖端技术领域。高精度的尖端技术领域。干法缠绕成型工艺如图2-26所示。将连续的玻璃纤维卷从纱架上抽出捻成一束

29、浸渍树脂后，在高温炉中烘烤一定时间蒸发溶剂，再经过热压辊挤压除气后收为纱锭保存。使用时将纱锭不经其他处理按设计包裹（一般为手工）于芯模后再经热溶固化。该工艺要求所使用的固化剂，尤其是采用DDS类等高温固化的树脂机体体系，纱带在高温炉中烘干时不应出现挥发等现象。否则会出现胶液由内侧向外侧转移，导致制品外侧富胶、内侧贫胶。有时表面出现不光滑，有气泡的现象。2.6 2.6 纤维缠绕纤维缠绕v 2.6.2 纤维缠绕的成型过程纤维缠绕的成型过程 图图2-27 湿法缠绕树脂浸渍工湿法缠绕树脂浸渍工艺装置示意图艺装置示意图 根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状态不同，分为干法缠绕、湿法缠绕和根据纤维缠绕成

30、型时树脂基体的物理化学状态不同，分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。三种缠绕方法中，以湿法缠绕应用最为普遍；干法缠绕仅用于高性能、半干法缠绕三种。三种缠绕方法中，以湿法缠绕应用最为普遍；干法缠绕仅用于高性能、高精度的尖端技术领域。高精度的尖端技术领域。湿法缠绕成型工艺如图2-27所示。将连续玻璃纤维丝经浸胶筒浸渍树脂后，经过张力控制器调节张力后不做热处理，直接缠到芯模上固化。因为纤维是浸胶后立即缠绕，缠绕质量的把控和检查都在缠绕中动态完成，因而质量很难精准控制。同时因为在固化过程中，胶液中的大量溶剂会挥发，缠绕过程中纤维张力的均匀性很难控制，这导致固化时缠绕件内部和表面容易产生气泡。综上所

31、述，在湿法缠绕成型中，影响缠绕件质量的不可控因素过多，其成型质量较差，不适合作精密生产。但湿法缠绕的设备容易上手，原材料来源广泛，在我国低端制造领域应用广泛。2.6 2.6 纤维缠绕纤维缠绕v 2.6.2 纤维缠绕的成型过程纤维缠绕的成型过程 图图2-28 半干法缠绕树脂浸渍半干法缠绕树脂浸渍工艺装置示意图工艺装置示意图 根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状态不同，分为干法缠绕、湿法缠绕和根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状态不同，分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。三种缠绕方法中，以湿法缠绕应用最为普遍；干法缠绕仅用于高性能、半干法缠绕三种。三种缠绕方法中，以湿法缠绕应用最为普遍；干

32、法缠绕仅用于高性能、高精度的尖端技术领域。高精度的尖端技术领域。半干法缠绕成型工艺如图2-28所示，此种工艺以湿法缠绕工艺为基础在缠绕前做烘干预热，二级加热法加速了缠绕件在芯模上的烘干过程，可在室温下进行缠绕。这种成型工艺采用多级加热的方法逐步除去了溶剂，更好的减少了制品中空隙、气泡的数量，又较干法缠绕缩短了工艺流程。兼具干法、湿法两者的优点，非常具有应用前景。作为缠绕成型工艺中最重要的设备，缠绕机也经历了几个不同的发展阶段。如表2-5所示，列出了缠绕机的发展历程。v 2.6.3 纤维缠绕的相关设备纤维缠绕的相关设备2.6 2.6 纤维缠绕纤维缠绕 第一阶段第一阶段第二阶段第二阶段第三阶段第三

33、阶段第四阶段第四阶段类型机械传动式数字控制式小型通用计算程序控制式微机控制式控制方法齿轮、链条、离合器等传动机械传动机构配合控制控制介质（传动位移）转化成为电脉冲数字量进行控制存储器中的系统程序来完成。数字PID控制，实现多轴联动的控制特点机电机械结构、可靠运行。传动比计算麻烦、非线形缠绕、精度不高能满足一些特殊构型制品的要求。但在特别复杂结构上仍存在一定困难。编写程序代码就能控制各式产品的缠绕，灵活性高。但对于小型计算机，高成本使其未得到普及线形精度更高，运行可靠，操作简便，制品重复度高。典型代表美国1974年kellog公司制造第一台机械式缠绕机W2型简易数字程序控制缠绕机以及德国约瑟夫拜

34、尔公司研制的WE-250型数字程序控制缠绕机 美国麦林安德逊公司、约瑟夫拜尔公司以及英国的科拉斯公司等都生产该型缠绕机缠绕机是实现缠绕成型工艺的主要设备。缠绕机主要由控制系统和模架系统组成。程序控制缠绕机系统的方框图如图2-29所示。控制系统由控制介质及控制装置组成。控制介质如缠绕规律、张力控制等被输入控制装置以实现对缠绕制品的控制。图图2-29 缠绕机控制系统的缠绕机控制系统的方框图方框图 缠绕机按照结构可以分为托盘缠绕机、无托盘缠绕机、水平缠绕机、悬臂缠绕机、环行缠绕机、滚筒缠绕机、钢带缠绕机。v 2.6.3 纤维缠绕的相关设备纤维缠绕的相关设备2.6 2.6 纤维缠绕纤维缠绕 纤维缠绕的

35、优点：l（1）强度高l（2）可靠性高l（3）生产效率高l（4）能够成型巨大的结构 图图2-30 全自动缠全自动缠绕机绕机 纤维缠绕的缺点：l（1）应用范围受限l（2）设备要求较高l（3）零件形状受限l（4）缠绕角度受限纤维缠绕的典型应用：纤维缠绕可用于很多方面，简单的有管件，复杂的可制造飞机壳体，汽车的框架等，常见的制品有管、压力容器、导弹发射管、发动机箱、汽车弹簧片、油箱轴承等。12选择性激光熔融（选择性激光熔融（SLM）电子束熔融（电子束熔融（EBM）选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLS）3654熔融沉积（熔融沉积（FDM）纤维缠绕纤维缠绕三维打印快速成型（三维打印快速成型（3DP）7纤

36、维铺放纤维铺放第第2 2章章 增材制造技术的常见工艺方增材制造技术的常见工艺方法及其装备法及其装备 纤维铺放的工艺原理（Fibre Placement）是将预浸纱束绕纱架上送到加工头内，在此，纱束被平直成纱带，然后被压实在芯模表面上，这项自动化的工艺可以被看作纤维缠绕和带子铺放的协同叠加，这种协同组合能提高结构的设计能力和各种形状的可实现性。v 2.7.1 纤维铺放的原理纤维铺放的原理2.7 2.7 纤维铺放纤维铺放2.7 2.7 纤维铺放纤维铺放v 2.7.2 纤维铺放的成型过程纤维铺放的成型过程 图图2-32 典型纤维铺放典型纤维铺放系统系统 典型纤维铺放系统如图典型纤维铺放系统如图2-3

37、2所示，该铺放系统由旋转芯模和多自由度铺放头（手臂）所示，该铺放系统由旋转芯模和多自由度铺放头（手臂）构成，具有七个自由度，铺放头安装在六自由度手臂的末端，可以实现多路丝束的重送、构成，具有七个自由度，铺放头安装在六自由度手臂的末端，可以实现多路丝束的重送、切断、施压、铺放等任务。切断、施压、铺放等任务。典型纤维铺放系统如图2-32所示，该铺放系统由旋转芯模和多自由度铺放头（手臂）构成，具有七个自由度，铺放头安装在六自由度手臂的末端，可以实现多路丝束的重送、切断、施压、铺放等任务。纤维铺放成型过程中，丝束带需依次通过预加热区、空气冷却区、主加热区、熔合区、空气冷却区和特定冷却区共六个区域。2.

38、7 2.7 纤维铺放纤维铺放v 2.7.2 纤维铺放的成型过程纤维铺放的成型过程 图图2-33 纤维铺放纤维铺放工艺图工艺图 （1）铺放头工作原理 铺放头是纤维带铺放机的核心部件。在功能方面，铺放头必须具有纤维传送、夹紧、加热、压紧、剪切等装置。此外，还需要有支撑、导向、传感、控制、位移、驱动、张紧等辅助装置。（2）铺放头主要组成 传送装置 夹紧装置 加热装置 压紧装置 剪切装置（3）纤维铺放过程中的加热工艺 自动纤维铺放过程中，为提高铺放效率，通常设置预加热及主加热2个加热环节。如图2-33所示为纤维铺放工艺简图。目前，纤维铺放技术在以美国为代表的西方国家已经开始了装备技术、材料技术和CAD

39、/CAM软件技术的研究，并得到了应用。v 2.7.3 纤维铺放的相关设备纤维铺放的相关设备2.7 2.7 纤维铺放纤维铺放 纤维铺放的优点：l（1）铺放轨迹设计的自由度大l（2）铺放头由多自由度手腕驱动l（3）可精度控制铺放厚度l.图图2-35 MTorres公司的自公司的自动化纤维铺放机动化纤维铺放机 纤维铺放的缺点：l（1）纤维丝铺放设备较为昂贵l（2）预浸丝及预浸带，生产较难，质量不稳定纤维铺放的典型应用：纤维铺放技术在纤维缠绕和自动铺带技术的基础上添加了丝束切断、再次铺放、压实等功能。目前，纤维铺放技术在飞机制造领域、汽车制造领域有重大应用。（1）列出增材制造技术常用的工艺方法。（2）

40、试画草图说明选择性激光烧结的工作原理。（3）简述FDM增材制造的成型原理及其优点。（4）简述SLS增材制造后处理的作用。（5）列出影响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工艺制造的区别。（7）什么是球化现象？如何消除或减弱这种现象？（8）与其他制造工艺相比，FDM工艺具有哪些优点？（9）根据成型时树脂基体的物理化学状态不同，纤维缠绕可分为哪几类？并分别阐述它们的优缺点。（10）列出纤维铺放机中铺放头的组成装置。（11）数控加工通常被称为2.5D加工，这意味着什么？为什么？它不被认为是完全3D的吗？本章作业本章作业文献推荐文献推荐1杨占尧，

41、赵敬云.增材制造与3D打印技术及应用 M.北京：清华大学出版社,2017 2王广春编著.增材制造技术及应用实例 M.北京：机械工业出版社,2014.3 富宏亚,李玥华.热塑性复合材料纤维铺放技术研究进展 J.航空制造技术,2012,18):44-48.4 Marsh G.Automating aerospace composites production with fibre placement J.Reinforced Plastics,2011,55(3).5 G NTHER D,HEYMEL B,G NTHER J F,et al.Continuous 3D-printing for additive manufacturing J.Rapid Prototyping Journal,2014,20(4):320-7.6 Gardan J.Additive manufacturing technologies:state of the art and trendsJ.International Journal of Production Research,2016,54(10):15.