增材制造工程

包含立体光固化技术（SLA）、叠层实体制造技术（LOM）、熔融沉积成型技术（FDM）、选区激光烧结技术（SLS）、选区激光熔融技术（SLM）、电子束选区熔化技术（EBSM）、激光工程净成形技术（LENS）等。

增材制造工程

• 立体光固化技术（SLA）
  • 原理
    • 工艺原理：利用光能作用使液态树脂材料固化，控制光能的形状逐层固化树脂，堆积成所需要的三维实体零件
    • 曝光方式
      • 面曝光
        • 遮光掩膜方式
        • 数字光处理技术（DLP 投影方式）
        • 液晶显示方式（LCD）
      • 点曝光
        • 立体光刻技术（SLA）
    • 常见扫描方式
      • X.Y轴扫描方式：成型范围大，速度慢
      • 振镜扫描方式：成型范围小，速度快，成本高
  • 材料
    • 成分
      • 光引发剂：吸收紫外光能，引发聚合反应
      • 低聚物：材料的主体，决定固化后材料的性能
      • 稀释单体：调整粘度，也参与固化反应，影响固化膜的性能
        • 固化膜即每层固化材料
      • 其他材料：根据不同用途添加
    • 能否成型即成型后的形状，尺寸精度
    • 性质要求
      • 固化前性能稳定，在可见光下不发生聚合反应
      • 粘度低
      • 光敏性好
      • 固化收缩率小
      • 固化后机械强度高，耐腐蚀，热稳定性好
      • 毒性小
    • 分类
      • 自由基光固化树脂
      • 阳离子光固化树脂
      • 混杂型光敏树脂
      • 功能性光敏树脂
  • 系统硬件组成
    • 激光器（320nm-370nm）
    • 光路系统
    • 扫描照射系统
    • 分层叠加固化成型系统
  • 设备构成
    • 激光及振镜系统
    • 平台升降系统（丝杆传动）
    • 储液箱及树脂处理系统
    • 控制系统
      • 过程
      • 光路
      • 环境
    • 树脂铺展系统（刮刀）
• 叠层实体制造技术（LOM）
  • 工艺
    • 原理：片材逐层切割再叠加成型
    • 由于材料受限，目前应用较少
    • 涂布工艺
      • 涂布形状
        • 均匀式：采用狭缝式刮板
        • 非均匀式（可以减小应力集中，但是设备比较贵）
          • 条纹
          • 颗粒
      • 涂布厚度：在保证粘接强度的前提下尽可能的薄
  • 材料
    • 纸材
      • 本体：抗湿性，良好的浸润性，抗拉强度，收缩率，剥离性能好，易打磨 表面光滑，稳定性
      • 热熔胶
        • 良好的热熔冷却性
        • 在反复融化凝固条件下保持较好的物理化学稳定性
        • 熔融状态下与纸材有良好的涂挂性与涂匀性
        • 与纸材有足够的粘接强度
        • 良好的废料分离性
    • 塑料薄膜
    • 金属箔
  • 设备
    • 机械系统：多轴小型激光加工系统
    • 机身：安装，固定执行机构
    • 激光扫描系统
      • 振镜扫描最广泛（高精高效）
        • 激光器（杂散光）
        • 扩束镜（扩束准直）
        • 动态聚焦镜
        • 振镜
    • 材料送给装置：定向 定量 张紧输送，故障报警
    • 热压叠层装置
    • 抽风排烟装置：绿色清洁
    • 计算机控制系统
    • 激光器
    • 冷却器
  • 后处理
    • 废材剥离
      • 手工剥离：纸材
      • 加热剥离：高温融化蜡支撑结构
      • 化学剥离：化学溶液溶解支撑结构
    • 修补，打磨，抛光
    • 表面处理：涂覆油漆等，提高性能和寿命
  • 优缺点
    • 优点：效率较高，成本较低，材料便宜，无需对整个截面扫描，不需要考虑支撑
    • 缺点：叠层方向上抗拉强度低，容易吸湿变形，废料需要人工剥离，费时费力，加工过程中容易变形，工件表面有台阶纹
  • 应用：比较厚重的结构件模型，实物外观模型，砂型铸造快速模具母模，制鞋业等
• 熔融沉积成型技术（FDM）
  • 工艺
    • 原理：将丝状或粒状的热熔性材料加热熔化，通过喷头挤出来，层层叠加成型。
    • 流程
      • 前处理→原型制作→后处理
      • 原型制作：三维建模→工艺参数拟定
    • 材料
      • 成型材料
        • 单一成型材料（广泛应用）：ABS，PLA，PEEK，石蜡，尼龙，TUP，PC，PPSF
        • 复合成型材料（应用不广泛）：基体材料（蜡，塑料）+增强材料（金属粉，陶瓷粉等）
        • 随温度变化呈现：玻璃态→高弹态→黏流态（适合挤出）
      • 支撑材料：易于从成型件中去除而不损坏表面
        • 水溶性支撑可以使用肥皂水
      • 性能要求：较大的熔融温度-氧化点温度区间
    • 聚合物材料的热物理性质
      • 热学性质：导温系数
      • 流变性质：熔体粘度
        • 熔融沉积过程需要合理匹配加热腔温度与送丝速度
        • 随着温度的升高而减小
        • 随着压力的增大而增大
        • 随着剪切速率的升高而减小（分子间距增大，作用力降低）
  • 系统及设备
    • 喷头
      • 最复杂
      • 柱塞式喷头
        • 丝料
      • 螺杆式喷头
        • 丝料
        • 粒料
    • 运动机构
    • 送丝机构
      • 溢料式喷嘴结构
    • 加热系统
  • 优缺点
    • 优点
      • 运行成本低
      • 成型材料广泛
      • 环保
      • 后处理简单
      • 可桌面化制造（易于普及）
    • 缺点
      • 成型精度低
      • 成型速度慢
      • Z方向强度低
      • 需要支撑材料，大型件容易翘曲变形
  • 成型误差
    • 原理性
      • 成型系统引起
        • 成型工作台误差
        • 同步带变形误差
        • 定位误差
      • STL文件转换误差
      • 分层处理误差
    • 工艺性
      • 材料收缩引起
      • 成型工艺参数设置引起
        • 出丝宽度
        • 喷头温度
        • 填充速度和挤出速度的交互影响
        • 填充样式
      • 喷头启停响应引起
    • 后期处理
      • 去除支撑引起
      • 后固化及表面处理产生
• 选区激光烧结技术（SLS）
  • 美国于1986年发明，于1988年研制成功第一台机器
  • 工艺
    • 原理
      • 利用粉末材料在激光照射下烧结，在计算机控制下层层堆积成型
      • 固相烧结
        • 适用于陶瓷和金属粉末
      • 化学烧结
        • 如：铝粉在氮气中烧结，氮化铝可用作为粘接剂
      • 液相烧结和部分熔化
        • 熔化部分作粘接剂
      • 完全熔化
        • 金属零件致密度最高
    • 激光烧结机理
      • 黏性流动烧结机理~适用于高分子
      • 粉末颗粒的表面张力~作为黏性流动烧结驱动力
      • 粉末颗粒间烧结颈的生长速率~与材料的表面张力成正比，与颗粒半径和熔融黏度成反比
    • 后处理
      • 高温烧结：减少孔隙，加强性能
      • 热等静压：加温加压
      • 熔浸：液态金属浸泡
      • 浸渍：液态非金属浸泡
    • 工艺参数影响
      • 激光能量与扫描速度
      • 预热温度与铺粉层厚
      • 填充间距影响强度
      • 分层厚度影响强度
  • 材料
    • 各种粉末
      • 高分子材料
      • 金属基粉末
        • 黏结剂➕金属粉~需要脱脂，高温烧结，熔渗金属处理
        • 低熔点金属粉➕高熔点金属粉
      • 覆膜砂材料：热固性树脂+石英砂
    • 材料特性
      • 粒径
      • 粒径分布
      • 颗粒形状
  • 核心器件
    • 激光器
    • 振镜扫描系统
    • 粉末传送系统
    • 成型腔室
    • 气体保护系统
    • 预热系统
  • 优点
    • 成型材料广泛
    • 材料利用率高
    • 工艺简单无需支撑
    • 应用广泛
• 选区激光熔融技术（SLM）
  • 工艺
    • 原理
    • SLM技术
    • 粉末性质
    • 流程
      • 材料准备
      • 工作腔准备
      • 模型准备
      • 零件加工
      • 零件后处理
  • 成型材料
    • 单质粉末
    • 混合粉末
    • 预合金粉末
    • 对激光能量的吸收率较高的金属粉末
  • 设备
    • 主体机械结构
    • 激光器（光纤激光器）
    • 光路传输系统
    • 控制系统
    • 软件系统
  • 优缺点
    • 优点
      • 成型材料广泛
      • 晶粒细小，组织均匀，力学性能优异
      • 致密度高
      • 成型精度高
    • 缺点
      • 容易出现翘曲变形，球化，孔隙，裂纹等缺陷
      • 可成型零件尺寸有限
      • 工艺参数复杂
      • 技术和设备多为国外垄断
        • 大功率激光器
        • 高精度振镜系统
• 电子束选区熔化技术（EBSM）
  • 工艺
    • 原理
      • 以电子束作为热源在真空条件下熔化金属粉末凝固堆积成形
    • 参数
      • 电子束电流
      • 加速电压
      • 线扫描速度
      • 聚焦电流
      • 扫描线间距
      • 层厚
    • 流程
  • 成型材料与制备
    • 材料包括：不锈钢，钛，钛合金粉末，铝合金，铜合金，等多种金属粉末，SEBM钛合金是研究最多的合金
    • 制备方法
      • 等离子旋转电极雾化法和气雾化法
        • 球形度好，流动性好，含氧量低，容易吹粉
      • 氢化脱氢法
        • 形状不规则，流动性差，稳定，不易溃散，但含氧量高
      • 通常采用两种粉末混合的方法，综合性能
  • 设备
    • 电子枪系统
      • 电子枪
      • 栅极
      • 聚束线圈
      • 偏转线圈
    • 真空系统
    • 控制系统
    • 软件系统
  • 优缺点
    • 优点
      • 能量密度和功率高
      • 无反射，能量利用率高
      • 成型件致密度高，性能优良
      • 速度快，效率较高
      • 污染小
    • 缺点
      • 价格昂贵
      • 电子束聚焦效果较差，精度和质量略差
      • 会出现吹粉问题
        • 解决方式
          • 采用复合粉末降低流动性
          • 对粉末床进行预热处理
          • 对底板进行预热
          • 优化电子束扫描方式
      • 成型件尺寸有限，工艺参数复杂
  • 发展趋势
    • 材料方面
    • 技术方面
    • 成型设备方面
• 激光工程净成形技术（LENS）
  • 工艺
    • 原理
      • 成型金属粉末通过送粉装置和喷嘴送到激光所形成的熔池中，融化的金属粉末沉积在基体表面凝固后形成沉积层
    • 流程
      • 模型准备
      • 材料准备
      • 送料工艺
      • 零件加工
      • 零件后处理
    • 参数
      • 粉末形貌
      • 接搭率
      • 激光能量
  • 成型材料
    • 考虑因素
      • 堆积特性
      • 粒径分布
      • 颗粒形状
      • 流动性
      • 含氧量
      • 对激光的吸收率
    • 铁，镍，钛合金等粉末
    • 不同粒径混合
  • 设备
    • 激光系统
    • 数控系统
    • 送粉系统
    • 气氛控制系统
    • 反馈控制系统
  • 优缺点
    • 优点
      • 材料有优越的组织和性能
      • 速度快，节省材料
      • 可直接制造结构复杂的零部件
      • 材料广泛
      • 可加工难熔金属
      • 可修复零件
    • 缺点
      • 存在冶金缺陷
        • 体积收缩
        • 粉末爆炸
        • 微观裂纹
        • 残余应力
      • 成型精度低
      • 边角位置以及悬臂结构难以成型
      • 粉末原料价格高
  • 应用
    • 梯度功能材料：成分，组织，性能梯度过度的先进材料
    • 快速模具制造
  • 发展方向
    • 工艺方面
    • 材料方面
    • 激光涂覆过程的实时观测技术
    • 成型效率
• 三维喷印技术（3DP）
  • 工艺原理
    • 基于微滴喷射原理，利用喷头选择性喷射液体黏结剂，将离散粉末按路径逐层黏结堆积成形
    • 固化方式
      • 物理固化：溶剂挥发形成黏结颈
      • 化学固化：发生化学反应
    • 黏结方式
      • 水合作用
      • 有机粘结剂：金属粉陶瓷粉+树脂（容易去除）
      • 无机粘结剂：添加酸性粉末+硅溶胶（凝胶反应，不易去除）
      • 溶剂法
      • 金属盐法
  • 成型材料
    • 基体材料
      • 金属粉末
      • 陶瓷粉末
      • 型砂
      • 高分子，石膏
    • 黏结剂
    • 添加材料
  • 设备
    • 喷射系统
      • 连续式喷射：阵列式喷嘴
      • 按需式喷射
        • 热发泡式
        • 微电压式
    • 粉末供给系统
    • 运动控制系统
    • 环境控制系统
    • 硬件系统
    • 软件系统
  • 优缺点
    • 优点
      • 成本较低
      • 成型材料广泛
      • 无需添加支撑
      • 成型效率较高
      • 可实现多彩打印
    • 缺点
      • 初始成型件强度低
      • 成型精度较低
      • 喷头容易堵塞
  • 应用
    • 铸造砂型的制作
    • 功能部件制作
    • 辅助医疗
    • 制药工程