【正文】 的篩子上進(jìn)行震動(dòng)，最后用 MP5002 電子天平（感量為 ）稱取托盤上砂的重量并代入潰散率的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，潰散率的計(jì)算公式如下： 100%?試 驗(yàn) 后 的 篩 下 砂 量潰 散 性 （ % ） = 試 驗(yàn) 前 的 砂 重中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 論文 第 10 頁 共 37 頁 2 原型件的后處理研究 原型件后處理加熱原理及基礎(chǔ) 后處理簡(jiǎn)介 覆膜砂在激光束掃描照射下燒結(jié)硬化的強(qiáng)度值較低。依次改變加熱時(shí)間為 10min， 15min， 20min， 25min，30min 重復(fù)上述操作，分別記錄下其強(qiáng)度值，最后求其平均值，并用后處理時(shí)間 —常溫抗拉強(qiáng)度的曲線表示出來。待其冷卻至室溫后，將其放到杠桿式強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)上測(cè)量“ 8”字試件的抗拉強(qiáng)度，并記錄數(shù)值。這些性能的好壞，將影響到金屬液體在充型過程中沖砂、砂眼、粘砂、氣孔等鑄件缺陷的產(chǎn)生，以及型腔中的殘留型砂清理較為困難等方面的問題。 用 SLS 法快速生產(chǎn)鑄件的工藝過程可分為三步： 1） SLS 鑄型（芯）的工藝設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)三維造型； 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 論文 第 8 頁 共 37 頁 2） SLS 鑄型（芯）的成型； 3） SLS 鑄型（芯）的后續(xù)處理及澆注。 4）不需要拔模斜度，鑄件的壁厚小。從零件圖紙到工藝設(shè)計(jì)、鑄型（芯）的二維實(shí)體造型等都山計(jì)算機(jī)完成。 利用激光快速成型（選擇性激光燒結(jié)）技術(shù)可以制造各種零件和模型，如果選擇合適的燒結(jié)材料，也可以直接制造鑄型，即在此鑄型中同時(shí)形成鑄件的內(nèi)外輪廓結(jié)構(gòu)的型腔，而不需要型芯，也不需要砂箱，澆注金屬冷卻落砂后就可得到完整的鑄件。覆膜砂一般為干態(tài)顆粒狀，近年來我國(guó)已 有廠家開發(fā)出濕態(tài)和粘稠狀覆膜砂。也稱殼型（芯）砂。如此逐層地添加粉末材料有選擇地?zé)Y(jié)堆積，最終生成三維實(shí)體模型或零件。粉末材料由供料缸頂起，輥筒水平鋪粉，由于輥筒與粉末之間的摩擦力以及粉末與粉末之間的作用，粉末被推送到成型缸。 圖 工藝制造實(shí)體零件的基本過程 1） CAD 模型的建立及分層處理 這一階段的作用是在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)零件模型的三維造型和數(shù)據(jù)處理過程。選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)可以直接制造任意復(fù)雜形狀的原型、型模三維構(gòu)件或部件及工具，能廣泛適應(yīng)設(shè)計(jì)和變化等。 選擇性激光燒結(jié)快速成型技術(shù) 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)特征 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 論文 第 5 頁 共 37 頁 選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)造型速度快， 一般制品僅需 1～ 2 天即可完成?？焖俪尚图夹g(shù)是目前先進(jìn)制造技術(shù)中發(fā)展最為迅速的一種，在短短一、二十年的時(shí)間里，已經(jīng)由最初的原理研究發(fā)展到大規(guī)模實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。功能零件則要求材料具有較好的力學(xué)性能和化學(xué)性能。此原型對(duì)強(qiáng)度、剛度、耐溫性、抗腐蝕性有一定的要求，以滿足測(cè)試要求；如果用于裝配測(cè)試，則對(duì)材料成型的精度還有一定要求。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 論文 第 4 頁 共 37 頁 4）熔融沉積制造（ Fused Deposition Modeling， FDM） FDM 是指將熱熔性材料（ ABS、尼龍或蠟）通過加熱器熔化，擠壓噴出并堆積一個(gè)層面，然后將第二個(gè)層面用同樣的方法建造出來，并與第一個(gè)層面粘結(jié)在一起，如此層層堆積而獲得一個(gè)三維實(shí)體。 3）選區(qū)激光燒結(jié)（ Selective Laser Sintering， SLS） 此技術(shù)采用激光對(duì)有很好密實(shí)度和平整度的粉末鋪成的層面，有選擇地直接或間接將粉末熔化或粘結(jié)，形成一個(gè)層面，鋪粉壓實(shí)，再熔結(jié)或粘結(jié)成另一層并與前一層熔接或粘結(jié)，如此層層疊加為一個(gè)三維實(shí)體。首先切割出工藝邊框和原型的邊緣輪廓線，而后將不屬于原型的材料切割成網(wǎng)格狀。 快速成型技術(shù)分類 RP 技術(shù)的具體工藝不下 30 余種。從這個(gè)角度來講， RP 技術(shù)屬于自由成型制造。還改善了設(shè)計(jì)過程中的人機(jī)交流，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)和模具生產(chǎn)并行，從而縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā)的周期，加快了產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度，大大地降低了新產(chǎn)品的開發(fā)成本和企業(yè)研制新產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)。 快速成型技術(shù)的優(yōu)勢(shì) ［ 7］ ： 1）響應(yīng)速度快。 信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、 CAD/CAM 技術(shù)的發(fā)展、材料科學(xué)的發(fā)展、新材料的出現(xiàn)、激光技術(shù)的 發(fā)展為快速成型技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。 快速成型技術(shù)的產(chǎn)生背景 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 論文 第 2 頁 共 37 頁 快速成型技術(shù)的誕生主要有兩方面的原因： 1）市場(chǎng)拉動(dòng) 市場(chǎng)全球化和用戶需求個(gè)性化為先進(jìn)制造技術(shù)提出了新的要求 ［ 4］ 。它能根據(jù) CAD 模型（電子模型）自動(dòng)、直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想物 轉(zhuǎn) 化為具有一定功能的原型或直接制造零件，在不用模具和工具的條件下生成幾乎任意復(fù)雜的零部件，解決了從設(shè)計(jì)到制造的快速對(duì)接問題，從而可以對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行快速評(píng)價(jià)、修改及功能試驗(yàn)，有效地縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，滿足了當(dāng)今競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的市場(chǎng)對(duì)新產(chǎn)品快速開發(fā)和快速制造的要求 ［ 1］［ 2］ 。中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 論文 第 1 頁 共 37 頁 1 引言 快速成型技術(shù)簡(jiǎn)述 快速原型制造（ Rapid Prototyping，簡(jiǎn)稱 RP）技術(shù)，又稱快速成型技術(shù)，是 20世紀(jì) 80 年代后期首先在美國(guó)產(chǎn)生并商品化， 90 年代在全球迅速發(fā)展起來的制造新技術(shù)。 與此同時(shí)，經(jīng)濟(jì)全球化趨勢(shì)正不斷加強(qiáng)，各個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)交流、經(jīng)貿(mào)交流日益擴(kuò)大，世界上發(fā)生的這些進(jìn)步、變革與發(fā)展使 當(dāng)代制造業(yè)的生態(tài)環(huán)境、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與發(fā)展模式等都發(fā)生了深刻變化，科學(xué)發(fā)展觀對(duì)制造業(yè)提出了新的要求，我國(guó)制造業(yè)正面臨著新的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)。 隨著市場(chǎng)一體化的發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，產(chǎn)品的開發(fā)速度成為競(jìng)爭(zhēng)的主要矛盾。 快速成型技術(shù)就是在這樣的社會(huì)背景下，在 80 年代后期產(chǎn)生于美國(guó)，并迅速擴(kuò)展到歐洲和日本。與傳統(tǒng)的加工技術(shù)相比， RP 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了 CAD 模型直接驅(qū)動(dòng)，成型時(shí)間短。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 論文 第 3 頁 共 37 頁 2）加工柔性高。其 含義有兩點(diǎn)，一是指可以根據(jù)原型或零件的形狀，無需使用工具、模具 而自由 的成型；二是指不受形狀復(fù)雜程度的限制，能夠制造任意復(fù)雜形狀與結(jié)構(gòu)、不同材料復(fù)合的原型或零件。根據(jù)其應(yīng)用情況和商品化程度，最為典型的快速成型技術(shù)有以下四種。通過升降平臺(tái)的移動(dòng)和箔材的送給可以切割出新的層片并將其與先前的層片粘結(jié)在一起。所謂直接熔結(jié)是將粉末直接熔化面連接；間接熔結(jié)是指僅熔化粉末表面的粘結(jié)涂層，以達(dá)到互相粘結(jié)的目的。 快速成型技術(shù)的應(yīng)用概況 根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和需求，快速成型技術(shù)主要有 4 種層次的應(yīng)用： 1） 用于概念設(shè)計(jì)的原型。 3） 用于制造模具或其原型。從 RP 技術(shù)的發(fā)展歷程來看，最初主要應(yīng)用于原型制造，隨著研究的深入，現(xiàn)在很多研究者都致力于研究快速制造金屬零件。目前已有 10 多種比較成熟的 工藝方法用于原型零件的制造。與其它 RP技術(shù)相比， SLS 最顯著的特征是 ［ 18］ ： 1） 材料適用范圍廣。 3） 運(yùn)行成本較低，材料重復(fù)利用率高，未燒結(jié)粉末可重復(fù)使用。對(duì)于一個(gè)給定的零件，首先要建立被加工零件的三維實(shí)體模型；經(jīng)過 CAD 軟件的 STL文件格式的輸出，然后利用分層軟件對(duì)零件的 CAD 模型進(jìn)行分層切片，把三維實(shí)體分解成一系列二維平面的薄片，每一薄片稱為一個(gè)切片，每個(gè)切片具有一定的厚中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 論文 第 6 頁 共 37 頁 度，并包含二維輪廓信息；再用掃描軌跡生成軟件將切片的輪廓信息轉(zhuǎn)化成激光的掃描軌跡信息。輥筒水平運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還伴有滾輪的一個(gè)逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，在成型缸內(nèi)將粉末材料壓實(shí)、鋪平。 3）后處理 全部燒結(jié)完成后，都要做一些后處理工作，如去掉多余的粉末，再進(jìn)行打磨、烘干、加熱等處理以便獲得原型或零件。它最早是一種熱固性樹脂砂，由德國(guó)克羅寧（ CRONING）博士于 1944 年發(fā)明。 覆膜砂具有良好的流動(dòng)性和存放性，用它制作的砂芯強(qiáng)度高、尺寸精度高，便中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 論文 第 7 頁 共 37 頁 于長(zhǎng)期存放，在國(guó)際上，尤其在日本、韓國(guó)、東歐等國(guó)家及我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)鑄造工業(yè)中的應(yīng)用得到了快速發(fā)展。這種方法對(duì)單件小批復(fù)雜鑄件的制造極為有利，簡(jiǎn)化了鑄造工藝過程，節(jié)約了時(shí)間，且有利于鑄件質(zhì)量的提高。 2）可生產(chǎn)任何復(fù)雜程度的鑄件。 5）省去了許多工裝設(shè)備，使得復(fù)雜 鑄件 的生產(chǎn)過程 可以在 SLS 成型機(jī)上完成。 課題研究的主要內(nèi)容 從快速成型技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，特別是 SLS 成型技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀的分析發(fā)現(xiàn)，盡管 SLS 技術(shù) 發(fā)展到今天已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平，但是仍然存在很多需要繼續(xù)研究的問題。本文以鑄造覆膜砂為選擇性激光燒結(jié)實(shí)驗(yàn)材料，研究了處理溫度和 后處理時(shí)間對(duì)其力學(xué)性能、發(fā)氣性能和潰散性能的影響。依次改變加熱溫度為 200℃， 210℃， 220℃， 230℃，240℃， 250℃；然后在保溫時(shí)間為 20min 的情況下分別記錄下其強(qiáng)度值 ，最后求其平均值，并用后處理溫度 — 常溫抗拉強(qiáng)度的曲線表示出來。為了進(jìn)一步了解覆膜砂成型件后處理過后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)性能，還 可以對(duì)其燒 結(jié)成型件進(jìn)行掃描電鏡分析，從而還可以為后處理參數(shù)的合理確定提供 有利依據(jù)。原因有以下幾點(diǎn)： 1） 光束照射加熱的時(shí)間很短（可以認(rèn)為是瞬間加熱）； 2） 覆膜砂的熱傳導(dǎo)系數(shù)較??； 3） 光束照射加熱的最高溫度不允許太高（當(dāng)最高溫度大于 300℃ 時(shí)，樹脂膜受熱而碳化），即只能在較低的溫度下加熱。而且，原燒結(jié)過程中加熱的溫度越低，未硬化的覆膜砂量越多，再加熱后砂樣的強(qiáng)度值提高越大。每個(gè)工藝條件下測(cè) 4 個(gè)強(qiáng)度值，然后求其平均值。 后處理溫度對(duì)覆膜砂試件抗拉強(qiáng)度的影響 覆膜砂 試件 的抗拉強(qiáng)度是其性能的一個(gè)重要衡量標(biāo)準(zhǔn)，為了適應(yīng)砂型和砂芯在生產(chǎn)過程中翻箱、搬運(yùn)的要求及澆注時(shí)不會(huì)因鐵水的沖刷 、 靜壓力作用使鑄件產(chǎn)生沖砂、砂眼、粘砂、脹箱等缺陷，所以要求覆膜砂經(jīng)加熱緊實(shí)后制得的制件要有足夠的強(qiáng)度。待其冷卻至室溫后，將其放到杠桿式強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)上測(cè)量“ 8”字試件中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 論文 第 12 頁 共 37 頁 的抗拉強(qiáng)度，并記錄數(shù)值。 圖 2. 3 后處理溫度對(duì)覆膜砂試件抗拉 強(qiáng)度的影響 后處理溫度對(duì)覆膜砂試件抗拉強(qiáng)度性能影響規(guī)律的原因分析： ① 在覆膜砂被放入 ZK— 82A 型真空干燥箱以后，樹脂由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)而表現(xiàn)出一定的流動(dòng)性和可塑性，砂粒之間形成粘結(jié)頸。 所以在三種不同保溫時(shí)間條件下的覆膜砂開始都會(huì)隨著固化溫度的提高其強(qiáng)度也隨之提高。 3）小結(jié) 通過以上分析研究，我們得出了后處理溫度對(duì)在三種不同保溫溫度條件下覆膜砂試件抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律，從而可以把溫度 230℃ 作為實(shí)際制型（芯）時(shí)的工藝指導(dǎo)參數(shù)。依次改變加熱時(shí)間為 l0min， 15min， 20min， 25min，30min；重復(fù)上述操作，分別記錄下其強(qiáng)度值，最后求其平均值，并用后處理時(shí)間―常溫抗拉強(qiáng)度的曲線表示出來。 ② “ 8”字試樣在 230℃ 的溫度下，過分的延長(zhǎng)后處理時(shí)間會(huì)使其表面已形成好的粘結(jié)橋變細(xì)，砂粒表 面的有機(jī)物也會(huì)發(fā)生炭化，從而導(dǎo)致表層分子鏈的斷裂，致使試樣強(qiáng)度 降低，這也是覆膜砂制件隨時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)其強(qiáng)度降低的原因。 （ a）放大 100 倍 。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 論文 第 17 頁 共 37 頁 （ a）放大 100 倍 。由于發(fā)氣性對(duì)鑄件質(zhì)量有著重要影響 ，發(fā)氣性 的 測(cè)定日趨受到人們的重視。 1）試驗(yàn)方法 將 節(jié)保溫 20min 試驗(yàn)后得到的“ 8”字試樣斷塊按工藝條件進(jìn)行編號(hào)，然后沿?cái)嗝嫣帉⑵淠Σ脸杉?xì)小顆粒狀進(jìn)行取樣，稱取 1? 試樣放入小瓷舟中，并將小瓷 舟迅速送入預(yù)先預(yù)熱到 850℃的 SFD 型發(fā)氣性測(cè)定儀，經(jīng)過 3min 可以從記錄紙上直接讀出 發(fā)氣量的大小，重復(fù)以上操作，根據(jù)編號(hào)我們就可以分別得出固化溫度 — 200℃， 210℃， 220℃， 230℃， 240℃， 250℃下相應(yīng)“ 8”字試樣的發(fā)氣量。 反之，變化幅度較小。 1）試驗(yàn)方法 將 中加熱溫度 T=230℃ 試驗(yàn)后得 到的“ 8”字試樣斷塊按工藝條件進(jìn)行編號(hào)，然后沿?cái)嗝嫣帉⑵淠Σ脸杉?xì)小顆粒狀進(jìn)行取樣，稱取 1? 試樣放入小瓷舟中，并將小瓷舟迅速送入預(yù)先預(yù)熱到 850℃的 SFD 型發(fā)氣性測(cè)定儀，經(jīng)過 3min可以從記錄紙上直接讀出發(fā)氣量的大小 ［ 25］ ，重復(fù)以上操作，根據(jù)編號(hào)我們就可以分別得出固化時(shí)間 — l0min， 15min， 20min， 25min， 30min 條件下相應(yīng)“ 8”字試樣的發(fā)氣量。 表 不同后處理時(shí)間下覆膜砂件的發(fā)氣量（ ml/g） 試驗(yàn)組數(shù) 發(fā)氣量（ ml/g） 1 2 3 4 Average 10min 15min 20min 25min 30min 圖 后處理時(shí)間對(duì)覆膜砂發(fā)氣性能的影響 3）小結(jié) 把 中固化時(shí)間參數(shù)與本試驗(yàn)結(jié)合，按照 中的比較方法，我們得出覆膜砂試件在不同固化時(shí)間下抗拉強(qiáng)度要比發(fā)氣性對(duì)時(shí)間更敏感，因此后處理時(shí)間的中北大學(xué)