【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 出不同的材料。在 CAD設(shè)計(jì)中，可以設(shè)計(jì)出一個(gè)完整的器件。器件中的零件由不同 材料組成，分層后的材料信息將在每個(gè)層面中體現(xiàn)出來。在每一層面上，根據(jù)各部分所需要的材料要求，分別噴上所需材料，這樣逐層制造就可成型出一個(gè)多種材料和部件的三維實(shí)體器件。這種技術(shù)可在一些小型復(fù)雜結(jié)構(gòu)器件的一次整體制造中使用，而無需分件加工和裝配，是一個(gè)材料與結(jié)構(gòu)一體化的方法，是發(fā)展微機(jī)械制造的一條有效途徑。 當(dāng)前各種 RP系統(tǒng)在軟件和硬件的實(shí)現(xiàn)上有 70%80%是相同或相近的，有文獻(xiàn)提出了快速成型技術(shù)功能集成的新思想，即在一個(gè)現(xiàn)有的分層設(shè)計(jì)方案 16 制造 RP系統(tǒng)上僅增加 20%30%的元器件和軟件功能就可進(jìn)行另一種成型工藝 .該 文討論了 RP功能集成理論基礎(chǔ)以及 RP功能耦合的機(jī)械電子學(xué)基礎(chǔ)，并研制成功了具有 FDM與 LOM復(fù)合功能的新型 RP設(shè)備。 此外，開發(fā)高性能的 RP軟件也是 RP技術(shù)的一個(gè)重點(diǎn)研究方向，這個(gè)領(lǐng)域的研究主要集中在開發(fā) :(1) CAD文件轉(zhuǎn)換處理軟件，包括 STL文件格式轉(zhuǎn)換、切割軟件和自適應(yīng)性分層軟件 。(2)快速高精度的直接切片軟件 。(3)高性能的 RP系統(tǒng)的工藝數(shù)控軟件 。(4)絕大多數(shù)的 RP應(yīng)用中使用三維 CAD系統(tǒng)，表面模型的 CAD軟件不適于不熟悉 RP要求的人。目前三維 CAD軟件較多且功能強(qiáng)大，但是仍然存在局限性，除了價(jià) 格太昂貴外，對(duì)于復(fù)雜的型體如變半徑倒角、倒角交接部分等的型體信息有時(shí)不能精確的加以描述，所以更高精度、更廉價(jià) CAD造型軟件的開發(fā)也是 RP軟件系統(tǒng)研究的一個(gè)方向。 RP與 CAD,CAE,CAPP,CAM,R T以及高精度自動(dòng)測(cè)量技術(shù)的一體化集成可以大大提高新產(chǎn)品迅速上市成功的可能性，也可快速實(shí)現(xiàn)反求工程。將反求工程與快速成型相結(jié)合實(shí)現(xiàn)快速零件 /模具的制造是集成快速成型制造的一個(gè)重要應(yīng)用。 RP 技術(shù)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，以其高速度高柔性、技術(shù)高度集中和設(shè)計(jì)制造一體化以及制造的自由性，顯示出無限的生命力，成功地實(shí)現(xiàn)了CAD/CAM 的集成。 RP 技術(shù)以其不可比擬的優(yōu)勢(shì)必將成為在 21 世紀(jì)占重要地位的先進(jìn)制造技術(shù)。目前美國、歐洲和日本都站在 21 世紀(jì)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略高度，對(duì) RP 技術(shù)投入了大量的研究和開發(fā)力量及經(jīng)費(fèi)， RP 技術(shù)正處于迅速發(fā)展的時(shí)期，其發(fā)展和應(yīng)用前景非常廣闊，其趨勢(shì)將主要體現(xiàn)在直接金屬成型、非均質(zhì)梯度零件直接制造、多材料復(fù)合化、設(shè)備小型微型化而加工能力大型化和高精度、高速成型等， RP 技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用將日益廣泛化。 我國于 90 年代初期開始進(jìn)行 SLS 成型機(jī)的研究。雖然起步較晚，但進(jìn)步很快。例如，華中科技大學(xué)開發(fā)出的用于鑄 造中沙型的 HRPS1 型成型機(jī)，用于高分子成型的 HRPS3 型成型機(jī)。目前主打產(chǎn)品為 HRPS2A, HRPS3A,其獨(dú)特的三缸式，雙送料桶的送粉系統(tǒng)可使燒結(jié)輔助時(shí)間大大減少，最大成型空間可達(dá) 500mm 500mm 500mm，激光最大掃描速度可達(dá)4m/s,可用的粉末材料多樣化，如多種高分子粉末，金屬粉末，陶瓷粉末和復(fù)膜砂等。 本課題設(shè)計(jì)的目的和主要內(nèi)容 從上面關(guān)于 RP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)狀分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)今 SLS技術(shù)己經(jīng)能達(dá)到很不錯(cuò)的強(qiáng)度和精度。但是為了使快速成型技術(shù)從經(jīng)濟(jì)和技 術(shù)上變得更有吸引力，就得在進(jìn)一步減少成型時(shí)間而又吉林大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 17 不增加昂貴的開發(fā)成本的同時(shí)，提高成型系統(tǒng)的綜合性能?；诖四康模髡呖偨Y(jié)吸取了已有的成熟成型機(jī)設(shè)計(jì)，有所比較，有所創(chuàng)新的提出了本設(shè)計(jì)方案。希望通過對(duì)送料裝置，以及傳動(dòng)裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)，能使讀者與作者一道，增加對(duì) SLS的了解，并為我國激光燒結(jié)快速成型技術(shù)的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。 2 設(shè)計(jì)方案題目要求 工作內(nèi)容和要求： 成型空間： 300x300x300 mm 激光頭最大運(yùn)動(dòng)速度： 100 mm/s 激光頭定位精度：177。 mm 上拖板，激光聚焦系統(tǒng)以及直線導(dǎo)軌軸 等的總重量：約 8kg 最大成型件的重量約為： 5kg 燒結(jié)深度 /托盤的層間下降距離： z 方向定位精度： 3 SLS 的工作原理 作者根據(jù)商業(yè)市場(chǎng)上應(yīng)經(jīng)成熟的產(chǎn)品進(jìn)行比較，總結(jié)了 SLS 成型機(jī)的工作原理。 SLS 工作過程主要有兩個(gè)過程組成： —— 離散處理 由計(jì)算機(jī)上建模的 CAD 三維立體造型零件，或者通過逆向工程得到三維實(shí)體圖形文件。將其轉(zhuǎn)換成 STL 文件格式。再用一離散（切片）軟件從 STL文件離散出一系列給定厚度的有序片層 (或者直接從 CAD文件直接進(jìn)行切片 )。這些離散的片層按次序累 積起來仍時(shí)所設(shè)計(jì)的零件實(shí)體形狀。然后，將上述的離散（切片）數(shù)據(jù)傳遞到成型機(jī)中去。成型機(jī)中的掃描器在計(jì)算機(jī)信息的控制下逐層進(jìn)行掃描燒結(jié)。即可得到成型件。 —— 疊加成型 目前市場(chǎng)上 SLS 成型機(jī)產(chǎn)品很多，但從成型過程來看，其原理大體分為兩種。 一種是 DTM 為代表，而另一種是以 為代表。下面就以這兩代表為例，分別介紹疊加成型的物理過程。 設(shè)計(jì)方案 18 DTM—— 分缸鋪粉 成型系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)地在一個(gè)封閉的成型室中安裝兩個(gè)剛體活塞結(jié)構(gòu)。一個(gè)用于供粉，另一個(gè)用于成型。成型過程開始前，用于紅外線板將粉 末材料加熱之恰好低于燒結(jié)點(diǎn)的某一溫度。成型開始時(shí)，供粉缸內(nèi)活塞上移一給定量，而成型缸內(nèi)活塞下一相同量。鋪粉滾筒將粉料均勻的鋪在成型缸加工表面上。激光束在計(jì)算機(jī)控制下以給定速度和能量對(duì)第一層信息進(jìn)行掃描。激光束掃過之處粉末被燒結(jié)，固化為給定厚度的片層，未燒結(jié)的粉末被用來作為支撐。這樣，零件的第一層邊制作出來了。 而后，供料缸，成型缸分別重復(fù)上述動(dòng)作。激光束按第二層信息掃描，被燒結(jié)的粉末固化成第二層。如此反復(fù)至完成。如圖 1。 圖 1 —— 送料槽鋪粉 在 系統(tǒng)中，燒結(jié)固化過程與 DTM 相同。而鋪粉方式有所不同。粉末的鋪撒是有一個(gè)槽型噴嘴實(shí)現(xiàn)的，其導(dǎo)向跟蹤板的輪廓被設(shè)計(jì)成當(dāng)噴頭從一邊偏向另一邊是保持噴力的方向始終垂直于工件表面。噴頭側(cè)面設(shè)計(jì)有刮刀裝置。如圖 2。 吉林大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 19 圖 2 通過比較，前者鋪粉裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需有儲(chǔ)料缸，即送料滾筒；而后者送料裝置和鋪粉裝置合為一體，在送料的同時(shí)即可將粉末鋪平。但從精度，以及可操縱簡(jiǎn)易性考慮，前者更容易實(shí)現(xiàn)。 儲(chǔ)料缸體積只要大于成型缸即可保證 粉末供應(yīng)的重足，而 鋪粉 滾筒在鋪粉過程中，最低點(diǎn)（即速度瞬心）的切向力和法向力保證了粉料鋪撒過程中的均勻結(jié)實(shí)。后者的送料槽在送料過程中需要有泵體提供壓力，通過管道和送料口直徑來控制流量，從而保證成型缸的鋪粉要求。 在設(shè)計(jì)初期，作者嘗試兩個(gè)方案都進(jìn)行設(shè)計(jì)。而后比較得出優(yōu)化方案。據(jù)作者調(diào)查研究，目前國內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的 SLS 快速成型機(jī)大都沿用 的設(shè)計(jì)思路，將鋪粉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成單獨(dú)的裝置，懸掛在成型表面上方運(yùn)動(dòng)。而國外大部分公司相反，將鋪粉裝置簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)成缸體結(jié)構(gòu)。 作者對(duì)兩種方案都進(jìn)行了設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如下：（ 圖 3，圖 4） 圖 3： DTM 形式； 圖 4： 形式。 設(shè)計(jì)方案 20 圖 3 圖 4 吉林大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 21 4 SLS 的工藝過程及特點(diǎn) 激光選區(qū)燒結(jié)（ SLS）的工藝特點(diǎn) ： （ 1） 可采用多種材料 從原理上說，此方法可采用加熱使黏度降低的任何粉末材料，通過材料或各類含粘結(jié)劑的涂層顆粒制造出任何造型，適應(yīng)不同的需要。 （ 2） 制造工藝比較簡(jiǎn)單 由于可用多種材料，激光選區(qū)燒結(jié)工藝按采用的原料不同可以直接生產(chǎn)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。 （ 3） 制造精度較高 依賴于使用的材料種類和粒徑，產(chǎn)品的幾何形狀和復(fù)雜程度，這種工藝 一般能夠達(dá)到全工件范圍內(nèi) t(~)mm 的公差。當(dāng)粉末粒徑為，成型后的原型精度可達(dá) t 1%。 （圖 5） 圖 5 工藝過程及特點(diǎn) 22 粉末原料的燒結(jié) 激光選區(qū)燒結(jié)工藝的原料一般為粉末，可選用的粉末主要有金屬粉，陶瓷粉和塑料粉，分別制造出相應(yīng)的原型或零件。 作者對(duì)目前常用的粉末材料進(jìn)行了調(diào)查研究，做出一下總結(jié)： 1） 高分子粉末材料：聚碳酸酯（ PC），聚苯乙烯粉（ PS）， ABS，尼龍（ PA），尼龍與玻璃微球的混合物，蠟 粉； 2） 金屬粉末材料：金屬粉，不銹鋼粉末，還原鐵粉，銅粉，鋅粉，鋁粉。值得一提的是，大部分金屬粉末在應(yīng)用時(shí)需要提供粘結(jié)劑，其目的是為了增強(qiáng)粉末的粘結(jié)性，從而提高成型件的剛度和強(qiáng)度； 3） 陶瓷粉末材料： 2 3 2,Al O SiC ZrO。同樣，陶瓷粉末也需要有粘結(jié)劑，常用粘結(jié)劑：無機(jī)粘結(jié)劑，有機(jī)粘結(jié)劑，技術(shù)粘結(jié)劑。 4） 覆膜砂粉末材料：覆膜砂粉末，常用的粘結(jié)劑多為低分子量酚醛樹脂。 在工藝過程中，對(duì)于加工原料的顆粒等級(jí)有著嚴(yán)格的劃分，不同直徑的顆粒制造的原件在精度，剛性及使用性能方面都不盡相同。據(jù)劃 分如下：（表 2） 表 2— SLS 粉末材料顆粒等級(jí)劃分 直徑大于 10mm 粒體 1181。m~10nm 細(xì)粉末或微粉末 10mm~100181。m 粉粒 直徑小于 1nm 超微粉末（納米粉末） 100181。m~1181。m 粉末 材料性能對(duì)成型過程的影響 （ 1） 吸收性：二氧化碳激光的波長(zhǎng)為 微米，要求材料在此波段有吉林大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 23 較強(qiáng)的 吸收特性，才能使粉體在較高的掃描速度下熔化和（ 2） 熱傳導(dǎo)型：材料的導(dǎo)熱系數(shù)小，可以減小熱影響區(qū)，保證成型尺寸精度及分辨率，但成型效率低。 （ 3） 收縮率：要求材料的相變體積收縮率和膨脹系數(shù)盡量小，減少成型內(nèi)應(yīng)力和收縮翹曲。 （ 4） 熔點(diǎn)：熔點(diǎn)低易于燒結(jié)成型。熔點(diǎn)高則易于減少熱影響區(qū)，提高分辨率。 （ 5） 玻璃化溫度：對(duì)非晶體材料，影響作用于熔點(diǎn)相似。 （ 6） 結(jié)晶溫度與速率：在一定冷卻速率下，結(jié)晶溫度低，速率慢，有利于工藝控制。 （ 7） 熱分解溫度：一般要求有較高分解溫度。 （ 8） 阻燃及抗氧化性：要求不易燃，不易氧化。 （ 9） 模量：模量高，不易變形。 （ 10） 熔體粘度：粘度小，易于粘結(jié)，強(qiáng)度高，熱影響區(qū)大。 （ 11） 粉體粒 徑：粒徑大，成型精度于表面粗糙度差，不易與激光吸收，易變形；粒徑小，易與激光吸收，表面質(zhì)量好，成型效率低，強(qiáng)度低，成型效率低，強(qiáng)度低，易污染，易燒蝕。 （ 12） 粒徑分布：合適的粒徑分布有利于形成致密堆積，減少收縮變形，粉體中不含過細(xì)成分。 （ 13） 顆粒形狀：影響粉體堆積密度和表面質(zhì)量，流動(dòng)性和光吸收性，應(yīng)接近球形。 （ 14） 堆積密度：影響收縮率和成型強(qiáng)度。 粉末材料的選擇 根據(jù)上述調(diào)查研究，作者決定本設(shè)計(jì)方案使用的粉末材料為蠟粉。而用作激光燒結(jié)快速成型的蠟粉既要具備良好的燒結(jié)成型性能，又要考慮對(duì)后繼精密制造工藝的適應(yīng)性。 一般來說，應(yīng)滿足以下三個(gè)要求： 一． 燒結(jié)性能好，要具備良好的激光燒結(jié)成型性能。 二． 成型質(zhì)量好，成型蠟?zāi)５膹?qiáng)度和精度要高，且要便于打磨處理。 三． 脫摸性好，制的的蠟?zāi)Ｒ芊奖?，快速的脫除，且殘留灰分要少? 傳統(tǒng)的熔模精鑄用蠟（烷烴蠟，脂肪酸蠟等）其熔點(diǎn)較低，大約在60 度左右，燒熔時(shí)間短，燒熔后沒有殘留物，對(duì)熔模鑄造的適應(yīng)性好，且成本低廉，但存在以下缺點(diǎn)： 1） 對(duì)溫度敏感，燒結(jié)時(shí)熔融流動(dòng)性大，使成型不易控制。 2） 成型精度差，蠟?zāi)３叽缯`差為 177。（ ~） mm，表面粗糙度為材料的選 擇 24 ~。 3） 蠟?zāi)?qiáng)度低，難以滿足具 有精細(xì)，復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件的要求。 4） 粉末的制備相對(duì)來說十分苦難。 鑒于此，我國對(duì)石蠟粉末材料的研究在不斷的開發(fā)研制中。作者與本方案中就采用新型材料粉末 —— 低熔點(diǎn)高分子蠟復(fù)合材料。 華北化工學(xué)院采用化學(xué)合成法，開發(fā)了以氧化聚乙烯蠟為主要成分的復(fù)合精鑄蠟粉 —— PCP1。使用此材料，燒結(jié)成形件經(jīng)簡(jiǎn)單后處理（清粉，涂液），便可達(dá)到精鑄蠟?zāi)５囊蟆?PCP1 性能如下（圖 6） 圖 6 PCP1 主要性能指標(biāo) 外觀 松裝密度 平均粒徑 吸濕率 玻璃化溫度 粘流溫度 白色 ? % 65oc 80oc 在通過傳統(tǒng)的精鑄工藝，進(jìn)行涂殼，脫蠟，焙燒等，便可得到合格鑄件。 PCP1 的主要優(yōu)點(diǎn)： 1） 燒結(jié)性能好，無須預(yù)熱。 2） 成型性能優(yōu)良，成型件變形小。 3） 脫模性好，用蒸氣法即可脫除干凈，無需燃燒分解，避免了環(huán)境污染。 5 SLS 的系統(tǒng)組成 激光選區(qū)燒結(jié)快速成型系統(tǒng)一般由主機(jī)，控制系統(tǒng)和冷卻器三部分組成。 吉林大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 25 主機(jī)主要有成型工作缸，廢料回收缸，鋪粉輪筒裝置，送料工作缸，激光器，激光器，振鏡式動(dòng)態(tài)聚焦掃描系統(tǒng)，機(jī)身與機(jī)殼等組成。 成型工作缸 在缸中完成零件的加工，工作缸每次下降的距離即為層厚。零件加工完后，缸升起