【文章內容簡介】 作精度并不是太苛刻，所以開發(fā)制作速度快、價格低的RP系統(tǒng)的市場將是很大的。幾家美國公司正在推出能力較低但是價格低廉的RP系統(tǒng)，其目標是開發(fā)象復印機、打印機、傳真機一樣操作簡便、快捷、安全、無噪聲的快速成型系統(tǒng)。例如Z公司的Z402采用多與125個噴嘴的打印頭，其售價低于5萬美元，成型速度比其他RP系統(tǒng)快20倍。而BMP技術公司的個人制模機采用5個噴嘴。RP 技 術 的一個發(fā)展方向是多種材料的復合成型，無需裝配一次制造多種材料、將為開發(fā)復合結構成型提供新途徑，在微機械、電子元器件、電子封裝、傳感器等領域有廣泛的應用前景。值得一提的是美國卡內基梅倫大學(Carnegie Mellon)(Stanford)(Shape Deposition Manufacturing of Heterogeneous Structures)。這種方法的原理如下:利用等離子放電來加熱金屬絲材料，熔化的材料熔積到工件逐漸成型。制作一個多種材料的工件時需要多個噴頭，各噴頭可分別噴出不同的材料。在CAD設計中，可以設計出一個完整的器件。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多種材料和部件的三維實體器件。這種技術可在一些小型復雜結構器件的一次整體制造中使用，而無需分件加工和裝配，是一個材料與結構一體化的方法，是發(fā)展微機械制造的一條有效途徑。當前各種RP系統(tǒng)在軟件和硬件的實現(xiàn)上有70%80%是相同或相近的，有文獻提出了快速成型技術功能集成的新思想，即在一個現(xiàn)有的分層制造RP系統(tǒng)上僅增加20%30%，并研制成功了具有FDM與LOM復合功能的新型RP設備。此外，開發(fā)高性能的RP軟件也是RP技術的一個重點研究方向，這個領域的研究主要集中在開發(fā):(1) CAD文件轉換處理軟件，包括STL文件格式轉換、切割軟件和自適應性分層軟件。(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軟件較多且功能強大，但是仍然存在局限性，除了價格太昂貴外，對于復雜的型體如變半徑倒角、倒角交接部分等的型體信息有時不能精確的加以描述，所以更高精度、更廉價CAD造型軟件的開發(fā)也是RP軟件系統(tǒng)研究的一個方向。RP與CAD,CAE,CAPP,CAM,R T以及高精度自動測量技術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，也可快速實現(xiàn)反求工程。將反求工程與快速成型相結合實現(xiàn)快速零件/模具的制造是集成快速成型制造的一個重要應用。RP技術經(jīng)過十幾年的發(fā)展，以其高速度高柔性、技術高度集中和設計制造一體化以及制造的自由性，顯示出無限的生命力，成功地實現(xiàn)了CAD/CAM的集成。RP技術以其不可比擬的優(yōu)勢必將成為在21世紀占重要地位的先進制造技術。目前美國、歐洲和日本都站在21世紀制造業(yè)競爭的戰(zhàn)略高度，對RP技術投入了大量的研究和開發(fā)力量及經(jīng)費，RP技術正處于迅速發(fā)展的時期，其發(fā)展和應用前景非常廣闊，其趨勢將主要體現(xiàn)在直接金屬成型、非均質梯度零件直接制造、多材料復合化、設備小型微型化而加工能力大型化和高精度、高速成型等，RP技術在工業(yè)中的應用將日益廣泛化。我國于90年代初期開始進行SLS成型機的研究。雖然起步較晚，但進步很快。例如，華中科技大學開發(fā)出的用于鑄造中沙型的HRPS1型成型機，用于高分子成型的HRPS3型成型機。目前主打產(chǎn)品為HRPS2A, HRPS3A,其獨特的三缸式，雙送料桶的送粉系統(tǒng)可使燒結輔助時間大大減少，最大成型空間可達500mm500mm500mm，激光最大掃描速度可達4m/s,可用的粉末材料多樣化，如多種高分子粉末，金屬粉末，陶瓷粉末和復膜砂等。 本課題設計的目的和主要內容從上面關于RP技術的發(fā)展現(xiàn)狀特別是SLS成型技術的發(fā)展現(xiàn)狀分析發(fā)現(xiàn)，當今SLS技術己經(jīng)能達到很不錯的強度和精度。但是為了使快速成型技術從經(jīng)濟和技術上變得更有吸引力，就得在進一步減少成型時間而又不增加昂貴的開發(fā)成本的同時，提高成型系統(tǒng)的綜合性能?；诖四康?，作者總結吸取了已有的成熟成型機設計，有所比較，有所創(chuàng)新的提出了本設計方案。希望通過對送料裝置，以及傳動裝置的改進設計，能使讀者與作者一道，增加對SLS的了解，并為我國激光燒結快速成型技術的發(fā)展貢獻自己的力量。2 設計方案題目要求工作內容和要求：成型空間：300x300x300 mm激光頭最大運動速度：100 mm/s激光頭定位精度：177。 mm上拖板，激光聚焦系統(tǒng)以及直線導軌軸等的總重量：約8kg最大成型件的重量約為：5kg燒結深度/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)市場上應經(jīng)成熟的產(chǎn)品進行比較，總結了SLS成型機的工作原理。SLS工作過程主要有兩個過程組成：——離散處理由計算機上建模的CAD三維立體造型零件，或者通過逆向工程得到三維實體圖形文件。將其轉換成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文件直接進行切片)。這些離散的片層按次序累積起來仍時所設計的零件實體形狀。然后，將上述的離散（切片）數(shù)據(jù)傳遞到成型機中去。成型機中的掃描器在計算機信息的控制下逐層進行掃描燒結。即可得到成型件?！B加成型目前市場上SLS成型機產(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。下面就以這兩代表為例，分別介紹疊加成型的物理過程。 DTM——分缸鋪粉成型系統(tǒng)的主體結構地在一個封閉的成型室中安裝兩個剛體活塞結構。一個用于供粉，另一個用于成型。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點的某一溫度。成型開始時，供粉缸內活塞上移一給定量，而成型缸內活塞下一相同量。鋪粉滾筒將粉料均勻的鋪在成型缸加工表面上。激光束在計算機控制下以給定速度和能量對第一層信息進行掃描。激光束掃過之處粉末被燒結，固化為給定厚度的片層，未燒結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，成型缸分別重復上述動作。激光束按第二層信息掃描，被燒結的粉末固化成第二層。如此反復至完成。如圖1。 圖1 ——送料槽鋪粉 ，燒結固化過程與DTM相同。而鋪粉方式有所不同。粉末的鋪撒是有一個槽型噴嘴實現(xiàn)的，其導向跟蹤板的輪廓被設計成當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。噴頭側面設計有刮刀裝置。如圖2。 圖2通過比較，前者鋪粉裝置結構較為復雜，需有儲料缸，即送料滾筒；而后者送料裝置和鋪粉裝置合為一體，在送料的同時即可將粉末鋪平。但從精度，以及可操縱簡易性考慮，前者更容易實現(xiàn)。儲料缸體積只要大于成型缸即可保證粉末供應的重足，而鋪粉滾筒在鋪粉過程中，最低點（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實。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。在設計初期，作者嘗試兩個方案都進行設計。而后比較得出優(yōu)化方案。據(jù)作者調查研究，將鋪粉機構設計成單獨的裝置，懸掛在成型表面上方運動。而國外大部分公司相反，將鋪粉裝置簡化設計成缸體結構。作者對兩種方案都進行了設計，設計簡圖如下：（圖3，圖4）圖3：DTM形式；圖4：。圖3圖44 SLS的工藝過程及特點 激光選區(qū)燒結（SLS）的工藝特點：（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劑的涂層顆粒制造出任何造型，適應不同的需要。（2） 制造工藝比較簡單由于可用多種材料，激光選區(qū)燒結工藝按采用的原料不同可以直接生產(chǎn)復雜形狀的原型，型模，三維構件或部件及工具，能廣泛適應設計和變化等。（3） 制造精度較高依賴于使用的材料種類和粒徑，產(chǎn)品的幾何形狀和復雜程度，這種工藝一般能夠達到全工件范圍內t(~)mm的公差。，成型后的原型精度可達t1%。（圖5） 圖5 粉末原料的燒結激光選區(qū)燒結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，分別制造出相應的原型或零件。 作者對目前常用的粉末材料進行了調查研究，做出一下總結：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用時需要提供粘結劑，其目的是為了增強粉末的粘結性，從而提高成型件的剛度和強度；3） 陶瓷粉末材料：。同樣，陶瓷粉末也需要有粘結劑，常用粘結劑：無機粘結劑，有機粘結劑，技術粘結劑。4） 覆膜砂粉末材料：覆膜砂粉末，常用的粘結劑多為低分子量酚醛樹脂。在工藝過程中，對于加工原料的顆粒等級有著嚴格的劃分，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粉末材料顆粒等級劃分直徑大于10mm 粒體1181。m~10nm 細粉末或微粉末10mm~100181。m 粉粒直徑小于1nm 超微粉末（納米粉末）100181。m~1181。m 粉末材料性能對成型過程的影響（1） 吸收性：，要求材料在此波段有較強的吸收特性，才能使粉體在較高的掃描速度下熔化和（2） 熱傳導型：材料的導熱系數(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，減少成型內應力和收縮翹曲。（4） 熔點：熔點低易于燒結成型。熔點高則易于減少熱影響區(qū)，提高分辨率。（5） 玻璃化溫度：對非晶體材料，影響作用于熔點相似。（6） 結晶溫度與速率：在一定冷卻速率下，結晶溫度低，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，強度高，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，表面質量好，成型效率低，強度低，成型效率低，強度低，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，粉體中不含過細成分。（13） 顆粒形狀：影響粉體堆積密度和表面質量，流動性和光吸收性，應接近球形。（14） 堆積密度：影響收縮率和成型強度。根據(jù)上述調查研究，作者決定本設計方案使用的粉末材料為蠟粉。而用作激光燒結快速成型的蠟粉既要具備良好的燒結成型性能，又要考慮對后繼精密制造工藝的適應性。一般來說，應滿足以下三個要求：一． 燒結性能好，要具備良好的激光燒結成型性能。二． 成型質量好，成型蠟模的強度和精度要高，且要便于打磨處理。三． 脫摸性好，制的的蠟模要能方便，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）其熔點較低，大約在60度左右，燒熔時間短，燒熔后沒有殘留物，對熔模鑄造的適應性好，且成本低廉，但存在以下缺點：1） 對溫度敏感，燒結時熔融流動性大，使成型不易控制。2） 成型精度差，蠟模尺寸誤差為177。（~）mm，~。3） 蠟模強度低，難以滿足具有精細，復雜結構鑄件的要求。