【正文】 驅(qū)動的直接結(jié)果 :(3)復雜形狀的三維實體， RP可制造任意復雜程度的零件，不受零件幾何形狀的限制。材料添加制造 （ MIM, Material Increase Manufacturing) “材 料 添 加 制 造”將材料單元采用一定方式堆積、疊加成形，有別于車削等基于材料去除原理的傳統(tǒng)加工工藝。分 層 制造 (LM, Layered Manufacturing) “分 層 制 造 ”將 復雜的三維加工分解成一系列二維層片的加工，著重強調(diào)層作為制造單元的特點，每層可采取更低維單元進行累加或高維單元進行加工得到。離散堆積制造 “離 散 堆 積制造”是現(xiàn)代成型學理論中在對成型技術(shù)發(fā)展進行總結(jié)的基礎(chǔ)上提出的，表明了模型信息處理過程的離散性，強調(diào)了成型物理過程的材料堆積性，體現(xiàn)了 RP技術(shù)的基本成型原理，具有較強的概括性和適應(yīng)性。 RP工藝是用逐層變化的截面來制造三維形體零件的形狀和結(jié)構(gòu)也，在制造每一層片時都和前一層自動實現(xiàn)聯(lián)接，不需要專用夾具或工具，使制造成本完全與批量無關(guān)，既增加了成型工藝的柔性，又節(jié)省了制造工裝和專用工具的大量成本。即 時 制 造 (IM, Instant Manufacturing) “即 時 制 造”反映了該類技術(shù)的快速響應(yīng)性。 當前主要的 RP技術(shù) RP是直接根據(jù) CAD模型快速生產(chǎn)樣件或零件的成組技術(shù)的總稱，是技術(shù)綜合的結(jié)果。不同的 RP系統(tǒng)都有其特有的優(yōu)勢，但是同時也存在自身的缺陷，所以必須根據(jù)具體的使用要求進行 RP系統(tǒng)的選擇。關(guān)于這五種 RP系統(tǒng)的發(fā)展概況如下表： 設(shè)計方案 12 表 1 典 型 RP 系 統(tǒng) 的 發(fā) 展 概 況 幾種主要 RP技術(shù)的比較 有關(guān)這 5種主要的 RP技術(shù)的成型原理已有很多文獻進行過詳細的介紹，這里不加贅述。 尺寸精度 : 在大多數(shù)情況， SLA能獲得的尺寸精度最高，以下依次 是 LOM, F DM和SLS。 對于較小的實體尺寸， SLA的精度同樣最高 。 對于較小的空心尺寸， FDM和 LOM,S LA能獲得的精度要優(yōu)于 SLS，這主要是由于受 SLS材料的粉末粒度的限制及加工過程中產(chǎn)生過燒結(jié)而造成的 : 對于加工微小尺寸的特征， SLA最好， FDM和 SLS次之，并且同一水平上。 對于圓柱特征的表面粗糙度， SLA和 LOM的精度最高， SLS中等， FDM最差 。 當建造有懸臂特征的零件時， FDM和 SLA必須要有支撐，而且由于 FDM加工時，零件暴露于空氣中，所以相對而言， FDM對支撐的依賴性更大 。 綜上所述，不同的成型方法所能獲得的尺寸精度有所差別，而且都有較難獲得 高精度的零件特征，所以對于特定的成型方法，應(yīng)盡量避免加工這些特征。而臺階效應(yīng)、填充方式、層片變形是影響零件表面質(zhì)量的主要原因。 零件制造時 間 SLA較快， LOM次之，而 FDM和 SLS的成型速度較慢。 制作成本 制作成本應(yīng)包括設(shè)備購置成本、設(shè)備運行成本以及人工成本，經(jīng)過綜合評價認為 SLA較高， FDM和 SLS次之， LOM的制作成本較低。當用覆膜砂或陶瓷粉末燒結(jié)型芯時還要求有較小的發(fā)氣性和與涂料良好的涂掛等，以利于澆注合格的鑄件。 國外的 DTM公司在 SLS成型材料的開發(fā)上作了大量的工作，其推出的設(shè)計方案 14 ，只有 ，而且粉末細小，層厚最小可到 mm，所以可以達到很高的精度和表面光潔度，幾乎不需要后續(xù)拋光處理。 ROCKWELL公司研制的CopperPolymide 材料基體為銅粉，粘結(jié)劑為聚酞胺 (polyamide)，其特點是成型后不需要入爐進行二次燒結(jié)，制造周期短，可在 1天內(nèi)完成模具的制造加工。m。 Texas大學奧斯汀分校進行了沒有聚合物粘結(jié)劑的金屬粉末 (CuSn, NiSn或 青銅 鎳粉復合粉末 )的 SLS成型研究，并成功制造了金屬模具。南京航空航天大學在覆膜砂材料方面也作了大童的工作，選用 250目在使用特性上與酚醛樹脂類似的環(huán)氧樹脂粉末作為搜膜砂粘結(jié)劑，經(jīng)過合理的配比，獲得了很好的燒結(jié)性能。 RP技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 金屬零件的直接制造和模具的快速制造 快速成型制造最早應(yīng)用于機械零件或產(chǎn)品整體的 設(shè)計效果的直觀物理效果實現(xiàn)，只是用來審查最終產(chǎn)品的造型、結(jié)構(gòu)和裝配關(guān)系等目的。它經(jīng) SLS快速燒結(jié)成型后使之在300℃環(huán)境下燒失 (Debinding)粘結(jié)劑包衣，在 700℃時使鋼粉顆粒之間發(fā)生弱聯(lián)結(jié)困 (Necking)。這種模具鋼成分占 60 ，銅占 40%，其壽命高達數(shù)萬件以上 1241。 Keltool被認為是目前最有發(fā)展前景的一種快速制造金屬模具的方法，由美國 3D Systems公司開發(fā)。 RP系統(tǒng)的發(fā)展 近年來 RP技術(shù)的一個值得注意的方面是 RP系統(tǒng)的專業(yè)化，即針對某些特殊用途開發(fā)出的 RP系統(tǒng)產(chǎn)品。 近年來五大 RP系統(tǒng)占據(jù)了絕大部分的 RP設(shè)備市場份額，并且這五種成 型方法以外的孫系統(tǒng)所占比例越來越小，所以大力改善這五大快速成型系統(tǒng)的制作精度、可靠性、生產(chǎn)率和制作大件的能力，并推出新一代 (或改進 )的機型是當前 RP設(shè)備的發(fā)展方向。 De. Montfort大學發(fā)展了一種稱為“月芽型光順”技術(shù)，主要針對 SLA技術(shù)，可以大大提高制件的表面光潔度。 Stratasys公司的 FDM Quantum成型機采用的 Magna Drive系統(tǒng)，利用磁浮技術(shù)原理，使 XY軸移動時速度更快，更滑順，定位更準確，而且能在同一時間獨立控制兩個獨立的加熱噴頭，加快了建造速度。 工業(yè)界在許多方面對原型件的制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。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 。 RP 技 術(shù) 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、復雜形狀的零件和器件 .這種將材料制備與結(jié)構(gòu)成型一體化的 RP方法，將為開發(fā)復合結(jié)構(gòu)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(lǐng)域 有廣泛的應(yīng)用前景。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。在 CAD設(shè)計中，可以設(shè)計出一個完整的器件。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。 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(shù)功能集成的新思想，即在一個現(xiàn)有的分層設(shè)計方案 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功能耦合的機械電子學基礎(chǔ)，并研制成功了具有 FDM與 LOM復合功能的新型 RP設(shè)備。(2)快速高精度的直接切片軟件 。(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。 RP與 CAD,CAE,CAPP,CAM,R T以及高精度自動測量技術(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，也可快速實現(xiàn)反求工程。 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。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(shù)投入了大量的研究和開發(fā)力量及經(jīng)費， RP 技術(shù)正處于迅速發(fā)展的時期，其發(fā)展和應(yīng)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(zhì)梯度零件直接制造、多材料復合化、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。雖然起步較晚，但進步很快。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(jié)輔助時間大大減少，最大成型空間可達 500mm 500mm 500mm，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。但是為了使快速成型技術(shù)從經(jīng)濟和技 術(shù)上變得更有吸引力，就得在進一步減少成型時間而又吉林大學本科畢業(yè)設(shè)計說明書 17 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。希望通過對送料裝置，以及傳動裝置的改進設(shè)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(jié)快速成型技術(shù)的發(fā)展貢獻自己的力量。 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(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)市場上應(yīng)經(jīng)成熟的產(chǎn)品進行比較，總結(jié)了 SLS 成型機的工作原理。將其轉(zhuǎn)換成 STL 文件格式。這些離散的片層按次序累 積起來仍時所設(shè)計的零件實體形狀。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(jié)。 —— 疊加成型 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。下面就以這兩代表為例，分別介紹疊加成型的物理過程。一個用于供粉，另一個用于成型。成型開始時，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。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。這樣，零件的第一層邊制作出來了。激光束按第二層信息掃描，被燒結(jié)的粉末固化成第二層。如圖 1。而鋪粉方式有所不同。噴頭側(cè)面設(shè)計有刮刀裝置。 吉林大學本科畢業(yè)設(shè)計說明書 19 圖 2 通過比較，前者鋪粉裝置結(jié)構(gòu)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。 儲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（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。 在設(shè)計初期，作者嘗試兩個方案都進行設(shè)計。據(jù)作者調(diào)查研究，目前國內(nèi)許多研究機構(gòu)設(shè)計的 SLS 快速成型機大都沿用 的設(shè)計思路，將鋪粉機構(gòu)設(shè)計成單獨的裝置，懸掛在成型表面上方運動。 作者對兩種方案都進行了設(shè)計，設(shè)計簡圖如下：（ 圖 3，圖 4） 圖 3： DTM 形式； 圖 4： 形式。 （ 2） 制造工藝比較簡單 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)計和變化等。當粉末粒徑為，成型后的原型精度可達 t 1%。 作者對目前常用的粉末材料進行了調(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。同樣，陶瓷粉末也需要有粘結(jié)劑，常用粘結(jié)劑：無機粘結(jié)劑，有機粘結(jié)劑，技術(shù)粘結(jié)劑。 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。m~10nm 細粉末或微粉末 10mm~100181。m~1181。 （ 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。熔點高則易于減少熱影響區(qū)，提高分辨率。 （ 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。 （ 8） 阻燃及抗氧化性：要求不易燃，不易氧化。 （ 10） 熔體粘度：粘度小，易于粘結(jié)，強度高，熱影響區(qū)大。 （ 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。 （ 14） 堆積密度：影響收縮率和成型強度。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，又要考慮對后繼精密制造工藝的適應(yīng)性。 二． 成型質(zhì)量好，成型蠟?zāi)５膹姸群途纫撸乙阌诖蚰ヌ幚怼? 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(yīng)性好，且成本低廉，但存在以下缺點： 1） 對溫度敏感，燒結(jié)時熔融流動性大，使成型不易控制。（ ~） mm，表面粗糙度為材料的選 擇 24 ~。 4） 粉末的制備相對來說十分苦難。作者與本方案中就采用新型材料粉末 —— 低熔點高分子蠟復合材料。使用此材料，燒結(jié)成形件經(jīng)簡單后處理（清粉，涂液），便可達到精鑄蠟?zāi)５囊蟆? PCP1 的主要優(yōu)點： 1） 燒結(jié)性能好，無須預(yù)熱。 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。 吉林大學本科畢業(yè)設(shè)計說明書 25 主機主要有成型工作缸，廢料回收缸，鋪粉輪筒裝置，送料工作缸，激光器，激光器，振鏡式動態(tài)聚焦掃描系統(tǒng)，機身與機殼等組成。零件加工完后，缸升起，一邊取出制件和為下一次假工作準備。絲杠有步進電機驅(qū)動，絲杠轉(zhuǎn)動，帶動絲杠螺母上下移動，通過連接件從而使活塞作上下運動。（圖 7） 圖 7 結(jié)構(gòu)尺寸 :底為直徑 400mm的圓形，高 300mm。 絲杠的導程計算：