【正文】 層自動(dòng)實(shí)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(wú)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(shí) 制 造(IM, Instant Manufacturing)“即 時(shí) 制 造”反映了該類技術(shù)的快速響應(yīng)性。 當(dāng)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(shì)，但是同時(shí)也存在自身的缺陷，所以必須根據(jù)具體的使用要求進(jìn)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： 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(xiàn)進(jìn)行過(guò)詳細(xì)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(duì)于較小的實(shí)體尺寸，SLA的精度同樣最高。對(duì)于較小的空心尺寸，F(xiàn)DM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(guò)程中產(chǎn)生過(guò)燒結(jié)而造成的:對(duì)于加工微小尺寸的特征，SLA最好，F(xiàn)DM和SLS次之，并且同一水平上。對(duì)于圓柱特征的表面粗糙度，SLA和LOM的精度最高，SLS中等，F(xiàn)DM最差。當(dāng)建造有懸臂特征的零件時(shí)，F(xiàn)DM和SLA必須要有支撐，而且由于FDM加工時(shí)，零件暴露于空氣中，所以相對(duì)而言，F(xiàn)DM對(duì)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(duì)于特定的成型方法，應(yīng)盡量避免加工這些特征。而臺(tái)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(shí)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(gòu)置成本、設(shè)備運(yùn)行成本以及人工成本，經(jīng)過(guò)綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為SLA較高，F(xiàn)DM和SLS次之，LOM的制作成本較低。當(dāng)用覆膜砂或陶瓷粉末燒結(jié)型芯時(shí)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(guó)外的DTM公司在SLS成型材料的開(kāi)發(fā)上作了大量的工作，而且粉末細(xì)小，層厚最小可到 mm，所以可以達(dá)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(diǎn)是成型后不需要入爐進(jìn)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(xué)奧斯汀分校進(jìn)行了沒(méi)有聚合物粘結(jié)劑的金屬粉末(CuSn, NiSn或青銅鎳粉復(fù)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(xué)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(shù)脂類似的環(huán)氧樹(shù)脂粉末作為搜膜砂粘結(jié)劑，經(jīng)過(guò)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(jī)械零件或產(chǎn)品整體的設(shè)計(jì)效果的直觀物理效果實(shí)現(xiàn)，只是用來(lái)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(shí)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(dá)數(shù)萬(wàn)件以上1241。Keltool被認(rèn)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(guó)3D Systems公司開(kāi)發(fā)。 RP系統(tǒng)的發(fā)展近年來(lái)RP技術(shù)的一個(gè)值得注意的方面是RP系統(tǒng)的專業(yè)化，即針對(duì)某些特殊用途開(kāi)發(fā)出的RP系統(tǒng)產(chǎn)品。近年來(lái)五大RP系統(tǒng)占據(jù)了絕大部分的RP設(shè)備市場(chǎng)份額，并且這五種成型方法以外的孫系統(tǒng)所占比例越來(lái)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(jìn))的機(jī)型是當(dāng)前RP設(shè)備的發(fā)展方向。De. Montfort大學(xué)發(fā)展了一種稱為“月芽型光順”技術(shù)，主要針對(duì)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(jī)采用的Magna Drive系統(tǒng)，利用磁浮技術(shù)原理，使XY軸移動(dòng)時(shí)速度更快，更滑順，定位更準(zhǔn)確，而且能在同一時(shí)間獨(dú)立控制兩個(gè)獨(dú)立的加熱噴頭，加快了建造速度。工業(yè)界在許多方面對(duì)原型件的制作精度并不是太苛刻，所以開(kāi)發(fā)制作速度快、價(jià)格低的RP系統(tǒng)的市場(chǎng)將是很大的。例如Z公司的Z402采用多與125個(gè)噴嘴的打印頭，其售價(jià)低于5萬(wàn)美元，成型速度比其他RP系統(tǒng)快20倍。RP 技 術(shù) 的一個(gè)發(fā)展方向是多種材料的復(fù)合成型，無(wú)需裝配一次制造多種材料、將為開(kāi)發(fā)復(fù)合結(jié)構(gòu)成型提供新途徑，在微機(jī)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(lái)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(jì)中，可以設(shè)計(jì)出一個(gè)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(gè)多種材料和部件的三維實(shí)體器件。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)有的分層制造RP系統(tǒng)上僅增加20%30%，并研制成功了具有FDM與LOM復(fù)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(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。RP技術(shù)經(jīng)過(guò)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(wú)限的生命力，成功地實(shí)現(xiàn)了CAD/CAM的集成。目前美國(guó)、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(kāi)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。雖然起步較晚，但進(jìn)步很快。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)500mm500mm500mm，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。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)間而又不增加昂貴的開(kāi)發(fā)成本的同時(shí)，提高成型系統(tǒng)的綜合性能。希望通過(guò)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(guó)激光燒結(jié)快速成型技術(shù)的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。 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。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(lái)仍時(shí)所設(shè)計(jì)的零件實(shí)體形狀。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)?！B加成型目前市場(chǎng)上SLS成型機(jī)產(chǎn)品很多，但從成型過(guò)程來(lái)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(guò)程。一個(gè)用于供粉，另一個(gè)用于成型。成型開(kāi)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。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。這樣，零件的第一層邊制作出來(lái)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(jì)有刮刀裝置。 圖2通過(guò)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。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(guò)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(guò)程中的均勻結(jié)實(shí)。在設(shè)計(jì)初期，作者嘗試兩個(gè)方案都進(jìn)行設(shè)計(jì)。據(jù)作者調(diào)查研究，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)。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：。（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。成型后的原型精度可達(dá)t1%。 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。同樣，陶瓷粉末也需要有粘結(jié)劑，常用粘結(jié)劑：無(wú)機(jī)粘結(jié)劑，有機(jī)粘結(jié)劑，技術(shù)粘結(jié)劑。在工藝過(guò)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。m~10nm 細(xì)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(diǎn)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(qiáng)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(guò)細(xì)成分。（14） 堆積密度：影響收縮率和成型強(qiáng)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(duì)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?qiáng)度和精度要高，且要便于打磨處理。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(méi)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。（~）mm，~。4） 粉末的制備相對(duì)來(lái)說(shuō)十分苦難。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。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CP1的主要優(yōu)點(diǎn)：1） 燒結(jié)性能好，無(wú)須預(yù)熱。3） 脫模性好，用蒸氣法即可脫除干凈，無(wú)需燃燒分解，避免了環(huán)境污染。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。零件加工完后，缸升起，一邊取出制件和為下一次假工作準(zhǔn)備。絲杠有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)絲杠螺母上下移動(dòng)，通過(guò)連接件從而使活塞作上下運(yùn)動(dòng)。（圖7） 圖7結(jié)構(gòu)尺寸:底為直徑400mm的圓形，高300mm。 絲杠的導(dǎo)程計(jì)算： Pho導(dǎo)程 （mm）Vmax工作臺(tái)最大移動(dòng)速度（mm/min）nmax電機(jī)最大轉(zhuǎn)速（r/min）I 傳動(dòng)比，從輸出端（馬達(dá)）至輸入端（絲杠）的傳動(dòng)比。絲杠螺母位置簡(jiǎn)圖如下：（圖8） 圖8a 圖8b(1) 滾珠絲杠進(jìn)給力的計(jì)算在設(shè)計(jì)滾珠絲杠時(shí)，首先確定其名義直徑，螺距及滾珠直徑等，確定上述參數(shù)一般是放在防止疲勞點(diǎn)蝕的基礎(chǔ)上，對(duì)