2.第2章快速成型技術(shù)及其在鑄造中的應(yīng)用解析

1、第2章 快速成型技術(shù)及其在鑄造中的應(yīng)用2.1 引 言快速成型(Rapid Prototyping-RP)技術(shù)是國(guó)際上新開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)高科技成果，簡(jiǎn)稱快 速成型技術(shù)。它的核心技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和材料技術(shù)?？焖俪尚图夹g(shù)摒棄了傳統(tǒng)的機(jī)械加 工方法，根據(jù)CAD生成的零件幾何信息，控制三維數(shù)控成型系統(tǒng)，通過(guò)激光束或其它方法 將材料堆積而形成零件的。用這種方法成型，無(wú)需進(jìn)行費(fèi)時(shí)、耗資的模具或?qū)Ｓ霉ぞ叩脑O(shè) 計(jì)和機(jī)械加工，極大地提高了生產(chǎn)效率和制造柔性。從制造原理上講，快速成型(RP)技術(shù)一改“去除”為“堆積”的加工原理，給制造 技術(shù)帶來(lái)了革命性的飛躍式發(fā)展?；赗P原理的快速制造技術(shù)經(jīng)十幾年的發(fā)展，在創(chuàng)新設(shè)計(jì)、

2、反求工程、 快速制模各方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。RP技術(shù)的應(yīng)用可大大加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā) 速度，縮短制造周期，降低開(kāi)發(fā)成本?，F(xiàn)代市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的特點(diǎn)是多品種、小批量、短周期，要求企業(yè)對(duì)市場(chǎng)能快速響應(yīng)并不斷推出新產(chǎn)品占領(lǐng)市場(chǎng)，如新型電話機(jī)的市場(chǎng)壽命僅6個(gè)月，又如臺(tái)灣和日本摩托車行業(yè)，每三個(gè)月就推出一種新型摩托車投入市場(chǎng)，摩托車幾萬(wàn) 輛就需改型。二十世紀(jì)九十年代以來(lái)，在信息互聯(lián)網(wǎng)支持下，由快速設(shè)計(jì)、反求工程、快 速成形、快速制模等構(gòu)成的快速制造技術(shù)取得很大進(jìn)展?？焖俪尚渭夹g(shù)最早產(chǎn)生于二十世紀(jì)70年代末到80年代初，美國(guó)3M公司的Alan J.Hebert(1978)、 日本的小玉秀男(1980)、 美國(guó)UVP公司的

3、Charles W. Hull(1982)和日本 的丸谷洋二(1983)，在不同的地點(diǎn)各自獨(dú)立地提出了RP的概念，即用分層制造產(chǎn)生三維實(shí)體的思想。Charles W. Hull在UVP的繼續(xù)支持下，完成了一個(gè)能自動(dòng)建造零件的稱之為StereolithographyApparatus (SLA)的完整系統(tǒng)SLA-1，1986年該系統(tǒng)獲得專利， 這是RP發(fā)展的一個(gè)里程碑。 同年，CharlesW. Hull和UVP的股東們一起建立了3D System公 司。與此同時(shí)， 其它的成形原理及相應(yīng)的成形系統(tǒng)也相繼開(kāi)發(fā)成功。1984年Michael Feygin提出了薄材疊層(Laminated Objec

4、t Manufacturing，以下簡(jiǎn)稱LOM的方法，并于1985年組建Helisys公司，1992年推出第一臺(tái)商業(yè)成形系統(tǒng)LOM-1015。1986年，美國(guó)Texas大學(xué)的研究生C. Deckard提出了選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，簡(jiǎn)稱SLS)的思想，稍后組建了DTM公司，于1992年開(kāi)發(fā)了基于SLS的商業(yè)成形系統(tǒng)Sinterstation。Scott Crump在1988年提出了熔融成形(Fused Deposition Modeling，簡(jiǎn)稱FDM)的思想，1992年開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)機(jī)型3D-Modeler。自從80年代中期SLA光成形技術(shù)發(fā)展以來(lái)

5、到90年代后期，出現(xiàn)了幾十種不同的RP技術(shù)，除前述幾種外，典型的還有3DP等。但是，SLA、LOM SLS和FDM四種技術(shù)，目前仍然是RP技術(shù)的主流。目前世界上已投入應(yīng)用的快速成型裝置所采用的主要方法有以下6種：(1)SLA(Stereo Lithography)法-立體平版印刷法；(2)SLS(Selective Laser Sintering)-激光分層燒結(jié)法；(3)LOM(Laminated Object Manufactu-ring)-激光薄片疊層制造；(4)SGC(Sold Ground Curing)-光掩膜法；(5)FDM(Fused Deoposite Manufacturin

6、g)-熔絲沉積成型法； (6)DSPC (Direct ShellProduction Casting)直接陶瓷殼法。以上各種方法的具體工藝各有特點(diǎn)， 但工藝的基本過(guò)程是相同的。 即由設(shè)計(jì)者首先 在計(jì)算機(jī)上繪制所需生產(chǎn)零件的三維模樣，用切片軟件將立體模樣切成一系列不同高度處 截面的二維平面輪廓曲線，然后用快速成型機(jī)自動(dòng)形成每一截面的輪廓，并將各截面逐一 疊加，組合成所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的模樣實(shí)物。上述整個(gè)過(guò)程均在一臺(tái)機(jī)器上完成， 能在幾小時(shí)或 幾十小時(shí)內(nèi)制造出高精度的模樣實(shí)物。 此外， 還有一些方法尚處于研究之中。在這6種方 法中，SLA法最成熟，也是市場(chǎng)的最大占有者。在鑄造生產(chǎn)中，模板、芯盒、壓蠟型、

7、壓鑄模等的制造往往是靠機(jī)械加工的辦法，有 時(shí)還需要鉗工進(jìn)行修整， 費(fèi)時(shí)耗資， 而且精度不高。 特別是對(duì)于一些形狀復(fù)雜的薄壁鑄件， 例如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片、船用螺旋漿，汽車、拖拉機(jī)的缸體、缸蓋等，模具的制造更是一 個(gè)老大難的問(wèn)題。 雖然一些大型企業(yè)的鑄造廠也進(jìn)口了一些數(shù)控機(jī)床、 仿型銑等高級(jí)設(shè)備， 但除了設(shè)備價(jià)格昂貴之外，模具加工的周期也很長(zhǎng)，而且由于沒(méi)有很好的軟件系統(tǒng)支持， 機(jī)床的編程也很困難。面對(duì)今天世界上經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，產(chǎn)品的更新?lián)Q代日益加快，鑄造 模具加工的現(xiàn)狀很難適應(yīng)當(dāng)前的形勢(shì)。而快速成型制造技術(shù)的出現(xiàn)為解決這個(gè)問(wèn)題提供了 一條頗具前景的新路。目前，國(guó)際上快速成型技術(shù)在鑄造中的應(yīng)用主要有

8、以下3個(gè)方面。（1）直接澆注鑄件模樣 這種方法適用于形狀復(fù)雜的單件生產(chǎn)，例如航空航天工業(yè)中的特鑄件，或者是在新產(chǎn) 品試制時(shí)先做一兩個(gè)鑄件供進(jìn)一步試驗(yàn)用。具體操作是先用快速成型制作易熔模，然后將 模樣或者用熔模鑄造方法制殼澆注鑄件，或者用消失模鑄造方法直接澆注鑄件。在用SLS法成型時(shí)，當(dāng)以石蠟粉末為原料，直接制出石蠟原型來(lái)，可以方便在澆出鑄件。（2）用原型翻制母模后再澆注鑄件 對(duì)鑄件數(shù)量需要較多時(shí)可以應(yīng)用這種方法。 它是先用硅橡膠方法、石膏型方法或自 硬砂型方法等翻制母模，然后制蠟?zāi)；蛑苯訚沧⒊设T件。SLS法所使用的原料為石蠟、尼龍或聚碳酸酯等。用聚碳酸酯材料燒結(jié)制成的模樣，在許多性能上優(yōu)于石蠟

9、，可以做許多 復(fù)雜的高精度件。美國(guó)克萊斯勒公司和通用機(jī)器公司應(yīng)用SLS法減少新型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件的開(kāi)發(fā)費(fèi)用?？巳R斯勒公司用SLS法制成蠟?zāi)＃a(chǎn)形狀很復(fù)雜的汽車進(jìn)排氣管，通用機(jī)器公司也用這 種方法來(lái)制造航天器上的復(fù)雜零件。 美國(guó)的Rorketdyhe公司甚至用蠟和尼龍來(lái)做復(fù)雜的六 缸氣缸體模樣，然后用熔模鑄造的方法生產(chǎn)鑄件。（3）利用原型模樣制造模具這個(gè)方面的應(yīng)用最廣泛，可用于鑄件的大量生產(chǎn)。1） 最直接的模具應(yīng)用是在砂型鑄造用的模板和芯盒上。選用適當(dāng)?shù)臉?shù)脂材料制得原型模樣，再進(jìn)行表面噴鍍，或者是用LOM法燒結(jié)陶瓷原型，然后將模樣直接安裝在模板、芯盒上使用。這樣可以減少模具的制造周期，成本比用數(shù)

10、控機(jī)床加工還有所降低。美國(guó)福特汽車公司用LOM法制造長(zhǎng)685mm勺汽車曲軸模樣，先分3塊做，然后再拼裝 成砂型鑄造用的模板，尺寸精度達(dá)到0.13mm。2） 把一些低熔點(diǎn)合金噴涂在原型表面，可以用作壓蠟?zāi)＞撸?也可用環(huán)氧樹(shù)脂配合原型 模樣做成芯盒或壓蠟?zāi)＞摺?） 可以直接通過(guò)三維CAD系設(shè)設(shè)計(jì)出模具圖形，然后用激光快速成型技術(shù)制得模具原 型，再用上述各種方法直接鑄造出金屬模具。2.2 立體平板印刷 （SLA） 技術(shù)2.2.1工藝原理SLA技術(shù)又稱光固化快速成形技術(shù)，其原理是將所設(shè)計(jì)零件的三維計(jì)算機(jī)圖象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換成一系列很薄的模樣截面數(shù)據(jù).然后在快速成型機(jī)上用計(jì)算機(jī)控制激光束對(duì)光敏樹(shù)脂為原料的表面

11、進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，被掃描區(qū)域的樹(shù)脂薄層（約十分之幾毫米）產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而 固化， 形成連續(xù)的固化點(diǎn),從而構(gòu)成零件的一個(gè)薄層。 工作臺(tái)下移一個(gè)層厚的距離， 以便固 化好的樹(shù)脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹(shù)脂，進(jìn)行下一層的掃描加工，如此反復(fù)，直到整個(gè) 原型制造完畢。 該工藝從零件的最低薄層截面開(kāi)始,連續(xù)進(jìn)行,一般每層厚度為0.076-0.381mm。最后將模樣從樹(shù)脂液中取出，進(jìn)行最終的硬化處理，再打光、電鍍、噴涂或著色既可。圖2-1為SLA工藝原理示意圖，圖2-2為用SLA制作的原型。2.2.2 技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用由于光聚合反應(yīng)是基于光的 作用而不是基于熱的作用，故在 工作時(shí)只需功率較低的激光源。 此外，因?yàn)闆](méi)

12、有熱擴(kuò)散，加上鏈 式反應(yīng)能夠很好地控制，能保證 聚合反應(yīng)不發(fā)生在激光點(diǎn)之外， 因而加工精度高 ），表面質(zhì)量好， 原材料的利用率接近100%能制 造形狀復(fù)雜、精細(xì)的零件，效率 高。對(duì)于尺寸較大的零件，則可 采用先分塊成形然后粘接的方法 進(jìn)行制作。用SLA工藝快速制成的立體樹(shù)脂?？梢源媾D模進(jìn)行結(jié)殼， 型殼焙燒時(shí)去除樹(shù)脂模，得到中空型殼，即可澆注出具有高尺寸精度和幾何形狀、該工藝制模速度為7mm/h,尺寸精度為0.1%。如波音747飛機(jī)的貨艙門、復(fù)雜葉輪等鑄件。 再如SLA用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管試驗(yàn)，進(jìn)氣管內(nèi)腔形狀是由十分復(fù)雜的自由曲面構(gòu)成的，它對(duì)提高進(jìn)氣效率、燃燒過(guò)程有十分重要的影響。設(shè)計(jì)過(guò)程中，

13、需要對(duì)不同的進(jìn)氣管方案 做氣道試驗(yàn)，傳統(tǒng)的方法是用手工方法加工出由幾十個(gè)截面來(lái)描述的氣管木?；蚴嗄?，再用砂模鑄造進(jìn)氣管，加工中，木模工對(duì)圖紙的理解和本身的技術(shù)水平常導(dǎo)致零件與設(shè)計(jì) 意圖的偏離，有時(shí)這種誤差的影響是顯著的。使用數(shù)控加工雖然能較好地反映出設(shè)計(jì)意圖， 但其準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，特別是幾何形狀復(fù)雜時(shí)更是如此。英國(guó)Rover公司使用快速成型技術(shù)生產(chǎn)進(jìn)氣管的外模及內(nèi)腔模，取得了令人滿意的效果。SLA工藝的缺點(diǎn)是在液態(tài)樹(shù)脂固化過(guò)程中，模樣收縮后引起變形量較大，在型殼焙燒 中，因樹(shù)脂模易使型殼開(kāi)裂，需要用新型樹(shù)脂制造尺寸精確的半空模樣來(lái)克服次缺點(diǎn)。另 外，該法必須用臘替代每層薄截面輪廓外未固化的樹(shù)脂，

14、以便支撐下一層。這樣一層層制 作，直到模樣完成，然后加熱去掉支撐臘，操作上很麻煩。該工藝不適合制造尺寸較厚、 較大的鑄件，并且光敏樹(shù)脂價(jià)格昂貴（高于黃金價(jià)格）， 一般民用產(chǎn)品難以承受。美國(guó)、日本、德國(guó)、比利時(shí)等都投入了大量的人力、物力研究該技術(shù)，并不斷有新產(chǎn) 品問(wèn)世。我國(guó)西安交通大學(xué)也研制成功了立體光造型機(jī)LPS600A目前，全世界有10多家工廠生產(chǎn)該產(chǎn)品。圖 2-1 SLA 工藝原理圖圖 2-2 SLA5000 成型機(jī)及制作的原型2.3 選擇性激光燒結(jié)（SLS 技術(shù)2.3.1工藝原理SLS技術(shù)與SLA技術(shù)很相似，只是用粉末原料取代了液態(tài)光聚合物，并以一定的掃描 速度和能量作用于粉末材料。以國(guó)

15、產(chǎn)AFS快速成型機(jī)為例，其工藝過(guò)程如圖2-3圖 2-3 SLS 成型原理AFS激光快速自動(dòng)成型機(jī)采用選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）原理。主要由兩個(gè)過(guò)程組成。（1） 信息過(guò)程（離散）。在計(jì)算機(jī)上建模的CAD三維立體造型零件，或通過(guò)逆向工 程得到的三維實(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?；蛘咧苯訌腃AD文件進(jìn)行切片。這些離散的片層按次序累積起來(lái)仍是所設(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)。（2）物理過(guò)程（疊加）。成型系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)是在一個(gè)封閉的成型室中安裝

16、兩個(gè)缸體 活塞機(jī)構(gòu)，一個(gè)用于供粉，另一個(gè)用于成型。 成型過(guò)程開(kāi)始，供粉缸內(nèi)活塞上移一給定量， 鋪粉滾筒將粉料均勻地鋪在成型缸加工表面上，激光束在計(jì)算機(jī)的控制下以給定的速度和 能量對(duì)第一層信息進(jìn)行掃描。激光束掃過(guò)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(lái)作為支撐，這樣零件的第一層便制作出來(lái)。這時(shí)，成型缸活塞下移一給定量，供料缸活塞上移，鋪粉滾筒再次鋪粉，激光束再按第二層信息進(jìn)行掃描，所形成的第二片 層同時(shí)也被燒結(jié)固化在第一層上，如此逐層疊加，一個(gè)三維實(shí)體零件就制作出來(lái)了。2.3.2 工藝應(yīng)用（1） 新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的設(shè)計(jì)驗(yàn)證與功能驗(yàn)證。直觀驗(yàn)證設(shè)計(jì)思想和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理 性、可裝備性、

17、美觀性，找出設(shè)計(jì)缺陷、完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)。（2） 快速鑄造。利用快速成型與精密鑄造相結(jié)合的快速鑄造技術(shù)，可以對(duì)單件、小批量和特殊復(fù)雜零件的直接生產(chǎn)，無(wú)需開(kāi)模具。其工藝過(guò)程如流程圖（3）快速模具制造。直接制造模具：如低熔點(diǎn)合金模、鑄造芯盒；翻模成型：如用快 速成型先制作塑料樣件，作為模具母模用于翻制硅膠模。（4）樣品制作。產(chǎn)品替代品，用于展示新產(chǎn)品，進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研。圖 2-4 SLS 快速成型機(jī)外型三維造型 - -性成詈TL文件 - - - -便用快逵咸型機(jī)可以快逢制進(jìn)出產(chǎn)& 原基，捷鬲市場(chǎng)的響應(yīng)琵力、嬪短新產(chǎn)品 的上市周期，杲用快逮成壘技荒從事加工 業(yè)生產(chǎn)，必將帶來(lái)很丸悔嵯蹄效柱輙零語(yǔ)件闕 -

18、澆鑄-殼圖 2-5 AFS 快速鑄造生產(chǎn)過(guò)程示意圖2.3.3 常用造型材料介紹（1） 精鑄蠟粉（PCP1）由化學(xué)合成法制得。具有燒結(jié)性好，變形小，預(yù)熱溫度低（40C以下）的優(yōu)點(diǎn)。制得的燒結(jié)成型件經(jīng)簡(jiǎn)單后處理，即可作為精鑄蠟?zāi)Ｊ褂?；采用?氣法脫模，避免了環(huán)境污染。（2）原型燒結(jié)粉 該粉末燒結(jié)性能優(yōu)良，熔點(diǎn)較低，燒結(jié)變形小，利于加工成型，可 重復(fù)使用。其燒結(jié)成型件經(jīng)不同的后處理方法具有以下功能：1）結(jié)合浸樹(shù)脂工藝，進(jìn)一步提高其強(qiáng)度，可作為原型件及功能零件。2）經(jīng)浸蠟后處理，做為精鑄模使用，可用燃燒法方便脫除。（3） 覆膜陶瓷粉（CCP1）:對(duì)陶瓷粉末經(jīng)過(guò)樹(shù)脂包覆制得。燒結(jié)件變形小，尺寸穩(wěn)定, 后

19、處理工藝包括，脫脂及高溫?zé)Y(jié)二步，最終得到鑄造用陶瓷型殼或陶瓷零件。2-5。b 美國(guó) 3dsystems 公司的 vanguard 系歹 Ua 蘇州科雷特公司產(chǎn) AFS 系列（4）覆膜金屬粉（CMP1）:對(duì)不銹鋼粉末經(jīng)過(guò)樹(shù)脂包覆制得，燒結(jié)件變形很小，尺 寸穩(wěn)定。后處理工藝包括，脫脂及高溫?zé)Y(jié)處理，最終得到金屬零件或注塑、壓蠟用金屬 模具。圖 2-6 STP1 粉燒結(jié)樣件圖 2-7 精鑄蠟粉燒結(jié)件該技術(shù)具有原材料選擇廣泛、多余材料易于清理、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，適用于原型及 功能零件的制造。在成形過(guò)程中，激光工作參數(shù)以及粉末的特性和燒結(jié)氣氛是影響燒結(jié)成 形質(zhì)量的重要參數(shù)。2.3.4 應(yīng)用實(shí)例（1）

20、在汽車模具制造中應(yīng)用。美國(guó)德克薩斯州立大學(xué)研究的SLS技術(shù)，已由美國(guó)DTM公司商品化。目前該公司已研制出SLS2000系列第三代產(chǎn)品。該系統(tǒng)能燒結(jié)蠟、聚碳酸酯、 尼龍、金屬等各種材料。用該系統(tǒng)制造的鋼銅合金注塑模具，可注塑5萬(wàn)件工件。近年來(lái)基于RPM技術(shù)模具制造技術(shù)已從最初的原型制造，發(fā)展到快速工模具制造，成為國(guó)內(nèi)外應(yīng)用研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。基于RPM勺模具制造方法可分為直接制模法和間接制模法。直接制模法是直接采用RPM技術(shù)制作模具，在RPM技術(shù)諸方法中能夠直接制作金屬模 具的是SLS法。用這種方法制造的鋼制銅合金注射模，壽命可達(dá)5萬(wàn)件以上。但此法在燒結(jié)過(guò)程中材料發(fā)生較大收縮，精度難以控制。間接制模

21、法可分為：1） 軟質(zhì)簡(jiǎn)易模具的制作采用硅橡膠、金屬粉環(huán)氧樹(shù)脂粉和低熔點(diǎn)合金等將原型準(zhǔn)確 復(fù)制成模具，或?qū)υ瓦M(jìn)行表面處理，用金屬噴涂法或物理蒸發(fā)沉積法鍍上一層熔點(diǎn)較低的合金來(lái)制作模具。 這些簡(jiǎn)易模具的壽命為505000件，由于其制造成本低、 周期短，特 別適合于產(chǎn)品試制階段的小批量生產(chǎn)。2）鋼質(zhì)模具的制作 將RPM技術(shù)與精密鑄造技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)金屬模的快速制造。或者直接制造出復(fù)形精度較高的EDM電極，用于注塑模、鍛模、壓鑄等鋼制模具型腔的加工。一個(gè)中等大小、較為復(fù)雜的電極一般48h即可完成，復(fù)形精度完全滿足工程要求。福特汽車公司用此技術(shù)制造汽車模具取得了滿意的效果。上海交通大學(xué)也已通過(guò)RP與

22、精密鑄造結(jié)合的方法為汽車及汽車輪胎等行業(yè)生產(chǎn)進(jìn)口替代模具計(jì)80余副。與傳統(tǒng)機(jī)加工法相比，快速模具制造的制作成本及周期大大降低。我國(guó)每年需進(jìn)口模具達(dá)8億多美元，主要是復(fù)雜模具和精密模具，因此，SLS技術(shù)在未來(lái)的汽車模具制造業(yè)中的應(yīng)用前景十分廣闊。（2） 在汽車燈具制造上的應(yīng)用汽車燈具大多數(shù)的形狀是不規(guī)則的，曲面復(fù)雜，模具制造難度很大。通過(guò)快速成型技術(shù)，可以很快得到精確的產(chǎn)品試樣，為模具設(shè)計(jì)CAD和CAM提 供了有利的參考。同時(shí)，也可以通過(guò)快速成型技術(shù)，用熔模鑄造的方法快速、高精度地制造 出燈具模具。2.4 激光薄片疊層制造241 工藝原理LOM技術(shù)是一種常用來(lái)制 作模具的新型快速成形技術(shù)。 其原

23、理是先用大功率激光束切 割材料薄片，然后將多層薄片 疊加，并使其形狀逐漸發(fā)生變 化，最終獲得所需原型的立體 幾何形狀。如圖2-8，首先將 需進(jìn)行快速成型的產(chǎn)品的三維 圖形輸入計(jì)算機(jī)的成型系統(tǒng)， 用切片軟件對(duì)該三維圖形進(jìn)行切片處理，得到沿產(chǎn)品高度方 向上的一系列橫截面輪廓線。 單面涂有熱熔膠的紙卷套在紙 輥上，并跨過(guò)支撐輥繞到收紙 輥上。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)授紙輥轉(zhuǎn) 動(dòng)，使紙卷沿圖中箭頭方向移 動(dòng)一定距離。工作臺(tái)上升到與 紙接觸，熱壓輥沿紙面自右向 左滾壓，加熱紙背面的熱熔膠， 激光束經(jīng)反射鏡和聚焦鏡等組成的光路系統(tǒng)到達(dá)光學(xué)切割頭， 激光束跟蹤零件的二維橫截 面輪廓數(shù)據(jù)，進(jìn)行切割，并將輪廓外的廢紙余料切

24、割出方形小格， 以便成型過(guò)程完成后易 于剝離余料。 每切割完一個(gè)截面，工作臺(tái)連同被切割的輪廓自動(dòng)下降至一定高度，然后步 進(jìn)電機(jī)再次驅(qū)動(dòng)收紙輥移到第二個(gè)需要切割的截面，重復(fù)下一次工作循環(huán)，直至形成由一 層層橫截面粘疊的立體紙模樣。然后剝離廢紙小方塊，即可得到性能似硬木或塑料的“紙 質(zhì)模樣產(chǎn)品”。LOM技術(shù)制作沖模，其成本約比傳統(tǒng)方法節(jié)約1/2，生產(chǎn)周期大大縮短。用來(lái)制作復(fù)合 模、薄料模、級(jí)進(jìn)模等，經(jīng)濟(jì)效益也甚為顯著。該技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)得到了廣泛的使用。2.4.2 薄片疊層制造工藝的材料LOMT藝中的成型材料包括薄層材料、粘結(jié)劑和涂布工藝。薄層材料有紙、塑料薄膜、 金屬箔等。目前LOM成型所用薄層材

25、料多為紙材，而粘結(jié)劑一般為熱熔膠。紙材的選取， 熱熔膠的配制及涂布工藝均要從保證最終成型零件的質(zhì)量出發(fā)，同時(shí)考慮成本。（1）成型用紙LOM成型用紙應(yīng)滿足一下要求：1）良好的抗?jié)裥裕ＷC原材料不會(huì)因時(shí)間長(zhǎng)而吸水。2）良好的浸潤(rùn)性。以保證良好的涂膠性能。3）抗拉強(qiáng)度，保證在加熱過(guò)程中不被拉斷。4）收縮小，保證加熱過(guò)程中不會(huì)因部分水分損失而導(dǎo)致變形。5）剝離性能好，防止剝離時(shí)發(fā)生破壞。（LOM 技術(shù)并使這一層紙與基底上的前一層紙粘合。CQ激光器發(fā)射的圖 2-8LOM 法工藝原理示意圖6)易打磨，表面光潔。7)穩(wěn)定性好，成型零件可長(zhǎng)時(shí)間保存。(2) 熱熔膠1)紙層之間的粘結(jié)靠熱熔膠保證。熱熔膠的種類很

26、多，其中以EVA型熱熔膠的應(yīng)用最2)廣泛，占熱熔膠總量的80%熱熔膠中還要添加其它特殊的組分以滿足以下要求：3)良好的熱熔冷固性(室溫下固化，70100C開(kāi)始熔化)。4)在反復(fù)的熔融-固化條件下呈現(xiàn)良好的物理和化學(xué)穩(wěn)定性。5)在熔融狀態(tài)下與紙具有良好的涂掛性和涂勻性。6)與紙具有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度。7)良好的廢料分離性能。(3) 涂布工藝 涂布工藝包括涂布形式和涂布厚度。涂布形式指的是均勻式涂布還是非均勻涂布。均勻涂布采用狹縫式刮板進(jìn)行涂布，非均勻涂布有條紋式或顆粒式。涂布厚度指的是在紙上 涂多厚的膠，選擇涂布厚度的原則是在保證可靠粘結(jié)的情況下，盡可能涂得薄，以減少變 形、溢膠和措移。2.4.3

27、LOM 工藝后置處理中的表面涂覆LOM原型經(jīng)過(guò)余料去除后，為了提高原型的性能和便于表面打磨，經(jīng)常需要對(duì)原型進(jìn) 行表面涂覆可提高原型的強(qiáng)度 和耐熱性， 改進(jìn)抗?jié)裥裕?延長(zhǎng) 原型壽命。表面涂覆的工藝過(guò) 程如下：(1) 將剝離后的原型用砂 紙輕輕打磨，(2) 按規(guī)定比例配制環(huán)氧 樹(shù)脂(TCC630/TCC115N=100 20),并混合均勻。(3) 在原型上涂刷一層混 合后的材料，因材料粘度低， 材料會(huì)很容易浸入紙基原型 中，深度可達(dá)1.21.5mm。(4) 再次涂覆以填充溝 痕，并長(zhǎng)時(shí)間固化。如圖2-9。(5) 對(duì)已經(jīng)涂覆了堅(jiān)硬環(huán) 氧樹(shù)脂的原型再次用砂紙打 磨，打磨中注意確保原型的尺 寸精度在要求

28、的范圍內(nèi)。(6) 對(duì)原型表面進(jìn)行拋 光，達(dá)到無(wú)劃痕的質(zhì)量后進(jìn)行 透明涂層的噴涂，以增加表面 的外觀效果。如圖2-10。2.4.4 薄片疊層制造工藝在鑄造中的應(yīng)用實(shí)例某鑄鐵機(jī)床操作手柄，人工方式制作砂型鑄造用的木模十分費(fèi)時(shí)困難，而且不能保證 精度。隨著CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展和普及，具有復(fù)雜曲面形狀的手柄的設(shè)計(jì)直接在CAD/CAM軟件平臺(tái)上完成，借助LOM制造技術(shù)，可以直接由CAD模型高精度地快速制作砂型鑄造用珮犁初捲理面舂面涂躍灌透序圖 2-9涂覆兩遍環(huán)氧樹(shù)脂后原形表面形態(tài)示意圖慷型初姻段面拋光后袤血圖 2-10 拋光后原型表面的效果示意圖木模，克服了人工制作的局限和困難，極大地縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)

29、的周期并提高了產(chǎn)品的精度 和質(zhì)量。圖2-11為鑄鐵手柄的CAD和LOM模型。a）b）圖 2-11 鑄鐵手柄的 CAD 和 LOM 原型a）手炳 CAD 造型 b ）手炳的 LOM 原型2.5 FDM-熔絲沉積成型法2.5.1工藝原理FDM（Fused Deposition Manu facturi ng ）使用一個(gè)外觀非常像 二維平面繪圖儀的裝置，只是筆頭被 一個(gè)擠壓頭（噴頭）代替，它可擠壓 出一束非常細(xì)的蠟狀塑料（熱塑性） 或熔模鑄造臘。噴頭可沿X方向移動(dòng), 而工作臺(tái)則沿Y軸方向移動(dòng)。如果熱 熔性材料的溫度始終高于固化溫度， 而成型部分的溫度稍低于固化溫度， 就能保證熱熔性材料擠噴出噴嘴后，

30、 隨即與前一層面熔結(jié)在一起。一個(gè)層 面沉積完成后，工作臺(tái)按預(yù)定的增量 下降一個(gè)層的厚度，再繼續(xù)熔噴沉積， 直至完成整個(gè)實(shí)體造型。FDM制造工藝的基本原理如圖2-12所示，其過(guò)程如下：將實(shí)芯絲材原材料纏繞在供料輥 上，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)棍子旋轉(zhuǎn)，輥?zhàn)雍?絲材之間的摩擦力使絲材向噴頭的方 向送出。在供料輥和噴頭之間有一導(dǎo) 向套，導(dǎo)向套采用低摩擦材料制成以 便絲材能順利、準(zhǔn)確地由供料輥送到噴頭的內(nèi)腔（最大送料速度為1025mm/s,推薦速度為58mm/s）。噴頭的前端有電阻絲式加熱器，在其作用下，絲材被加熱熔融（熔模鑄造臘絲的熔融溫度為的熔融溫度為96C,ABS塑料絲為270C）,然后通過(guò)出口涂覆在工作臺(tái)

31、上，并在冷卻后形圖 2-12 FDM 工藝基本原理成界面輪廓。由于受結(jié)構(gòu)的限制，加熱 器的功率不可能太大，因此，絲材一般 為熔點(diǎn)不太高的熱塑性塑料或蠟料。絲 材熔融沉積的層厚隨噴頭的運(yùn)動(dòng)速度 (最高速度為380mm/s)而變化，通常最大層厚為0.150.25mmoFDM工藝在原型制作時(shí)需要同時(shí)制 作支撐，為了節(jié)省材料成本和提高沉積 效率，新型的FDM設(shè)備采用了雙噴頭， 如圖2-13所示。一個(gè)噴頭用于沉積模型 材料，一個(gè)噴頭用于沉積支撐材料。一 般來(lái)說(shuō)，模型材料絲精細(xì)而且成本高， 沉積效率也較低。而支撐材料絲較粗且 成本低，沉積效率也較高。雙噴頭的優(yōu) 點(diǎn)除了沉積過(guò)程中具有較高的沉積效率 和降低制

32、作成本以外，還可以靈活地選 擇具有特殊性能的支撐材料， 以便于后 處理過(guò)程中支撐材料的去除，如水溶材料，低于模型材料熔點(diǎn)的熱熔材料。2.5.2 FDM 的工藝特點(diǎn)與其它成型方法相比，F(xiàn)DM有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)單，運(yùn)行安全，維護(hù)成本低，可以使用無(wú)毒原材料。(2)用臘成型的零件原型可以直接用于熔模鑄造。(3)可以成型任意復(fù)雜程度的零件，常用于成型具有復(fù)雜內(nèi)腔、孔的零件。(4)原材料在成型過(guò)程中無(wú)化學(xué)變化，制件的變形小。(5)原材料利用率高，壽命長(zhǎng)。(6)支撐去除簡(jiǎn)單，無(wú)需化學(xué)清洗，分離容易。當(dāng)然，F(xiàn)DM也存在著如下缺點(diǎn)：(1) 成型件的表面有較明顯的條紋。(2) 沿成型軸垂直方向的強(qiáng)度比較

33、弱。(3) 需要設(shè)計(jì)和制作支撐結(jié)構(gòu)。(4) 需要對(duì)整個(gè)截面進(jìn)行掃描涂覆，成型時(shí)間較長(zhǎng)。(5) 原材料價(jià)格昂貴。2.5.3 FDM 工藝用材料FDM技術(shù)的關(guān)鍵在于熱融噴頭，噴頭溫度的控制要求使材料擠出時(shí)既保持一定的形狀 又有良好的粘結(jié)性能。除了熱融噴頭外，成型材料的下列相關(guān)特性也是關(guān)鍵：(1) 材料的粘度。粘度低，流動(dòng)性好，阻力小，有助于材料的順利擠出。(2)材料的熔融溫度熔融溫度低可以使材料在較低溫度下擠出，有利于提高噴頭和整 個(gè)系統(tǒng)的壽命。還可以減少材料擠出前后的溫差，從而減少熱應(yīng)力，提高原型精度。(3) 粘結(jié)性。粘結(jié)性決定了零件成型以后的強(qiáng)度。(4) 收縮率。成型材料的收縮率對(duì)壓力和溫度都

34、不能太敏感，否則會(huì)產(chǎn)生制件變形、 翹曲和開(kāi)裂，影響制件精度。總之，F(xiàn)DM工藝對(duì)成型材料的要求是熔融溫度低、粘度低、粘結(jié)性好、收縮率小。成型材料主要有ABS及醫(yī)學(xué)專用ABSi、MABS塑料絲、臘絲、聚丙烴樹(shù)脂絲、尼龍絲及聚酰胺 絲等。另外，F(xiàn)DM工藝對(duì)支撐材料的要求是能夠承受一定的高溫(100C以下即可)、與成型材料不浸潤(rùn)、具有水溶性或者酸溶性、具有較低的熔融溫度、流動(dòng)性要特別好。2.5.4 FDM 工藝的應(yīng)用FDM快速成型技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、航空航天、家電、通訊、電子、建筑、 醫(yī)學(xué)、玩具等產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)和制造中。目前，美國(guó)的Stratasys公司批量生產(chǎn)FDM工藝設(shè)備，商品名為3D

35、 Modeler。美國(guó)的Biomer公司已用該設(shè)備生產(chǎn)熔模鑄造鈦合金鑄件。圖 2-14 美國(guó) Stratasys 的 TITAN 系列及所制作的原型2.6 DSPC 工藝直接制殼生產(chǎn)鑄件工藝DSPC(Direct Shell Production Casting)是美國(guó)麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)基于立體 噴墨印刷技術(shù)的直接模殼鑄造技術(shù)。這一技術(shù)隨后授權(quán)于Soligen Inc.用于金屬鑄造。DSPC工藝與迄今所描述的制殼工藝有本質(zhì)的不同，它允許在計(jì)算機(jī)屏幕上進(jìn)行零件設(shè)計(jì)直到澆 注鑄件模擬。它直接利用CAD數(shù)據(jù)自動(dòng)制造陶瓷型殼，而無(wú)需模具和壓型，使熔模鑄造省去了制作壓型、壓制臘模及涂料等繁雜的工序，

36、大大縮短了生產(chǎn)周期。DSCP各鑄造和計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC的優(yōu)點(diǎn)綜合于金屬零件的制造工藝中。2.6.1工藝原理DSCP主要由兩大部分組成，即型殼設(shè)計(jì)部分(SDU Shell Desig n Un it)和型殼制造部分(SPU Shell Production Un it)。如圖2-15所示。SPU將所制零件的CAD模樣轉(zhuǎn)換為型殼的數(shù)字化模樣，顯示在屏幕上。當(dāng)確定好每個(gè) 型殼上零件的數(shù)量、型殼壁厚以及收縮率、澆注系統(tǒng)等鑄造參數(shù)后，計(jì)算機(jī)就能很快顯示 出所制鑄件型殼的幾何形狀，并進(jìn)行鑄造工藝的模擬，然后將有關(guān)數(shù)據(jù)傳輸給SPU并控制其工作。SPU包括一個(gè)用來(lái)盛鋁磯土陶瓷粉末的料箱。該料箱裝在受控于SPU

37、可以上下移動(dòng)的活塞上。料箱上方有一個(gè)裝細(xì)陶瓷粉的料斗和一個(gè)可噴粉末的噴頭，還有一個(gè)墨水式噴射 印刷頭。印刷頭中裝有液態(tài)粘結(jié)劑(硅溶膠)。噴頭先在料箱的底層噴鋪一層耐火材料粉末 薄層，計(jì)算機(jī)根據(jù)SDU的數(shù)據(jù)，精確控制料箱的上下移動(dòng)和印刷頭的運(yùn)動(dòng)軌跡。印刷頭以 光柵形式運(yùn)動(dòng)。當(dāng)印刷頭在料箱中的耐火材料粉末表面掠過(guò)時(shí)，按計(jì)算機(jī)指令會(huì)噴出粘結(jié)劑。有粘結(jié)劑區(qū)域的耐火材料粉末粘結(jié)在一起，形成型殼的一個(gè)截面，然后工作臺(tái)下降一 個(gè)層的高度，噴頭再噴出一層粉末，這樣從底部開(kāi)始，一層一層進(jìn)行，最后就制成了具有 整體芯的型殼。未被粘結(jié)的耐火材料粉末可以對(duì)以后的粘結(jié)層起支撐作用。然后型殼經(jīng)焙 燒，回收未粘結(jié)的粉末，就

38、可以澆注金屬液了。7 去除未粘結(jié)的粉末8 澆注金屬液圖 2-15 DSCP 的工藝過(guò)程（1-3 為 SDU 部分，4-8 為 SPU 部分）2.6.2 工藝應(yīng)用實(shí)例DSCF工藝首先應(yīng)用于金屬零件的小批生產(chǎn)，例如復(fù)雜金屬零件的母模；它更適合于生產(chǎn)品種單一的零件以及用于塑料模具和壓鑄模具。據(jù)報(bào)導(dǎo)，美國(guó)Soligen公司制造的DSCF設(shè)備，售價(jià)30萬(wàn)美元，其有效工作空間為420mm2 設(shè)計(jì)澆冒口3創(chuàng)建陶瓷形殼的數(shù)字模型1 零件的造型.（飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片）4 從陶瓷粉末中創(chuàng)建型殼薄層5液態(tài)粘結(jié)劑噴鋪到粉末層6噴鋪過(guò)程反復(fù)進(jìn)行至完成型殼x420mm 420mm每層層厚0.05mm,層分割距離為0.05mm

39、制模速度為5735cm3/h。制模 時(shí)間根據(jù)型殼的幾何形狀，一般為920h，每個(gè)殼的成本估計(jì)在2502500美元。Soligen公司制造的DSC設(shè)備一開(kāi)始主要用來(lái)制作噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的零件原型和矯形植 入件，以后又成功地生產(chǎn)出了鋁合金鑄件。以下為該公司生產(chǎn)的鋁合金鑄件實(shí)例。例1圖2-17水冷排氣總管。該件為356-T6鋁合金，內(nèi)腔具有復(fù)雜型芯。生產(chǎn)工藝 為砂型鑄造。利用DSCP工藝，三個(gè)星期完成兩臺(tái)樣機(jī)的生產(chǎn)，六個(gè)星期實(shí)現(xiàn)600臺(tái)/月的批量生產(chǎn)規(guī)模。例2圖2-18為通用公司（GM的Restrictor plate賽車進(jìn)氣管。該件材質(zhì)為356-T6鋁合金，采用干砂型鑄造方法。用DSCP工藝兩個(gè)星期完

40、成了樣機(jī)的鑄件生產(chǎn)、加工和裝配工作，五個(gè)星期實(shí)現(xiàn)了了生產(chǎn)量100件/星期的規(guī)模。其成功之處在于極大提高了生產(chǎn)效率。圖 2-17 水冷排氣總管2.7 FCP（ Freeze Casting Process ）冷凍鑄造2.7.1發(fā)展背景冷凍鑄造技術(shù)在國(guó)內(nèi)外都尚處于起步階段，有資料報(bào)道的只有美國(guó)的DURAMA公司在1991年開(kāi)始致力于冷凍鑄造工藝（Freeze Casting Process）的研究，并申請(qǐng)了美國(guó)專利。 另外，近些年有些研究者將快速成型技術(shù)（RP和冷凍鑄造技術(shù)結(jié)合起來(lái)，形成了快速冷凍工藝（Rapid Freeze Prototyping）并取得了一定的進(jìn)展，具有代表性的是美國(guó)的密蘇

41、里大學(xué)和中國(guó)的清華大學(xué)，他們都分別設(shè)計(jì)了自己的RFP系統(tǒng)并利用該系統(tǒng)對(duì)相關(guān)的工藝參數(shù)進(jìn)行了研究。2.7.2 RFP 工藝原理2.7.2.1冰模的制作 無(wú)論是熔模鑄造還是陶瓷型鑄造，必須首先制作與鑄件外形和尺寸相對(duì)應(yīng)的冰模。制作冰模有兩種方法， 一是利用模具制作冰模 （類似臘模熔模鑄造中的壓型） ，另一種是利用 快速冷凍原型技術(shù)（RFP）。（1）用模具制作冰模 冰模對(duì)模具的要求和臘模對(duì)壓型的要求不同，水具有良好的流動(dòng)能力，粘度低。所以 冰模用模具必須具有良好的密封性 （水不能從結(jié)構(gòu)連接處滲漏） ，另外， 水在凝固時(shí)發(fā)生膨 脹，如果模具不具備一定的容讓性，冰?？赡茉谂蛎洃?yīng)力的作用下發(fā)生破裂。因此，

42、冰模 用模具的型腔部分要用具有一定彈性的軟模材料。在制作軟模前，必須先要制造與鑄件形 狀、尺寸完全對(duì)應(yīng)的原型，其材料可以是金屬、木材、塑料等。母?？梢詸C(jī)械加工或快速 成形的方法制作。 然后利用原型制作軟陰模， 陰模的材料一般為硅橡膠、 尿烷聚硫化物等， 將具有一定流動(dòng)性的材料澆入帶有原型的成形框中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的固化后就形成陰模。 然后將陰模夾持緊，再把水注入模中冷凍就可形成冰模。這種制作模具的方法比制作臘模 用壓型要簡(jiǎn)單（盡管需要先做原型） 。（2）RFP（快速冷凍原型）制模 用RFP技術(shù)制作冰模的工藝流程與FDM（熔絲沉積）類似，只是成形材料為水，并且要在冷凍環(huán)境下成形。首先在計(jì)算機(jī)中用R

43、FP成形機(jī)可接受的軟件系統(tǒng)對(duì)冰模進(jìn)行三維造 型，然后用切片軟件將三維圖形離散成二維圖形， 根據(jù)成型件的二維幾何模型的層片信息， 在計(jì)算機(jī)精確控制下用特種噴頭噴射出水滴，再在冷凍狀態(tài)下逐層堆積得到冰模。RFP系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和低溫成形室。由于水是一種粘度低、流動(dòng)性好的 液體，為得到尺寸圖 2-18 Restrictor plate賽車進(jìn)氣管精度高、表面光潔的冰模，噴頭必須能夠噴射出足夠細(xì)微的水滴。所以 噴頭的設(shè)計(jì)是冰成形的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，噴嘴的直徑及壓力決定液滴的大小，噴頭運(yùn)動(dòng)速度 決定冰層厚度。影響成形質(zhì)量的工藝參數(shù)包括：1） 噴射流量/掃描速度，2） 成形材料，3） 噴頭與

44、成形面間的距離，4） 成形環(huán)境溫度，5） 設(shè)備及控制系統(tǒng)精度。2.7.2.2造型或制殼材料 冷凍冰?？梢杂糜谔沾尚秃腿勰ｈT造。相對(duì)于傳統(tǒng)的陶瓷型和熔模鑄造工藝，用冷凍冰模翻制鑄型的主要區(qū)別體現(xiàn)在一些工序必須在低溫環(huán)境中進(jìn)行。造型材料必須為適應(yīng)低 溫環(huán)境作出相應(yīng)調(diào)整或重新選擇。目前，較多的研究集中在熔模鑄造中。以下以冷凍鑄造 工藝用于熔模鑄造為例。2.7.2.3粘結(jié)劑粘結(jié)劑與陶瓷粉末混合形成陶瓷漿料，使陶瓷漿料固化后具有足夠強(qiáng)度。用于低溫條 件下熔模鑄造的粘結(jié)劑在零度以下必須不被凍結(jié)而且有良好的流動(dòng)性。另外，粘結(jié)劑不能 在與冰模接觸時(shí)，與冰和水相互作用，相互滲透，制作的型殼必須具有好的表面光潔度和 尺寸精度并且強(qiáng)度足夠高。有三種可供選擇的粘結(jié)劑：水玻璃、硅溶膠、硅酸乙酯。顯然， 水玻璃和硅溶膠都不能滿足低溫環(huán)境的要求。只有硅酸乙酯能夠滿足作為熔模型殼粘結(jié)劑 的要求。硅酸乙酯一般由四氯甲硅烷和乙醇直接反