快速成形技術(shù)在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用

1、快速成形技術(shù)在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用 1、快速成形技術(shù) 20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的快速成形(Rapid Prototyping，簡稱RP)技術(shù)，被認(rèn)為是近年來制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破，其對制造業(yè)的影響可與數(shù)控技術(shù)的出現(xiàn)相媲美?？焖俪尚渭夹g(shù)是一種基于離散堆積成形思想的新型成形技術(shù)，是集計算機、數(shù)控、激光和新材料等最新技術(shù)而發(fā)展起來的先進的產(chǎn)品研究與開發(fā)技術(shù)。 2、快速成形技術(shù)原理 快速成形技術(shù)是先進制造技術(shù)的重要分支，它不僅體現(xiàn)在制造思想和實現(xiàn)方法上有了突破，更重要的是在制作零件的質(zhì)量、性能、大小和制作速度等方面，也取得了很大的進展。它是建立在CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)、數(shù)控技術(shù)和材料科學(xué)的基

2、礎(chǔ)上，基于離散/堆積成形原理的成形方法。其基本原理是：任何三維零件都可看成是許多二維平面沿某一坐標(biāo)方向疊加而成，因此可先將CAD系統(tǒng)內(nèi)三維實體模型離散成一系列平面幾何信息，采用粘接、熔結(jié)、聚合作用或化學(xué)反應(yīng)等手段，逐層有選擇地固化液體(或粘接固體)材料，從而快速堆積制作出所要求形狀的零部件(或模樣)。制造方式是不斷地把材料按照需要添加在未完成的工件上，直至零件制作完畢。即所謂“使材料生長而不是去掉材料的制造過程”，其實現(xiàn)的流程如圖1所示。圖1 RP的離散/堆積成形流程 3、典型的快速成形技術(shù) 快速成形技術(shù)按原型的成形方式分為：立體印刷(SLA)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、疊層實體制造(LOM)

3、、融積成形(FDM)、三維印刷(3DP)等。 （1）立體印刷(SLA) 立體印刷(Stereo Lithography Apparatus，簡稱SLA)又稱之為激光立體造型或激光立體光刻。是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的，這種液態(tài)材料在一定波長和強度的紫外光的照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，分子量急劇增大，材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。SLA工作原理圖如圖2所示。 首先由CAD系統(tǒng)對準(zhǔn)備制造的零件進行三維實體造型設(shè)計，再由專門的計算機切片軟件將三維CAD模型切割成若干薄層平面圖形數(shù)據(jù)。 圖2所示的容器中，盛有在紫外光照射下可固化的液態(tài)樹脂，如環(huán)氧樹脂、乙烯酸樹脂或丙烯酸樹脂，不同樹脂樣件的機械特性

4、不同。立體印刷開始時，升降臺通常下降到距液面不到1mm(相當(dāng)于CAD模型最下一層切片的厚度)處。隨后x-y激光掃描器根據(jù)第一層(即最下一層)切片的平面幾何信息對液面掃描，液面這一層被激光照射到的那部分液態(tài)樹脂由于光聚合作用而固化在升降臺上。接著升降裝置又帶動升降臺使其下降相當(dāng)于第二層切片厚度的高度，x-y激光掃描器再按照第二層切片的平面幾何信息對液面掃描，使新一層液態(tài)樹脂固化并緊緊粘在前一層已固化的樹脂上，如此重復(fù)進行直至整個三維零件制作完成。圖2 立體光刻裝置示意圖 SLA方法是目前快速成形技術(shù)領(lǐng)域中研究得最多的方法，也是技術(shù)上最為成熟的方法。SLA工藝成形的零件精度較高，多年的研究改進了截

5、面掃描方式和樹脂成形性能，使該工藝的加工精度能達到0.1mm。但這種方法也有自身的局限性，比如需要支撐、樹脂收縮導(dǎo)致精度下降、有的光固化樹脂有一定的毒性等。 （2）選擇性激光燒結(jié)(SLS) 選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，簡稱SLS)是用二氧化碳類紅外激光對已預(yù)熱(或未預(yù)熱)的金屬粉末或者塑料粉末一層層地掃描加熱，使其達到燒結(jié)溫度，最后燒結(jié)出由金屬或塑料制成的立體結(jié)構(gòu)。 選擇性激光燒結(jié)與立體印刷的生產(chǎn)過程相似，首先還是由CAD/CAM系統(tǒng)根據(jù)CAD模型各層切片的平面幾何信息生成x-y激光束在各層粉末上的數(shù)控運動指令。制作過程如圖3所示，隨著工作臺的分步下降，

6、將粉末一層一層地撒在工作臺上，再用平整滾將粉末滾平、壓實，每層粉末的厚度均對應(yīng)于CAD模型的切片厚度。各層上經(jīng)激光掃描加熱的粉末被燒連到基體上，而未被激光掃描的粉末仍留在原處起支撐作用，直至燒結(jié)出整個零件。 SLS工藝的特點是材料適應(yīng)面廣，不僅能制造塑料零件，還能制造陶瓷、石蠟等材料的零件，特別是可以制造金屬零件，這使SLS工藝頗具吸引力。SLS工藝無需加支撐，因為未燒結(jié)的粉末起到了支撐的作用。圖3 選擇性激光燒結(jié)示意圖 （3）疊層實體制造(LOM) 疊層實體制造(Laminated Object Manufacturing，簡稱LOM)又名分層(或?qū)訅?實體制造，它的生產(chǎn)程序與前述兩種方法相

7、近，其主要特點是根據(jù)CAD模型各層切片的平面幾何信息對箔材(通常為紙)進行分層實體切割。如圖4所示的裝置由供料軸和收料軸不斷傳送箔材。工作時激光器發(fā)出的CO2激光束進行x-y切割運動，將鋪在升降臺上的一層箔材切成最下一層切片的平面輪廓。隨后升降臺下降一層高度，箔材供料軸和收料軸又傳送新的一層箔材，鋪上并用熱壓輥碾壓使其牢固地粘在已成型的箔材上，激光束再次進行切割運動切出第二層平面輪廓，如此重復(fù)直至整個三維零件制作完成。 LOM工藝只須在箔材或者紙上切割出零件截面的輪廓，而不用掃描整個截面。因此成形厚壁零件的速度較快，易于制造大型零件。工件外框與截面輪廓之間的多余材料在加工中起到了支撐作用，所以

8、LOM工藝無需加支撐。圖4 疊層實體制造示意圖 （4）融積成形(FDM) 融積成形(Fused Deposition Modeling，簡稱FDM)，其成形材料可用鑄造石蠟、尼龍(聚酯塑料)、ABS塑料及醫(yī)用MABS塑料，可實現(xiàn)塑料零件無注塑成形制造。 FDM融積成形系統(tǒng)采用專用噴頭，成形材料以絲狀供料，材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭直接由計算機控制沿零件截面輪廓和填充軌跡運動，同時將熔化的材料擠出沉積成實體零件的一超薄層，材料迅速凝固，并與周圍的材料凝結(jié)。整個模樣從基座開始，由下而上逐層堆積生成，如圖5所示。圖5 融積成形示意圖 FDM工藝不用激光器件，因此使用、維護簡單，成本較低，無毒無味和運行穩(wěn)定可靠，適合辦公室環(huán)境使用，符合環(huán)保要求。用石蠟成形的零件原型，可以直接用于熔模鑄造。用ABS制造的原型因具有較高強度而在產(chǎn)品設(shè)計、測試與評估等方面得到廣泛應(yīng)用。由于以FDM工藝為代表的熔融材料堆積成形工藝具有一些顯著優(yōu)點，該類工藝發(fā)展非常迅速。 （5）三維印刷(3DP) 三維印刷(Three Dimension Printing，簡稱3DP)工藝與SLS工藝類似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金屬粉末。所不同的是材料粉末不是通過燒結(jié)連接起來的，而是通過噴頭用粘結(jié)劑(如硅膠)將零件的截面“印刷”在材料粉末上面，如圖6所