快速成型技术毕业设计论文.doc

中北大学2008届毕业论文1 引言1.1 快速成型技术简述快速原型制造（rapid prototyping，简称rp）技术，又称快速成型技术，是20世纪80年代后期首先在美国产生并商品化，90年代在全球迅速发展起来的制造新技术。快速成型技术与50年代的数控技术和最近20年发展起来的特种加工技术一样是一种全新的制造技术，是制造领域的又一重大突破，是先进制造技术群中的重要组成部分。它是一种基于离散堆积成型的数字化制造技术，集激光技术、计算机辅助设计（cad）、计算机辅助制造（cam）、计算机数控技术（cnc）、精密检测技术、精密机械、精密伺服驱动和新材料技术等先进技术于一体的综合高新技术。它能根据cad模型（电子模型）自动、直接、快速、精确地将设计思想物转化为具有一定功能的原型或直接制造零件，在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，解决了从设计到制造的快速对接问题，从而可以对产品设计进行快速评价、修改及功能试验，有效地缩短了产品的研发周期，满足了当今竞争日益激烈的市场对新产品快速开发和快速制造的要求12。与此同时，经济全球化趋势正不断加强，各个领域的技术交流、经贸交流日益扩大，世界上发生的这些进步、变革与发展使当代制造业的生态环境、产业结构与发展模式等都发生了深刻变化，科学发展观对制造业提出了新的要求，我国制造业正面临着新的发展机遇与挑战。当前，制造业呈现如下发展趋势3：1）生产、经营及市场全球化；2）顾客需求个性化、多样化；3）产品生命周期缩短，更新换代加速化；4）产品高科技化；5）市场竞争激烈化。因此，制造企业要想在21世纪求得生存和发展，就必须面对这一新的形势，不断研究或融合新的技术，并采取灵活多变的管理策略，适时向市场推出满足顾客需求的新产品、产品创新技术成为提高企业竞争力的关键。1.1.1 快速成型技术的产生背景快速成型技术的诞生主要有两方面的原因：1）市场拉动市场全球化和用户需求个性化为先进制造技术提出了新的要求4。随着市场一体化的发展，市场竞争越来越激烈，产品的开发速度成为竞争的主要矛盾。同时用户需求多样化的趋势日益明显，因此要求产品制造技术有较强的灵活性，在不增加成本的前提下能够以小批量生产甚至单件生产产品。2）技术推动新技术的发展为快速成型技术的产生奠定了技术基础。信息技术、计算机技术的发展、cad/cam技术的发展、材料科学的发展、新材料的出现、激光技术的发展为快速成型技术的产生和发展奠定了技术基础。快速成型技术就是在这样的社会背景下，在80年代后期产生于美国，并迅速扩展到欧洲和日本。由于rp技术的成型原理突破了传统加工中的塑性成形（如锻、冲、拉伸、铸、注塑加工等）和切削成形的工艺方法，可以在没有工装夹具或模具的条件下，迅速制造出任意复杂形状又具有一定功能的三维实体原型或零件，因此被认为是近二十年来制造技术领域的一次重大突破5。1.1.2 快速成型技术的基本原理与优势快速成型技术是一种将原型（或零件、部件）的几何形状、结构和所选材料的组合信息建立数字化描述模型，之后把这些信息输出到计算机控制的机电集成制造系统进行材料的“添加”加工6，通过逐点、逐线、逐面进行材料的三维堆砌成型，再经过必要的处理，使其在外观、强度和性能等方面达到设计要求，实现快速、准确地制造原型或实际零件、部件的现代化方法。快速成型技术的优势7：1）响应速度快。与传统的加工技术相比，rp技术实现了cad模型直接驱动，成型时间短。从产品cad或从实体反求而获得数据到制成原型，一般只需要几小时至几十个小时，速度比传统成型加工方法快得多。这项技术尤其适于新产品的开发，适合小批量、复杂（如凹槽、凸肩和空心、嵌套等）、异形产品的直接生产而不受产品形状复杂程度的限制。还改善了设计过程中的人机交流，使产品设计和模具生产并行，从而缩短了产品设计、开发的周期，加快了产品更新换代的速度，大大地降低了新产品的开发成本和企业研制新产品的风险。2）加工柔性高。rp技术将复杂的三维加工技术分解成简单的二维加工的组合，制造工艺大大简化。因此，从理论上讲rp技术可以制造任意复杂形状的原型产品。从这个角度来讲，rp技术属于自由成型制造。其含义有两点，一是指可以根据原型或零件的形状，无需使用工具、模具而自由的成型；二是指不受形状复杂程度的限制，能够制造任意复杂形状与结构、不同材料复合的原型或零件。3）节能、环保、绿色制造。rp技术属于环保型技术，能源和原材料的利用率高，从理论上讲，原料利用率可达100%，而且产生的噪音小，环境污染少。1.1.3 快速成型技术分类rp技术的具体工艺不下30余种。根据其应用情况和商品化程度，最为典型的快速成型技术有以下四种。1）光固化成型（stereo lithography apparatus，sla）光固化成型的原理是：将激光聚焦到液态光固化材料（如光固化树脂）表面、令其有规律地固化，由点到线到面完成一个层面的建造，而后升降平台移动一个层片厚度的距离，重新覆盖一层液态材料，再建造一个层面，由此层层叠加成为一个三维实体。2）分层实体制造（laminated object manufacturing，lom）该技术采用激光或刀具对箔材进行切割。首先切割出工艺边框和原型的边缘轮廓线，而后将不属于原型的材料切割成网格状。通过升降平台的移动和箔材的送给可以切割出新的层片并将其与先前的层片粘结在一起。这样层层叠加后得到一个块状物，最后将不属于原型的材料小块剥除，就获得所需的三维实体。这里所说的箔材可以是涂覆纸（涂有粘结剂覆层的纸），涂覆陶瓷箔、金属箔或其它材质基的箔材。3）选区激光烧结（selective laser sintering，sls）此技术采用激光对有很好密实度和平整度的粉末铺成的层面，有选择地直接或间接将粉末熔化或粘结，形成一个层面，铺粉压实，再熔结或粘结成另一层并与前一层熔接或粘结，如此层层叠加为一个三维实体。所谓直接熔结是将粉末直接熔化面连接；间接熔结是指仅熔化粉末表面的粘结涂层，以达到互相粘结的目的。粘结则是指将粉末采用粘结剂粘结。这里的粉末材料主要有蜡、聚碳酸脂、水洗砂等非金属粉，以及金属粉如铁、钴、铬以及它们的合金。4）熔融沉积制造（fused deposition modeling，fdm）fdm是指将热熔性材料（abs、尼龙或蜡）通过加热器熔化，挤压喷出并堆积一个层面，然后将第二个层面用同样的方法建造出来，并与第一个层面粘结在一起，如此层层堆积而获得一个三维实体。1.1.4 快速成型技术的应用概况根据不同的应用场合和需求，快速成型技术主要有4种层次的应用：1）用于概念设计的原型。这种原型对精度和物理化学特性要求不高，主要要求成型速度快、精度适中、设备小巧、运行可靠、清洁、无噪音、操作方便。2）用于功能测试的原型。此原型对强度、刚度、耐温性、抗腐蚀性有一定的要求，以满足测试要求；如果用于装配测试，则对材料成型的精度还有一定要求。3）用于制造模具或其原型。模具原型要求材料适应特定模具的制造要求，如对于消失模铸造用原型，要求材料易于去除。4）用于制造功能零件8-16。功能零件则要求材料具有较好的力学性能和化学性能。从rp技术的发展历程来看，最初主要应用于原型制造，随着研究的深入，现在很多研究者都致力于研究快速制造金属零件。国际统计资料表明，原型中的四分之一被用来作为可视化的手段，用于评估设计、协助设计模具、沟通设计者与制造商及工程投标；四分之一被用来进行装配和性能测试；四分之一以上用于协助完成模具制造。目前，快速成型技术在模具、家用电器、汽车、航空航天、军工制造、材料工程、玩具、轻工产品、工业造型、建筑模型、医疗器械、人体器官模型、生物材料组织、考古、电影制作等领域都得到了广泛的应用。快速成型技术是目前先进制造技术中发展最为迅速的一种，在短短一、二十年的时间里，已经由最初的原理研究发展到大规模实际生产应用。目前已有10多种比较成熟的工艺方法用于原型零件的制造。rp技术在产品开发中的关键作用和重要意义在实际应用中得到了很好的印证，不受形状或结构复杂程度的限制，可以迅速地将示于计算机屏幕上的设计变为可进一步评估的实物。根据原型，可对设计的正确性、造型合理性、可装配性和干涉，进行具体的检验17。1.2 选择性激光烧结快速成型技术1.2.1 选择性激光烧结技术特征选区激光烧结技术造型速度快，一般制品仅需12天即可完成。与其它rp技术相比，sls最显著的特征是18：1）材料适用范围广。从原理上说，这种方法可采用任何能与激光相互作用的粉末材料，通过材料或各类含粘结剂的涂层颗粒制造出任何造型，适应不同的需要。2）加工柔性高，有自然支撑。选区激光烧结技术可以直接制造任意复杂形状的原型、型模三维构件或部件及工具，能广泛适应设计和变化等。3）运行成本较低，材料重复利用率高，未烧结粉末可重复使用。1.2.2 选择性激光烧结工艺过程sls工艺的基本思想是基于离散堆积成型的制造方式，实现从三维cad模型到实体零件的转变。如图1.2所示，利用sls工艺制造实体零件的基本过程包括cad模型的建立及分层处理、烧结过程以及后处理等部分19。图1.1sls工艺制造实体零件的基本过程1）cad模型的建立及分层处理这一阶段的作用是在计算机上实现零件模型的三维造型和数据处理过程。对于一个给定的零件，首先要建立被加工零件的三维实体模型；经过cad软件的stl文件格式的输出，然后利用分层软件对零件的cad模型进行分层切片，把三维实体分解成一系列二维平面的薄片，每一薄片称为一个切片，每个切片具有一定的厚度，并包含二维轮廓信息；再用扫描轨迹生成软件将切片的轮廓信息转化成激光的扫描轨迹信息。2）烧结过程这一阶段是实现零件的层面制造、堆积成型的过程。每一层烧结开始前，工作缸先下降一个层厚的高度，而供料缸则上升一个层厚的高度。粉末材料由供料缸顶起，辊筒水平铺粉，由于辊筒与粉末之间的摩擦力以及粉末与粉末之间的作用，粉末被推送到成型缸。辊筒水平运动的同时，还伴有滚轮的一个逆向转动，在成型缸内将粉末材料压实、铺平。预热之后，在控制系统的控制下，激光束以一定的扫描速度和功率在铺好的粉层上扫描，被激光扫描过的区域内，粉末烧结成具有一定厚度的实体结构，未扫过的地方仍然是松散的粉末，这样得到零件的第一层。当一层截面烧结完成后，供粉活塞上移一定距离，成型活塞下移一定距离，并铺上一层新的粉末材料，继续下一层的激光扫描烧结，而且新的烧结层与前面已成型的部分连接在一起。如此逐层地添加粉末材料有选择地烧结堆积，最终生成三维实体模型或零件。3）后处理全部烧结完成后，都要做一些后处理工作，如去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干、加热等处理以便获得原型或零件。采用塑料材料制成的原型零件一般用来作为功能性零件或样品试件，其机械性能如强度等要求不是很高，因此只需要对其外观进行一些简单的处理，如打磨、有机物微溶、去除零件表面明显的层面痕迹等。1.3 覆膜砂的sls技术研究现状在造型、制芯前砂粒表面上已覆有一层固态树脂膜的型砂，芯砂称为覆膜砂。也称壳型（芯）砂。它最早是一种热固性树脂砂，由德国克罗宁（croning）博士于1944年发明。其工艺过程是将粉状的热固性酚醛树脂与原砂机械混合，加热时固化。现已发展成用热塑性酚醛树脂加潜伏性固化剂（如乌洛托品）与润滑剂（如硬脂酸钙）通过一定的覆膜工艺配制成覆膜砂，覆膜砂受热时包覆在砂粒表面的树脂熔融，在乌洛托品分解出的亚甲基的作用下，熔融的树脂由线性结构迅速转变成不熔体的体型结构，从而使覆膜砂固化成型。覆膜砂一般为干态颗粒状，近年来我国已有厂家开发出湿态和粘稠状覆膜砂。覆膜砂具有良好的流动性和存放性，用它制作的砂芯强度高、尺寸精度高，便于长期存放，在国际上，尤其在日本、韩国、东欧等国家及我国台湾地区铸造工业中的应用得到了快速发展。用覆膜砂既可制作铸型，又可制作砂芯（实体芯和壳芯），覆膜砂的型或芯既可以互相配合使用，又可以与其它砂型（芯）配合使用；覆膜砂不仅可以用于金属型重力铸造或低压铸造也可以用于铁模覆砂铸造，还可用于热法离心铸造；不仅可以用于生产黑色金属铸件，还可以用于有色金属铸件等等。现在，覆膜砂已广泛应用于汽车、拖拉机、柴油机、机床、离心铸造、液压件及泵类等行业，可满足各种材料、各种生产条件的复杂精密铸件的生产要求。利用激光快速成型（选择性激光烧结）技术可以制造各种零件和模型，如果选择合适的烧结材料，也可以直接制造铸型，即在此铸型中同时形成铸件的内外轮廓结构的型腔，而不需要型芯，也不需要砂箱，浇注金属冷却落砂后就可得到完整的铸件。这种方法对单件小批复杂铸件的制造极为有利，简化了铸造工艺过程，节约了时间，且有利于铸件质量的提高。采用覆膜砂作为烧结材料，选择性激光烧结（sls）快速成型技术直接形成铸造用型（芯），开创了不用模型、不用芯盒直接制造砂型（芯）的先河，使用此方法可在数小时至数十小时内将cad数据模型转化成可浇注各类金属铸件的型（芯），给铸造业带来了现代化的新气息20。用sls法生产覆膜砂铸造型（芯）与传统的造型制芯工艺比较，有以下优点：1）生产过程大为简化。从零件图纸到工艺设计、铸型（芯）的二维实体造型等都山计算机完成。2）可生产任何复杂程度的铸件。3）型、芯可整体制作，也可以型、芯分别制作。型、芯整体制作时不存在型、芯的装配定位问题；分别制作时，型、芯的定位装配精度也很高。4）不需要拔模斜度，铸件的壁厚小。5）省去了许多工装设备，使得复杂铸件的生产过程可以在sls成型机上完成。但用sls法也有它的局限性。首先，目前sls成型机的价格昂贵,只适合做单件小批样品、试制品等；其次，由于分层叠加成型，sls铸型在曲面或斜面上呈明显的“阶梯形”。用sls法快速生产铸件的工艺过程可分为三步：1）sls铸型（芯）的工艺设计及计算机三维造型；2）sls铸型（芯）的成型；3）sls铸型（芯）的后续处理及浇注。1.4 课题研究的主要内容从快速成型技术的发展现状，特别是sls成型技术的发展现状的分析发现，尽管sls技术发展到今天已经达到相当高的水平，但是仍然存在很多需要继续研究的问题。烧结原型件的强度质量是选择性激光烧结试验最基本的要求，如果制件强度不高将严重影响烧结质量和烧结进程；大量试验结果表明，用sls法烧结的覆膜砂试件的烧结强度较低，不能直接用于浇注金属铸件，必须对烧结后的制件进行后处理。除抗拉强度外，还应包括发气性、溃散性等。这些性能的好坏，将影响到金属液体在充型过程中冲砂、砂眼、粘砂、气孔等铸件缺陷的产生，以及型腔中的残留型砂清理较为困难等方面的问题。本文以铸造覆膜砂为选择性激光烧结实验材料，研究了处理温度和后处理时间对其力学性能、发气性能和溃散性能的影响。并结合铸造实验分析影响覆膜砂烧结成型件精度的因素及其它性能的考核。本文具体研究的内容及试验方法如下：1）后处理温度对覆膜砂试件抗拉强度的影响试验试验方法：将zk82 a型真空干燥箱预热到200，然后分别对覆膜砂“8”字试件进行加热、保温。待其冷却至室温后，将其放到杠杆式强度试验机上测量“8”字试件的抗拉强度，并记录数值。依次改变加热温度为200，210，220，230，240，250；然后在保温时间为20min的情况下分别记录下其强度值，最后求其平均值，并用后处理温度常温抗拉强度的曲线表示出来。2）后处理时间对覆膜砂试件抗拉强度的影响试验试验方法：将zk82a型真空干燥箱预热到230，然后分别对覆膜砂“8”字试件进行加热、保温。待其冷却至室温后将其放到杠杆式强度试验机上测量“8”字试件的抗拉强度，并记录数值。依次改变加热时间为10min，15min，20min，25min，30min重复上述操作，分别记录下其强度值，最后求其平均值，并用后处理时间常温抗拉强度的曲线表示出来。为了进一步了解覆膜砂成型件后处理过后的内部结构性能，还可以对其烧结成型件进行扫描电镜分析，从而还可以为后处理参数的合理确定提供有利依据。3）后处理温度对覆膜砂试件发气性能的影响试验试验方法：将步骤1中保温20min试验后得到的“8”字试样断块按工艺条件进行编号，然后沿断面处将其摩擦成细小颗粒状进行取样，称取10.01g试样放入小瓷舟中，并将小瓷舟迅速送入预先预热到850的sfd型发气性测定仪，经过3min可以从记录纸上自接读出发气量的大小，重复以上操作，根据编号我们就可以分别得出固化温度为200，210，220，230，240，250下相应“8”字试样的发气量。4）后处理时间对覆膜砂试件发气性能的影响试验 试验方法：将步骤2中加热温度t=230试验后得到的“8”字试样断块按工艺条件进行编号，然后沿断面处将其摩擦成细小颗粒状进行取样，称取10.01g试样放入小瓷舟中，并将小瓷舟迅速送入预先预热到850的sfd型发气性测定仪，经过3min 可以从记录纸上自接读出发气量的大小，重复以上操作，根据编号我们就可以分别得出固化时间为10min，15min，20min，25min，30min条件下相应“8”字试样的发气量。5）覆膜砂的溃散性能试验试验方法：根据上述优选的工艺参数，在最佳加工工艺条件下，对覆膜砂进行选择性激光烧结及后处理制取“8”字件，将其分组放入预先分别预热500，600，700的tdw型箱式电阻炉中恒温加热5min，取出并冷却至室温，接着将其放在30目的筛子上进行震动，最后用mp5002电子天平（感量为0.01）称取托盘上砂的重量并代入溃散率的计算公式进行计算，溃散率的计算公式如下：2 原型件的后处理研究2.1 原型件后处理加热原理及基础2.1.1 后处理简介覆膜砂在激光束扫描照射下烧结硬化的强度值较低。原因有以下几点：1）光束照射加热的时间很短（可以认为是瞬间加热）；2）覆膜砂的热传导系数较小；3）光束照射加热的最高温度不允许太高（当最高温度大于300时，树脂膜受热而碳化），即只能在较低的温度下加热。因此，由选择性激光烧结而成的制件很难达到铸造等相关再加工工序的强度要求，而必须采用加热保温的后处理方法，使制件强度得到大幅提高21。直接激光烧结得到的“8”字试件与经后处理得到的“8”字试件颜色比较如图2.1；不同后处理工艺条件下得到的试件如图2.2。图2.1烧结原型件与后处理件对比 图2.2不同后处理工艺下试件对比加热保温原理在于经激光烧结后的覆膜砂没有完全硬化，而当这些砂样被更高的温度再加热时，未硬化的覆膜砂受热再固化使砂样的强度值进一步提高。而且，原烧结过程中加热的温度越低，未硬化的覆膜砂量越多，再加热后砂样的强度值提高越大。2.2 后处理试验影响覆膜砂常温抗拉强度的工艺因素有两个：后处理温度和后处理时间。后处理实验中，我们采用固定一个因素，改变另一个因素的方法来分别考察温度和时间对常温抗拉强度的影响规律22。实验中，我们分别将在最佳激光烧结工艺条件下制备的“8”字试样放在zk82a型真空干燥箱中，进行抗拉强度的测试。每个工艺条件下测4个强度值，然后求其平均值。其中，固化温度分别选择为：200，210，220，230，240，250；固化时间分别选择为l0min，15min，20min，25min，30min；最后将这些数据分别用后处理温度常温抗拉强度、后处理时间常温抗拉强度的曲线表示出来，分别研究后处理温度和后处理时间对常温抗拉强度的影响规律。2.2.1 试验设备本试验使用的是：zk82a型真空干燥箱，其主要性能参数如表2. 1所示：表2. 1 zk-82a型真空干燥箱性能参数最高上作温度工作电压加热功率工作室尺寸制造商真空度300220v2kw350mm400mm上海实验仪器总厂6022.2.2 加热保温试验过程覆膜砂的工艺性能中抗拉强度性能的好坏，将影响到金属液在充型过程中冲砂、砂眼、粘砂、气孔等铸件缺陷的产生，以及型腔中的残留型砂清理较为困难等方面的问题。本试验从后处理加热保温时间和温度来研究其对于强度影响规律，并利用试验的方式对强度性能进行检测。2.2.2.1 后处理温度对覆膜砂试件抗拉强度的影响覆膜砂试件的抗拉强度是其性能的一个重要衡量标准，为了适应砂型和砂芯在生产过程中翻箱、搬运的要求及浇注时不会因铁水的冲刷、静压力作用使铸件产生冲砂、砂眼、粘砂、胀箱等缺陷，所以要求覆膜砂经加热紧实后制得的制件要有足够的强度。而固化温度对抗拉强度的大小有很大的影响，一般说来，加热温度高，加热时间可以缩短，有利于提高生产效率，但温度过高则制件表面易烧焦，而内部和局部厚大的部位却没有熟透，造成制件强度低、发气量大；而加热温度过低时，则加热时间较长，生产效率低下，而且同样会造成内部和局部厚大部位的树脂不能完全固化，导致制件强度低、发气量大23。所以，研究后处理温度对覆膜砂制件抗拉强度的影响具有十分重要的意义。1）试验方法将zk82a型真空干燥箱预热到200，然后分别对覆膜砂“8”字试件进行加热、保温。待其冷却至室温后，将其放到杠杆式强度试验机上测量“8”字试件的抗拉强度，并记录数值。依次改变加热温度为200，210，220，230，240， 250；然后改变保温时间：l0min，20min，30min；重复上述操作，分别记录下其强度值，最后求其平均值，并用后处理温度常温抗拉强度的曲线表示出来。2）试验结果与分析在三种不同保温时间条件下，改变后处理温度测得的覆膜砂的常温抗拉强度值及强度随温度的变化规律分别如下表2. 2， 2. 3，2. 4和图2.3所示：表2. 2保温10分钟不同后处理温度下覆膜砂试件的抗拉强度（mpa）试验组数 抗拉强度（mpa）1 2 3 4average2001.2201.2411.3051.2561.2562101.4561.4111.4091.4421.4302201.7011.6691.6691.6721.6782301.7201.7151.6891.7011.7062401.5091.5141.4891.4921.5012501.4261.4101.4311.4151.421表2. 3保温20分钟不同后处理温度下覆膜砂试件的抗拉强度（mpa）试验组数抗拉强度（mpa）200210220230240250 1 2 3 4average1.6801.6691.6791.6741.6761.8311.8361.8251.8301.8312.0152.0162.0121.9892.0082.2362.2622.2592.2682.2562.1132.0992.1102.1012.1061.7641.7691.7521.7561.760 表2. 4保温30分钟不同后处理温度下覆膜砂试件的抗拉强度（mpa）试验组数抗拉强度（mpa） 1 2 3 4average2001.5101.4981.4891.4921.4982101.6781.6691.6821.6701.6752201.8421.8361.8351.8401.8382301.8901.9051.8891.8681.8882401.7101.7011.7051.6991.7042501.6411.6361.6291.6281.634 从图2. 3中可以看出，不同后处理时间条件下覆膜砂的抗拉强度都是随温度的升高而增大，直至达到最大值，然后随着固化温度的进一步提高，固化强度开始下降；而且其曲线变化的幅度及发生的温度区间也基本相同：覆膜砂在a条件下（保温10分钟）抗拉强度变化的幅度相对较小，在220230的区间范围内，抗拉强度达到最大（230处），已测得最大值为1.706mpa，最小值为1.220mpa（200处）；覆膜砂在b条件下（保温20分钟）抗拉强度变化的幅度相对较大，在220230区间范围内，抗拉强度达到最大（230处），已测得最大值为2.268mpa，最小值为1.669mpa（200处）；覆膜砂在c条件下（保温30分钟）抗拉强度变化的幅度仅次于b，在220230的区间范围内抗拉强度达到最大（230处），已测得最大值为1.890mpa，最小值为1.489mpa（200处）。三种保温时间条件下覆膜砂对固化温度的敏感程度依次为：b最大、a次之、c最小。 图2. 3后处理温度对覆膜砂试件抗拉强度的影响后处理温度对覆膜砂试件抗拉强度性能影响规律的原因分析：在覆膜砂被放入zk82a型真空干燥箱以后，树脂由玻璃态转变为粘流态而表现出一定的流动性和可塑性，砂粒之间形成粘结颈。温度升至180左右，六亚甲基四胺（乌洛托品）与树脂中的残留水分反应生成甲醛和氨气，生成的甲醛能和线性酚醛树脂进一步反应，首先在酚醛树脂分子链上若干苯酚羟基的对位处生成羟甲基，而后，此酚羟甲基再与其它酚醛树脂苯酚核的对位或邻位的活性氢原子缩合，生成亚甲基ch2，使树脂由热塑性变成热固性，从而具有一定的强度。同时，生成的nh3提供的碱性环境也有利用这一反应向正方向进行。根据热芯盒内覆膜砂的温度场分布理论，“8”字试样由外到内可以依次分为固化状态区、软化状态区和松散状态区三个区，其中固化状态区和软化状态区以固化剂的分解温度为分界线，软化状态区和松散状态区的分界线为树脂的软化点温度，所以适当提高保温温度，在固化时间相同的情况下，可以提高固化状态区的厚度，从而达到提高其强度的目的。所以在三种不同保温时间条件下的覆膜砂开始都会随着固化温度的提高其强度也随之提高。当固化温度过高时，加速了反应生成的甲醛的挥发，从而使得“8”字试样局部固化程度降低，这样局部砂粒之间只能靠线形酚醛树脂间形成的粘结颈粘结在一起，强度和体型结构相比大大降低。同时温度过高也会导致表面砂粒之间的粘结颈变细部分可能因为温度过高而发生过烧，从而不使分子链断裂，导致抗拉强度的进一步降低。所以在固化温度升高到一定程度时，如果继续升高温度，覆膜砂的抗拉强度值都会降低24。3）小结通过以上分析研究，我们得出了后处理温度对在三种不同保温温度条件下覆膜砂试件抗拉强度的影响规律，从而可以把温度230作为实际制型（芯）时的工艺指导参数。同时，鉴于保温20min条件下对后处理温度较为敏感，在生产中应对固化温度加以严格控制。2.2.2.2 后处理时间对覆膜砂试件抗拉强度的影响后处理温度对覆膜砂试件抗拉强度的影响规律已经找到，以下试验主要是在给定的温度下，来研究后处理时间对覆膜砂试件抗拉强度的影响规律，因为温度和时间对抗拉强度的影响是相互关联的，所以对后处理时间的研究也具有十分重要的意义。1）试验方法将zk82a型真空干燥箱预热到230，然后分别对覆膜砂“8”字试件进行加热、保温；待其冷却至室温后，将其放到杠杆式强度试验机上测量“8”字试件的抗拉强度，并记录数值。依次改变加热时间为l0min，15min，20min，25min，30min；重复上述操作，分别记录下其强度值，最后求其平均值，并用后处理时间常温抗拉强度的曲线表示出来。2）试验结果与分析在t=230的条件下，通过改变后处理时间得到的覆膜砂的常温抗拉强度值及强度随时间的变化规律分别如下表2. 5和图2. 4所示：从图2. 4中我们可以看出，后处理时间对常温抗拉强度的影响与后处理温度的影响很相似，覆膜砂随着时间的延长其常温抗拉强度都是先升后降，但是曲线的变化幅度及区间不相同：覆膜砂随时间的延长，其曲线的变化幅度相对而言最大，在有的时间范围内其常温抗拉强度达到最大，为2.368mpa（25min处），最低抗拉强度为1.698mpa（l0min处）。表2. 5不同后处理时间下覆膜砂试件的抗拉强度（mpa）试验组数抗拉强度（mpa） 1 2 3 4average10min1.7151.7051.6981.7051.70615min1.7501.8011.7981.7781.78220min2.2592.2702.2692.2672.26625min2.3292.3002.3682.3322.33230min1.8981.9011.8981.9101.902图2. 4后处理时间对覆膜砂件抗拉强度的影响后处理时间对覆膜砂常温抗拉强度影响规律的原因分析： 按照芯盒中覆膜砂温度场分布理论，在温度不变情况下，随时间的延长，那么覆膜砂温度传递就比较深，这样就会使更多的覆膜砂得到再固化，从而使得固化状态区的厚度变厚。所以在开始阶段，覆膜砂试件的强度都随着时间的延长而增加，同时会在某个后处理时间下使砂粒表面之间的粘结颈交叠，达到截面积最大，此时强度也达到最高值。“8”字试样在230的温度下，过分的延长后处理时间会使其表面已形成好的粘结桥变细，砂粒表面的有机物也会发生炭化，从而导致表层分子链的断裂，致使试样强度降低，这也是覆膜砂制件随时间的进一步延长其强度降低的原因。3）显微组织分析为了进一步了解覆膜砂成型件后处理过后的内部结构性能，所以对其烧结成型件进行扫描电镜分析可以为后处理参数的合理确定提供有利依据。图2.5是试件在最佳后处理工艺参数条件下的制件断口形貌，由图2.5（a）可知，砂粒接合均匀，形成了很多联结桥。由图2.5（b）可知，试件在拉伸断裂过程中是沿联结桥内部断裂的，此种断裂方式能很好提高制件的力学性能。 （a）放大100倍; （b）放大300倍图2.5最佳后处理工艺条件下制件断口微观形貌图2.6是制件经后处理炭化后的微观形貌，由图2.6可知，由于保温温度过高，时间过长，砂粒表面有机物几乎全部炭化，同时加大了烧结试样收缩量，降低拉伸强度。通过对覆膜砂选择性激光烧结后处理工艺试验的研究，完成了如图2.7所示的铸造用覆膜砂型芯和试验件。4）小结通过以上分析研究，我们得出了后处理时间对覆膜砂抗拉强度的影响规律，从而可以把保温时间min作为实际制（型）芯时的工艺指导参数。（a）放大100倍; （b）放大300倍图2.6经后处理炭化后制件断口微观形貌图图2.7经后处理的铸造用选择性激光烧结覆膜砂件2.3 后处理温度对覆膜砂试件发气性能的影响发气性能也是覆膜砂性能的一个重要性能指标。发气性是指造型材料受热时析出气体的能力。一般用发气量和发气速度度量，发气量通常指单位质量（1g）造型材料受热后析出气体的体积 （cm3/ml）；发气速度则指发气量随时间变化的规律。由于发气性对铸件质量有着重要影响 ，发气性的测定日趋受到人们的重视。覆膜砂的发气量大往往会影响到金属液的充型，同时也是铸件气孔缺陷产生的主要原因。本试验是在考察后处理温度对强度影响的基础之上，进一步考察其对覆膜砂发气性能的影响规律，从而使上述的后处理温度参数更好地满足高强度、低发气量的制（型）芯要求。影响覆膜砂烧结试件发气性的因素有：原材料的性质（如树脂的掺量）；烧结工艺参数（如激光功率、扫描速度等）；测定发气性时的环境（温度、气氛、压力等）。1）试验方法将2.2.2.1节保温20min试验后得到的“8”字试样断块按工艺条件进行编号，然后沿断面处将其摩擦成细小颗粒状进行取样，称取10.0lg试样放入小瓷舟中，并将小瓷舟迅速送入预先预热到850的sfd型发气性测定仪，经过3min可以从记录纸上直接读出发气量的大小，重复以上操作，根据编号我们就可以分别得出固化温度200，210，220，230，240，250下相应“8”字试样的发气量。2）试验结果与分析在t=180s的条件下，改变后处理温度得到的覆膜砂试件的发气量值及发气量随后处理温度的变化规律分别如下表2. 6和图2. 8所示。表2.6不同后处理温度下保温20min覆膜砂试件的发气量（ml/g）试验组数发气量（ml/g）200210220230240250 1 2 3 4average11.911.811.811.911.8511.611.511.711.811.6511.811.611.511.611.6311.811.711.711.511.6811.7 11.611.711.611.6511.511.611.811.611.63图2.8后处理温度对覆膜砂发气性能的影响从图2.8中还可以看出，覆膜砂试件发气量大小随着后处理温度的提高其发气量不断降低，最高值为11.8m1（200处），最低值为11.6m1（250处）。覆膜砂发气量的变化规律主要是由于：在时间一定的情况下，随着温度的升高，芯盒向覆膜砂中传递的热量也随之增大，从而使更多的树脂发生了再固化反应，固化剂反应释放出的nh3量也不断增多，但是在相同时间内，温度的升高却加速了反应生成的甲醛气体的挥发，“8”字试样中所含有机物量随之降低，所以在发气性试验中，试样的发气量在不断的下降；发气量降低幅度与覆膜砂对温度的敏感程度有关，即覆膜砂对温度越敏感则其发气量的降低幅度也就越大，尤其是在最佳强度所对应的温度附近，变化幅度最大。反之，变化幅度较小。3）小结把2.2.2.1中固化温度参数与本试验结论结合，我们可以得出：满足覆膜砂试件的强度最佳对应的温度区间为220230，而在发气性上，230比220明显降低，而且即使将温度再提高至240250，发气性的变化很小，但强度则明显下降，所以后处理温度对抗拉强度的影响更明显，而对发气性的影响要小得多。因此，实际生产中应根据强度的要求来确定后处理温度。2.4 后处理时间对覆膜砂试件发气性能的影响本试验是在考察后处理时间对强度影响的基础之上，进一步考察时间对覆膜砂发气性能的影响规律，从而使上述的后处理时间参数更好地满足高强度、低发气量的制（型）芯要求。1）试验方法将2.2.2.2中加热温度t=230试验后得到的“8”字试样断块按工艺条件进行编号，然后沿断面处将其摩擦成细小颗粒状进行取样，称取10.0lg试样放入小瓷舟中，并将小瓷舟迅速送入预先预热到850的sfd型发气性测定仪，经过3min可以从记录纸上直接读出发气量的大小25，重复以上操作，根据编号我们就可以分别得出固化时间l0min，15min，20min，25min，30min条件下相应“8”字试样的发气量。2）试验结果与分析在t=180s的条件下，改变后处理时间得到的覆膜砂试件的发气量值及发气量随后处理温度的变化规律分别如下表2.7和图2.9所示。从图2.9中可以看出，随着后处理时问的延长，覆膜砂试件的发气量随之降低，其中：最高发气量为12.0m1，最低发气量为11.4m1，减少量为0.6m1，覆膜砂试件发气量变化规律的原因主要是：在温度一定的情况下，随着后处理时间的延长，芯盒温度向覆膜砂中传递的热量也不断增加，参与固化反应的树脂量亦不断增多，固化剂反应产生的nh3量也相应增多，所以“8”试样中残留有机物的量相对减少，发气量也随之降低；发气量降低幅度的不同，主要是因为在相同温度下，覆膜砂对加热时间的敏感程度不同，对时间越敏感，则其降低幅度越大，尤其在最佳强度对应的后处理时间附近，发气量降低比较明显。反之，则变化幅度较小。表2.7不同后处理时间下覆膜砂件的发气量（ml/g）试验组数发气量（ml/g） 1 2 3 4average10min12.011.811.911.811.8815min11.911.811.811.911.8520min11.511.711.611.811.6525min11.611.511.711.811.6530min11.611.411.511.411.48图2.9后处理时间对覆膜砂发气性能的影响3）小结把2.2.2.2中固化时间参数与本试验结合，按照2.3中的比较方法，我们得出覆膜砂试件在不同固化时间下抗拉强度要比发气性对时间更敏感，因此后处理时间的确定也主要取决于抗拉强度要求。同时，覆膜砂在最佳强度下的后处理时间为：25min；所对应的发气量已接近最低或比较接近最近值。综合2.3和2. 4所选参数，选择性激光烧结覆膜砂试件的后处理最佳工艺条件为：230c，25min。在此工艺下能同时满足高强度、相对较低的发气量的制型（芯）要求。2.5 覆膜砂的溃散性能溃散性能是指铸件冷凝后砂芯是否容易破坏，是否容易从铸件上清除的性能。溃散性能的好坏可以用溃散率来衡量，它是由砂芯烧结后的残留强度来决定的。溃散率大，说明砂芯烧结后的残留强度小，后续清理工作比较容易；反之，情况则恰恰相反。铸件生产中，套芯中的粘砂现象主要是由于砂芯的溃散率较低造成的。所以对选择性激光烧结覆膜砂制件在优选工艺条件下的溃散性能分析研究具有十分重要的意义。1）试验方法根据上述优选的工艺参数，在最佳加工工艺条件下，对覆膜砂进行选择性激光烧结及后处理制取“8”字件，将其分组放入预先分别预热到500，600，700的tdw型箱式电阻炉中恒温加热5min，取出并冷却至室温，接着将其放在30目的筛子上进行震动，最后用mp5002电子天平（感量0.0l）称取托盘上砂的重量并代入溃散率的计算公式进行计算。26溃散率的计算公式如下：表2.8不同温度下覆膜砂制件的溃散率试验组数不同温度下的溃散性（）500600700 1 2 3average9.510.19.89.865.664.965.765.41001001001002）试验结果与分析优选工艺条件下测得的不同温度下覆膜砂制件溃散率的值见表2.8。从表中可以计算出，覆膜砂在优选工艺条件下，在500时溃散率的平均值为9.8%；在600时溃散率的平均值为65.4%；而在700时均为100%。溃散率的大小与树脂在某个温度下的残留强度有关，残留强度大则溃散率较小，反之则相反。3）小结通过优选工艺条件下对溃散率大小的测定，我们得出：在600700的温度区间内，砂芯的溃散性能较佳。并在230，25min的后处理固化工艺条件下制（型）芯，可以同时满足高强度、低发气量、高溃散性的铸造用砂芯要求。2.6 本章小结用sls法烧结的覆膜砂试件的烧结强度较低，不能直接用于浇注金属铸件，必须对烧结后的制件进行后处理，使制件在抗拉强度、发气性、溃散性等铸造性能方面得到提高，适应铸造生产。本章通过对制件的后处理试验，找到了原型烧结件后处理最佳加热温度和保温时间为：230和25min。并验证了此参数对原型件发气性能、溃散性能的影响和可行性。3 试件精度的研究3.1 影响制件精度的主要因素在快速成型中，成型精度是衡量成型质量最主要的指标。制件的精度与设备误差、零件的造型、成型工艺参数、烧结层厚等因素有很大的关系27。影响制件精度的主要因素如图3.1 所示。材料因素的影响成型后环境变化引起的误差制件精度预热温度的影响激光功率和扫描速度的影响切片误差cad模型误差烧结层厚的影响扫描路径的影响成型工艺参数的影响设备误差零件的造型引起的误差图3.1 制件精度影响因素示意图3.1.1 设备误差设备误差主要是由于制造设备的运动部件的误差和设备工作部分的变形等原因引起的误差。对于平面精度而言，机器误差主要是激光扫描的误差，它取决于系统的定位精度。对于z向精度而言，z向累积误差与传动精度和烧结的层数有关。机器误差主要是活塞传动系统的误差，现在假设传动系统每次运动的系统误差为e10.001mm，成型件高度h=100mm，成型件层厚h=0.1um那么成型层数n=1000，这样z向的累积误差可以达到1mm。设备误差只有通过更进一步提高机器的运动精度来减小。3.1.2 零件造型对制件精度的影响1）cad模型误差模型误差主要是指cad模型对实际模型的逼近误差，stl 格式是一种cad 模型，它是用平面三角形面片构成一个物体的。对于用三角形面片去逼近空间曲面总是存在一定的误差，但可以通过增加三角形面片的数量来减少这个误差。在一般的cad软件中，都是按误差转换模型的，所以可以根据需要控制stl模型误差的大小。模型的误差大小如果用一次曲面和更高次曲面模型去表示实体，精度肯定能得到提高，但是，通过这种方法的精度提高量是否有意义，要看stl模型和一次模型表达实体所产生的误差到底有多大的差别。提高模型精度的主要方法是：一方面用更高次的曲面逼近实体的曲面；另一方面可以用更密的三角形面片去逼近实体模型。2）切片误差（）切片本身本来不会带来误差，只是因为快速成型技术中的层制造的特点，才会由切片方法的差别而引起制造模型的误差。切片过程是从高度方向（z方向）上按照一定的厚度逐层切片、生成一系列离散的二维片层信息的过程。沿模型高度方向切片时，切片厚度过大则会忽略局部细微特征，反之将延长加工时间，使生产效率降低。实际加工零件时，切片厚度通常在0.1mm0.3mm范围内取值。切片的误差也可能造成成型件的尺寸和形状误差。xy平面的尺寸误差主要是由斜面和曲面引起的，如图3.2所示。假设模型的底面为0面，顶面为1面，h为切片厚度，为斜面与水平面