（机械制造及其自动化专业论文）rp技术在熔模铸造中的应用研究.pdf

摘要 熔模铸造工艺流程较长，对于熔模新产品开发来说，缩短模具的周期尤为重要。且随 着社会的进步和工业的发展，市场产品呈现个性化倾向，单件、小批量产品需求日益扩大。 传统熔模铸造工艺无法满足单件、小批量产品快速投放市场的要求。快速原型技术的出现， 为解决熔模铸造小批量生产问题提供了先决条件，特别是快速直接熔模和快速模具制造技 术，可以很大程度地缩短熔模铸造产品的开发周期，进而提高熔模铸造对市场需求的响应 能力。 本论文就激光选区烧结( s e l e c t i v el a s e rs i n t e d n g , s l s ) 快速原型技术在熔模铸造中的应 用展开研究，主要针对小批量产品的熔模制造解决方案，作快速模具制造和快速熔模浇制 工艺的研究。主要包括：( 1 ) 提高s i s 原型精度的工艺措施研究。提出了通过加零件支撑 和混合粉末改性来提高s l s 原型精度的措施；( 2 ) 低温锡铋合金模料性能的研究；( 3 ) c a t i a 构建快速简易模具c a d 模型的方法；( 4 ) 基于s l s 的快速模具制造及快速熔模浇 制工艺的研究。包括：s l s 直接快速模具制造及低温锡铋合金熔模浇制工艺；基于s l s 原 型的硅橡胶模具翻制和低温锡铋合金熔模浇制工艺；基于s l s 原型的金属模具砂型翻制工 艺。 该论文所作的研究很好地结合了s l s 快速原型技术和熔模铸造技术，为解决小批量熔 模产品制造提供了工艺方法上的参考。 关键词：快速原型；s l s ：熔模铸造：模料；c a t i a ：快速模具；快速铸造 摘要 a b s t r a c t t h ep r o c e s so fi n v e s t m e n tc a s i n g ( i c 、i sl o n ga n dt i m e c o n s u m i n g i ti sv e r yi m p o r t a n tt o s h o r t e ni t st i m ef o rl a u n c h i n gan e w p r o d u c tt ot h em a r k e t a sm o d e mi n d u s t r yd e v e l o p s t h e m a r k e tn e e d st r e n dt oe x p e n di nc u s t o m i z e ds i n g l ec a s t i n g , s m a l l a n dm e d i u m - q u a n t i t y p r o d u c t i o n c o n v e n t i o n a li cp r o c e s sc a n ts a t i s f ys u c hn e e d s t h ei n v e n t i o no fr a p i dp r o t o t y p i n g ( r p ) t e c h n o l o g yp r o v i d e sp r a c t i c a lc o n d i t i o n sf o rs o l v i n gt h ep r o b l e m so fi c s o m et e c h n o l o g i e s , e s p e c i a l l yt h ed i r e c tr a p i ds a c r i f i c i a lp a t t e r n sp r o d u c i n ga n dr a p i dt o o l i n g 假1 ) t e c h n o l o g y , c a l l d r a m a t i c a l l yr e d u c et h et i m eo fd e v e l o p i n gn e wp r o d u c t i o n t h u sr pw i l le n a b l et h ei ct o s w i f t l yr e s p o n dt ot h em a r k e tn e e d s t h i sp a p e r m a i n l yc o n c e r na b o u tt h ea p p l i c a t i o no fs i sr pt e c h n o l o g yi ni c t h ei cs o l u t i o n s o fs m a l l - q u a n t i t yp r o d u c t i o na r es t u d i e d s o m ec o n c l u s i o n so fr ta n du s i n gr tt op r o d u c e s a c r i f i c i a lp a t t e r n sa r em a d e t h es t u d yi n c l u d e s ：( 1 ) t h es t u d yo fp r o c e s si m p r o v e m e n tt o i n c r e a s es i sa c c u r a c y t w om e t h o d sa r ep r e s e n t e d , u s i n gs u p p o r ts t r u c t u r ea n dm i x e dp o w d e r ( 2 ) t h es t u d yo ft h ep r o p e r t i e so fs n b if u s e da l l o ya ss a c r i f i c i a lp a t t e r nm a t e r i a l ( 3 ) a p p l y c a t i at od e s i g nt h er a p i dt 0 0 1 ( 4 ) r ta n du s i n gr tt op r o d u c es a c r i f i c i a lp a t t e r n sb a s e do ns is t h e r ea r et h r e em e t h o d s ：a p p l yd i r e c tr a p i dt o o l i n gm e t h o dt op r o d u c er a p i dm o u l d a n du s et h i s m o u l dt op r o d u c es a c r i f i c i a lp a t t e r n s ；t h ep r o c e s so fm a k i n gs i l i c o n er u b b e rm o u l da n du s e s i l i c o n er u b b e rm o u l dt op r o d u c es a c r i f i c i a lp a t t e r n s ；t h ep r o c e s so fp r o d u c i n gm e t a l l i cm o u l d b ys a n dc a s t i n g t h ep a p e rp r e s e n t st h a ts i sr pt e c h n o l o g ya n di cc a nb ec o m b i n e dp e r f e c t l y , w h i c hw i l l s o l v et h ep r o b l e m so fs m a l l - q u a n t i t yp r o d u c t i o n k e y w o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ；s i s ；i n v e s t m e n tc a s t i n g ；s a c r i f i c i a lp a h e mm a t e r i a l ； c a t i a ；r a p i dt o o l i n g ；r a p i dc a s t i n g h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：趣馥聋日期：出切年岁月似日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：逸立堡 导师签名： 日期：函刀7 年；月肜日 第一章绪论 第一章：绪论 1 1 快速原型技术与熔模铸造工艺概述 1 1 1 快速原型技术 快速原型技术2 0 世纪8 0 年代起源于日本，迅速发展到美国和西欧，是制造技术领域 的一次重大突破。快速原型制造技术是c a d 、数控技术、激光技术以及材料科学与工程的 技术集成，它可以自动、快速地将设计思想转化为具有一定结构和功能的原型或能直接使 用的零部件，从而可以对产品设计进行快速评价、修改，以响应市场需求，提高企业竞争 力。 快速原型制造方法有很型，技术原理都是采用分层累加法，即用c a d 造型、生成 s t l 文件、分层切片等步骤进行数据处理，借助计算机数控的成型装备完成材料的实体制 造。与传统加工方法相比，快速原型制造技术无需刀具、夹具，可以快速地制造具有任意 复杂特征的零件。从理论上讲，由于采用的是材料的添加成型方法，快速原型的材料利用 率可达到1 0 0 。在现代的工业应用中，采用专门的成型设备，最高尺寸精度可达0 0 1 m m 。 加工速度视零件大小而定，一般为数小时至数十小时件。目前应用较多的快速原型制造方 法有立体印刷( s t e r e o l i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ，s l a ) ，层合实体制造( l a m i n a t e d0 b j e c t m a n u f a c t u r i n g , t o m ) ，选区激光烧结( s e l e c t e dl a s c rs i n t e r i n g , s i s ) ，熔融沉积( f u s e d d e p o s i t i o nm o d e l i n g , ) m 、等。它们都具有以下特点( 快速原型制造技术的特点) ： ( 1 ) 制造快速 它可以从c a d 模型直接转化为原型实体，并且不受零件复杂程度影响，比传统的成 型加工方法要快得多。 ( 2 ) 技术高度集成 快速原型制造技术是计算机技术，数控技术，激光技术，材料工程技术的综合体现， 把c a d 与c a m 很好的结合在一起，实现了设计制造一体化。 ( 3 ) 自由成型制造 零件的加工，无需使用刀具、夹具，零件可以具有任意复杂的形状和结构。 ( 4 ) 可用加工材料的广泛性 快速原型制造技术可以选用的材料十分广泛。如可以采用树脂类，塑料粉末，纸类， 石蜡类等原料，也可以采用复合材料料，金属或合金材料和陶瓷材料的粉末、箔、丝、小 块等，也可以是涂覆了某种粘结剂的颗粒、板、薄膜等材料。 ( 5 ) 制造过程高柔性 对于不同零件的加工，只需改变c a d 模型及作相应的数据处理就可以了，不需像传统 方法那样更换工装夹具。而且根据零件，还能借助电铸、电弧喷涂等技术进一步将塑胶原 ： 江南大学硕士学位论文 型制成金属模具1 2 1 - 1 3 1 。 ( 6 ) 应用领域广泛 除了制造原型外，该技术还适合于新品开发、单件小批量产品的快速制造、模具及 模型设计与制造、外形设计检查，装配检验，快速反求与复制等。这项技术不仅停留在制 造业的产品造型与模具设计领域，而且在材料科学与工程、工业设计、医学、艺术、建筑 等领域也有着广阔的应用前景1 4 h 5 1 。 ( 7 ) 突出的技术经济效益 快速原型制造技术使得零件的复杂程度和制造成本无关，其快速性在新品开发中体现 为大大缩短周期，减少了人力物力的投入，更进一步降低了制造成本。快速原型制造是非 接触加工，不需要机床切削加工所必需的刀具和夹具，避免了刀具磨损和切削力的影响。 制造过程无振动，也几乎无噪声，材料利用率极高，是一种环保的制造技术。同时，这一 技术也减少了对熟练技术工人的需求。 1 1 2 熔模铸造工艺 熔模铸造又称为熔模精密铸造，这种方法生产的铸件具有较高的精度和表面质量。 熔模铸造的历史可以追溯到4 0 0 0 年前，最早发源的国家有埃及、中国和印度，然后才 传到非洲和欧洲的其它国家1 6 1 。 在我国，熔模铸造是在失蜡铸造的基础上发展起来的。至唐宋年代，已经有文献资料 较为详细地记载失蜡铸造的方法同。在古青铜文物中，较为著名的错金博山炉( 图1 1 ) ， 1 9 6 8 年出土于河北省满城县西汉时期的中山王刘胜( 死于公元前1 1 3 年) 墓，炉高2 6 c m ， 重3 4 k g ，铜质错金。经有关部门鉴定，此博山炉为失蜡铸造方法制造而成。炉上饰有错 金卷云纹，蟠龙纹，山水人物，虎猴野猪，极为精致，可见当时的失蜡铸造技术已经相当 成熟。 图1 1 错金博山炉全景和部分纹饰 2 第一章绪论 1 9 世纪末期，牙医用熔模铸造工艺，以石膏作为造型材料，用金银浇铸假牙。2 0 世 纪初为生产出更精密的牙科件。人们开始研究蜡料和型壳对铸件质量的影响，以及一些金 属和合金的凝固收缩性能，熔模铸造工艺得以进一步发展。 图1 2 熔模铸造工艺流程：a ) 压射模料；崛出熔模；c ) 组合模组；啦涂料；e ) 撒砂；0 型壳干燥；g ) 熔模熔失；h ) 型壳焙烧；i ) 浇注；j ) 清理取出铸件 3 江南大学硕士学位论文 熔模铸造是用可熔( 溶) 性一次模和一次型( 芯) 使铸件成形的铸造方法。现代熔模铸造工 艺流程如图1 2 所示嗍。用压型压制熔模( 图1 2 a ) 、打开压型取出熔模( 图1 2 b ) 、组合模组( 图 1 2 c ) ，模组浸入涂料桶中上涂料( 图1 2 d ) ，撒砂( 图1 2 e ) 、型壳干燥( 图1 2 f ) 、重复d 、c 、 f 工序数次，形成一定厚度的型壳，脱除型壳中蜡( 图1 2 9 ) ，型壳焙烧( 图1 2 h ) ，浇注( 图 1 3 i ) ，脱壳和清理( 图1 2 j ) ，完成熔模铸件的制造。 现代熔模铸造方法是2 0 世纪4 0 年代初形成的，由于其自身优点，迅速被应用到航空、 船舶、汽车、国防工业等部门，熔模产品市场不断扩大i 引。特别是对于形状复杂、尺寸精 度要求高而且原材料为难加工合金的一些零件，熔模铸造更是首选的成形工艺方法。熔模 铸造主要有以下优点： ( 1 ) 熔模铸件精度高，表面光洁 熔模铸件的尺寸精度可达到4 撕级，表面粗糙度值可达到r a 0 4 - - r a 3 2 z m ，可以大大 减少铸件的切削加工余量，并可实现无余量铸造。 ( 2 ) 可以铸造形状复杂的铸件 熔模铸造能铸出形状十分复杂、并难于用其它方法加工的铸件，如涡轮、空心叶等， 给零件结构设计很大的自由度。也能铸造壁厚为0 5 m m 、最小孔径为l m m 以下、铸件轮廓 尺寸小到几毫米、大到上千毫米、重量轻至l g 、最重接近l o o o k g 的铸件。还可以将原来 由许多零件组合、焊接的部件进行整铸，并减轻零件重量。 ( 3 ) 合金材料不受限制 各种合金材料，如碳素结构钢、不锈钢、合金钢、铸铁、铝合金和铜合金以及铸造高 温合金、镁合金、钛合金和贵金属等材料都可用于熔模铸造生产。对于难以锻造、焊接和 切削加工的合金材料，更是特别适宜于用熔模铸造方法生产。 ( 4 ) 生产灵活性高、适应性强 熔模铸造的工装模具可采用多种材料和工艺方法制造，使它既适用于大批量生产，也 适用于小批量生产，甚至单件生产。大批量生产采用金属压型，小批量生产可采用易熔合 金压型等，样品研制可直接采用快速原型代替蜡模。 熔模铸造也存在一定的缺点，如铸造工艺过程复杂、工序多，影响铸件质量的工艺因 素多，必须严格控制各种原材料及各项工艺操作，才能稳定生产；铸件不宜过大过厚，铸 件冷却速度慢等【9 】。 随着科技的进步，新材料、新技术的应用，熔模铸造也得以迅速发展，熔模铸造工艺 的各环节都有长足的进步，对熔模铸造发展有较大影响的新材料、新工艺、新设备也很多， 如水活性型芯、陶瓷型芯、金属材质改进、大型熔模铸造技术、钦合金熔模铸造、定向凝 固和单晶铸造、快速成型技术、计算机在熔模铸造中应用以及机械化自动化等。 1 2 快速原型制造技术在熔模铸造中的应用现状 随着社会的发展，市场环境发生了巨大变化。一方面表现为消费者需求日益主体化、 4 第一章绪论 个性化和多样化；另一方面则是产品制造商着眼于抢占市场，参与到全球的激烈竞争中。 这种市场背景下，单件、小批量产品的需求将日渐扩大，传统熔模铸造的生产模式对市场 的响应显得迟缓与被动，熔模铸造面临着新的挑战。快速原型技术的出现，为解决熔模铸 造小批量生产问题提供了条件，特别是快速直接熔模和快速模具制造技术，可以很大程度 地缩短熔模铸造产品的开发周期，进而提高熔模铸造对市场需求的响应能力。快速原型技 术的出现和发展，为熔模铸造的发展注入了新的活力。 为了缩短生产周期，熔模铸造的工艺与快速原型制造技术相结合，产生了一系列新的 工艺方法。归结起来，在熔模铸造工艺流程上( 见图1 3 ) ，应用快速原型制造技术的环节 一共有三个：压型( 制造熔模的模具) 、熔模和型壳的制造，对应的工艺方法可称之为快 速模具( r a p i dt o o l i n g ，r t ) 技术，直接熔模制造法和直接型壳制造法( d i r e c ts h e l lp r o d u c t i o n c a s t i n g ，d s p c ) 。 1 2 1 快速模具技术 l 快速骧型瞎筐 绍树 髋 a 骥 焙烧 山 熔雠 清理 图1 3 使用快速原型后的熔模铸造工艺 在快速原型技术领域中，目前发展最迅速、产值增长最明显的应属快速模具技术。2 0 0 0 年5 月。在法国巴黎举行的全球快速原型协会联盟( g a l 【p a ) 最高会议上，这一点得到了普 遍的认同。据不完全统计，在1 9 9 9 年，包括快速模具在内的快速原型二级市场的年增长 率达到3 4 6 ，产值达到5 亿多美元。而且这种增长是在几年之内都保持了两位数增长的 基础上取得的i l 叫。 传统模具制造的方法很多。如数控铣削加工、成形磨削、电火花加工、线切割加工、 铸造模具、电解加工、电铸加工、压力加工和照相腐蚀等。由于这些工艺复杂、加工周期 长、费用高而影响了新产品对于市场的响应速度。因此，应用快速原型技术制造快速模具， 5 江南大学硕士学位论文 对于大批量生产，在最终模具开模之前进行新产品试制与小批量生产，可以大大提高产品 开发的次成功率，有效地缩短开发时间和节约开发费用；而对于小批量生产，快速模具 可以直接满足生产要求，更是极大的加快了产品投放市场的速度。随着人们对个性化产品 的推崇，单件、小批量产品的市场需求将会逐渐扩大，快速模具技术，正逐渐显示出它在 中小批量产品制造上的优势。 快速模具技术中，按原型件是否直接用作模具分为直接快速模具制造技术和间接快速 模具制造技术。 直接快速模具制造指的是利用不同类型的快速原型技术直接制造出模具本身。然后进 行一些必要的后处理和机加工以获得模具所要求的机械性能、尺寸精度和表面粗糙度。直 接快速模具制造环节简单，能够较充分地发挥快速原型技术的优势特别是与计算机技术 密切结合，快速完成模具制造，对于那些有着复杂行腔表面的模具，采用直接r t 有着其 他方法不能替代的独特优势。一般，这样的模具可以用于各种批量的失蜡铸造的蜡模压制 和塑件生产1 1 。 间接快速模具制造是指用原型件作为母模翻制模具，如硅胶模，金属模等，模具寿命 视模具材料而定，不同的材料的和不同的翻制工艺所得的模具，可以完成从几十件到十万 件以上的批量生产。这些模具不仅可以用于熔模压制、注塑，还可以用于金属的铸造和锻 造生产。 快速模具技术的应用，使模具从设计到制造所需时间仅为传统加工方法的1 3 左右， 使模具制造在提高质量、缩短研制周期、提高制造柔性等方面取得了明显的效果。尤其在 小批量产品的熔模铸造上的应用，其快速性和灵活性是传统加工方法所不能比拟的。 目前比较先进快速模具技术有美国d t m 公司的r a p i d s t e e l 技术、德国e o s 公司的 d i r e c t t o o l 技术、瑞典a r c a m 公司的e m b 成形技术等【埘。它们的相同的地方就是直接用快 速原型技术加工金属模具，这也一定程度的说明了直接金属模具制造代表了快速模具发展 的方向。 1 2 2 直接熔模制造 直接熔模制造，是指用快速原型制造技术直接生产熔模。该方法省去了模具制造的时 间，极大地缩短了熔模铸造周期，尤其适合产品的研制以及单件、数件的小批量生产。 s l a 、s l s 和f d m 是目前应用较多的直接生产熔模的快速原型制造方法i l ”。熔模铸造 对熔模材料有一定要求，所以材料既要适合于快速制造工艺，也要易于在加热时熔失或烧 失。 s l a 成型精度高，但是s l a 多采用热固化树脂作为成型材料，所得s l a 模的热膨胀通 常比型壳的热膨胀大，并且它不能熔失，只能在高温下汽化消失或烧失，往往造成型壳在焙 烧过程中开裂甚至破坏。因此现有的s l a 模直接作为熔模铸造模样使用尚有一定问题，需要 采取某些补救调整措施。一般的做法是将模型设计成内部( 带支撑的) 中空体。这样的型 6 第一章绪论 壳焙烧时，中空模样受热向内塌陷，不会胀裂型壳。为了进一步降低s l a 模在型壳焙烧后 的残余灰分，也有采用高压风吹或用高压水冲洗，或采用丙酮清洗，然后再进行焙烧、浇注。 s i s 直接烧结熔模的工艺已经比较成熟。在众多的快速原型制造技术中，也数s i s 最 适合应用于熔模的制造，因为它可以直接烧结各种蜡料或渗蜡材料，而蜡模铸造工艺已经 相当成熟，对于后续结壳、焙烧等工序，不需要有太多的变更。此外，s i s 可烧结的熔模 材料还有可烧失的树脂粉、塑料粉等。 另外，f d m 和l o m 也较为常用。 对于直接熔模制造，前沿的研究有很多，如基于冰型的熔模铸造和美国3 ds y s t e m 公 司的q u i c k c a s t 工艺f 1 4 1 。前者以水作为原型材料，在低温环境下制造原型( 冰制熔模) 并 完成型壳的干燥，然后在室温下将水融化、焙烧、浇注。后者利用可烧失的s l 原型作为 熔模进行表面挂浆，经干燥、高温焙烧以后得到精密铸型。 直接熔模铸造典型的应用案例( 图1 4 ) ：北京隆源自动成型系统有限公司为某汽车厂采 用快速铸造方法生产的四缸发动机的蜡模及铸件，按传统金属铸件方法制造，模具制造周 期约需半年，费用几十万。用快速铸造方法，快速成型铸造熔模3 天，铸造1 0 天，使整 个试制任务比原计划提前了5 个月。 图1 4 直接快速熔模铸造的发动机缸体 直接熔模制造方法将随着新材料和新工艺的不断出现而得以完善和丰富。 1 2 3 直接型壳制造 直接型壳制造( d i r e c ts h e l lp r o d u c t i o nc a s t i n g ，d s p c ) ，省去了模具和熔模的制作， 使熔模铸造工艺流程大大缩短。该工艺在型壳制得以后经过相应的处理，就可以进入浇注 环节，可以很快的生产出铸件。这也是快速铸造研究的热点之一 用s i s 技术可以直接制成铸造用的型壳和型科”j 。在c a d 环境中，根据零件模型的几何 信息，对覆膜砂进行逐层选择性激光烧结，烧结完后将未烧结部分倒出，经固化处理并 配以浇注系统后，就获得铸造用型壳或型芯。 美国和欧洲均推出了激光烧结覆膜砂的直接壳型砂芯、砂模的快速成型工艺，并成功 地应用于发动机曲轴、活塞等铸件的生产。北京隆源公司开发研制的“a f s 激光快速自动 成型系统”也成功地制造出覆膜砂型壳和型芯，直接用于浇注铸件。 7 江南大学硕士学位论文 1 3 现存问题 快速熔模铸造成为铸造行业新兴的工艺技术并逐渐产生良好的经济效益。但是，由于 传统熔模铸造和快速原型技术本身的一些不足，影响着两者更好地结合。这些不足主要包 括： ( 1 ) 模具开发时间长。复杂零件的单件、小批量产品的生产本身就是个难题。随着 社会的发展，人们对个性化产品的推崇，单件、小批量产品的市场将逐渐扩大。如何快速 的响应市场需求，如何加快新品开发和新品投放市场，成为当今企业竞争力的一种体现。 而在单件、小批量产品的熔模铸造生产上，模具的制造在熔模铸造的工艺流程中耗时最长， 直接影响到新品开发的周期。传统模具制造的方法很多如数控铣削加工、成形磨削、电 火花加工、线切割加工、铸造模具、电解加工、电铸加工、压力加工和照相腐蚀等。但是 由于这些方法工艺复杂、加工周期长、费用高而影响了新产品对投放市场的速度。 ( 2 ) 新型熔模材料的研究。国内熔模铸造行业所用的模料大多是蜡基模料，它价格 便宜但是存在诸多缺点，如强度低、热稳定性差、收缩率较大等。因此，当蜡基模料不能 满足要求时，就要改用其他材料的模料，如松香基模料、金属模料( 低温合金、水银等) 、 无机盐模料和塑料模料等。新型熔模材料的研究和应用能提高熔模铸件的质量、改善熔模 铸造工艺或扩大熔模铸造的应用范围。 ( 3 ) 快速原型的精度问题。快速原型技术的应用，为熔模铸造开辟了新的发展方向。 但是快速原型技术本身有着一定的局限性，如可用材料种类非常有限、成型精度不高等。 s l s 是目前与熔模铸造结合较为紧密的一种快速原型制造方法，它同样有着精度问题。因 此，如何提高s i s 精度，使之更好地应用到熔模铸造中，也是一个值得关注的问题。 解决好这些问题，将有利于快速原型技术与熔模铸造工艺更好地结合。 1 4 课题任务 课题主要任务是针对上述现存问题，对s i s 快速原型技术在熔模铸造中的应用作相 应的研究，具体有以下几个方面： ( 1 ) 如何提高s i s 成型零件精度。做相应试验找出影响原型件精度的因素，通过改善 或者消除某些因数的影响来提高原型件精度。同时，对现有粉末材料进行改性，以期进一 步提高s i s 烧结质量，为s i s 应用到熔模铸造上提供先决条件。 ( 2 ) 对低温锡铋合金模料作制模性能方面的研究，并与蜡料相比，作工艺性能方面优 缺点的比较，找出锡铋合金模料在什么场合下应用更具有优势，为低温合金模料的应用提 供一定的参考。 ( 3 ) 利用c a t i a 完成实验样件的建模，分模，应用s l s 方法将模型直接地或间接翻 制转化成实用模具，用以浇制低温锡铋合金熔模。其中包括基于s l s 的直接快速模具制造 及熔模制造的工艺、基于s i s 的间接硅橡胶模具制造及熔模制造工艺以及基于s l s 的金属 r 第一章绪论 模具翻制工艺，研究这些方法的制模工艺流程以及解决相应的熔模制造问题。 ( 4 ) 总结出解决复杂件小批量生产问题的快速熔模铸造方法。 1 5 课题意义 对快速原型s l s 工艺的研究，能够得出提高原型件精度的方法，为今后应用提供切实 可行的参考方法。同时，粉末材料改性方面的研究，能降低s is 工艺成本。这些研究，也 为s l s 在熔模中的应用提供了更优条件。 随着社会发展，市场产品呈现更新换代快、个性化和多样化趋势。对于熔模铸造行业， 要跟上产品推陈出新的步伐，就必须加快其工艺进程。而传统的熔模铸造所有工艺环节中， 模具开发的时间十分冗长。它的制造，多用车、铣、数控加工或电火花等工艺，开发周期 较长，且受零件复杂程度影响。因此，开发几乎不受零件复杂程度影响而且周期短的快速 模具，具有重大的实用意义。 s is 快速原型技术与模具制造技术相结合，实现快速模具制造，周期短，成本低。本 论文所研究的快速模具制造及相应的熔模浇制工艺，为解决复杂件的小批量熔模铸造生产 问题的提供了现实可行的方法；同时该研究探索了s i s 快速原型技术在熔模铸造领域的一 些新的应用，为进一步推广和应用s i s 工艺提供了参考。 快速熔模铸造的研究，特别是利用直接模具、间接模具以生产小批量熔模铸造产品方 面的研究，以及低温金属模料的应用研究，能进一步扩充熔模铸造的可加工范围，给产品 研发工作者提供更多的工艺方法参考。 9 江南大学硕士学位论文 2 1s l s 概述 第二章提高s l s 精度的工艺措施 激光选区烧结( s l s ，s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ) 工艺最初是由美国德克萨斯大学奥斯 汀分校的c a r l d e c k a r d 于1 9 8 9 年在其硕士论文中提出的。后美国d t m 公司于1 9 9 2 年推出了 该上艺的商业化生产设备s i n t e r s a t i o n 。几十年来，奥斯汀分校和d t m 公司在s l s 领域做了大 量的研究工作，在设备研制和工艺、材料开发上取得了丰硕成果。德国的e o s 公司在这一领 域也做了很多研究工作，并开发了相应的系列成型设备。 在国内，也有多家单位进行s l s 的相关研究工作，如华中科技大学、南京航空航天大学、 西北工业大学、华北工学院和北京隆源自动成型有限公司等，也取得了许多重大成果，如南 京航空航天大学研制的r a p i 型激光烧结快速成型系统、北京隆源自动成型有限公司开发 的a f s 系列激光快速成型的商品化设备i l 州”j 。 2 1 1s l s 的加工原理、特点及现状 s l s 加工过程( 如图2 1 示) 采用铺 粉小车将一层粉末材料平铺在已成形零 件的上表面，控制系统控制激光束按照 该层的截面轮廓在粉层上扫描，使粉末 的温度升至熔化点，进行烧结并与下面 已成形的零件部分实现粘接。当一层截 面烧结完毕后，成型缸下降一层的厚度， 料缸上升一层的厚度( 此高度大于成型 缸下降的高度，目的是为了保证新一层 粉能够充裕地填满成型缸的工作表面， 多余的粉末被推送到接料缸里。) ，铺粉 小车又把料缸的粉末铺到成型缸上，进 行新一层零件截面的烧结，直至整个零 件模型完成。 激光束 图2 1 s l s 成型原理 s l s 工艺与其他快速成型工艺相比( 见表2 1 ) ，具有以下特点： ( 1 ) 可用多种材料。从原理上说，该工艺可采用通过加热而粘结任何粉末材料，如 塑料、石蜡、金属或各种覆膜粉末( 覆膜砂、覆膜陶瓷粉、覆膜金属粉等) 。 ( 2 ) 制造工艺比较简单。由于可用多种材料，s l s 按照采用的原料不同可以直接生产 第二章提高s i s 精度的工艺措掩 复杂形状的原型、型腔模三维构件或部件及模具。 ( 3 ) 较高的精度。根据使用的材料种类和粉末粒径、产品的几何形状和复杂程度， 该工艺一般能够达到工件整体范围内( o 0 5 之5 ) 蛐的公差。当粉末粒径为 0 1 m m 以下时，原型件精度可达1 。 ( 4 ) 材料利用率高，价格便宜，成本低。 ( 5 ) 可烧结高复杂程度的零件，并且在一定情况下，无需支撑结构。 表2 1s i s 工艺与其他几种快速成型工艺的比较 指标 s l al o ms l sf d m 成型速度较快快较慢 较慢 原型精度较高较高较低较低 制造成本较高 低 较低 较低 复杂程度 中等简单或中等复杂中等 零件大小中小件中大件中小件中小件 热固性光敏树纸、金属箔、 石蜡、塑料、石蜡、尼龙、 常用材料金属、钿瓷粉a b s 、低熔点 脂等塑料薄膜等 末等金属等 目前，s l s 工艺主要应用于以下一些场合： ( 1 ) 快速原型制造。可快速制造设计零件的原型，及时进行评价、修正以提高产品的 设计质量：使客户获得直观的零件模型；制造教学、试验用复杂模型。 ( 2 ) 快速模具和工具制造。将s l s 制造的零件直接作为模具使用，如砂型铸造用模、 金属冷喷模、低熔点合金模等；也可将成型件经后处理后作功能性零部件使用。 ( 3 ) 单件或小批量生产。对于那些不能批量生产或形状很复杂的零件，利用s i s 技术 来制造，可降低成本和节约生产时间，这对航空航天及国防工业更具有重大意义。 可以看到，经过十多年的发展，s i s 的应用范围逐步扩大，在航空、汽车、医疗器械、 日用品、玩具、艺术、建筑等行业均得以应用，成为新产品开发的重要辅助手段。但同时， 它自身的工艺精度问题却困扰着s i s 进一步推广，因此，如何提高s l s 的精度成为当前研 究的热点。影响s i s 精度的因素和工艺环节有很多，关于提高s i s 精度方面的研究主要集 中在c a d 模型、控制方式和机械系统、成型材料和工艺过程上。s i s 精度的提高，必将 进一步扩大其自身的工艺适应范围，s l s 也必将为更多的制造型企业所青睐。 2 1 2a f s - 3 2 0 系统的介绍 a f s - - 3 2 0 系列激光快速自动成型机是由北京隆源自动成型系统有限公司开发的，该 系列激光快速成型机已被广泛应用于科研院校、航空、航天、汽车、摩托车、船舶、家电、 医疗、玩具等开发研制和生产单位。 1 1 江南大学硕士学位论文 图2 2 f s 一3 2 0 系统 a f s - - 3 2 0 激光快速自动成型机( 图2 2 ) ，采用选区激光粉末烧结原理，成型速度快， 适用材料范围宽。可成型塑料件、蜡模、树脂砂等，成型件最大尺寸为3 2 0 x 3 2 0 x 4 0 0 m m 。 其主机关键核心部件选用进口，主机与电控柜为可拆分结构，全套设备含主机柜、电控柜、 冷却水装置和集尘箱。 以下是a f s 3 2 0 所加工的一些原型零件( 图2 3 和图2 4 ) ： 图2 3 佛手和电子产品外壳 图2 4 摄像头和汽车覆盖件模型 本课题的研究的侧重点是s l s 工艺在熔模铸造中的应用，而其中最主要的就是如何应 用s is 加速熔模铸造的模具开发。如此一来，不管是直接烧结模具还是间接地翻制模具， 1 2 第二章提高s i s 精度的工艺措施 首先都要保证s l s 原型件满足精度方面的要求。因此，在第二节和第三节中将主要讨论如 何提高s i s 精度，就相应的一些工艺措施作展开论述。 2 2 利用支撑提高s l s 原型件精度 s i s 是目前应用相对广泛的一种快速原型制造方法，它借助精确引导的激光束使材料 粉末烧结或熔融后凝固形成三维原型或制件。但是它的成型原理决定了它有着与生俱来的 不足，如收缩就是s i s 不可避免的，激光功率、扫描速度、工作环境温度、扫描路径方式、 材料等都会影响原型件的收缩大小【堋。对于一定的材料和经过优化选择的设备工艺参数， 如何进一步提高原型件的精度显得尤其重要。 影响成型零件形状和尺寸精度的主要因素有c a d 模型误差、机器误差和工艺误差1 1 9 ， 收缩是产生工艺误差的一个重要来源。s i s 成型过程中的收缩由温至收缩、烧结收缩和结 晶收缩( 非结晶聚合物没有结晶收缩) 组成【刎，收缩一般会对制件精度产生以下影响： ( 1 ) 整体尺寸缩小 由于成型收缩的影响，原型件会产生x ，y ，z 三个方向上的收缩；且由于原型件外部 冷却收缩较快，内部收缩时对外部产生向内拉的作用，从而使零件表面有内凹的倾向，原 型件与理想的c a d 模型产生差别( 图2 5 ) 。 固固 理想的c a d 模型实际烧结的零件 图2 5 模型和原型件的差别 ( 2 ) 造成翘曲 翘曲一般出现在成型的初始阶段，粉末材料吸收激光能量后熔融或熔化，在短时间内 冷却粘结产生收缩，当收缩严重时会导致已成型层的翘曲。翘曲的成型层两端高出( 图2 6 a ) ) ，在铺后一层粉的时候会受到铺粉小车轻微的前推和下压的力( 图2 6b ) ) ，从而向前 下方滑移和下陷( 图2 6c ) ) ，最终原型件发生倾斜且成前后高低不一的形状，甚至使底面 上的一些特征消失。 铺粉方向 ；罴兰三三三曼； 爱爱! 量嚣爱嚣墨露爱羹尊爱 嚣i 鬟尊焉羹尊；臻夏臻爱露巍羹尊 ；i ；i ；! ；i ；i 蠢；i ；! ；! ；i ；i ；! ；! ；i ；! ；i ；答 a ) ；i ：i ；i ：i ；i ：i ；i ；：戳；i ；i i ；i ；i ；i ；i ；i ? j 强，e j ：ee + ：。：。：f ：叠! 强点强i ： ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 蔓! ! ! ! ! b ) 图2 6 翘曲对成型过程的影响示意图 蕊一 江南大学硕士学位论文 在应用中，除了合理选择工艺参数外，经常通过加支撑的方法来减小收缩的影响。常 用的支撑类型是网格支撑( 图2 7 ( b ) ) 和实体支撑( 图2 7 ( c ) ) ，它们添加起来比较方 便，实体支撑可在切片软件里自动生成，网格支撑则可以直接在快速成型系统里添加。一 般来说，为了方便清粉，烧结支撑的激光功率要低于烧结原型件的激光功率，特别是实体 支撑。边框支撑( 图2 7 ( a ) ) 是从c a d 软件里添加的，它与零件是一体的，烧结功率参 数也一样，所以边框支撑的壁厚不能太厚，否则不容易去除或在去除过程中容易损坏零件 表面。 图2 7 三种支撑类型不意图 一般认为，支撑是用来承载和固定原型件位置的，防止下陷和滑移。应用和研究中发 现，它抵抗收缩的作用也是非常明显的，因此能显著地提高原型零件的精度。 需要指出的是，无支撑加工也是较常用的，因为塑料粉末本身有一定的支撑作用，况 且无支撑加工操作简便，能节省加工时间、粉末材料和能源，在精度满足要求的前提下应 该首选无支撑加工。 2 2 1 试验 分别对上述三种类型的支撑进行试验，考查它们对原型件精度的影响。 设备及材料：北京隆源a f s 3 2 0 快速成型机，p s ( 聚苯乙烯，p o t y s t y r e n e ) 塑料粉末( 非 结晶型材料) ； 激光功率：原型零件功率4 8 w ，支撑功率4 5 w ； 加工环境温度设置：8 0 试验设计：取双因素，支撑类型( 4 水平) 和支撑高度( 3 水平) ，制备试验样件为 4 0 m m x 3 0 m x l 0 n 的长方体零件，如图2 8 。两因素的各个水平组合均进行一次试验，一共 进行1 0 次试验( 无支撑的情况下无支撑高度，故只需作一次试验) 。此外，同时对零件添 加多种不同的支撑再作3 次试验，考查混合支撑对零件精度的影响。分别测量样件上、下 表面的长和宽，沿铺粉方向零件前后端面的高度，以及滑移量( 用上、下表面前端沿铺粉 方向错开的距离来表示滑移量) 。多点测量，取平均值。 1 4 第二章提高s l s 精度的工艺措施 图2 8 试验样件 上下表面的长、宽尺寸差别能反映收缩在高度方向的差别以及支撑抵抗收缩的能力； 前后高度能反映支撑抵抗原型下陷的作用，滑移量能反映铺粉方向对成型过程的影响以及 支撑是否能一定程度上降低成型过程对铺粉方向的敏感性。 表2 2 支撑类型和支撑高度对零件尺寸精度的影响试： 上表面下表面前高后高 滑移量 支撑类重( m m )( m m )( m m )( m m ) ( m m ) o3 9 5 6 x 2 9 4 43 8 0 2 x 2 8 4 21 1 2 21 1 9 03 3 0 a - 33 9 6 2 x 2 9 6 63 8 2 8 x 2 8 5 01 0 3 01 1 0 01 6 8 a 53 9 6 8 x 2 9 7 03 8 3 8 x 2 8 7 21 0 0 41 0 7 01 3 8 a 73 9 8 4 x 2 9 7 63 8 5 2 x 2 8 8 01 0 0 01 0 5 01 4 4 b _ 33 9 9 0 x 2 9 9 63 9 4 2 x 2 9 6 21 0 2 01 0 4 6 1 9 0 b 53 9 9 2 x 2 9 9 83 9 6 4 x 2 9 8 21 0 0 41 0 4 01 5 8 k 74 0 0 0 x 3 0 0 03 9 6 2 x 2 9 7 21 0 0 01 0 2 01 7 8 c - 33 9 7 6 x 2 9 8 03 9 o o x 2 9 3 21 0 _ 3 61 1 1 02 2 0 c - 53 9 8 2 x 2 9 8 03 9 2 0 x 2 9 4 41 0 4 01 0 8 41 7 6 d 73 9 8 6 x 2 9 7 23 9 0 6 x 2 9 2 21 0 3 01 0 7 21 4 6 a x b - 74 0 o o x 3 0 0 03 9 9 i d ) 【2 9 9 21 0 0 61 0 1 0o 1 0 b x c 74 0 o o x 3 0 0 03 9 7 2 x 2 9 8 01 0 0 01 0 2 2o 4 0 a x c - 73 9 9 0 x 3 0 0 03 9 5 4 x 2 9 7 8 9 9 4 1 0 3 00 8 0 ( 测量工具为游标卡尺，结果如表2 2 。表中支撑类型0 代表无支撑，a 为边框支撑，b 为网格支撑，c 为实体支撑，a x b 表示边框网格混合支撑。3 、5 ，7 代表高度，单位咖。) 2 2 2 试验结果分析 由试验所得数据整