（机械制造及其自动化专业论文）金属功能零件分层快速制造实验研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 k 现代科学技术的飞速发展带动了各种新的制造技术和制造模式的出现。快速 原型与制造技术( r p m ) 正是其中之一。 经过近二十年迅猛发展，r p m 的研究应用领域扩大到汽车、机械行业，要 求以制造具有实际功能的最终用途机械零件为目标。目前，利用各种金属作造型 材料的研究与开发已经成为国内外r p m 研究新的热点。本文提出薄金属板作造 型材料分层快速制造会属功能零件，并做了相关的课题研究。 在课题先期研究基础上，本文提出以l m m 厚金属板材作为造型材料，用 l o m 的方法制造金属功能零件，并指出金属分层板的连接技术仍是需迫切解决 问题之一。丫 本文提出了用真空固态热扩散焊接工艺连接金属分层板的方法。通过两个 主要的实验研究测定了试样在堆积成形方向上的尺寸变化、试样结合面的显微 结构、显微硬度以及剪切强度，研究探讨了用热扩散焊接方法连接金属分层板 的可行性。实验结果表明真空固态热扩散焊接是一种比较理想的金属分层板连 接方法。 本文应用热扩散焊接研究成果和新l o m 方法制作了样模。宏观观测表明， 其各个曲面外观光滑，分层板之间过渡均匀，没有明显的台阶效应。通过误差评 定可知，在本论文的手工制作、未采取特别措施提高加工精度的条件下，样模的 最大加工误差为o 4 8 5 m m ，而绝大多数分层板的误差都小于0 3 m m 。样模制作的 结果证实了新l o m 方法对降低造型误差的有效性及扩散焊接用于实际金属零 件制造的可行性。 本文还针对减小样模制造误差而分析了产生误差的原因，为课题的后续研究 提高样模加工精度提供了思路。 关键词：分层实体制造，热扩散焊接，姜验研究，金属功能零件，样模 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h em o d e r ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc h a n g ew i t he a c hp a s s i n gd a y , a n dt h e t r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n gi sf a c i n gn e wc h a l l e n g ea n dn e wc h a n c e a n dt h i sb r i n g s a l o n gs o m en e ws o r t so fm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g i e s ，f o re x a m p l er a p i dp r o t o t y p e a n dm a n u f a c t u r i n g ( r p mf o rs h o r t ) r p mi sar e v o l u t i o n a r yb r e a k t h r o u g hu s i n g m o d e r ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yi n t ot h em a n u f a c t u r i n gf i e l d a f t e rm o r et h a n2 0 y e a r s r a p i dd e v e l o p i n g ，r p m i sn o wu s e di nt h e m a n u f a c t u r i n go f a u t o m o b i l ea n dm a c h i n em a n u f a c t u r i n g i ti sr e q u i r e dt ot a r g e tt h e f i n a lf u n c t i o nm e t a lp a r ti n s t e a do ft h em o d e lp a r to rn o n m e t a lp a r t b yn o 、v t h e r e s e a r c ho fr p mh a sb e e nt h ef o c u so ft h er e s e a r c ht h a tu s e dt h em e t a la sm o d e l i n g m a t e r i a l s i nt h i sp a p e r ，t h em e t a lp o w d e ra n df o i l ，w h i c hu s e di ns o m eo fr e s e a r c h e s ， h a s n tb e e nu s e d o nt h ec o n t r a r y , t h el o w - c o s ta n dc o m m o nt h i ns h e e tm e t a la s m o d e l i n g m a t e r i a l si sp r e s e n t e d i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ep r e v i o u ss t u d yo nt h i sp r o j e c t ，at h o u g h t ，w h i c h u s e dl m mt h i c km e t a ls h e e ta sm o d e l i n gm a t e r i a l st of a b r i c a t et h ef i n a lf u n c t i o n m e t a lp a r ta c c o r d i n gt ot h en e wl o m p r o c e s s ，i sa d v a n c e d a n da l s oaq u e s t i o n ， t h e j o i n i n gp r o c e s so f m e t a ls h e e t ，i si n d i c a t e d a p r o c e s sc o n n e c t i n gm e t a l l i c s l i c es h e e tb yd i f f u s i o nw e l d i n gi sa l s op u t f o r w a r d e di nt h i sd i s s e r t a t i o n a n dt w oe x p e r i m e n t sa r ee x e c u t e di no r d e rt op r o v e t h ef e a s i b i l i t yt h i sp r o c e s s t h ec h a n g eo fs i z ei nt h es t a c kd i r e c t i o n ，t h em i c r o h a r d n e s sa n ds h e a r i n gi n t e n s i o na r em e a s u r e d t h em i c r o s t r u c t u r eo fs p e c i m e n s w e l d e db yd i f f u s i o nb i n d i n gi sa l s oo b s e r v e d a l lt h e s ei n d i c a t et h a td i f f u s i o n b i n d i n gt e c h n i q u ei sa v a i l a b l ea p p r o a c hf o rc o n n e c t i n gt h em e t a l l i cs l i c es h e e t a ne x p e r i m e n t a ls a m p l em a d eb yn e wl o m p r o c e s sa n dd i f f u s i o nw e l d i n g p r o c e s si sp r e s e n t e d t h es u r f a c eo ft h es a m p l ep a r t si ss m o o t h ，a n dn oo b v i o u s s t a i r s t e p c a nb eo b s e r v e d t h em e a s u r e m e n to fs a m p l es h o w st h a tm a x i m u m m a n u f a c t u r i n ge r r o ri s0 4 8 5 m ma n dt h em o s t e r r o rv a l u ei sl e s st h a no 3 m mi nt h e c o n d i t i o n st h a tn o a n ys p e c i f i c p r o c e s s e s a r eu s e dw h e n b y h a n d w o r k m a n u f a c t u r i n g t h er e s u l t sa b o v es h o wt h a tt h en e wl o mm e t h o d sa r ee f f e c t i v e b o t ht h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l y k e y w o r d s ：l a m i n a t e do b j e c t e dm a n u f a c t u r i n g ， v a c u u md i f f u s i o nw e l d i n g t e c h n o l o g y , e x p e r i m e n tr e s e a r c h ， m e t a lf u n c t i o n a lp a r t ，m o d e l p a r t 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 人类社会已经进入2 1 世纪，传统的制造业也面临着新的挑战和机遇。一方 面，世界经济全球化，企业面临着来自全球市场的激烈竞争，必须快速刨造和把 握商机而求生存，产品的市场响应速度成为企业战略的第一要素。另一方面，消 费者需求只益个性化、多元化和主体化，消费者兴趣的短时效性显著，企业需要 的是以小批量甚至单件生产、高精度、多品种及产品几何形状复杂、不增加成本 的柔性生产模式，用以代替传统的大量生产模式。因此，快速灵活地响应市场需 求已是制造业发展的重要走向。与此同时，制造业作为国民经济重要支柱，其制 造技术水平的高低也体现和决定了一个国家的综合科技水平，必须不遗余力地开 发各种先进制造技术，提高制造工业的发展水平，增强国际市场竞争能力。以计 算机、微电子、激光、自动化、信息、新材料等为代表的各种高新技术的普及应 用，为各种新的制造技术和制造模式的层出不穷并不断发展奠定了坚实的基础。 快速原型制造技术( r a p i dp r o t o t y p i n g & m a n u f a c t u r i n g ，简称r p m ) ，正是 在这一背景下产生的，它综合了上述各种高新技术最新发展，被广泛用于制作产 品原型和模具，能自动、快速、精确地将设计思想转变成一定功能的产品原型或 直接制造零件，给制造业带来了加工方式上的根本上的变化，对缩短产品开发周 期、减少产品开发费用，提高企业竞争力有重要作用。 r p m 技术发展初期，大都采用树脂、a b s 、尼龙、纸、陶瓷粉末等材料制造 原型零件用于产品设计评估、功能实验及快速开发等。随着其应用领域逐渐地扩 大到汽车、机械工程等行业，上述材料已经不能满足功能原型或功能零件在机械、 力学等性能方面的要求，因此必须采用金属为造型材料制造可以直接投入使用的 最终用途零件，这也是当今r p m 技术的研究热点( t 3 , 5 , 7 1 。金属基陶瓷粉末、金 属复合材料粉末、金属板材、锡箔等都可以用来做造型材料，其中利用金属板材 作造型材料的分层实体制造( l o m ) 是一个实现金属功能零件快速制造的有效 方法，具有广阔的应用前景。本论文主要研究采用新l o m 方法保证造型精度， 用金属板材做造型材料，用扩散焊接做为连接方法的功能零件的快速制造。本文 的研究解决了保证造型精度的前提下，用金属板材快速制造金属零件的连接方法 上的问题。 1 2r p m 技术概述 1 1 1r p m 技术基本原理 快速原型制造( r a p i dp r o t o t y p i n g & m a n u f a c t u r i n g ，简称r p m ) ，起源于2 0 重庆大学硕士学位论文1 绪论 世纪8 0 年代后期的美国，并首先在美国商品化，随后快速发展到日本和西欧。 制造业制造各类零件的传统方法是先利用c a d 技术做出零件的三维图形，然后 对其进行数值分析( 有限元分析、模念分析、热分析等) ，再经过动态仿真后，通 过c a m 的一个后处理模块仿真加工过程，所有的要求均满足之后，形成n c 文 件在数控机床上加工成形。这种加工基于材料去除( m a t e r i a lr e m o v e ) 的概念，从 毛坯开始，不断去除多余材料，加工成成品。其加工周期长，且过程可逆操作性 小，因此易造成风险或浪费。与传统的材料去除制造方法的思维方式相反，r p m 技术采用材料累加的方法( m a t e r i a li n c r e a s e ，又称积分法、增材法) 制造零件， 如图1 1 ，由一层层的层片堆积制造成实体。其基本构思是：任何三维零件均可 看成是许多二维平面沿某一坐标方向叠加而成，因此，可以先将计算机产生的三 维实体c a d 模型处理成薄截面层，并根据各截面层的二维数据，采用粘结、溶 结、聚合作用或化学反应等手段将材料有选择地逐层添加堆积，从而快速形成三 维实体模型或零件。 堆积一型轮廓 图1 1r p m 材料累积制造原理 f i g 1 1 t h es t a c k s h a p i n gp r i n c i p l eo f r p m 图1 2 快速制造： 作流程 f i g 1 2 t h ef l o wc h a r to f r a p i dm a n u f a c t u r i n g r p m 的工作流程如下：首先，在c a d 系统中设计出的零件的三维实体模型 利用小三角形可代替平面的原理，将c a d 模型表面划分成许许多多的小- - ：0 f 髟 2 重庆大学硕士学位论文 i 绪论 用这些小三角形及其单位方向矢量来表示c a d 模型的外表面，称为s t l 转换。 然后，沿一定的方向以一定的厚度，象切面包一样用平面去截交s t l 模型，将 其切成一系列的薄截面层，这样得到每一薄层的二维数据，也即加工数据。接着， 将每层的二维数据输入快速制造系统或数控机床系统中，分别制造出每一薄层。 最后，采用堆积成型的方法将材料逐层累积起来，最终还原成三维的实体或零件。 如图1 2 所示。 1 1 2r p 技术的特点 r p m 突破了传统加工中的铸、锻、冲、注塑等工艺方法和冷加工中的切削 成形工艺方法，具有传统的生产方式无法比拟的优点： 制造过程无需刀具、模具，甚至无需工装夹具，材料利用率高。 突破了零件几何形状复杂程度的限制，成形迅速，制造出的零件或模型 是具有一定功能的三维实体。 越过了c a p p 过程，实现了c a d c a m 的无缝连接。 r p m 系统是办公室运做环境，它真正变成了图形工作站的外设。 1 1 3r p m 技术分类 r p 技术经过十多年的研究发展，推出了数十种l i p 加工方法和工艺，仅基 于分层制造的工艺就有3 0 种之多。目前，应用较成熟的有立体光刻成型( s l a ) 、 选择性激光烧结( s l s ) 、分层实体制造( l o m ) 、熔融沉积造型( f d m ) 、三维立体印 i i j ( 3 d p ) 、喷墨印刷成型( i j p ) 等。以下还将详细介绍这些技术的基本原理。 1 1 4r p 技术的应用 r p 应用范围很广泛，从航空航天、汽车到电脑、家电，从机械、化工、建 筑到通讯、医疗、艺术甚至玩具行业。其实际应用可以体现在如下几个方面： 产品的设计评价、功能实验和快速 对于产品研发中的外形设计( 美观度) 、设计质量的检验、功能检测、装配与 精度乃至手感等均可快速制造出原型予以验证，以取得准确的数据或客观的主观 评价，甚至可以直接制造出产品样件，抢先获取定单。原型还可直接用于功能实 验分析，如模拟应力分析等。 快速模具制造 利用金属粉末直接制成合金注塑模具，或先制得绿件，再经过烧结、渗铜等 处理制成金属注塑模具。 快速制造金属零件 与精密铸造结合，用烧失铸造、浇铸等方法制造金属零件，或用电场偏转控 制液态金属微滴直接成型生成金属零件 “】。还有利用激光束将金属粉末熔化沉积 成型，或用塑料与钢粉混合的多相材料喷射成型金属零件( 7 】al o m 中金属薄带 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 或陶瓷薄片的应用研究也不断取得进展。 快速反求工程 反求工程中引入r p m 技术，能使反求测量结果以最快的速度仿制出优化改 进设计的产品原型。与制模或精铸相结合可组成集成快速制造系统。另外，可与 c a d 的s t l 模型数据互相转换。 医学领域 r p 系统获取c t 等扫描数据，制作出人体局部内脏器官模型，并可用不同 颜色的材料显示病变情况，用于临床辅助诊断、确定手术方案或供教学使用。 方案展示、评估及工程投标等 如用在大型建筑工程、水利设施、市政建设规划等的投标阶段，可迅速将工 程方案模型化，使企业在竟标中处于有地位。另外还可以用于艺术、文物复制方 面。 1 3 本课题国内外研究现状与意义 1 3 1 国内外研究现状 自1 9 8 7 年3 ds y s t e m 公司推出其第一台商用r p 系统以来，r _ p m 得到异乎 寻常的发展。欧美各国政府都投入大量财力资助研究，建立了各种r p 企业及技 术服务中心，许多知名大学也纷纷建立r p 研究中心、协会，并每年举办各种 r p 国际会议，如美国d a y t o n 大学自1 9 9 1 年来每年举办i n t c o n f o nr p m ，美 国机械工程学会( s m e ) 也定期举办i n t c o n f o nr p m 。我国自1 9 9 2 年才在清华 大学正式开始r p 研究，目前已在西安、武汉、上海等地建立了研究中心，北京、 深圳、天津等地也建立了r p 企业。1 9 9 5 年在清华大学举办了第一次中国r p 学 术交流会，1 9 9 8 年在西安召开了全国性r p 学术会议，1 9 9 8 年和2 0 0 2 年分别在 清华大学举办了第一、二届r p m 国际会议。 目前，国内外r p 研究主要趋势有： 高精度r p 系统。 继续进行r p 工艺的改造和创新，不断提高成型精度，减少造型时间，并积 极探索r p 工艺和其他先进制造技术的集成，开发多功能高生产率低成本工艺简 化的r p 系统。 新型材料的制备研究。 以上所介绍的各种以树脂材料、纸、腊、粉末以及各种有机材料做造型材料 的r p m 技术研究和应用已经发展得十分成熟，还有一些技术采用金属或陶瓷粉 末、塑料、a b s 等。目前清华大学最新研究有水真接冰冻成型、组织工程材料 的成型等。前者由于水原料低廉、来源广、是绿色原料，国内外已经列为研究重 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 点，后者已经开发出能诱导新组织生长并可以在人体内适时降解的组织工程材料 6 1 。 高性能r p 软件开发。 绝大多数r p 系统所使用的分层切片算法都是基于s t l 文件进行的。这种近 似网格表达c a d 模型的数据文件存在着网格空隙导致的信息不全和s t l 文件过 大等弊端。有些文献推出了一些修改和转换处理软件，或利用s t e p 文件自动设 置和优化工艺参数、直接通过c a d 原始模型获取切片信息，以避免s t l 文件的 缺陷。 集成的快速制造与反求工程。 所谓反求就是对现有实物进行三维测量，利用测量数据求出三维c a d 模型。 在快速成型中引入反求工程，可形成包括设计、制造、检测的快速设计制造闭环 反馈系统，可以充分挖掘快速成型技术的潜能，拓宽快速成型技术的应用范围。 r p 产品大型化 产品大型化是一个必然需求。待解决的问题是，当零件过大时，r p 方法面 i 临着耗时过长、成型效率的问题。 直接制造金属零件 r p 研究另一个重要趋势就是深入到金属零件范围内，直接快速制造功能零 件，用与金属模具制造、直接制造金属零件等。如用金属基复合陶瓷粉末材料的 s l s ，用金属锡箔的l o m ，用热塑性树脂，用导电材料和金属陶瓷粉末混和物 的f d m 制造高强度的可导电的复合树脂模型等1 7 】。用金属板材做造型材料的研 究有通过l o m 方法用0 2 m r n 薄钢板快速制造金属零件 2 5 , 2 6 ；用o 5 r m n 的薄钢 板作造型材料进行分层快速制造汽车车体模具的尝试 2 5 , 2 6 】，但由于分层板太厚容 易造成造型精度下降，故用l m m 以上数量级钢板做造型材料的还未多见。现有 金属分层板的连接工艺有靠台金的熔化来实现分层板的连接、螺栓连接加电弧焊 工艺等，均未获得满意的效果。 1 3 2 课题研究的意义 以金属作为造型材料的金属功能零件的快速制造，采用的大都是金属粉末或 金属基陶瓷或复合材料，并采用s l s 烧结、f d m 等方法，其材料制备的多样性 也决定了应用的有限性，且成型强度不能金属相比。用板材做造型材料，其造型 精度又是个难控制的问题，因此板材厚度常在o 5 m m 以下。因此，本论文针对 金属功能零件的快速制造，在保证造型精度的前提下，研究和开发采用工程中易 得的金属型材做造型材料，以及相应的材料的结合方法，对于机械、汽车等行业 的快速模具制造或产品制造，无疑将会有巨大的创新性意义，并具有相很大的实 用价值。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 4 课题来源及研究内容 本课题来源于国家自然科学基金项目“复杂形面最终用途零件快速制造的关 键技术研究”( 5 9 8 7 5 0 8 8 ) 。 根据分工和实际需要，本文将重点研究以下问题： 真空热扩散焊接用于金属分层板结合的可行性； 真空热扩散焊接参数的选择； 新l o m 方法加热扩散焊接制作实际零件的可行性； 最终误差分析。 重庆大学硕士学位论文2 金属功能零件的新l o m 方法快速制造 2 金属功能零件的新l o m 方法快速制造 2 1 现有的r p 技术成型原理及材料 2 1 1 立体光刻成型( s l a - - s t e r e ol i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ) 光立体光刻成型以光敏树脂作为造型材料，成型系统一般由四个部分组成， 如图2 1 所示。光学部分包括紫外激光光源和扫描系统。树脂容器铺层系统部分 主要由可升降的工作平台、装液态树脂的容器和铺层装置组成。升降台由步进电 机控制。树脂容器用不锈钢材料制成，其尺寸大小决定了成型系统所能制造的最 大零件尺寸。铺层装置主要是使液态光敏树脂能迅速均匀地覆盖在己经固化层上 面，并保持每一片层厚度的一致性。c a d 数据处理及控制部分主要由“切片”计 算机的控制计算机及相应的软件组成。后处理部分提供很强的紫外光源使成型系 统制得的零件得以充分固化，已提高强度。 立体光刻成型造型第一步先搭支架。支架用作零件的“卡具”、悬空和“孤岛” 结构的支撑以及零件变形的制约。成型过程中，首先将升降台置于容器内光敏树 脂的液面下，升降台与液面的距离等于切片的厚度。计算机控制激光束沿x 及y 方向运动。有选择地局部固化第一层光敏树脂，被固化的树脂作为零件的最底层。 这时平台下降一个切片厚度，液态光敏树脂覆盖在己固化的片层上，激光束固化 地第二层并与第一层粘连在一起，如此重复赢到生成整个物体。 p h o t o p o l y m e r 圈2 1 立体光刻成型 f i 9 2 1 p r i n c i p l eo f s t e r e ol i t h o g r a p h y a p p a r a t u s 2 2 2 分层实体制造( l o m l a m i n a t e d o b j e c tm a n u f a c t u r i n g ) 分层实体制造以薄片( 如纸) 为原材料，其原理如图2 2 所示，机械部分主要 包括以薄片材料相连的放料卷和收料卷，一个可以垂直升降的平台和一个加热滚 子，平台用于叠放片层，加热滚子用于热压薄片材料，片层粘结薄片材料的背面 涂有热敏粘结剂。在片层添加成型过程中，每一新的片层是由薄片材料粘结到零 7 重庆大学硕士学位论文 2 金属功能零件的新l o m 方法快速制造 件块上形成的。激光束在这一新层上沿零件中对应于这一层的轮廓线切下一层厚 度，而零件层以外的部分被切成碎片，以便在加工完后去掉。 l o m 方法的优点是成型的零件无变形问题；由于是层状叠加，加工速度也 相当快；只需要零件的轮廓信息，计算机处理量大大减小：激光束是通过x ，y 位移来实现的，不需要用偏转镜来扫描，因此成型的零件可以很大。但是，因为 零件的一些表面上粘有碎片，对有内腔的零件会使得内腔中多余料的去除变的很 困难，片层原料的大部分成为废料，这些废料会增加制造费用。 图2 2 分层实体制造 f i g 2 2p r i n c i p l eo f l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g 2 2 3 选择性激光烧结( s l s s e l e c t e dl a s e rs i n t e r i n g ) 选择性激光烧结以塑料粉末、陶瓷粉末或金属基复合材料粉末为材料，成型 系统的结构如图2 3 ，一般是在一个封闭成型室中装有两个或三个活塞筒，一个 或两个用于供粉，另一个用于成型，成型过程开始，供粉活塞上移一定量，铺粉 滚筒将粉均匀地铺在加工平面上。激光束在计算机的控制下透过激光窗口以一定 的速度和能量密度扫描。激光束的开、关与成型的零件的第一层信息有关j 激光 束扫过之处。粉末烧结成一定厚度的片层。未扫过的地方仍然是松散的粉末，这 样零件的第一层就制造出来了。此时，成型活塞下移一定距离，这个距离与设计 零件的切片厚度一致，而供粉活塞上移一定量，铺粉滚筒再次将粉末铺平后，激 光束开始依照设计零件第二层的信息扫描，激光束扫过之后，所形成的第二个片 层同时也烧结在第一层上。如此反复，一个三维实体就制造出来了。 选择性激光烧结成型与光固化立体造型法成型不同，不需要先搭支架未烧 结的松散的粉末作了自然支架。这样少料省时，也降低了对设计人员的要求，对 含有：悬臂结构、中空结构和槽中套槽结构的零件制造很有效果。成型材料范围宽 是它的另一个特点，目前的材料已包括了塑料、蜡、陶瓷、金属粉末及它们的复 合材料。 重庆火学硕士学位论文 2 金属功能零件的新l o m 方法快速制造 s p r e a dp i s t o n p o w d e r s u p p l y p i s t o n 幽2 3 选择性激光烧结 f i g 2 3p r i n c i p l eo f s e l e c t e dl a s e r s i n t e r i n g 2 2 4 熔融沉积造型( f d m f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i r i 蓟 如图2 4 以丝状塑料或腊丝材料作原料，丝材经过x y z 移动加热头，熔化 后有选择地“写到”设定的位置，熔化的材料又快速固化，就这样逐线条逐层“写 出”零件。层的厚度受f d m 头原料出口与工作面的距离控制，线宽则由扫描速度 和材料出口流速决定。 对近乎水平的悬空平面，熔融沉积造型法需要搭零件支架，对体面比高的零 件，其成型时间会很长。这种方法的优点是无原材料的浪费问题，但其目前的原 材料价格很贵。 2 2 5 喷墨印刷成型f i j p i n k - j 吼p r i n t i n g ) 该技术采用塑料作为造型材料，用类似于喷墨打印机的压电晶体喷头，按照 n c 程序控制的路径高速喷射出熔融状的微滴，快速凝固后产生层面形状。完成 一层后，点滴喷射新的一层，凝固在上一层上，进而堆积成三维实体。这种技术 图2 4 熔融沉积造型 f i g 2 4p r i n c i p l eo f f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g 9 重庆大学硕士学位论文2 金属功能零件的新l o m 方法快速制造 一般有两个喷头，分别喷射成型材料和支撑材料。多喷嘴技术可以正成为i j p 的 发展方向，3 d s y s t e m 公司推出的系统有9 6 喷嘴，每个都可以独立控制，整个 喷头扫描宽度达到6 3 5 m ，使成型速度大大提高。该技术设备价格和运行费用低 廉，设备体积小。可作为办公设备，实现了快速成型制造的桌面化。 2 2 6 三维立体印刷( 3 d p t h r e e d i m e n s i o n a lp r i n t i n g ) 如图2 5 ，它的原料是粉末，其加工成型过程与激光烧结相似，只是在此过 程中激光器被粘接剂所代替。在粉末层表面有选择地施加粘接剂，将零件的片层 逐层粘接起来，制得零件。粘接剂喷涂采用了打印技术中的喷墨方法。喷头在不 接触粉末表面的情况下，有选择地将粘接剂喷到合适的表面上。 三维立体印刷成型机主要包括一个活塞筒，其精密位移是由计算机控制的， 由供粉装置和一个铺粉筒配合，在活塞表面上均匀铺上一层粉末，然后粘接剂有 选择地粘接薄层。这样逐层粘接，直到造出所设计的零件。零件成型后，通常要 放到控温炉中加热到进一步固化粘接剂，以增加零件强度，然后去掉多余的未被 粘接的粉末，就完成了成型过程。 图2 5 三维立体印刷 f i g 2 5 p r i n c i p l eo f t h r e ed i m e n s i o np r i n t 2 2 l o m 原理n x _ 误差及残留；n - r 量 r p m 的堆积制造原理决定了每个堆积层面实际上都有一定厚度，实际成型 曲面和设计曲面之间必然不能完全重合，存在着一定的台阶，称为台阶效应，如 图2 6 。但由于s l s 、s l a 、f d m 等技术所采用的造型材料是树脂、粉末等，每 层成型厚度容易控制到0 0 1 0 2 m m ，因此最终成型精度较高，无须后续的光整 加工程序。而l o m 由于其所使用的材料一般是纸、锡箔等，造型材料本身就有 较大的厚度，因此其台阶效应就比较明显。本文采用l m m 厚的钢板做分层板， 台阶效应就更加突出而不能忽视。我们称每一分层板与造型曲面之间的台阶的最 大距离为此层分层板的原理加工误差。要获得正确的曲面形状，必须通过后续的 1 0 重庆大学硕士学位论文2 金属功能零件的新l o m 方法快速制造 光整加工工序将此台阶去除，我们将其称为残留光整加工量( 简称残留加工量) ， 如图2 6 示。 与数控加工方法相比，尽管现有l o m 方法比三坐标数控加工效率高，且大 大简化了三维形面加工的复杂程度，但l o m 通常采用激光切割或数控加工方法， 沿分层平面与造型曲面的交线加工出每层分层板，因此分层板轮廓在分层方向存 在直线台阶，这样，留下了更多的残留材料。研究表明在相同的条件下l o m 的 加工精度比三坐标数控加工差，现有l o m 的最大残留加工量是数控加工方法的 6 5 倍，累积残留加工量是数控加工方法的1 6 8 倍之多弘。要提高l o m 方法的 加工精度，减小残留加工量，首先可以通过降低分层厚度来实现，厚度小，台阶 自然小，残留加工量少。现有商用化的l o m 一般达到o 0 5 0 1 m m 。另外，就要 开发更加有效的l o m 工艺新方法。显然，本文分层厚度已经确定为1r r l r n ，因此 必须探索第二条途径，采用新的加工方法。 s l i e es t h e o r e t i e a le r r o r 图2 6l o m 的台阶效应 f i g 2 6 t h es t e po f l o m 2 3 新l o m 方法及其精度 2 3 1 新l o m 方法的原理 传统的l o m 由于采用的造型材料为片层材料，采用激光或其他数控加工手 段，沿分层扳和造型盐面的封闭的相交曲线切割每层分层板的造型轮廓，这样刀 具与分层方向平行，切割出来的分层板是有一定厚度( 即材料厚度、的台阶状薄立 方体。新l o m 方法是一种新的l o m 分层板的切割方法，它改进了平面分层板 的切割加工工艺，将原来考虑沿封闭的截交曲线切割分层板，改变为既要考虑封 闭的截交曲线，又要考虑截交曲线处的曲面的法向方向，综合两方面的因素切割 平面分层板，即在造型曲面的z 向法截面内，沿分层板中点处造型曲面的切线切 割分层板弘，如图2 7 所示。从图中我们就可以明显看出，这样切割出的分层板 从原理上就去掉了很多多余材料，因此造型精度提高了很多。 重庆大学硕士学位论文 2 金属功能零件的新l o m 方法快速制造 t h e o r c t i c a le r r o r o f l o m 幽2 7 新l o m 方法与现有方法的对比 f i g 2 7 c o n t r a s tb e t w e e nl o m p r o c e s sa n dn e w l o m p r o c e s s 2 3 2 新l o m 方法的原理加工误差和残余加工量 新l o m 方法原理加工误差比现有l o m 方法大大减小，为了量化地加以比 较，课题的先期工作中，以曲率半径r = 1 0 0 m m ，分层厚度t 分别为l m m 、o 0 5 m m 、 0 1 m m 、0 2 m m 半球曲面的制造为例，对比研究了两种l o m 方法的原理加工误 差和相应的残余加工量，结果发现：新l o m 方法的最大原理加工误差为 0 1 2 5 m m ，仅仅是三坐标数控加工的5 2 1 ，是现有l o m 方法的1 2 6 【2 叫】。新 l o m 的最大残余加工量为2 6 m m 3 ，比三坐标数控加工减小0 8 倍，比现有l o m 减小i l 倍 2 6 , 2 8 。研究表明，新l o m 方法比现有l o m 方法和三坐标数控加工具 有更小的原理加工误差和更少的残余加工量。分层厚度e 1 时，其加工误差和残 留加工量仍然接近或优于分层厚度t = 0 0 5 - - 0 1 l l h t l 的现有商用方法，比0 2 m m 、 0 5 m m 薄钢板做造型材料时的l o m 方法的相应的指标好。 2 4 基于新l o m 的金属功能零件快速制造 显而易见，以上介绍的各种r p 技术，所使用的造型材料十分有限，无非是 塑料、树脂、尼龙、蜡、陶瓷、纸等，造型材料的机械性能差，在强度、刚度、 韧性、耐磨性等不能满足工程需要，而且有些材料价格昂贵，还有的甚至有毒。 因此，在研究新的实用性材料的同时，还应重点研究直接用金属做材料的r p 技 术。 利用r p 技术快速制造金属零件，有两种途径。一是采用的r l o 技术与铸造 技术相结合制造金属零件，另一种是通过直接采用金属材料作为造型材料的r p 技术制造金属零件。前者一般是采用s l a 、s l s 、l o m 、f d m 等方法，制造出 原型模，然后通过熔模等铸造方法浇铸成金属零件。比如，s l a 、s l s 、f d m 原 1 2 重庆大学硕士学位论文2 金属功能零件的新l o m 方法快速制造 型模上直接涂挂耐火浆料，待耐火浆料固化后，再焙烧除去原型模，剩下铸造用 型壳供铸件浇注。或以s l a 、s l s 、f d m 原型模进行真空干砂造型，金属液被 浇入砂型内后，烧去原型模并形成金属铸件。l o m 原型模可制成零件的凹模， 再经硅胶模过渡转换制得石膏型或陶瓷型，由石膏型或陶瓷型浇注金属零件。或 l o m 原型制成零件原形代替木模使用，直接制造石膏型或陶瓷型。 对于后者，上述现有的几种r p 技术，基本都可以采用金属材料。s l s 采用 金属粉末，一般是外包覆粘结剂的金属粉末，借助粘结剂通过激光烧结使实体成 型。这样成型的实体密度不高，称为绿件，还需进行后续热处理，去除粘结剂并 进行渗铜或渗低熔点合金处理，以得到高密度件，表面抛光打磨处理后就可作为 模具使用1 8 , 4 。f d m 方法，可使用混有粘结剂的金属粉末挤压成的一定直径的具 有足够抗挠强度和粘着度的细丝，已有的成型成功的有不锈钢、钨及碳化钨等金 属。采用s l a 方法，直接用几种不同的金属粉末烧结成型，各种金属的收缩量 不同，可以相互补偿体积变化。3 d p 也可采用金属粉末。 本文研究直接采用金属材料做造型材料的l o m 方法制造金属零件。l o m 采 用薄片材料作为造型材料，因此可以直接采用金属薄板材料做造型材料，以l o m 方法制造金属零件。显然，金属板越薄，造型精度越高，但是，薄的金属扳在加 工制造和连接方法上又存在难以克服的问题，比如拟采用两面涂覆低熔点合金的 o 2 m m 钢板，通过合金的熔化达到连接目的，这无疑增加了制造难度，实际工程 中不易采用。 本论文以提高分层板厚度，直接采用薄板材料做造型材料为目标，基于新 l o m 的方法的减小原理误差的原理，在造型曲面的z 向法截面内，沿分层板中 点处造型曲面的切线切割分层板，并采用以下还要详细介绍的扩散焊接的方法连 接分层板，快速制造金属零件。可以看出，在分层板的加工上采取了新l o m 方 法后，大大降低了残留加工量，提高了造型精度。采用l m m 厚金属薄板做造型 材料，为快速制造能够直接投入使用的最终用途零件提供新方法。 重庆大学硕士学位论文3 金履分层板的结合方法研究及实验 3 金属分层板的结合方法研究及实验 3 1 概述 因为金属薄板一般都很薄，很容易变形，精度不好控制，连接工艺难度大， 因此金属分层板的连接需要注意的问题很多，比如变形控制、连接方法的选择等。 目前国内外金属功能零件l o m 的研究中，分层板的结合技术主要有非金属粘接 剂粘接结合、金属陶瓷复合材料的粘接烧结结合、机械连接、低熔点合金连接 等，所连接的分层板厚度从o 0 2 一- 0 5 m m 不等。但由于本文所研究的实际金属功 能零件用1 m m 厚的薄板材料，这些技术就有一定的应用局限性。因此，需要寻 求一种更适合于金属薄片材料的连接方法。本文在查阅多种资料。分析比较之后， 选用真空热扩散焊接作为金属分层板结合方法，并通过薄板的真空扩散焊接实验 来研究薄板材料的焊接效果，由于研究焊接接头的需要，又做了接头强度剪切实 验，由这一系列实验来考查焊接方法的可行性。 3 2 真空热扩散焊接 3 2 1 热扩散焊接原理及特点 真空固态压力( 下称扩散焊) 是适应原子能、航空、航天及电子工业等尖端 技术的需要而迅速发展起来的一种特种焊接技术，是一种固态连接方法。它是在 真空、较高温度和压力并保温一定时间条件下，两个被焊金属零件的接触部分产 生微量塑性变形，发生聚结和原子间相互扩散、再结晶而达到连接的目的。接头 的形成是由于连接件接触面间的原子通过固态的，甚至液态的( 有熔化的中间夹 层时) 物质相互扩散，利用加的挤压力，相互接近到原子间力的作用范围内，达 到一种原子级结合。因此，焊后可得到具有真空密封、热稳定、高机械强度的焊 接件。目前，扩散焊不但在上述各领域内得到了广泛的应用，而且已经逐渐推广 于一般机械制造工业部门。 扩散焊有如下特点： 焊接不需填料，连接处的金属不熔化，焊接区及焊件表面不会被氧化。 焊接接头质量稳定，其形成的氧化膜层覆盖能使焊件材料内部的气孔， 微裂纹等缺陷愈合，不会改变母材原有的物理、化学性能和强度，在很大程度上 还能够提高母材性能。 扩散焊接不会引起零件的宏观翘曲变形、熔化或零件的相对位移，焊接、 热处理同时完成，不带内应力，能保持高精度几何形状和尺寸。 扩散焊接可以连接多种金属组合，可焊接其他焊接方法无法焊接的材料。 1 4 重庆大学硕士学位论文3 金属分层板的结合方法研究及实验 焊接过程无公害。焊接参数容易控制，焊接过程可实现自动化。 利用扩散焊接能对全部新领域内的各种形状的接头进行焊接。而且焊接 接头质量好。因为这种情况下不存在焊接的可达性问题，不仅能在全封闭中空工 件或深凹处进行焊接，甚至当一个焊件在另一个焊件内时，也能加工出接头来。 如果设计者能利用这种方法的独特性能，就有很多机会在钢材和其他材料加工复 杂的空心和多层的接头中得到应用。 扩散焊接的这些优点是熔焊、钎焊等工艺不可相比的，尤其是对于片层材料 的焊接而言，普通焊接方法容易造成片层过热，出现应力不均匀而导致变形，甚 至因焊接时的高温而将片材熔化而出现孔洞。而扩散焊就可以完全避免这类问 题，片材在焊接过程中，各层因相接触的表面受力分布均匀，因此接触面上受加 热均匀，所加压力也能在片层均匀分布，焊接后零件内部结构均匀一体。 3 2 2 扩散机理简介 为了从原子理论上对热扩散焊接加以了解，有必要对其接头的形成加以介 绍，并可以对于以下实验中接头强度的测量及分析，加以理解和解释。有关焊接 接头的形成有很多学说，这些学说所论证的接头形成过程及其机理都具有不同程 度的可信性。 薄膜学说：所有的金属与合金，只要两个清洁的表面相互接近到原子间 力的作用半径之内，就具有粘合能力，用表面出现薄膜的理由解释不同金属有 不同可焊性问题。妨碍金属和合金连接的氧化膜可能是硬的、脆性的、也可能是 韧性的、塑性的前者会在金属冷、塑性变形时破碎，露出清洁的金属。后者变形 时随金属漫流，就可能妨碍接头的形成 3 0 , 3 1 。 再结晶学