（机械工程专业论文）lom分层实体制造快速成型设备研究与设计.pdf

摘要 摘要一一一一一一 快速成型技术属于先进制造技术，它以c a d c a m 技术、数控技术、材料科学 等为基础，能够以较快的速度将计算机实体模型转化为具有一定结构功能的产品原 型，或直接制造出零件。在产品设计与开发中，利用快速成型技术，可以对所设计 产品或关键零件实现快速地评价、测试，从而能够缩短产品的开发周期，在一定程 度上降低开发成本。 分层实体制造技术是快速成型技术之一。本文重点对分层实体制造设备进行了 研究，并设计了相应的设备。所设计设备包括机械结构设计和控制系统设计两部分。 在机械结构设计中，根据分层实体制造技术的工作原理，通过方案比较，对设备各 主要部分进行了设计，包括升降装置、热压辊、送纸及激光扫描等部分的设计，并 利用u g 软件对各部分及整机进行了三维造型与运动模拟。控制系统设计包括电气 硬件设计和部分控制软件设计两部分。在电气硬件设计中，采用在工控机中插入p c i 运动控制器，由运动控制器控制伺服电机的方式来实现设备各动作的驱动，设计了 控制系统的硬件拓扑图和主要电路图。在控制软件设计中，重点介绍了如何调用控 制函数来形成截面轮廓激光扫描轨迹的下位机控制软件的关键技术。 本文研究成果以及所设计l o m 成型机具有一定的工程应用价值。 关键词：快速成型；分层实体制造；设计；u g ；造型 河北科技大学硕士学位论文 一一一一一一a b s t r a c t 一 r a p i dp r o t o 帅i n g ( r p ) t e c l l i l 0 1 0 9 yb e l o n g st 0a d v a l l c e dm a l l u f - a c n l r i n gt e c h n 0 1 0 阱 nb a s e do nc a d c a m ，n 啪e r i c a lc o n t r o l t e c l u l o l o g y 锄dm a t e r i a ls c i e n c ee t c n er p t e c l u l o l o g ) ，c a nc h a l l g e 也em o d e l m gm a d eb yc o n l p u t e rm op r o t o t y l ) e 、) l ，i 也s o m e 丘m c t i o n s ，o rm a l 【ep a rr a p i d l y d 嘶n gm ep r o d u c t sd e s i g i la n dd e v e l o p m e 咄b ym e a l l so f r pt e c l u l 0 1 0 鼢w ec a ne v a l u a t ea n dc h e c k o u tp r o d u c t s0 rk e yp a n sd e s i 盟e dr 印i d l y ，s o c a l ls h o r t e nd e v e l o p m e n tc y c l eo fp r o d u c t s ，a n dc a i la l s om n gd o ，i ld e v e l o p m e n tc o s tt 0 s o m ee x t e n d 。_ l 锄i i l a t c do b j e c tm 删f a c n l r i l l g ( l o 旧t e c l l l l o l o g yi so n eo ft l l er pt e c l u l o l o g i e s i nt h j sp a p e r ，l o mm a u c h i n ei s 咖d i e d 锄dd e s i g l l e d t w om a m p a n so f t 1 1 el o mm a c h i l l e i sd e s i g n e d ：m e c h l i c a lp a na i l dc o n 臼o ls y s t e m i nm em e c h a n i c a lp a r td e s i g n ，b 勰e d0 n 也ew o f i ( i n gp d n c i p a lo ft h el o m t e c h l l o l o g ya n ds c h e m ec o m p 撕s o n ，也em a i l lp o r t i o n s o f 廿1 em a c h j n ea r ed e s i g n e d ，i 1 1 c l u d i i l g1 i r i n gd e v i c e ，h o t p r e s sr o l l e r ，p 印e r 觚s f 打a n d l 嬲e rs c 锄咖gp o r t i o ne t c 1 1 l ed e s i g n c dp r o d u c t sa r cm o d e l e du s i l 培u gc o n 仃o ls y s t e m d e s i g ni i l c l u d e se l e c t r i ch a r d w a r ed e s i g na n dc o n t r o ls o f t w a r ed e s i g n i 芏le l e c t r i ck 瞰i w a r e d e s i g n ，b ym e a n so fi n s 钮c i n gp c im o v e m e n tc o n 缸o l l e r si n 如血l 赋a lp e r s o n a lc o m p u t e r a 1 1 dc o n t r o l l i n gt h es e r v o m o t o r sw i 也m q v e m e n tc o n l l l e r s ，也ed e s i 掣l e dm o v e m e n to f 也e m a c 魁- m ei sc a r r i e do 毗t h eh a r d w a r et o p o l o g yd i a 铲a ma n dm a i ne l e c 仃i cc i r “ta r ea l s o d e s i g n e d i i lc o n 打o ls o 矗w a r ed e s i g n ，m ek 叫t e c h n o l o g i e s0 ft 1 1 ec o n t r 0 1s o f h a r ef o r l o w e rc o m p u t e ra b o u th o wt oc a l lc o 劬lf u n c t i o n st of b mn l el a s e rs c 啪i n gp a mo ft 1 1 e s 0 1 i dc r o s ss e c t i o ni si n 缸o d u c e d t h es t u d yr e s u l t sp r e s e m e da n dm el o mm a c l l i n ed e s i g i l e di n 廿l ep 印e rh 嬲s o m e p r a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u e s k e yw o r d s ：i 己印i dp r o t o t y p i n g ；l 锄i n a t e do b je c tm a r n j f a c t i l r i n g ；d e s i g n ；u g ；m o d e l i l l g i i 第1 章绪论 一一 一第1 章一绪一论一一一 快速成型( r a p i dp r o t o 勺_ r p i n g ，r p ) 技术是集精密机械、材料科学、计算机辅助 设计、计算机数控加工等技术为一体的高新技术【1 2 1 。快速成型技术的基本原理是： ，对于实际存在的任何一个零件，都可以将它看成是由许多厚度很小而且平行的二维 平面沿这些平面的法线方向迭加而成。因此，对于用c a d 软件创建的某零件的三维 实体模型，可以先沿着某一方向按照一定的厚度将其分割成一系列的平面几何信息， 然后根据这些信息，通过熔结、化学反应或者是聚合作用等方式，逐层且有选择地 固化液体材料或粘结固体材料，通过堆积的方式快速制作出对应的模型或零件【3 】。可 以看出，利用快速成型技术，不需要通过传统的切削方法就能够制作出零件。 快速成型技术自2 0 世纪8 0 年代问世并得到应用以来，得到了迅速的发展。在 航天航空、机械、汽车、电器、建筑以及医学等行业中，已广泛利用该技术进行产 品概念设计的可视化、造型设计的评估、产品装配的检验以及快速模具制造等多个 方面。 1 ：l快速成型技术的形成及其典型方法。 。 2 0 世纪8 0 年代初，随着冷战时代结束，市场的环境发生了巨大变化。面对着变 化迅速但人们却很难预料的市场，长期存在大批量生产这样的生产模式对市场的响 应速度已显得越来越被动和迟缓。人们希望快速对市场给予响应，而且这种需求业 已成为制造业的重要发展走向之一。多年来，许多工业化国家投巨资致力于研发新 的制造技术，它们为提高制造业的整体水平而努力，以便能够在激烈的竞争中占有 一席之地。此外，计算机技术、微电子技术、信息处理技术、自动化技术、材料科 学以及企业管理技术等也在不断地发展。随着这些技术和产业的发展与进步，对产 品创意、研究开发、工艺设计、装备与装配、质量保证、生产管理以及企业经营都 带来了重大变革，形成了一批新的制造技术和制造模式。与此同时，在制造工程方 面也取得了巨大的进步。在这样的背景下，快速成型技术逐步形成，并得到了快速 的发展。这一新技术的出现，可在一定程度上缩短产品的设计与制造周期，降低产 品的开发成本。 根据快速成型技术所采用的原材料和工艺的不同，该技术分立体光固化造型 ( s t e r e o l i t h o g 印h y ，s l a ) 、分层实体制造( l a n l i n a t e d0 b j e c tm a l l u f i a c t u r i n g ，l o m ) 、 选择性激光烧结( s e l e c t e dl a s e rs i n t e 血g ，s l s ) 以及熔融沉积制造( f u s e dd e p o s i t i o n m o d e l i n g ，f d m ) 等几大类。 一 河北科技大学硕士学位论文 1 1 1 立体光固化造型( s l a ) 立体光固化造型是第一个投入商业应用的快速成型技术，其工作原理为晰1 ( 参 见图1 1 ) ：在液槽中盛满液态的光敏树脂，通过控制紫外激光束，使其按照由计算 机确定的轨迹，对液态树脂进行逐点扫描，使得被扫描过的区域固化，从而构成了 与计算机实体模型对应的某一薄的截面层，然后，利用升降机构使工作台下降一定 的高度，那么会在已固化层上覆盖新的一层液态树脂，再利用激光束进行第二层的 扫描与固化、而且新固化层还会与前一层牢固地粘结在一起，如此反复，直到制造 出整个模型为止。加工完毕后，将模型从液态树脂中取出，对其进行最终硬化处理， 然后再进行打光、喷漆、电镀等处理。 ， 。 。 图1 1s l a 技术工作原理图 。 f i g 1 1w b r k j n g 埘n c i p l ed i a 舭no f s l a t c c l l l l i q u o s l a 工艺的特点是精度较高、表面质量较好、而且原材料的利用率接近1 0 0 。 可用来制造形状复杂且外观特别精细的零件，还可以直接制造塑料件。s l a 工艺的 不足之处有：( 1 ) 原材料( 即液态树脂) 较为昂贵，因此成本较高，( 2 ) 在分层固 化过程中，位于液态树脂中的固化层会因漂浮而容易发生错位，所以必须设计对应 的支撑来与原型一起固化，因此前期处理工作量大，( 3 ) 在激光固化液态树脂这一 过程中，由于材料发生相变，所以会不可避免地使聚合物产生收缩，产生内应力， 因而引起制件的变形。 1 1 2 分层实体制造( l o m ) 分层实体制造的工作原理是( 参见图1 2 ) ：首先将涂有热熔胶的纸通过热压辊 的碾压作用与前一层纸粘结在一起，然后让激光束按照对c a d 模型分层处理后获得 的截面轮廓数据对当前层的纸进行截面轮廓扫描切割，切割出截面的对应轮廓，并 对当前层的非截面轮廓部分切割成网格状，然后使工作台下降，再将新的一层纸铺 在前一层的上面，再通过热压辊碾压，使当前层的纸与下面已切割的层粘接在起， 再次由激光束进行扫描切割。如此反复，直到切割出所有各层的轮廓。分层实体制 造中，不属于截面轮廓的纸片以网格状保留在原处，起着支撑和固化的作用m 】。 第1 章绪论 分层实体制造工艺的主要特点为：( 1 ) 成型速率较高。由于该工艺不需要激光 束扫描整个模型截面，只需切割出内外轮廓等，所以加工时间主要取决于零件的尺 寸及其复杂程度，( 2 ) 不需要进行支撑设计，所以前期处理的工作量小。分层实体 制造工艺的缺点是：( 1 ) 由于其工艺特点所致，因此制造出的原型在各方向的机械 性能有显著的不同，( 2 ) 完成加工后，还需要手工清除无用的碎块，较为费时费工， ( 3 ) 由于原材料的原因，所以应用范围受到一定的影响。 + 原材料 热压辊机构 冒臼营 铲激光束 新的一层 选择性激光烧结的工作原理是【4 ，】：根据用c a d 软件创建的实体模型，利用分 层软件对其进行处理获得对应的二维数据，然后驱动、控制激光束有选择地对工作 台上当前层的粉末进行烧结，加工出对应的薄层截面，然后，工作台下移一定的距 离，再铺新的一层粉末，激光束再次有选择地扫描烧结，烧结后不仅能够得到新的 一层，而且新层还会与前一层牢牢地烧结在一起，由此反复，逐层堆积，如图1 3 所示。完成全部烧结后，去除多余的粉末，即可获得原型制件。s l s 工艺可以采用 的成型材料有陶瓷、金属、a b s 塑料等粉末状材料，而且它以固体粉末材料作为自 然支撑，发展前景广阔。但是，采用s l s 工艺的制件精度取决于粉末颗粒尺寸，而 且成型速度取决于材料的吸收性能和热导率；为避免氧化，烧结过程需要在惰性气 体( 氮气) 中进行；此外，因为烧结过程接近熔融温度，为获得有效的烧结过程， 整个粉末层需要事先均匀预热到接近熔融温度，因此，必须将温度严格控制在所要 求的范围内。 河北科技大学硕士学位论文 图1 - 3s l s 技术工作原理图 。 ： f i g 1 3w o 喇n g 州n c i p l ed i a g 眦io f s l st c c h i l i q u c 1 1 4 熔融沉积制造( f d m ) 熔融沉积制造技术的工作原理是【1o ，1 1 】：首先将c a d 模型进行分层处理，并生成 控制喷嘴移动轨迹的二维几何信息。f d m 加热室将热熔性材料( a b s 、尼龙、蜡等 材料) 加热到临界半流动状态，在计算机的控制下，喷嘴头沿着所确定的二维几何 信息的运动轨迹挤出半流动的材料，沉积固化成精确- 的零件薄层。通过垂直升降系 统，可以实现层层堆积粘结，自下而上形成原型制件，如图1 q 所示； i - - 加热室 支撑材料喷嘴 支撑 图1 - 4f d m 技术工作原理图 f i g 1 - 4w o r l c i n gp r i n c i p l ed i a g r 姗o f f d mt e c h n i q u c 1 2 快速成型技术的发展 1 2 1国外快速成型技术的发展 从历史上看，国外很早就出现过“材料叠加”这样的制造设想，例如，在1 8 9 2 年，j e b l a n 协e r 在其美国授权专利( 群4 7 39 0 1 ) 中，提出了利用分层制造的方法 来构成地形图，该方法的原理是：将地形图的各轮廓线通过某些方法压印在一些蜡 4 第1 章绪论 片上，然后再按照轮廓线切割各蜡片，并将切割后的各蜡片粘结在一起，从而得到 对应的三维地形图。1 9 0 2 年，c a r l ob a e s e 在其美国授权专利( 7 7 45 4 9 ) 中，提出 了一种用光敏聚合物来制造塑料件的方法，这是现代第一种快速成型技术“立体光 固化造型”( s l a ) 的最初步的设想。1 9 4 0 年，p e r e r a 提出了在一些硬纸板上切割地 形图轮廓线，然后再将对应的纸板粘结在一起来形成三维地形图。2 0 世纪5 0 年代后， 曾出现了几百个快速成型技术方面的专利，其中p a u l l d h a 仕e o 在其1 9 7 6 年的美国 受权专利( 样3 9 3 2 9 2 3 ) 中明确提出，先利用轮廓跟踪器，将三维物体转换成许多的 二维轮廓薄片，然后利用激光切割这些薄片，再利用螺钉、销钉等将一系列的薄片 连接成三维物体，这些设想与现代快速成型技术，即“分层实体制造”( l o m ) 的原 理很相似l j 加心j 。 在这些专利中，虽然提出了类似于快速成型的各种基本原理，但却很不完善， 更没有实现各种快速成型工艺的机械设备以及商品化的原材料。从2 0 世纪7 0 年代 末到8 0 年代初期，先后有美国3 m 公司的越a i lj h e b e n ( 1 9 7 8 年) 、日本的小玉秀 男( 1 9 8 0 年) 、美国u v p 公司的c h a r l e sw h u l l ( 1 9 8 2 年) 和日本的丸谷洋二( 1 9 8 3 年) 等提出了快速成型( r p ) 这一概念，即通过对连续层中选择区域的固化来形成 三维实体这一新的制造思想。 2 0 世纪8 0 年起，快速成型技术有了质韵发展。c 1 1 a r l e swh u l l 在其1 9 8 6 年的美 国授权专利( j 5 45 7 53 3 0 ) 中，提出了一种用激光束来照射液态光敏树脂，实现分层 制作三维物体：随后，美国的3 ds y s t e m 公司根据该专利，于1 9 8 8 年试制出第一台 立体光固化造型快速成型机s l a 2 5 0 ，由此开创了快速成型技术发展的新纪元。 1 9 8 4 年，m i c h a e lf e y g i n 提出了分层实体制造( l o m ) 方法。m i c h a e lf e y g i n 于1 9 8 5 年组建了h e l i s y s 公司，并且基于l o m 成型原理，于1 9 9 0 年开发出了世界上第一台 商用l o m 设备叫，o m 1 0 1 5 0 。除h e l i s y s 公司外，日本的i 洫a 公司、瑞典的s p 锨 公司以及新加坡的k i n e r g y 精技私人有限公司等也一直从事l o m 工艺的研究与设备 的制造。1 9 8 6 年，在美国t e x 嬲大学就读的研究生c d e c k a u r d 提出了选择性激光烧 结( s l s ) 的思想，且c d e c k a r d 组建了d t m 公司，并根据s l s 成型原理，于1 9 9 2 年开发出了第一台商用s l s 设备s i n t e r s t a t i o n 。1 9 8 8 年，s c o t tu m m p 提出了熔 融沉积制造( f d m ) 的思想，并且根据f d m 成型原理，于1 9 9 2 年成功地开发出第 _ 台商用f d m 设备3 d m o d e l e r 。在世界范围内，从8 0 年代中期到9 0 年代后期， 先后出现了十几种不同类型的快速成型技术，但s l a 、s l s 、l o m 和f d m 这4 种 技术是快速成型技术的主流【1 4 l6 1 。 此外，国外众多学者还在技术、材料以及理论层面对快速成型技术进行了研究。 就快速成型技术的研究而言，国外有专门的专业刊物和学术会议。自1 9 9 1 年以来， 美国戴顿大学( u 1 1 i v e r s 埘o f d a y t o n ) 每年都要主办快速成型国际会议( i m c o n 0 n 5 河北科技大学硕士学位论文 r 印i dp r o t o 咖i n g ) ，这是在快速成型方面举办时间最早的国际学术会议。由美国s 协会的赡分会主办的快速成型与制造国际会议( i n t c o n o nr a p i dp r o t 0 蛳i n ga n d m a j l u f a c t 嘶n g ) 则侧重于快速成型在制造业中的应用，同时还要举办大规模的商业 展览。欧洲和日本也多次举办过快速成型与制造方面的年会。快速成型与制造技术 已经成为许多国际会议的热点主题。目前已创刊的快速成型方面的专业杂志有：美 国c a d c a m 杂志的每月新闻通讯r a p i dp r o t 0 嘲西n gr 印o r t s 、美国，a 协会的快 速成型季刊f 乙印i dp r o t o t y p i n g 、以及英国e m e r a l d 有限出版集团的快速成型期刊 r a p i dp r o t o t ) ，p i n gj o 啪a l 。这些会议以及学术期刊涉及快速成型领域的各个方面， 其中包括各种快速成型方法与工艺的介绍、各种新材料的开发、快速模具的制造、 快速成型设备的精度控制、数据处理及控制等软件的开发以及快速成型技术的新应 用等等。 1 2 2 国内快速成型技术的发展 - ：t 我国对快速成型技术的研究起始于1 9 9 1 年。从事该研究工作的主要高等院校有 西安交通大学、清华大学、华中科技大学、南京航空航天大学等，主要企业有北京 隆源公司等，它们在快速成型技术的理论研究、实际应用以及快速成型设备商品化 等方面做了许多工作，并取得显著成果，这些成果包括快速成型理论研究、各种处 一 理软件、不同工艺及型号的成型设备、新的控制技术、适应于不同工艺的成型材料 以及成形精度控制等各个方面f 7 1 。 以颜永年教授为学科带头人的清华大学研究团队最先引进了美国3 d 公司的 s l a 。2 5 0 设备与技术，并进行了快速成型技术的系列研究，开发出了具有多功能的 快速成型制造系统m r p m s 。m r p m s i i 系统是唯一能够在一台设备上实现 分层实体制造和熔融沉积成型两种快速成型工艺的系统，且拥有自主知识产权。此 外，颜教授领导的团队还先后开发出了基于f d m 工艺原理的快速成型系统以及基于 l o m 工艺原理的快速成型系统等设备，并且开展了大量的理论与应用研究，取得了 一大批成果。 以卢秉恒院士为学科带头人的西安交通大学研究团队先后开发出了基于立体印 刷法( s l a ) 的l p s 系统和c p s 系统，先后承担了多项国家重点研究课题。卢院士 的研究成果“快速成型制造若干关键技术及装备”荣获2 0 0 0 年度国家科技进步二等 奖。2 0 0 5 年，国家发展和改革委员会批复：西安交通大学为依托单位，与长安汽车 ( 集团) 有限责任公司、交大昆机科技股份有限公司等单位联合组建了快速制造技 术及装备国家工程研究中心。 华中科技大学快速制造中心于1 9 9 1 年开始研究快速成型技术的研究，并于1 9 9 4 年开发成功了薄材叠层快速成型系统样机- h r p i 。为加速高新技术向生产力的转 6 第1 章绪论 化，1 9 9 6 年，由华中科技大学、武汉市科委和深圳创新投资集团共同组建了武汉滨 湖机电技术产业有限公司。1 9 9 7 年底，公司向市场推出了商品化的激光快速成型系 统- h r p i i i ，并在此基础上相继推出了h r p 系列快速成型系统。此外，公司还研 制成功了基于粉末烧结方法的h r p s i 、h r p s i i i a 型商品化快速成型机。 南京航空航天大学、北京隆源公司分别开发了基于选择性激光烧结( s l s ) 方法 的凡心系统和a f s 系统，“并已推广应用。 r 。 目前，国内已有许多高校、科研院所开展了快速成型技术的研究，许多企业利 用r p 设备进行新产品的开发、快速模具制造、产品装配检验等各个方面。 1 3 快速成型技术的应用【1 7 2 们 ， 快速成型技术已经得到了业晃的普遍关注，并在许多行业得到了良好的应用， 如汽车、家用电器、轻工业产品、玩具、建筑模型、医疗器械和人造器官模型、军 事装备和航天器等。 1 3 1 新产品在研制开发期间的试验验证 利用计算机辅助设计技术进行新产品的设计时，虽然能够提高产品的设计效率i 但设计人员只能借助于计算机，利用软件模拟来评判产品，无法使设计者以及用户 直接评判设计的效果，也可能无法让工艺人员直接评判结构的合理性以及生产可行 性。例如，对于如图1 5 所示的形状复杂的产品，可能就存在这样的问题。 利用快速成型技术，可以较快地制造出样品的实物模型，能够供设计人员和用 户直接进行测量、模拟装配、进行功能实验和性能测试，因而能够快速、经济地验 证设计人员的设计思想以及产品结构的合理性、可制造性、可装配性和美观性，找 出设计的缺陷，并通过修改来完善产品的设计。很显然，采用这样的方法，能够缩 短新产品的设计周期，并且使设计结果更加符合用户的使用要求以及制造工艺要求， 使设计更为完善，同时也能有效避免由于盲目投产而造成的浪费。 7 河北科技大学硕士学位论文 图l 一5 运用l o m 系统制作的具有复杂形状的零件原型 f i g 1 5p r o t o 哆p ew 油c 响p l i c a t c ds h a p em a d eb yl o ms y s t c m 1 3 2 新产品投放市场前的调研与宣传 如果利用快速成型技术快速制造出产品的替代品，那么在将新产品投放市场之 前，就能够用替代品在潜在的用户群中进行调研与宣传，从而使企业能够及时了解 用户对产品的意见以及需求量，并以此来确定是否向市场投放新产品，为企业进行 有效决策提供依据。此外，如果决定向市场投放新产品，还能够根据调研结果确定 产品的生产规模和价格。 1 3 3 快速制模 快速成型技术的重要应用之一是快速制模。快速制模技术的研究方向目前主要 集中直接和间接快速制摸 2 2 之4 1 。 ( 1 ) 直接快速制模技术直接快速制摸技术有软模技术、准直接快速制模技术 和真直接快速制模技术3 种方法。 软模技术。软模技术是指通过快速成型技术制造出有一定机械性能的软模( 例 如，硅橡胶模) 。 准直接快速制模技术。对于准直接快速制模技术而言，当利用快速成型技术生 产模具时，需要后续做较多的工作，模具才能够实际应用。准直接快速制模技术的 主要过程是：首先，利用快速成型设备，将包覆有粘结剂的金属粉末( s l s 方法) 、 或金属悬浮液( s l a 方法) 、或者是带有金属粒子的塑料丝( f d m 方法) ，通过快速 成型设备成型为半成品，然后通过某些工艺去除粘结剂并浸渗金属液，使所制造的 模具较为密实。 真直接快速制模技术。真直接快速制模是指直接利用快速成型系统制造出密度 第1 章绪论 较高的模具部件。这种技术中，原材料金属粉末并不是采用塑料粘结剂，而是采用 熔点较低的金属粘结剂。在真直接快速制模技术中，通常采用的技术是s l s 技术。 ( 2 ) 间接快速制模技术间接快速制模技术所涉及的快速成型方法有s l a 、 l o m 、s l s 及f d m 等，主要有以下两种制模方法： 一种方法是先通过快速成型方式成型模型( 塑料模型或蜡模型等) ，然后利用相 ，应的铸造、金属喷涂或者是电极成型等方法制作出成型模具。 一 另一种方法是先通过快速成型技术制作出铸型( 砂型或壳型) ，然后通过铸造的 方式，将对应的砂型或壳型制作成模具。快速成型技术的最大应用领域之一是铸造 业。将精密铸造工艺与快速成型技术有机结合，形成了快速铸造技术。快速铸造技 术兼备了精密铸造与计算机数控加工的优点，能够有效减少产品的生产时间和费用 【2 5 1 。 1 - 3 4 直接生产小批量和形状复杂的零件 ，r 对于形状复杂或者是生产批量较小的零部件，如果材料是陶瓷、塑料、金属材 料，或者是它门的复合材料，则可以直接用s l s 方法实现快速成型。目前，人们正 在研究如何利用s l s 技术实现梯度材料等的快速成型。零件直接实现快速成型有着 一r非常重要的应用价值。由于快速成型技术是通过材料堆积的方式来实现将c a d 实体 模型转换成物理模型，因此在成型过程中不需要任何的专业工具，就能够将零件或 者是原形快速地制造出来。 ： 与传统制造技术相比，快速成型技术具有其独特的优势，所以快速成型技术具 有很大的发展潜力。 1 3 5 开展新材料研究 随着各行各业高新技术的迅猛发展，金属、陶瓷、塑料这样的单一材料通常不 再能够满足特殊的性能要求，对各种新材料的性能要求也越来越苛刻，因此诞生了 各种新型材料，如各种复合材料、智能材料以及功能梯度材料等。这些新型材料性 能明显优于单一材料，通常由两种或多种材料组成。因此，如何能够快速、经济地 研究各种新型材料所表现的特性，从而找出材料的最佳配方，是当前材料开发的研 究热点之一【2 6 1 。基于s l s 工艺的特点，利用s l s 技术能够分层制造出具有任意复杂 结构的金属、陶瓷、高分子材料的制件及其复合件，所以可以利用s l s 技术来研究 新型材料及其制件的各种特性。s l s 技术在研究新型材料方面极具潜力【2 7 2 8 1 。 1 4 快速成型技术的发展趋势【1 7 吨 ， 快速成型技术在其未来发展的方向主要包括以下几个方面【2 9 】： 0 河北科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 提高快速成型系统的工作速度、控制精度以及可靠性一方面，要不断优 化快速成型系统的结构，并且选用寿命长、性能价格比高的元器件，从而使系统的 操作更简洁，可靠性更高、工作速度更快。另一方面，要根据用户的不同要求，使 所开发的设备具有不同的档次和不同的设备。 例如：对于对制件的形状精度、尺寸精度和表面质量要求都很高、或者是有各 种特殊要求的用户，应为他们开发精度很高、性能很好1 j 勺快速成型设备。此外，还 应专门开发一些用于模拟制品可视化、设计检验，但对制件的形状精度、尺寸精度 和表面粗糙度要求并不是很高的概念机，以降低成本，扩大用户的范围。 ( 2 ) 开发用于快速成型的新能源在当前的主流成形技术中，l o m 技术、s l a 技术和s l s 技术均以激光作为能源。用于产生激光束的激光系统包括激光器、冷却 器、电源以及外光路等，它们的价格昂贵，而且传输效率较低，所以制件的成本直 接受激光系统的影响。因此，快速成型技术的重要研究方向之一是研究新的成形能 源。 ( 3 ) 研究开发快速成型新型成形材料从快速成型的工艺特点出发，结合各种 应用要求，研发新的成型材料，特别是研发复合材料，如非均质材料、纳米材料、 以及用其它方法难以制作的复合材料等。r _ ( 4 ) 扩大快速成型技术的应用范围快速成型技术的应用范围在不断地扩大。 通过对现有快速成型系统的不断改进，以及不断研发新的成型材料，可以使快速成 型技术较为经济地制造出直接可以使用的模具、工业产品和民用消费品，如制造用 于治疗疾病的人工器官等。 1 5 本课题主要研究内容及采用的研究方法 本课题是企业委托课题，将开展l o m 设备的研究与设计，主要内容包括：l o m 设备的机械结构设计和控制系统设计，控制系统设计包括硬件设计和控制软件关键 技术研究两部分。 在机械结构设计中，根据分层实体制造技术的工作原理，通过方案比较，确定 出既保证工作要求，且结构又相对简单的设计方案，并设计出整机，其中包括各主 要部分的详细结构设计、关键件的选型与相关计算等。设备的设计通过u n i g r 印h i c s ( u g ) 软件实现，使得设计结果不仅形象直观，同时还能模拟设备的运动情况，验 证设计的正确性。 一 在控制系统的硬件设计中，将确定出控制系统的驱动方式以及l o m 数控加工的 主要硬件结构，并设计出硬件拓扑图和主要电路图。在控制软件设计中，以控制系 统的下位机控制软件为重点，解决l o m 设备进行激光扫描时的扫描路径等方面的关 键技术。 ： 1 0 第2 章l o m 成型机机械结构设计 第2 章l o m 成型机机械结构设计一一 本章主要介绍l o m 成型机的机械部分的设计。 2 1 l o m 成型机成型流程剖析 ， 图1 2 介绍了l o m 成型机的工作原理。为设计l o m 成型机，需要进一步了 解l o m 成型机的成型流程。图2 1 所示为l o m 工艺的成型流程【7 ，3 0 1 。 创建c a d 模型 0 l 模型z 向离散( 分层) 上 层面信息处理 上 j 层面加工处理与粘结 1 l一 逐层堆积制造 上 。 后处理 图2 1l o m 工艺的成型流程 f i g 2 - ls h 印i n gp r o c e s so f l o mt c c h n i q u c 在如图2 1 所示中，c a d 模型的形成与一般的c a d 造型过程没有区别，其 作用是进行零件的三维几何造型。许多具有三维造型功能的软件，如p r o e 、 a u t o c a d 、u g 、c a t i a 等均可以完成这样的任务。利用这些软件对零件造型后， 还能够将零件的实体造型转化成易于对其进行分层处理的三角面片造型格式，即 s t l 格式( 见4 1 节) 。 模型z 向离散( 分层) 是一个切片的过程，它将s t l 文件格式的c a d 模型， 根据有利于零件堆积制造而优选的特殊方位，横截成一系列具有_ 定厚度的薄层， 得到每一切层的内外轮廓等几何信息。 层面信息处理就是根据经过分层处理后得到的层面几何信息，通过层面内外 轮廓识别及料区的特性判断等，生成成型机工作的数控代码，以便成型机的激光 头对每一层面进行精确加工。 一 层面粘接与加工处理就是将新的切割层与前一层进行粘接，并根据生成的数 河北科技大学硕士学位论文 控代码，对当前面进行加工，它包括对当前面进行截面轮廓切割以及网格切割。 逐层堆积是指当前层与前一层粘结且加工结束后，使零件下降一个层面，送 纸机构送上新的纸，成型机再重新加工新的一层，如此反复，直到加工完成。 后处理是对成型机加工完的制件进行必要的处理，如清理掉嵌在加工件中不 需要的废料等。 在图2 1 所示的成型流程中，创建c a d 模型、模型z 向离散以及层面信息处 理通过软件实现，后处理部分由人工实现。本章主要介绍实现层面加工处理和粘 结逐渐堆积制造的机械部分的设计。 2 2l o m 成型机机械系统总体设计 2 2 1 l o m 成型机主要设计参数 本课题设计的l o m 成型机的主要设计参数如下： 工作台尺寸：4 5 0 4 5 0i i u n 所加工原型最大尺寸：4 2 0 4 2 0 5 0 0n l i i l 最大切割速度：6 0 0 m 劬 层叠厚度：o 0 8 加2 5i n i n 电源要求：2 2 0v ，5 0h z ，1 0a 激光功率：5 0w 初定使用寿命：3 0o o o h 2 2 2l o m 成型机需要的主要装置 根据l o m 工艺，l o m 成型机需要的主要装置如下： ( 1 ) 工作台及其升降装置工作台用于放置切割加工后的模型，升降装置用 于实现工作台的上下运动，以便调整工作台的位置以及实现模型的按层堆积。 ( 2 ) 热压装置通过碾压作用，使加热了的压辊将新输入的纸( 新切割层) 与前一层纸( 已切割层) 粘合在一起。 ( 3 ) 激光扫描装置使得由激光发生器发出的激光束通过反射镜反射，让激 光束按照指定的轨迹运动，切割涂有热熔剂的纸，从而切割出相应的截面轮廓和 网格。 ( 4 ) 送纸装置当对当前层的纸完成了切割且工作台下降一定距离后，利用 一一送纸装置送入新的纸，以便进行新的切割。 ( 5 ) 其他装置为使l o m 成型机完成所需要的工作，还需要其他一些辅助 。 装置，如缓冲装置、平衡装置等。 1 2 第2 章l o m 成型机机械结构设计 2 2 3 l o m 成型机结构布局设计 根据l o m 成型工艺以及上述所需装置和设计参数，所设计的l o m 成型机的 主要结构布局如图2 2 所示。 图2 - 2 l o m 成型机结构布局 f i g 2 - 2 o v e r a l la 嘲l g e m e n to f l o m c q u i p m 肌t - 一 - - 下面介绍各主要部分的详细设计。 。 ， 2 3 升降装置及工作台部分的设计 ： 根据前面的介绍可知，升降装置用于带动工作台上下运动，以便使工作台按 要求的步距移动，或实现快速移动。 2 3 1 升降装置方案确定 2 3 1 1 方案确定 根据原型的最大加工尺寸计算可知，原型的最大质量约为6 0 埏。对于升降装 置以及工作台而言，除应满足工作台的动作以及成型机的相应功能要求外，还应 具有足够的刚性，有利于操作者的操作。 方案l ：双立柱式升降装置。 一 一 其工作示意图如图2 3 所示，即工作台由两根立式导向柱导向，通过电机驱 动滚珠丝杠来驱动工作台进行上下运动。可以看出，这种结构虽然能够满足工作 台的升降要求，但由于工作台的前面有一根导向柱，因此进行各种调整操作时不 是很方便，而且需要从侧面卸原型，所以这种方案不是很理想。 方案2 ：四立柱式升降装置。 ： 一 河北科技大学硕士学位论文 其示意图如图2 4 所示。可以看出，工作台由四根立式导向柱导向，这种结 构的优点是整体刚性好，但对制造和装配有较高的精度要求。此外，为了方便走 纸以及操作者的操作，各导向柱之间必须有较大的距离，使得整体结构较为庞大， 而且即便是这样，操作人员从工作台上卸原型或进行各种操作时的空间仍有限。 因此，这种方案也不是很理想。 工作台 正面 图2 3 双立柱式升降装置 f i g 2 - 3l i f t i n gd e v i c e 州t l ld u a lc o l u m 璐 图2 - 4 四立柱式升降装置 f 谵2 - 4l 逾i l i gd c “c ew i t l l4c o l u m 嘴 方案3 ：悬臂式升降装置 ， 所谓悬臂式升降装置，是指从侧面看i 工作台像二个悬臂，其示意图如图2 ：5 所示。可以看出，在这种方案中，。工作台以悬臂形式通过位于一侧的两个导向柱 导向。与前面的方案相比，虽然这种方案看上去整体刚性要差一些，但却非常有 利于操作者的操作，如装纸、卸原型以及进行各种调整等。由于工作台和所加工 原型的重量不是很大，因此在设计中通过采用合理的结构，并通过必要的校核验 算，就完全能够保证设备的刚性要求。 二图2 5 悬臂式升降装置? 一一 f i g 2 - 5 c a n t i l e v e rt y p el i f l i n gd c v i c c 通过以上分析比较，升降装置决定采用如图2 5 所示的悬臂式升降装置。 2 3 1 2 详细方案设计 对于如图2 5 所示的悬臂式升降装置，由于工作台是悬臂形式，因此要从结 构上保证其具有一定的刚性，即两根导向柱既要实现导向，使工作台垂直运动， 1 4 第2 章l o m 成型机机械结构设计 同时还应具有足够的刚度。综合各种因素，并考虑到加工精度的要求，本课题采 用如图2 6 所示的形式升降装置及工作台。 - _ 岛 i ii ii j ，。1 l 一 i1 1 l j 广 一 ii ii il l 邑 一 图2 - 6 升降装置及工作台 f i g 2 6l i f t i n gd c v i c c 锄d w o r k b c h 从图2 6 可以看出，工作台类似于l - 型结构，并有加强筋，以增加工作台刚 度。此外，工作台由铝合金材料制作，减轻重量。 用于导向的两根导向柱由如图2 7 所示的直线滚动导轨副实现，因为直线滚 动导轨( 简称直线导轨) 具有导向精度高、运动平稳、刚度高、结构工艺性好等 优点。 钢珠 一 图2 7 直线滚动导轨 f i g 2 - 7 l i n e a rr o l l i n gg u j d e 两根直线导轨安装在与成型机底座固连的支架上，以保证它的刚度。工作台 与直线导轨副的滑块相连接。为实现工作台的垂直运动，由伺服电机驱动滚珠丝 杠转动，再由安装在工作台上的滚珠螺母使工作台升降。通过采用一个平衡块( 配 1 s 河北科技大学硕士学位论文 重块) ，使工作台和原型的部分重量由平衡块来抵消，可以降低对电机功率的要 求。 2 3 2 主要设计计算 通过计算可知，原型零件的最大质量聊，= 6 0 蚝。工作台的质量估算为脚2 = 3 0 埏。 2 3 2 1直线导轨的选择与计算3 1 翊 直线导轨的选择、设计的主要流程如图2 8 所示【3 1 翊。 图2 8直线导轨的选择、设计的主要流程 f 培2 8 m a i nt e c h n o l o g i c a 】p r o c c s sf o rs e l e c t i n g 鲫dd e s i g n i n go fl i n c a rr o l l i i l gg u i d e s 根据设计要求，本设计选用日本n 丑( 直线导轨，初选直线导轨的型号为s s r 2 0 x w m ，该导轨副的主要参数如表2 1 所