（机械设计及理论专业论文）基于rp的快速模具制造技术研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 基于r p 的快速模具制造技术研究 摘要 不断加剧的市场竞争，要求企业能快速响应市场和用户的需求变 化，从而促使工业生产越来越向多品种、小批量、高质量、低成本的 方向发展。为了加强产品在市场上的竞争力，客观上要求对作为制造 各种产品的关键工艺装备一一模具的开发周期和制造成本进行控制。 基于快速原型的快速制模技术具有制模周期短、成本低、精度与寿命 又能满足生产使用要求的特点，对于中小型模具的制造，具有比较显 著的综合经济效益。 快速成型技术( r a p i dp r o t o t y p i n g ，简称r p ) 是2 0 世纪8 0 年代 末期迅速发展起来的- - 9 中先进制造技术。它将计算机上可见的设计图 形，迅速、准确地变成产品原型或直接制造零件，因此对缩短产品开 发的周期、减少开发费用、提高市场竞争能力都具有重要的现实意义。 快速制模( r a p i dt o o l i n g ，简称r t ) 技术，就是将传统的制模方法( 如 数控加工、铸造、金属喷涂等) 与快速成型制造技术相结合，使得模 具制造周期短、成本低、综合经济效益好，在模具的精度和寿命方面 能满足生产使用要求的模具制造技术，它已成为现代模具制造的强有 力手段。换言之，快速模具制造工艺的特点在于快速成型技术与传统 制模技术相结合，互相补充，使模具的设计和制造周期缩短。从模具 的概念设计到出模，快速制模一般是传统模具加工方法所需时间的1 3 左右，对复杂的零部件还可以更为节省时间。 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 本文选定p r o e n g i n e e r 软件为三维造型软件，当确定了要用于实验 的零件后，用p r o e n g i n e e r 软件做出其三维模型，再用p r o e n g i n e e r 软 件做出零件的模具。把各自模具文件转化为s t l 文件，再导入三维打 印机中，打印出模具的原型件，烘干处理后浇铸7 0 0 。c 左右的铝合金溶 液，做出铸件。 本文针对目前成形材料石膏粉昂贵的问题，研制出价格相对便宜 的成形材料，并且通过实验证明使用这种成形材料能够成形出原型件， 并且快速成形出的模具零件可以浇注7 0 0 。c 左右的铝合金溶液，浇铸出 产品。这种成形材料的成本大约降低5 0 左右，对于降低教学试验和公 司企业在产品开发阶段上的成本具有很大的帮助作用，同时缩短了产 品的制造周期，加快了企业对市场和用户需求的响应速度。 本次实验中，选定铸件为三通管、弯管、手轮和齿轮。论文中对 使用三通管进行验证所配材料的性能，最后确定出价格便宜同时使用 这种材料打印出的模具能够浇铸7 0 0 。c 左右的铝合金溶液的成形材料； 使用配制好的成形材料按照快速模具的制作流程，成功地浇铸出弯管、 手轮和齿轮等铸件。 关键词快速成型，快速模具，成形材料，石膏粉，氧化铝粉 r a p i dt o o l i n gm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y r e s e a r c hb a s e d0 nr pt e c h n o l o g y a b s t r a c t w i t ht h e i n c r e a s i n g m a r k e t c o m p e t i t i o n ，r a p i dr e s p o n s i b i l i t y t o m a r k e ta n ds a t i s f a c t i o nt oc o n s u m e ra r en e e d e di nc o r p o r a t i o n ，a n dm a k e s i n d u s t r yp r o d u c t i o nt u r nt om u l t i - v a r i e t y ，s m a l l b a t c h ，h i g hq u a l i t ya n d l o w c o s t d e v e l o p m e n tm o d e f o rm o r ec o m p e t i t i o no fp r o d u c t si nt h e m a r k e t ，k e yt e c h n i c sf u m i s h m e n t d e v e l o p m e n tc y c l ea n dm a n u f a c t u r i n g c o s tw h i c hm a n u f a c t u r ee v e r yp r o d u c tn e e dt ob ec o n t r o l l e di m p e r s o n a l l y r a p i dt o o l i n gm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yb a s e do nr a p i dp r o t o t y p i n gh a s f e a t u r e so fs h o r tm a n u f a c t u r i n gc y c l ea n dl o wc o s t ，g o o dp r e c i s i o na n d l o n gl i f ea sw e l l ，w h i c hh a so b v i o u se c o n o m yb e n e f i t si nt h em e d i u ma n d s m a l lt o o l i n gm a n u f a c t u r i n g r a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yi sd e v e l o p e dr a p i d l yi n8 0 2 0 t hc e n t u r y a so n eo fa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y r pt e c h n o l o g yc a nm a k et h e d e s i g no fc o m p u t e rg r a p h i c sq u i c k l ya n da c c u r a t e l yi n t op r o t o t y p eo r p r o d u c t i o np a r t sd i r e c t l y , s oi th a sb e e nt h ec o g e n tm e a n st os h o r t e n i i i 奎堕里三盔兰堡主堑壅生兰堡垒茎 p r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e s ，r e d u c ed e v e l o p m e n tc o s t s ，i m p r o v e t h e i r c o m p e t i t i v e n e s so nt h em a r k e ta n di so fg r e a tr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c e r a p i d t o o l i n gt e c h n i q u e st h a tc o m b i n e st h et r a d i t i o n a lt o o l i n gm e t h o d s ( s u c ha s d i g i t a lp r o c e s s i n g ，c a s t i n g ，m e t a ls p r a y i n g ，e t c ) w i t hr a p i dp r o t o t y p i n g t e c h n o l o g y t oe n a b l ea d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gc y c l es h o r t ，l o w 。c o s t ， n t e g r a t e d e c o n o m i cw e l li n t o o l i n gp r e c i s i o n a n dl o n g e v i t yt om e e t p r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t s u s i n gt h ea d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ， w h i c hh a sb e c o m eam o d e m p o w e r f u li n s t r u m e n ti nm a n u f a c t u r i n gt 0 0 1 i n o t h e rw o r d s ，r a p i dt o o l i n gm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e st ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f r a p i dp r o t o t y p i n ga n dt r a d i t i o n a lt o o l i n gt e c h n i q u e ss h a p e db yc o m b i n i n g c o m p l e m e n t a r yt ot h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fc o m p o n e n t st o s h o r t e n c y c l e f r o mt h ec o n c e p t u a l d e s i g no fr a p i dt o o l i n g t of i n i s h e dt o o l i n g ，r a p i d t o o l i n gt i m er e q u i r e dc o s ta b o u to n et h i r dt ot r a d i t i o n a lt o o l i n gp r o d u c t i o n f i r s t l y , t h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l l i n gs o f t w a r ep r o e n g i n e e rs o f t w a r e i ss e l e c t e da n dt h e n c a s t i n g s t ob eu s e di n t h e e x p e r i m e n t a r e i d e n t i f i e d u s i n gp r o e n g i n e e rs o f t w a r ed r a w sc a s t i n g s t h r e e 。d i m e n s i o n a l s c u l p t s a n dt h e nd e s i g nt h o s ec a s t i n g s m o u l dw i t ht h em o u l dd e s i g n m o d u l eo fp r o e n g i n e e rs o f t w a r e a n dt h e ng e tt h er e s p e c t i v em o u l df i l e s i n t os t lf o r m a t ，l a s t l y , m a k e st h o s es t lf i l e si n t ot h r e e d i m e n s i o n a l p r i n t e ra n dp r i n tt h o s em o u l d s p r o t o t y p e sa n da f t e rr o a s t i n gd i s p o s a lp o u r a l u m i n u ms o l u t i o na tt h et e m p e r a t u r eo f a b o u t7 0 0 。ct og e tc a s t i n g s t h i sp a p e ra i m i n ga tt h ee x p e n s i v ep l a s t e rp o w d e rm a t e r i a l s f o r i v 一 奎堕望三奎堂堡主堑窒生堂垡笙奎 p r o t o t y p i n gp r o t o t y p e sp u tf o r w a r d sd e v e l o p i n gc h e a p e rm a t e r i a l s ，w h i c h m a t e r i a lc o u l db eu s e dt op r i n tp r o t o t y p e sb yt e s to fe x p e r i m e n ta n dr a p i d t o o l s p r i n t e dw i t h t h i sm a t e r i a lc a n p o u ra l u m i n u ms o l u t i o n a tt h e t e m p e r a t u r eo fa b o u t7 0 0 。c t og e tf i n i s h e dc a s t i n gp r o d u c t s i nt h i se x p e r i m e n t ，t h r e e m o u t hp i p e ，s y p h o n ，h a n d w h e e la n d g e a ra r e i d e n t i f i e da st h i s e x p e r i m e n t a lc a s t i n gp a r t s i nt h ec h a p t e rt h r e eo ft h i s p a p e rt h r e e 。m o u t hp i p ei su s e dt ot e s t i f yt h ep e r f o r m a n c e so ft h ed e v e l o p e d m a t e r i a l ，a n dc o n f i r m e dt h ec h e a p e rm a t e r i a lw h i c hn o to n l yc a nb eu s e dt o p r i n tp r o t o t y p eb u ta l s ot h er a p i dt o o l su s i n gt h a tm a t e r i a lc a r lp o u rt h e a l u m i n u ms o l u t i o na tt h et e m p e r a t u r eo fa b o u t7 0 0 。c i nt h ec h a p t e rf o u r , u s i n gt h ed e v e l o p e dm a t e r i a lp r i n tr a p i dt o o l so fs y p h o na n dh a n d w h e e la n d g e a rt og e tt h e i rr e s p e c t i v ef i n i s h e dc a s t i n g k e yw o r d s ：r a p i d p r o t o t y p i n g ，r a p i dt o o l i n g ，f o r m i n gm a t e r i a l ，p l a s t e r p o w d e r ，a l u m i n ap o w d e r v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：凝逝蔓 日期： 论文作者签名：报趔蔓 日期： 知以j - 爿 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 日期：砷i 。f 盼 日期： 加( 、了，盏 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 选题依据 111 课题的提出 第一章绪论 产品的制造离不开模具，而模具的设计、制造是一个多环节、多反复的复杂过程。 传统的模具制造要用到车、铣、刨、钻、磨、电蚀等加工方法，才能得到所需的模具形 状和尺寸。要设计和制造出一副合格的模具，往往需要经过由设计、加工到试模的多 次反复，因此模具制作成本高、周期长，而且精度不易保证，有时甚至造成模具的报废。 当前，随着人类进入信息时代和全球化统一市场的形成，企业间的竞争愈来愈激烈，产 品更新的周期越来越短，对产品的质量要求也越来越高，传统模具生产已很难适应当前 的形势”1 。快速原型制造( r a p i d p r o t o t y p i n g ，简称r p ) 技术是2 0 世纪8 0 年代后期发展 起来的一种高新制造技术，它将现代计算机技术、激光加工技术及新材料技术集于一体， 其原理是根据对三维c a d 电子模型进行分层切片处理，得到一系列的二维截面轮郭，然 后用激光束或其它方法切割、固化或烧结某种状态材料，得到一层层的产品截面并逐步 叠加成三维实体。r p 技术摒弃了传统机械加工的材料“去除”加工法，而采用全新的材 料“增长”加工法，将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合。目前，这一新技 术在工业发达国家中已被应用于航空航天、汽车制造、医疗器械以及家电等行业中，其 中汽车制造业中应用所占的比例最大，约占2 5 左右。随着近年来r p 技术迅速发展，出 现了一个新领域一快速模具制造( r a p i d t o o l i n g ，简称r t ) 。r t 采用r p 技术直接或间接 制造模具，只需传统加工方法的1 0 3 0 i e 时和2 0 3 5 的成本，既大大提高了新产品 的研制速度，又节省了新产品试制和模具制造的费用，因此，该技术一问世便得到人们 的高度重视，成为企业提高竞争力的有力手段”。 模具是现代工业生产中使用极为广泛的主要工艺装备，在某些产品( 如塑料件) 的 批量化成形加工中，模具成形甚至是唯一的加工工艺。模具在成形工艺中对成形件尺寸、 形状精度和内在质量具有重要作用。 传统的机械加工方法制造的模具具有高投入、长工期、长寿命的特点，对于大、中 批量生产，模具的这种高投入可由其长寿命加以补偿。2 0 世纪8 0 年代以来，随着市场 竞争的日趋加剧，要求企业必须能快速响应市场和用户的需求，促使工业产品的生产模 1 奎堕望三查兰堡主堑壅生堂垡笙苎 式由传统的大、中批量向具有灵活、易变性和快速反应能力的中、小批量转变。在这种 条件下，传统的模具制造方法由于其自身固有的生产周期长、投入风险高、产品改进困 难等缺点，在一定程度上成为企业在市场竞争中发挥活力的制约因素。 针对传统的机械加工模具制造技术的上述缺点，近年来研究开发了适用于新产品、 样机试制和中、小批量规模生产的基于快速原型技术的快速模具技术。快速模具的基本 技术特征是非机械加工型腔复制，其关键技术之一是母模原型件的设计与制造。传统的 快速制模一般采用己有制件或机加工件作为母模，对于较复杂的和精度要求较高的快速 模具，传统的母模设计制造模式显得束手无策，己成为制约快速模具制造技术发展的瓶 颈。基于快速原型制造的快速模具技术集成快速原型制造高新技术和传统的非机械加工 型腔复制技术，发挥各自优势，巳成为产品快速更新换代和新产品开发及中、小批量生 产的有效手段之一。 随着计算机、激光、电子、新材料、新技术的发展，快速原型及快速制模技术如 虎添翼，应用范围不断扩大，类型不断增多。快速制模技术与传统的机械加工相比，具 有制模周期短、成本低、精度与寿命又能满足生产使用要求的特点，可以迅速响应市场 和用户需求的变化，加快产品投放市场的速度，对于形状比较复杂的中小型模具，具有 比较显著的综合经济效益。 在快速制模技术中，制造出尺寸精度比较高的快速原型是前提，但大部分快速成 型得到的原型因材质和成型工艺的限制，不能直接作为模具使用。只有解决好快速原型 向模具的转化，并且保证工艺转换过程中尺寸精度的保持，才能真正实现模具的快速经 济制造。 本文“基于快速原型的快速模具制造技术的研究”正是在这种背景下提出的。 1 2 国内外研究动态 快速成型技术是一种用材料逐层或逐点堆积出制件的制造方法。分层制造三维物体 的思想雏形，最早出现在制造技术并不发达的1 9 世纪。早在1 8 9 2 年，b l a n t h e r 主张用 分层方法制作三维地图模型。1 9 7 9 年东京大学的中川威雄教授，利用分层技术制造了金 属冲裁模、成型模和注塑模。光刻技术的发展对现代r p 技术的出现起到了催化作用”。 2 0 世纪7 0 年代末到8 0 年代初期，美国3 m 公司的a l a nj h e b e r t ( 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) ，在不同的地点各自独立的提出了r p 的概念，既利用连续层的选区固化 2 奎堕望三盔堂堡圭堑窒生兰垡笙塞 产生三维实体的新思想。c h a r l e sw h u l 在u v p 的继续支持下，完成了一个能自动建 造零件的称之为s t e r o l i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ( s l a ) 的完整系统s l a l ，1 9 8 6 年该系 统获得专利，这是r p 发展的一个里程碑。同年，c h a r l e sw h u l l 和u v p 的股东们一起 建立了3 ds y s t e m 公司，随后许多关于快速成型的概念和技术在3 ds y s t e m 公司中发展 成熟。与此同时，其它的成型原理及相应的成型机也相继开发成功。1 9 8 4 年m i c h a e l f e y g i f l 提出了s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ( s l s ) 的意思，稍后组建了d t m 公司，于1 9 9 2 年开发了基于s i 。s 的商业成形机( s i n t e r s t a t i o n ) 。s c o t t c r u m p 在1 9 8 8 年提出了基于 f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ( f d m ) 的思想，1 9 9 2 年开发了第一台商业机型3 d - - m o d e l e r 。 自从8 0 年代中期s i a 成型技术发展以来到9 0 年代后期，出现了几种不同的快速成型技 术，除前述几种外，典型的还有3 d p ，s d m ，s o c 等。但是，s l a ，l o m ，s l s ，f d m 和3 d p 五种技术，目前仍然是快速成型技术的主流”3 。 r p 技术在世界上正式出现并获得了迅猛的发展，表现出极强的生命力。美国在该技 术领域一直处于领先地位，日本和欧洲等工业发达国家都投入了大量资金进行研究与开 发。1 9 9 8 年在我国上海举行的第七届国际模具技术和设备展览会上，美国、日本、德国、 新加坡等国都展出了r p 设备。目前全世界己有2 0 0 0 多台r p 系统投入使用。据报道， 世界上快速制造服务中心发展很快，己由1 9 9 2 年刚开始出现时的4 2 家猛增到1 9 9 6 年 的2 8 4 家，现在又有新的增长。由于r t 显著的经济效益，近年来国外工业界对r t 的研 究投入了大量的人力和资金，迄今为止全球已有3 0 0 多家r t 服务机构，因而促进了这 一技术的快速发展和应用”。 在世界科技发达的国家，r p + r t 技术得到了迅猛发展，并取得了显著成果。日本的 中川威雄及其合作者采用等离子喷涂( 熔射) 技术，在r p 原型或过渡模型上，喷涂高温 合金材料形成金属型壳，移去母模后，在金属形壳背面进行金属补铸，形成硬背衬，经 处理制造获得模具。可以获得高熔点金属涂层，例如不锈钢涂层，这样制得的模具表面 硬度高、表面质量好、经济耐用、制作简单，使用寿命更是大大超过金属冷喷模具。 美国的i d a h o 国家工程与环境实验室( i d a h on a t i o n a le n g i n e e r i n ga n d e n v i r o n m e n t a ll a b o r a t o r y i n e e l ) 一种r s p ( r a p i ds o l i d i f i e a t i o np r o c e s s ) 快速 制模技术。它的原理是采用普通的工具合金( 如p 2 0 ，h 1 3 与d 2 工具钢或其它合金) 的粉 末，通过沉积技术在r p 原型的表面形成一层具有足够厚度的沉积层。在增压的作用下， 熔融金属液体进入喷头，在高速气体的带动下，金属微粒甚至可以以增原子的方式沉积 在表面上，这样便能够把r p 原型表面极细微的特征复制下来。表面光洁度可以达到3 m ， 每小时的沉积率为2 2 7 k g h r 。适用于此项工艺的材料不仅包括金属，而且包括陶瓷、聚 3 奎堕垄三奎堂堡主堑窒圭堂垡坠墨 合物等各类材料”1 。 q u jc kc a s t jn g 是美国3 ds y s t e m s 公司推出的一种工艺。它利用立体光刻( s l a ) 工 艺获得零件模具的半中空r p 原型，然后在原型的外表面挂浆，得到一定厚度和粒度的 陶瓷壳层，紧紧地包裹在原型的外面，再放入高温炉中烧掉s l a 半中空原型，得到中空 的陶瓷型壳，即可用于精密铸造。浇铸后得到的金属模具还要进行必要的机加工，使得 其表面质量和尺寸精度达到要求。该方法的优点是用s l a 原型代替原来精密铸造中的蜡 型，从而大大提高铸造原型的精度，并且大大加快制造速度。该公司还推出了一种粉末 冶金快速模具工艺，这种工艺称作3 dk e l t o o l 。它的制作过程为：首先用s l a 原型翻制 出硅胶模作为中间转换模，然后将混有树脂粘结剂的工具钢粉末灌注到中间模具中，待 材料凝固后取出得到模具生坯件，通过烧结去除粘结剂，得到内部疏松结构( 约3 0 孑l 隙 率) 的模具熟坯件，最后经过渗铜处理增加材料的致密度和机械强度，通过简单机加工 进一步保证模具的精度( 可达o 0 4 m m ) ，即得e e l t o o l 模具。 近年来，r p 技术在我国得到快速发展，许多高校、院所进行了积极的研究。例如我 国西安交通大学承担了国家“十五”攻关项目“基于快速成型的金属喷涂大型模具快 速制造集成系统”和国家8 6 3 计划项目“面向产品开发的快速模具制造集成技术及设 备”。主要任务是通过技术攻关，形成以快速原型技术和金属电弧喷涂技术为核心的模 具快速制造集成系统，并在企业内建立应用示范，已经取得成功。本成果在西安交通大 学、中国一拖集团模具厂建立了应用试验基地。已经为比亚迪汽车公司、长安汽车公司、 一拖集团等企业提供技术服务，同时通过一拖集团模具公司实现了成果转化，初步形成 产业化规模。一拖集团模具厂在成功应用本成果技术实现其新型收割机覆盖件冲压模具 制造基础上，正着手将本成果技术应用到其新型重型卡车驾驶室模具的开发中去，希望 以金属喷涂模具取代钢模具完成中小批量生产任务”。 我国在快速成型机的研制方面也取得很大的成绩，例如陕西恒通智能机器有限公司 自1 9 9 7 年开发并销售出国内首台光固化快速成型机l p s 6 0 0 以来，已经开发出气体、固 体激光快速成型机、紫外光快速成型机、真空注型机等7 种型号1 0 余个规格的快速成 型与模具制造设备以及9 种型号的配套光敏树脂。稳居国内快速成型领域领先地位。 1 3 论文研究的主要内容 本文针对美国z c o r p 公司生产的三维打印机z p r i n t e r 3 1 0 成形材料价格昂贵，快速 原型制件和快速模具成本高的问题，为了降低成形材料成本，拟寻求在特定粘结剂情况 4 奎垦堡三奎堂堡主堡塞生兰鱼堡墨 下，使用替代成形材料以满足快速原型制件和快速模具成形要求，并进一步用于浇铸 7 0 0 铝合金，成形出铸件。 本文选定四个零件，使用三维造型软件p r o e n g i n e e r 做出四个零件的模型，再利用 p r o e n g i n e e r 软件的模具设计模块做出这四个零件的模具图，模具文件格式转化为三维 打印机可识别的s t l 格式，打印出各自模具的快速原型件。烘干处理后，装配模具，浇 注7 0 0 铝合金，做出铸件产品。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章快速成型与快速模具制造技术概述 2 1 快速成型技术 快速成型制造( r a p i dp r o t o t y p i n ga n dm a n u f a c t u r i n g ，简称r p m ) 是2 0 世纪8 0 年 代末期迅速发展起来的一种先进制造技术。它将在计算机上可见的设计图形，迅速、准 确地变成产品原型或直接制造零件，因此对缩短产品开发的周期、减少开发费用、提高 市场竞争能力都具有重要的现实意义”1 。r p m 技术是将计算机技术、c a d 、机械工程、 数控技术、检测技术、激光技术和材料科学等集合为一体的高新技术，十几年来，该技 术在国内外得到了迅速的发展，并将成为2 1 世纪制造业的重要组成部分”1 。 2 1 1 快速成型技术的基本成型原理及特点 任何三维零件都可看成是许多二维平面沿某一坐标方向迭加而成，因此可利用分层 切片软件，将计算机产生的三维c a d 实体模型处理成一系列薄截面层，并根据备截面层 形成的二维数据，控制材料在工作台上一层一层地生成二维轮廓，用粘贴、烧结、聚合 作用或化学反应等手段，逐层地固化液体( 或粘结固体) 材料，从而快速堆积制作出所 要求形状的零部件( 或模型) 。1 。其基本原理与成形过程如图2 一l 所示。 传统的制造方法基于材料去除概念，先利用c a d 技术作出零件的三维图形，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。快速原型制造技术r p m 突破了传统加工中的金属成型( 如锻、冲、拉伸、铸、 注塑加工) 和切削成形的工艺方法，是一种“使材料生长而不是去除材料的制造过程”， 其制造过程的主要特点是： ( 1 ) 新的加工概念。r p m 采用材料累加的概念，让材料生长而非去除，因此，加工 过程无需刀具、模具和工装夹具，且材料利用率极高； ( 2 ) 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； 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 分解过程 计算机中 信息处理 组合过程 成型机中 堆积成型 图2 1 快速成型基本原理图 f i g2 - 1b a s i cp r i n c i p l eo fr a p i dp r o t o t y p i n g ( 3 ) 越过了c a p p ( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ) 过程，实现了c a d c a m 的无缝连接： ( 4 ) 高度柔性。若要生产不同形状的零件模型，只需改变c a d 模型，重新调整和设 臀参数即可。 ( 5 ) 制造费用低。其制造周期一般为传统的数控切削方法的1 3 1 2 ，而成本仅为 其l 5 1 3 ，模具的几何复杂程度愈高，这种效益愈显著“”1 。 21 2 快速成型技术的几种典型工艺 21 2 1 光固化立体造型技术s l a ( s t e r e o ii t h o g r a p h ya p p a r a t u s ) 光固化立体造型技术s l a 也称为光造型或立体光刻，s l a 技术是基于液态光敏树脂 的光聚合原理的。这种方法是最早出现、应用最为广泛的一种快速原型技术，它的工作 过程为：工作槽中盛满液态光敏树脂( 在一定波长的光的照射下发生固化) ，升降工作 台上附带有导轨和刮扳。当成形开始时，先在工作台上铺一层设定层厚的液态树脂，光 源在计算机的控制下按本截面轮廓要求，作横向和纵向扫描，使轮廓内的树脂固化。工 7 查堕望三盔堂堡主堑塞笙堂堡垒壅 作台下降，在上一层的基础上再铺上另一层树脂，导轨带动刮板运动刮平树脂，然后光 源再纵横向扫描固化树脂，新固化的一层就牢固地粘接在先前固化的一层上，如此重复 直到整个原型成形完毕。图2 2 为s l a 工作原理图。为降低成本，美国和日本研制采 用紫外光光源取代激光光源。如果将陶瓷粉或金属粉加入到液态树脂中，固化出原型， 高温烧掉树脂聚合物后，就可以得到陶瓷或金属制件，这也是目前前沿研究的内容之一 13 肇 图2 2s l a 原理工艺图 f i g2 - 2s l ap r i n c i p l et e c h n i c s 图2 3f d m 成型原理图 f i g2 - 3f d mm o l d i n gp r i n c i p l e 21 22 熔融沉积造型技术f d m ( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e i i n g ) 在计算机的控制下，加热喷头根据截面轮廓的信息，作平面运动和高度方向运动， 加热熔化的丝材( 如塑料丝、尼龙等) 就被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成 截面轮廓，一层完成后进行下一层的涂覆，循环得到三维产品。图2 3 为f d m 成型原 理图。按照它的成形机理，理论上任何可熔化的材料都可用。目前使用的是蜡、尼龙、 塑料等材料，人们现在在研究将金属和陶瓷等材料应用到这种方法中，用陶瓷或金属粉 末( 不锈钢、黄铜、铝、铁等) 分别加上聚合物粘接剂，成型后高温烧掉聚合物，就可 r 太原理工大学硕士研究生学位论文 以得到制件。为了提高速度和精度，在路径的生成方式、喷头在平面内的运动速度和材 料的进给速度等方面都有待于进一步研究”0 1 。 2 123 选择性激光烧结s l s “4 1 ( s e i e c t e dl a s e rs i n t e r i n g ) 激光束在计算机控制下，按照截面轮廓的信息，对轮廓实心部分所在的粉末( 塑料 粉或陶瓷粉或金属粉与粘接剂的混合粉) 进行烧结，一层完成以后，再烧结另一层，逐 步得到各层轮廓，最后得到三维产品，如图2 4 所示。s l s 法可以采用一般聚合物、 非晶态聚合物、金属、陶瓷等多种材料粉末。为了消除内应力，有些机器采用了双激光 束，一束高能量的用来烧结粉末材料，一束较发散的用来加热固化后的区域以减小热应 力。 粉 鹰 覆毓激光器 篱 图2 4s l s 快速成型原理图 f i g2 - 4s l sr a p i dp r o t o t y p i n gp r i n c i p l e 212 4 分层实体制造l o m ( l a m ih a t eo b j e c t e dm a n u f a c t u ri n g ) 这种工艺方法是根据产品三维模型各截面的轮廓，在计算机的控制下，激光逐层地 对涂胶的薄形材料进行扫描，将各层之间粘接起来，并对轮廓进行切割，最终得到产品， 如图2 5 所示。这种方法使用的材料目前商用的主要只有纸，其它的材料如塑料、陶 瓷、金属等目前正处于研究阶段“”。 襁 啦斛；f ， 图2 5 分层实体制造( l o m ) 快速成型系统原理图 f i 9 2 - 5l o mr a p i dp r o t o t y p i n gs y s t e mp r i n c i p l e 9 查堕望王奎堂堡圭堑壅生堂垡堡茎 21 2 5 气相沉积成型技术l v d ( l a s e rv a p o rd e p o s i t i o n ) 它是用高能量激光的热能或光能分解种活性气体。这种活性气体在激光的作用下 会发生分解，沉积出一种材料的薄层，从而进行逐层制造，通过改变活性气体的成分和 温度以及激光束的能量，可以沉积出不同材料的零件，包括成型陶瓷和金属零件”。 21 26 三维打印成型技术( 3 d p - t h r e ed i m e n s i 0 1 1p r i n t e r ) 三维打印成型技术简称3 d p ，称为3 d p 打印机，是目前世界上成型速度最快的快速 成型机，成型速度比其它的成型技术快5 1 0 倍，价位低，耗材便宜”“。 3 d p 技术是美国麻省理工学院发明并申请专利的，由z c o r p 公司进行商业化。该项 技术自1 9 9 4 年发明并逐步走向市场后在近几年内呈飞速发展趋势。这种成型工艺的原 理是将粉末由储粉桶送出一定份量，再以滚筒将送出的粉末在加工平台上铺上一层很薄 的原料，喷嘴依照3 d 电脑模型切片后获得的二维片层信息喷出粘结剂，粘结粉末，做 完一层，加工平台自动下降一点，储粉桶上升一点，刮刀由升高了的储粉桶把粉末推至 工作平台，并把粉末推平，再喷粘结剂，如此循环可得到所要的形状。图2 6 为3 d p 成型过程原理图5 ”。 罱 活塞下降 图2 63 d p 成型过程原理图 f i g2 - 63 d pm o u l d i n gp r o c e s sp r i n c i p l e 常用的立体打印材料是石膏粉、淀粉及氧化铝粉，也有其它材料可供选用，如弹性 塑料等。 z c o r p 公司三维打印机介绍如下： z c o r p o r a ti o n 的三维成型机可帮助提高设计过程的进度和效率并优化产品质量。 】0 太原理工大学硕士研究生学位论文 此造型机是一种配套的专业化实体造型解决方案，可制作彩色部件并以此与他人进行交 流。除此之外，此造型机还具有快捷、便利和操作简单等特点，使得以加速设计过程， 使产品先于竞争对手投放市场。 速度在产品的设计和生产过程中是最值得关注的要素。z c o r p 公司的三维造型机 般只需i 一2 个小时就可完成原型部件制作，因此有利于及时得到反馈并据此作出决策。 过程速度的提高使得在产品设计和销售方面取得更大的竞争优势。同时彩色成型系统可 为工程技术人员的设计过程提供一个更明朗的窗口。颜色可传达有关部件的重要信息， 包括工程数据、标签、突显文字和外观仿真等。这一功能为设计人员提供了在整个设计 过程中更有效地发挥其创造力和合作精神所需的数据。共有3 种三维打印机。 i ) z p r jn t e r 3 1 0 系统 z p r in t e r 3 1 0 系统可在几个小时之内直接从计算机数据创建实体模型。该系统作业 速度快、通用性强而且操作简单，允许工程师创建多种概念模型和功能测试部件，不仅 快捷而且成本低，图2 7 为3 1 0 系统。 图2 7z p r i n t e r3 10 系统 图2 8s p e c t r u mz 5 10 系统 f i g2 - 7 z p r i n t e r3 1 0s y s t e m f i 9 2 - 8s p e c t r u m z 5 1 0s y s t e m 2 ) s p e c t r u mz 5 1 0 系统 s p e c t r u mz 5 1 0 全彩色系统具有高清晰度、全彩色成型快捷和成本低的特点。超级 喷墨成型技术使用完美的功能、更佳的精确度以及逼真的色彩创建部件，使得设计人员 可以制作并评估已接近完成状态设计概念的实体模型。快捷的高清晰度三维成型模型接 近实际的样品。这种独特的2 4 位颜色、三维成型制作的彩色模型能精确地反映最初的 设计数据。彩色模型比其他类型的样品更有利于进行信息交流，使设计人员在产品开发 战略中抢占先机，如图2 8 所示为5 1 0 系统。 3 ) z 8 1 0 系统 z 8 1 0 系统是一种可为设计审核、造型仿真、密实度测试和铸造造型创建外观原型的 最快捷及最便宜的途径。系统大的作业能力使设计人员得以制作实际大小的概念模型， 11 奎堕墨三盔兰堡主堕壅竺堂垡笙茎 有利于更有效地与营销人员、生产人员、客户和供应商等进行交流。z 8 1 0 系统的颜色 功能可准确地体现设计理念以及f e a 和其他工程数据，有助于进一步加强交流。实体模 型可采用石膏或淀粉基材料制作，也可通过渗透处理以制作多属性材料部件，因此可满 足广泛的造型需要，图2 9 为8 1 0 系统。表2 1 列出了这三种三维打印机的性能指 标对比。 图2 9z 8 1 0 系统 f i g2 - 9z 8 1 0s y s t e m 表2 1 规格比较 t a b l e2 - 1s p e c i f i c a t i o nc o m p a r i s o n z p r i n t e r 3 1 0z p r i n t e r 5 1 0 成型z p r i n t e r 8 1 0 成型机 系统机 作业能力2 0 3x2 5 4x1 0 9 毫米2 5x3 5 6x 2 0 3 毫米 5 0x6 0 0 x4 0 0 毫米 层厚0 0 8 9 一