（机械设计及理论专业论文）基于木粉的快速成型机理及实验装置研究.pdf

摘要 摘要 快速成型制造技术是制造业发展的一个重要方向，也是当前各大学、研究机构和企 业竞相开发的前沿制造技术。在这一领域美国一直处于领先地位，而欧洲国家、日本和 中国也取得了丰硕的成果。目前，快速成型技术成本相对较高，主要应用在一些大企 业，因此，研究的热点问题主要集中在降低成本、开发新型能源、新型材料和新的成型 工艺与方法上，以加快快速成型技术的推广。在这种形势下，研究出一种低成本实用型 的快速成型技术，来降低使用成本是本课题研究的目标。 本课题设计研发的快速成型技术，采用木粉与添加剂的混合粉末作为主要原材料， 与目前其它快速成型技术相比，成本更低，更环保，更易降解，采取适当的工艺使其具 有适当的强度，可以在某些场合替代现有的塑料和树脂模型，作为概念原型、功能测试 的原型、模具和功能零件使用。此外，由于其具有木材的某些特性，还能用在一些特定 的场合，满足一些特殊用户的需要，例如复杂造型的木雕工艺品，原来只能手工加工， 用此方法可以实现快速自动加工。 本文进行了混合粉末成型试验和相应成型机的机械设计。混合粉末成型试验部分以 混合粉末成型为核心，用试验的方法确定出混合粉末快速成型的工艺，给出了胶黏剂的 选择和配比；详细分析了混合粉末成型试验过程中遇到的问题，并在成型机设计中改 进；进行了混合粉末快速成型机的机械设计，进行了快速成型机的原理图、结构图、零 件图设计；阐述了快速成型机的设计过程、零件的选择等具体问题。 关键词木粉；快速成型；实验装置 a b s t r a c t t h et e c h n i q u eo fr a p i dp r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r ei sa ni m p o r t a n td e v e l o p i n gd i r e c t i o no f m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , a n di ti sa l s ot h ef r o n tm a n u f a c t u r et e c h n i q u er e s e a r c h e db yu n i v e r s i t y , d e v e l o p m e n tf a c i l i t ya n de n t e r p r i s e a m e r i c a ni si nl e a d i n gp o s i t i o ni nt h i sf i e l d , a n do t h e r c o u n t r ya l s oa c q u i r e ds u b s t a n t i a la c h i e v e m e n ts u c ha sj a p a n , c h i n aa n ds o m ec o u n t r yi n e u r o p e n o w a d a y s ，t h ec o s to fr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n i q u em a i n l yu s e db yb i ge n t e r p r i s e b e c a u s eo fh i g hc o s t , s ot h eh o tt o p i ci nr e s e a r c hm a i n l yc o n c e n t r a t e si nr e d u c i n gc o s t , d e v e l o p i n gn o we n e r g y , m a t e r i a la n dc r a f t ，s ot h a tc a ns p e e du pt h ep r o m o t i n gp r o c e s so fr a p i d p r o t o t y p i n gt e c h n i q u e u n d e rt h ec i r c u m s t a n c e ，t h ek e yp o i n ti nt h i sp f o j e c ti st of i n dal o w c o s ta n dp r a c t i c a lr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n i q u et or e d u c et h ep r o d u c t i o nc o s t t h er a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n i q u er e s e a r c h e db yt h i sp r o j e c th a sm u c hs u p e r i o r i t ys u c ha s l o w e rc o s t ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，d e g r a d a t i o ne a s i l yc o m p a r e dw i t ht h eo t h e rr a p i d p r o t o t y p i n gt e c h n i q u eb e c a u s et h et e c h n i q u eu s e sm i x t u r eo fw o o d e na n da d d i t i v ea si t sr a w m a t e r i a l t h er a p i dp m t o t y p i n gt e c h n i q u ea d o p t st h es u i t a b l ec r a f tm a d et h ep r o d u c t i o nh a s t h es u i t a b l ei n t e n s i t ya sc o n c e p tp r o t o t y p e ，f u n c t i o nt e s t p r o t o t y p e ，m o l da n df u n c t i o n c o m p o n e n t ss ot h a tc a ns u b s t i t u t i o nt h ee x i s t i n gp l a s t i ca n dr e s i nm o d e li ns o m ed e g r e e i n a d d i t i o n ，b e c a u s ei th a ss o m ec h a r a c t e r i s t i co fl u m b e r , i tc a nb eu s e di ns o m es p e c i f i cs i t u a t i o n a n dm e e ts o m es p e c i a lu s e r t sn e e d ，s u c ha st h ec o m p l e xm o d e l i n gw o o d c a r v i n gh a n d i c r a f t c o u l dr e a l i z ef a s ta u t o m a t i cp r o c e s s i n gb yt h i st e c h n i q u ew h i c ho n l yc a np r o c e s s i n gb yh a n di n t h ep a s t t h i sa r t i c l em a i n l yi n t r o d u c e dm i x t u r ee x p e r i m e n ta n dc o r r e s p o n d i n gm a c h i n ed e s i g n t h ep a r to fm i x t u r ep r o t o t y p i n ge x p e r i m e n tt a k e st h em i x t u r ep r o t o t y p i n ga st h ec o r e ，a n d d e s i g n e dt e c h n i c a lp r o c e s so fm i x t u r ep r o t o t y p i n gb ym e a n so fe x p e r i m e n t , a n dt h ep a r to f m a c h i n ed e s i g nt a k e st h es t r u c t u r a ld e s i g na st h ec o r e ；t h i sa r t i c l eh a sg i v e nt h ec o n c r e t e t e c h n i c a lp r o c e s so fr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n i q u eb a s e do nm i x t u r e ，d e s i g n e ds c h e m a t i c d i a g r a m ，s t r u c t u r ed r a w i n ga n dp a r td r a w i n go fr a p i dp r o t o t y p i n gm a c h i n e ，i n t r o d u c e dc o n c r e t e p r o c e s sa n dp l a no fm i x t u r ep r o t o t y p i n ge x p e r i m e n ti nd e t a i l ，a n ds o l v e ds o m eo t h e rq u e s t i o n s s u c ha sd e s i g n i n gp r o c e s sa n dc o n c r e t ep a r tc h o i c eo fr a p i dp r o t o t y p i n gm a c h i n e k e y w o r d sp o w d e ro f w o o d e n ；r a p i dp r o t o t y p i n g ；l a b o r a t o r ye q u i p m e n t 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。据我所知，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，也不包含为获得壅i 垦盐些盘堂或其他教育 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 献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：函 签字日期：加哆年扫月z 5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞些盐些盘堂有关保留、使用学位论文的规 定，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。本人授权壅i 垦盐些盘堂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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：i 岛名k 签字日期：了呻年b 月t i 日 学位论文作者毕业后去向： _ 作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： r 歹z 目 j y ， 萨引 、，歹 枷 名 期 签 日 师 字 导 签 1 绪论 1 绪论 快速成型技术( 1 吧r a p i dp r o t o t y p i n g ) 是一种新型的三维模型制造方法，不同于传统的 “去除”成型( 如车、削、刨、磨) 、“拼合”成型( 如焊接) 、或“受迫”成型( 如铸、 锻、粉末冶金) 等加工方法，它不需要传统机械加工设备，只需用三维c a d 系统建模，生 成产品的三维计算机图形，再进行分层处理，以逐层积累的建造方式在很短的时间内即可精 确的制造出极为复杂的工件。该项技术创立了产品开发的新模式，使设计师以前所未有的直 观方式体会设计的感觉，感性而迅速的验证和检查所设计的产品结构和外形，从而使设计工 作进入了一种全新的境界，改善了设计过程中的人机交流，缩短了产品开发的周期，加快了 产品更新换代的速度，降低了企业投资新产品的风险，加强了企业引导消费的力度，是一门 具有强大生命力的新技术l 垃习。 1 1 快速成型技术的支撑技术及分类 1 1 1 快速成型技术的支撑技术 快速成型技术是在2 0 世纪8 0 年代随着现代科学技术发展而产生的一种新的机械加工技 术，它集计算机、激光、精密传动和数控技术等现代手段，将计算机辅助设计和计算机辅助 制造有机结合1 4 j 。快速成型技术的支撑技术如图所示： 图1 - 1 快速成型技术的支撑技术 1 1 2 快速成型技术分类及快速原型材料 目前，快速成型制造方法通常指的是“积累”式的成型方法，这种成型方法可以按成型 原件使用的材料及其构建技术进行分类的，如图1 - 2 所示。 东北林业人学坝i ：学位论文 图1 - 2 快速成型技术分类示意图 快速成型材料是r f 技术发展的关键环节，它影响着原件的成型速度、成型精度、化学 性能，直接影响到原型的二次应用和用户对成型工艺设备的选择【1 0 l 。新成型工艺方法的出 现往往与新材料的应用密切相关，目前所应用的成型材料的种类已比较丰富( 如表i - i 所 示) 。 表i - 1 快速成型目前所用的成型材料简表 固态粉末 材料形态液态固态薄材蹋态丝科 非金属 金属 丙烯醴基光固化树脂蜡粉 钢粉覆膜纸 环氧基光固化树脂树脂砂覆膜钢粉覆膜塑料蜡丝 材料种类 导电液塑料粉钢合金粉覆膜陶瓷箔塑料丝 水覆膜陶瓷粉铜台金粉覆膜金属箔 1 1 3 快速成型技术的主要方法 ( 1 ) 选择性激光烧结 如图1 - 3 选择性激光烧结原理图所示嘲，选择性激光烧结采用激光器作为能量源，通过 红外激光束使塑料等粉末材料均匀地烧结在加工平面上。首先激光束在计算机的控制下，通 过扫描器以一定的速度和能量密度按分层面的二维数据在已铺平的粉末层面上扫描，激光束 扫描之处，粉末烧结成一定厚度的实体片层，未扫描的地方仍保持松散的粉末状。然后根据 物体截面层的厚度而升降工作台，铺粉滚筒再次将粉末铺平后，开始新一层的扫描。如此反 复，直至扫描完所有层面。去掉多余粉末，经过打磨、烘干等处理而获得零件【司。 1 绪论 图1 - 3 选择性激光烧结原理图 ( 2 ) 熔融沉积制造 将c a d 模型分为一层层极薄的截面，生成控制喷嘴移动轨迹的二维几何信息。f d m 加热头将热熔性材料加热到临界半流动状态，在计算机的控制下，喷嘴头沿c a d 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 系统形成新层，进行固化嗍。这样层层堆积粘结，自下而上形成一个零件的三维实体( 如 图1 _ 4 所示) 。 ( 3 ) 分层物体制造 单面涂有热熔胶的纸通过加热辊加压粘结在一起。此时位于其上方的激光器按照分层 c a d 模型所获得的数据，将一层纸切割成所制零件的内外轮廓，然后新的一层纸再叠加在 上面，通过热压装置，将下面已经切割的层粘合在一起，激光再次进行切割( 如图1 - 5 所 示) 。切割时工作台连续下降，切割掉的纸片仍留在原处，起支撑和固化作用 9 1 。 # 日，r 纷进弼 b ) 甲簿榄制 1 2 快速成型技术的特点 图1 5 叠层实体制造工作原理 1 2 1 快速成型技术与传统机械加工相比的优越性 目前，快速成型技术可以制成几何形状任意复杂的零件，而不受传统机械加工方法中刀 具无法达到某些型面的限制。而且在曲面制造过程中，c a d 数据的转化( 分层) 可百分之 百地全自动完成，而不靠数控切削加工中需要高级工程人员付出复杂的人工辅助劳动才能转 化为完全的工艺数控代码，不需要传统的刀具或工装等生产准备工作。任意复杂零件的加工 只需在一台设备上完成，因而大大地缩短了新产品的开发成本和周期，其加工效率亦远胜于 数控加工。使设计者、制作者、推销者、用户都从中受益【1 1 , 1 2 。 ( 1 ) 设计者在最初的阶段，就能拿到实在的产品样品，在单个零件和装配部件的级别 上，对产品设计进行效验和优化，并可在不同阶段快速修改、重做样品。给设计者创造一个 优良的设计环境，提供一个快捷、有力的物理模拟手段，无需多次反复思考、修改，即可尽 快得到优化结果，从而能显著地缩短设计周期和降低成本。 ( 2 ) 制作者能及早对产品设计提出意见，做好原材料、标准件、外协加工件、加工工 艺和批量生产用工模具等的准备，最大限度地减少失误和返工，大大节省工时、降低成本和 提高产品质量。 ( 3 ) 推销者能及早、实在地向用户宣传和征求意见，以及进行比较准确的市场需求预 测，而不是仅凭抽象的产品描述或图纸、样本来推销。得以显著地降低新产品的销售风险和 成本，大大缩短其投放市场的时间和提高竞争能力。 ( 4 ) 用户能及早、深刻地认识产品，进行必要的测试，并及时提出意见，从而可以在 尽可能短的时间内，以最合理的价格得到性能最符合要求的产品。 1 2 2 快速成型技术的应用 快速成型技术不但已经广泛应用于家电、汽车、航空航天、船舶、工艺设计、医疗等领 域【1 3 ，1 4 , 堋，而且艺术、建筑等领域的工作者也已开始使用快速成型设备，越来越多的艺术家 1 绪论 已成为计算机工作者，即不再单纯地依靠以前的手工，而是由快速成型设备来表达新的思路 和创新i 。 在快速成型工业的早期，汽车和航空工业主宰着快速成型市场，占有超过一半的市场份 额，但当快速成型传入其它行业后，这种情况已经不再存在。图1 6 数据由7 家快速成型研 究机构和1 2 家快速成型服务机构提供，这1 9 家公司提供的是基于他们各自客户的估计数 l l t l 。清楚显示了采用快速成型技术的行业构成情况，几乎四分之一的用户为消费品制造 商，在“其它”这个行业类别中包括专业体育用品、非消费品、非军事海洋用品和其它一些 不适合正规分类的行业类别。 图1 _ 6 采用快速成型技术的行业构成情况 快速成型模型的应用范围很广，由图l - 7 可知，几乎三分之一的快速成型模型被用来做 装配和功能方面的应用，另外三分之一是用来做可视化的辅助手段，同时，超过四分之一的 用户是用它来做为二次模具制作的模型使用【1 8 1 。 图1 - 7 快速成型模型使用情况 1 3 快速成型技术的研究现状和发展趋势 1 3 1 国内研究现状 国内进行r p 技术的研究是从“八五”期间起步，“九五”期间即取得了突破性的进 展。自主开发了无模砂型制造、低温冰型工艺以及不采用激光器的紫外光快速成型机等几种 新的r p 技术，是在r p 技术上的创新，引起了国际及国内同行的重视。较早开展r p 研究 的有清华大学、华中理工大学、西安交通大学、浙江大学、南京航天航空大学和北京隆源自 动成型系统公司等单位。此后，国内又有许多单位加入到了这个行列中来，比如上海交通大 学、中国科学院沈阳自动化研究所等圈。各大学和主要的研究单位机构对r p m 的研究方向 和进展如下： 清华大学激光快速成型技术中心的r p m 研究包括盼删：( 1 ) 成型理论的研究；( 2 ) 开展了s s m ( s l i c i n gs o l i dm a n u f a c t u r i n g ) 、基于s l 工艺的金属模具的研究；其中s s m 工 艺于1 9 9 4 年通过国家教委鉴定，目前正在商品化；( 3 ) 进行了多功能的m r p m s 试验机的 研制；( 4 ) 反求工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 的研究。 华中理工大学从1 9 9 1 年开始，在政府的支持下开始进行r p m 技术研究，1 9 9 4 年开发 成功l o m 样机，到1 9 9 7 年就向市场推出商品化的l o m 成型设备。目前，该单位己对 l o m 设备进行了系列化的开发，同时还成功地推出商品化的s l s 设备。该校还利用复膜技 术快速制造铸模，翻制出了铝合金模具和铸铁模块。 西安交通大学主要开展了s l a 工艺、材料的研究并开发了一台试验样机，同时开发出 l p s 和c p s 系列的光固化成型系统及相应树脂，其中c p s 系统采用紫外灯为光源，成型精 度0 2 m i n i 3 6 1 。南京航天航空大学进行了s i s 工艺的研究 3 7 1 ；华中科技大学研究l o m 工 艺，推出了h r p 系列成型机和成型材料闭。 上海交通大学开发了具有我国自主知识产权的铸造样模计算机辅助快速制造系统，为汽 车行业制造了多种模具。 隆源公司的r p 服务中心也为企业制作了多种精密铸模；北京理工大学与国外合作将 r p m 技术用于内燃机进排气系统的开发，也取得了很好的效果；中国科学院沈阳自动化所 也开始了s l a 工艺的研究并开始对企业进行服务。 香港较内地r p 技术起步较早，香港生产力促进局和香港科技大学、香港理工大学、香 港城市大学等都拥有r p 设备，但其重点是r p 技术应用与推广而不是研制r p 设备。台湾 大学拥有l o m 设备，台湾各单位及军方安装多台进口s l 系列设备例。 我国在1 9 9 5 年召开了第一届快速成型制造会议；1 9 9 7 年中国机械工程学会电加工分会 成立了r p m 技术专业委员会，1 9 9 8 年召开了国际研讨会；2 0 0 0 年开了第二届快速成型制 造会议，在国家科技部的支持下，建立了五个生产力促进中心( 西北、湖北、深圳、天津、 宁波) ，它们都在发挥着将r p m 技术成果转化为生产力推广的作用。 现在快速成型系统的应用还不十分广泛，仅限于大型企业和少部分科研院所。目前，国 内的家电行业走在了国内前列。如广东的美的、华宝、科龙、江苏的春兰、小天鹅、青岛的 1 绪论 海尔等，都先后采用快速成型系统来开发新产品，收到了很好的效果。 目前国内在l i p 技术的研究应用上存在着研究队伍比较薄弱，资金投入有限，应用普及 范围不够，没有统一协调的管理机制等缺陷。 1 3 2 国外研究现状 美国在这个领域直处于领先地位，是世界上最重要的l i p 设备生产国，1 9 9 9 年美国生 产的r p 设备占全世界的8 1 5 ，美国的r p 发展水平及其趋势基本代表了世界的l i p 发展水 平及趋势。而欧洲国家、日本和中国也取得了丰硕的成果【柏j 。 不借助传统工具，试图通过现代制造技术实现物体三维造型的概念起源于2 0 世纪7 0 年 代。1 8 9 2 年美国人j eb l a n t h e r 获得了用层合方法制作三维地图模型的专利，可以说是近 代分层制造方法的开端【4 1 4 2 1 。随后，日本以东京大学为首，一批学术、研究单位也积极开 展了这方面的工作。1 9 7 9 年，东京大学生产技术研究所中川威雄( n a k a g a w a ) 教授发明了 叠层模型造型法，制造了金属冲裁模、成型模和注塑模。1 9 8 0 年日本名古屋工业大学的小 玉秀男( k o d a m a ) 博士又提出了光造型法( 立体印刷成型) ，并于1 9 8 1 年首次发表了快速 成型制造技术的论文 4 3 1 。此后，日本出现了一些商业化的成型系统，如三菱商社的s o u p 系统，三井造船的c o l a m m 系统等。1 9 9 9 年3 d s y s t e m s 公司推出s l a 2 7 0 0 0 机型，扫描速 度可达9 5 2 m s ，层厚最小可达0 0 2 5 m m l 4 4 1 。a u t o s t r a d e 公司开发了以6 8 0 n m 左右波长 半导体激光器为光源的r p 系统，及针对该波长的可见光树脂。 h e l i s y s 公司研制出多种l o m 工艺用的成型材料，可制造用金属薄板制作的成型件。该 公司还与d a y t o n 大学合作开发基于陶瓷复合材料的l o m 工艺。苏格兰的d u n d e e 大学使用 c 0 2 激光器切割薄钢板，使用焊料或粘接剂制作成型。日本k i r a 公司p l t 2 a 4 成型机采用 超硬质刀具切割和选择性粘接的方法制作成型件。澳大利亚的s w i n b u m 工业大学开发了用 于l o m 工艺的金属塑料复合材料。 d t m 公司推出了系列s i n t e r s t a t i o n 成型及多种成型材料，其中s o m o s 材料具有橡胶特 性，耐热、抗化学腐蚀，用该材料制造出了汽车上的蛇形管、密封垫等柔性零件。e o s 公 司研制了p a 3 2 0 0 g f 尼龙粉末材料，用其制作的零件具有较高的精度和表面光洁度。 s t r a t a s y s 公司推出f d m 系列成型机，可使用两个喷头同时造形，制作速度快。1 9 9 9 年 推出使用热塑性塑料的g e n i s y s 成型，并开发出水溶性支撑材料，解决了复杂及小型孔洞中 的支撑材料难以去除的问题。 美国的zc o r p 与日本的r i k e ni n s t i t u t e 于2 0 0 0 年研制出基于喷墨打印技术的、能制作 出彩色原型件的l i p 设备。该系统采用4 种不同的颜色能产生8 种不同的色调，原型件可表 现出三维空间内的热应力分布情况，切割开原型，即可发现原型内的温度和应力变化情况， 这对于原型的有限元分析尤其实用嗍。荷兰的t n o 和德国的b m t 也在研究r p 彩色制造 技术。 美国s a n d e r sp r o t o t y p el n c 的基于热熔金属喷射技术的p a t t e r nm a s t e r 是制作速度最快 的r p 设备之一。制作范围为3 0 0 m m x l 5 0 m m x 2 2 0 m m ，用户可实时制作原型、验证设计， 东北林业人学坝i 学位论文 随后即可得到成型件。成型件的表面精度为0 0 8 m m 0 1 6 m m l 4 6 1 。 另外，美国的许多大学也在快速成型制造技术领域投入了大量的人力和经费。比较主要 的有：( 1 ) t h eu n i v e r s i t yo fd a y t o n ：从事包括s l a 在内的多种r p m 工艺研究。( 2 ) t e x a su n i v e r s i t y ( 得克萨斯大学) 主要从事s l s 工艺研究。( 3 ) m i t ( 麻省理工学院) 主 要开展了有关3 d p 方面的研究工作，是这项技术的发源地，包括金属成型和陶瓷成型。此 外，n e w j e r s e y 理工学院，斯坦福以及其他许多大学都在进行这方面的研究工作。 欧洲国家同样在r p m 领域相继开展了许多研究工作。其中有英国诺丁汉 ( n o t t i n g h a m ) 大学的e d i c k i n s 等人提出一种基于三维焊接成型的方法；英国利物浦大学 的z w z h a n g 教授开展了基于i 心技术的远程制造技术；德国的g e n e r i sg e n e r a t i v es y s t e m e 于2 0 0 1 年推出基于喷墨打印的设备，先在每层沙( 或蜡) 上喷射粘接剂( 平铺) ，再选择性 喷射反应物，该设备的制作速度比其它选择性激光烧结设备快1 0 倍以上。设备制作零件的 范围为1 5 m x 0 7 5 m x 0 7 5 m ，制作速度为o 0 0 8 m 3 h 4 7 1 ；以色列的洲o dg e o m e t r i e s 公司 2 0 0 0 年底推出3 维打印机系列的r p 设备2 q u a d r a 建造零件尺寸为 2 7 0 m m x 3 2 0 m m 2 0 0 m m i 船1 。q u a d r a 用了1 5 3 6 个喷头选择性沉积树脂，安装在喷头前后的 紫外灯固化喷射出的液态树脂等。 1 3 3 发展趋势 当今时代为网络时代，快速成型技术已经与其它技术相互结合，形成一个完整而又庞大 的技术体系【1 9 1 。该体系具有技术系统化、需求多样化、技术多样化和复杂化以及技术更新 速度不断加快等特点。但任何新产品都有一个逐渐完善与发展的过程。因此，快速成型技术 必将在现在的基础上，不断开发出新的工艺、材料及智能化相关技术，朝着精密化、低成 本、标准化方向发展，并应以能直接生产半功能性、功能性零件为目标。我国如果能够在这 些技术上取得突破，就在快速成型技术的研究与应用上占得先机，我国的制造业就能利用这 一优势赶上发达国家m 2 1 1 。 ( 1 ) 提高成型精度 影响成型件精度的因素主要来源于与数学相关的误差、与工艺相关的误差以及与材料相 关的误差这三方面。如果能解决好这三方面的问题，把精度提高一个等级，将会是一个重大 的突破。 ( 2 ) 新材料的开发 目前，快速成型材料的成型性能大多不太理想，成型件的物理性能不能满足功能性、半 功能性零件的要求，必须借助于再处理或二次加工。由于材料技术开发的专门性，快速成型 材料大部分是由各设备制造商单独提供，不同厂家的材料通用性很差，阻碍了快速成型技术 的发展。另外，一般快速成型材料的价格都比较贵，造成生产成本较高，因此，应研究开发 成本低、易成型、变形小、标准化、无污染的成型材料，这也是当前快速成型技术研究的一 个热点问题。新材料的发展对快速成型的发展将会产生巨大的推动作甩。 ( 3 ) 开发概念模型机或台式机 1 绪论 目前，快速成型技术向两个方向发展：工业化大型系统，用于制造高精度、高性能零 件，主要用于汽车行业。日本东京大学在这方面做了许多工作，我国清华大学研发的大型快 速成型设备，成型尺寸已达到1 6 0 0 m m 8 0 0 r a m x 7 5 0 m m ，为世界之最阎。自动化的桌面 小型系统，此类系统称为概念模型机或台式机，主要用于制造概念原型，进行产品造型设计 的宣传，作为产品的展示模型、投标模型等使用。发达国家许多科研机构( 如i b m 公司) 及教育单位( 中等职业学校甚至中小学) 已经开始购买此种小型快速成型设备，并极有可能 进入家庭。美国通用汽车公司也计划为其每位工程师配备一台此类设备。 ( 4 ) 开发新的成型能源 目前，快速成型技术大多以激光作为能源，而激光系统( 包括激光器、冷却器、电源 和外光路) 的价格及维护费用昂贵，致使成型件的成本较高，于是许多快速成型研究集中于 新成型能源的开发。目前已有采用半导体激光器、紫外灯等低廉能源代替昂贵激光器的快速 成型系统，也有相当多的系统不采用激光器而通过加热成型材料堆积出成型件。 ( 4 ) 研究新的成型方法与工艺 在过去的几十年中，各国的研究者开发研制了十几种成型方法，基本上都给予立体平面 化离散堆积的思路。这种方法还存在很多不足，今后有可能研究及“堆积”和“切削” 于一体的快速成型方j 去l 捌，即快速成型与c n c 机床和其他传统的加工方式相结合，以提高 制件的性能和精度，降低生产成本。还可能从r p 原理延伸而产生一些新的快速成型工艺方 法。 ( 5 ) 集成化 生物科学、信息科学、纳米科学、制造科学和管理科学是2 1 世纪的5 个主流科学洲， 与其相关的五大技术及其产业将改变世界，制造科学与其它科学交叉是其发展趋势。 1 4 项目研究背景和意义 1 4 1 研究背景 从2 0 世纪6 0 年代开始，全球制造业几乎每隔1 0 年就经历场制造战略的变迁，发展 到9 0 年代，计算机技术迅速普及和c a d c a m 技术的广泛应用，制造业强调的是市场响应 速度，要求产品的开发周期、生产周期以及更新周期越来越短。同时，市场环境也发生了巨 大变化，一方面表现为消费者需求日益主体化、个性化和多样化；另一方面则是产品制造商 们都着眼于全球市场的激烈竞纠珏2 6 , 2 7 , 2 s i 。面对市场，不但要迅速地设计出符合人们消费需 求的产品，而且还必须快速地生产制造出来，抢占市场。因此，面对个迅速变化且无法预 料的买方市场，以往传统的大批量生产模式对市场的响应就显得越来越迟缓与被动，不能适 应日新月异的市场变化。譬如制造一个复杂的原型需要1 到2 个月的时间，而制造一个用于 风洞试验的缩小飞机模型则需要一年的时间i 嚣l 。快速响应市场需求，已经成为制造业发展 的重要走向。为此，近年来各大学、研究机构、和企业一直在不遗余力地开发先进的制造技 术以提高制造业的发展水平。 而近年来出现的快速成型( r a p i dp r o t o t y p i n g 简称r p ) 技术就是在这种背景下逐步形 东北林业人掌坝i j 学位论义 成并得到发展的，它是先进制造群的一个重要组成部分，被认为是近年来制造领域的一次重 大突破，其重大影响可以和数控技术相媲美。该技术借助计算机、激光、精密传动和书刊等 现代手段，将计算机辅助设计( c a d ) 和计算机辅助制造( c a m ) 集成于一体，可以自 动、快速、直接、精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型或制造零件，从而可以对产 品进行快速评价、修改，制造周期大大缩短，由几周、几个月缩短为若干个小时，以响应市 场要求，提高企业的市场竞争力。 1 4 2 研究意义 本研究采用混合粉末作为制造快速原型的材料。基于木粉的快速原型件与现有的快速成 型原料相比，成本更低，更环保，更易降解，外观与木材相似，具有木材的特点，采取适当 的工艺使其具有适当的强度，在一定程度上可以在某些场合替代现有的塑料和树脂模型，作 为概念原型、功能测试的原型、模具和功能零件使用。此外，由于其具有木材的某些特性， 还能用在一些特定的场合，例如复杂造型的木雕工艺品，原来只能手工加工，用此方法可以 实现快速自动加工。 基于木粉的快速原型制造与其他快速原型制造方法不同。考虑到木粉本身的特殊性，遇 到高温会变性的特点，不能采用烧结成型和熔融固化成型的方法。只能通过分层喷胶碾压的 方法成型，或采用木粉混胶形成软丝条堆砌的成型方法。其中前者强度更容易保证，且不需 要其它支撑材料，所以选择分层喷胶碾压的工艺方法。为保证原型零件的强度和质量，在成 型工艺上必须采取一定的保证措施。 另外，目前木粉的加工已经能达到纳微米量级【3 ，为基于木粉的快速成型在原材料的 供应方面奠定了基础。实际上，根据对原型精度要求的不同，对木粉的粒度也有不同的要 求，并不是客观的追求木粉颗粒的一致性。根据成型件的应用场合、质量和技术要求不同， 对木粉的材质和粒度有选择的应用。木粉可以利用木材加工的边角废料加工而成，采用木粉 作为快速成型材料，解决了由于成型材料开发的专门性，价格比较贵，生产成本高的问题。 经查阅资料和调研，国内外至今没有以木粉为原料的快速成型工艺和设备，新的快速原 型材料的应用，必然扩大快速原型的应用范围。而且由于木粉易于制造，成本较低，可以推 进快速原型在各领域中的应用，在一定程度上缓解了由于原料价格高造成的成型原件成本提 升带来的快速成型设备买得起、用不起的问题。 其他快速原型制造的方法大都是国外提出的，在我国应用和推广。本项目提出了木粉作 为新的快速成型材料的工艺和方法，开创快速原型制造新的研究方向和应用领域，具有我国 特色，必然带来新一轮快速原型制造的应用高潮。 木材是一种生物材料，不仅可再生，而且在生产和使用过程中的能耗大大低于其他材 料，是真正环境友好的生态材料。黑龙江省是我国的主要产林区，也是我国的主要木材生产 基地。本项目研究，对提高我省的主要生物资源一木材的高效利用，利用木材及边角废料 制造高性能、高附加值的产品，提高我省森工产业的技术水平，提高森工及相关产业的经济 效益，振兴老工业基地具有重大意义。 2 基干术粉的快速成型技术设计思想 2 基于木粉的快速成型技术设计思想 2 1 课题可行性论证 快速成型技术的基本原理是基于“离散”的增长方式成型原型或制品。早在1 8 9 2 年， 美国人j e b i a n t h e r 获得了用层合方法制作三维地图模型，就是基于这种“增长”的制造方 式。到2 0 世纪8 0 年代中后期快速成型技术得到了迅速发展，出现了十几种不同的快速成型 技术。快速成型技术以其能快速地、自动地、直接地、精确地将设计思想物化为具有定功 能的原型或制造零件，加快了产品更新换代的速度，降低了企业投资新产品的风险，加强了 企业引导消费的力度，从而受到广大产品制造商的青睐。目前，快速成型技术已经商业化， 受到广大用户的喜爱，已经在各大研究机构和大企业广泛应用。除此之外，以往的快速成型 方法存在运行成本高，维修费用昂贵，用户买得起用不起的问题，各大研究机构都在开发新 的材料和方法，降低成本，使快速成型技术得以快速推广。此时研究本专题并开发出适合人 们要求的低成本快速成型技术具有很重要的意义。 工艺过程和成型材料是快速成型目前研究的核心部分，本课题研究的基于木粉的快速成 型技术正是以材料、工艺为切入点，以木粉代替以往成型材料中的蜡粉、尼龙粉、高分子材 料粉、钢粉、以及固态片材、固态丝材等【鹕邓1 罔。改变了传统的以激光作为主要能源方 式，采用胶粘剂使木粉成型，最终形成原型。当前一些相关领域的研究也取得了进展，例如 密度板是木屑压板制成的。由木材碎料或类似材料制成的各种板材和型材也不断被研发。最 近，以木材纤维或木粉为填充物的塑木复合材料，经挤出或压制成型为型材、板材或其他制 品，现在也已经初步达到了工业化水平。说明用木粉或塑木压制简单形状的工艺是成熟的， 只要研究适当的工艺，木粉作为快速成型的原料也是可行的。另外，木粉的制造技术已经相 当成熟，国内外有很多木粉加工厂，为本课题研究提供了充足原材料。东北林业大学材料学 院在这方面有丰富的经验，并提供了实验设备和技术支持。本课题得到了博士后基金的大力 支持，为该技术的最终实现提供了必要条件。 2 2 基于木粉快速原型制造的总体设计思想 2 2 1 成型方法的选择 快速成型机不断涌入市场，虽然工艺和材料各异，其主题设计思想都离不开将三维的零 件转化为二维图形，然后再逐层叠加，几乎每种成型机的制造商都提供配套的材料，材料缺 乏通用性，且成本相对较高。我们的设计思想也是基于这种先“离散”后“叠加”的思路 网，研究开发一种新的快速成型工艺和设备，在满足技术要求的情况下，材料方面主要考 虑通用性和降低成本，快速成型设备的能源使用价格低的机械喷头代替激光器。具有成型速 度快，材料具有通用性、价格低的特点，设备具有使用费用低廉的特点。 一。 东北林业人学坝i 学位论文 2 2 2 成型材料的选择 本课题研究的是一种基于木粉的快速成型技术，新型材料的开发已经成为当前快速成型 技术研究开发的新焦点。木粉不受生产厂家的限制，不同规格和材质的木粉可以在不同的木 粉生产厂订购，价格相对便宜，制作出的原型具有木质的特点，可以用在一些特殊的场合， 如工艺品的制作，复杂形状零件的制造。 本课题研究的基于木粉的快速成型技术是充分利用计算机技术、c a d c a m 、数控技 术、精密传动等先进技术，将木粉应用到快速成型制造当中去，使用胶黏剂，在设备方面不 采用价格昂贵且使用寿命短的激光器，而是采用价格低廉使用寿命长的机械喷头。与其他快 速成型技术相比，采用木粉作为快速成型的材料，不但可以降低原型件的生产成本，而且成 型原件外观与木材相似，具有硬木的特点。采用合适的后处理方式，使成型件强度高、不易 变形，可以在某些场合替代现有的塑料和树脂模型，作为概念原型、功能测试的原型、模具 和功能零件使用。更有利于快速成型技术的推广。 2 2 3 成型思想的选择 快速成型具有快速性、设计制造一体化、自由成型制造、高度柔性、材料的广泛性、技 术的高度集成等优点。但是任何一项新技术的产生，都要经历逐渐完善的过程，快速成型技 术目前正处于这一关键阶段，存在着一些不足。主要集中在下述几点上： ( 1 ) 材料成本高 就日前已有的几种快速成型技术来看，普遍存在材料成本高的问题，其中分层物体制 造( l o m ) 的材料最便宜，9 6 3 一1 7 0 8 美元l 【g ，材料价格最贵的是立体平板印刷设备 ( s l a ) 和熔积成型( f d m ) ，2 5 0 - 4 5 8 美元蚝，选择性激光烧结( s i s ) 的材料价格居中 剐。 清华大学开发研制的低温冰型快速成型方法，以水为原料，价格低廉，成型原件的精度 也好，但同时受到低温的限制，还不能在各领域广泛地使用。 ( 2 ) 设备价格和系统运行成本高 目前一台快速成型设备需3 0 - 5 0 万美元，还不包括系统运行时所需的保护气体、水电动 力、房屋、备件和维护费用，以及设备折旧费等。对于采用激光作成型源的r p 系统，必须 着重考虑激光器的保证使用寿命和维修价格。例如：紫外激光器的保证使用寿命为2 0 0 0 小 时，紫外激光管的价格达上万美元。另外，由于成型原件在其强度、表面质量等性能在有些 情况下还满足不了应用的要求。为了弥补直接成型零件的一些不足之处，我们往往投入大量 的人力、物力进行必要的后处理，提高成型件的强度和表面光洁程度。 ( 3 ) 后处理成本高 目前，直接由r p 设备成型的零件，其强度、表面质量等性能在有些情况下还满足不了 应用的要求。为了弥补直接成型零件的一些不足之处，往往需要通过适当的后处理工艺来提 t 高成型件的强度和表面光洁程度。这就需要投入一定的人力和有关的后处理设备。 ! 量三当丝竺竺堡些型丝童塞兰璺窒 2 3 基于木粉的快速成型研究特点 2 3 1 研究的主要内容 ( 1 ) 使用木粉和添加剂形成的混合粉末进行快速原型制造的工艺。干燥的木粉质轻， 有静电，应有措旋防止静电的影响；直接在木粉上喷胶形成零件强度低，应经过压制。喷胶 后影响干燥速度，应有烘干加热过程。这些就构成了木粉快速成型与其他材料快速成型工艺 上的区别。 另外，所用胶的成分和浓度及用量。必要的添加剂的种类和配比是工艺中非常重要的方 面，与成品的力学性能和化学性能有关，也对使用性能有很大影响，应专门加以研究。并通 过实验确定。 ( 2 ) 研制实现木粉快速原型制造的实验设备。实现该工艺的设备与加工工艺相适应。 应能完成混粉一铺粉一压实一喷胶一烘干一工作台下降一再混粉的循环过程。 2 3 1 2 基于木粉分层喷胶快速成型原理 r p 各种技术的成型原理基本相同，以下结合图2 -